¿Qué es un acelerómetro? Guía para el análisis de vibraciones
Un acelerómetro es un transductor (o sensor) que convierte el movimiento mecánico —concretamente la aceleración generada por vibraciones o golpes — en una señal eléctrica proporcional. Es, con diferencia, el sensor más utilizado en mantenimiento predictivo y monitorización de condición. Al medir la rapidez con la que cambia la velocidad de un punto de una máquina, un acelerómetro proporciona los datos brutos que permiten a un analista diagnosticar una amplia gama de fallos mecánicos y eléctricos, desde defectos de los cojinetes a desequilibrio y desalineación.
En los kits de equilibrado en campo, el acelerómetro es el sensor de referencia: el Sensor de vibración Vibromera es un acelerómetro industrial que se suministra con los instrumentos Balanset.
1. Definición: La esencia de la medición de vibraciones
La aceleración es la magnitud que se debe medir en la maquinaria rotativa, ya que las fuerzas dinámicas que causan daños en una máquina —la fuerza centrífuga derivada de un punto pesado o el impacto de una pista de rodamiento astillada— varían proporcionalmente a la aceleración. Un acelerómetro responde directamente a esas fuerzas, razón por la cual constituye el núcleo de casi cada moderno analizador de vibraciones y colector de datos.
Una de las ventajas prácticas del acelerómetro es que su señal de aceleración puede ser electrónicamente integrada una vez para dar velocidad (mm/s), y dos veces para obtener desplazamiento (µm). Por lo tanto, un único sensor bien instalado cubre las tres unidades de vibración clásicas, lo que permite al analista elegir la que mejor revele un fallo concreto.
2. ¿Cómo funcionan los acelerómetros? El principio piezoeléctrico
Aunque existen varios principios físicos, la inmensa mayoría de los acelerómetros que se utilizan en la maquinaria industrial se basan en el efecto piezoeléctrico. El procedimiento es muy sencillo:
- Cristal piezoeléctrico: En el interior del sensor, una pequeña masa sísmica está fijada a un elemento piezoeléctrico —normalmente un material cerámico como el PZT o, en los sensores de alta gama, un cristal de cuarzo cortado con precisión—.
- Aplicación de fuerza: Cuando la máquina vibra, la carcasa se mueve con ella. Por inercia, la masa interna se opone a ese movimiento y ejerce una fuerza sobre el cristal, igual, según la segunda ley de Newton, al producto de la masa por la aceleración.
- Generación de una señal: Un cristal piezoeléctrico sometido a tensión genera una pequeña carga eléctrica directamente proporcional a la fuerza aplicada y, por lo tanto, a la aceleración.
- Salida: Los componentes electrónicos internos procesan esta señal y la transmiten a través de un cable a un registrador de datos o a un sistema de monitorización como representación analógica de la aceleración en ese punto.
La forma en que se condiciona esa carga da lugar a dos familias comunes. Un sensor de salida de carga envía la carga sin procesar a un amplificador de carga externo y soporta temperaturas muy elevadas. Mucho más habitual en la industria es el IEPE (o modo de voltaje) que integra el amplificador en el sensor y genera una tensión de baja impedancia que se transmite bien a través de un cable normal de dos hilos. Los diseños más resistentes utilizan un diseño de cizalla que aísla el cristal de la flexión de la base y de los transitorios térmicos.
3. Tipos de acelerómetros
Las distintas aplicaciones requieren sensores diferentes, cada uno con sus propias ventajas.
Acelerómetros de uso general
Estos son los pilares de la monitorización industrial. Por lo general, ofrecen una sensibilidad de 100 mV/g y un rango de frecuencias adecuado para la mayoría de los equipos habituales, como bombas, motores y ventiladores —aproximadamente de 2 Hz a 10 kHz—.
Acelerómetros MEMS
Los acelerómetros de sistemas microelectromecánicos (MEMS) están fabricados en silicio, son muy pequeños, consumen poca energía y son económicos. Aunque históricamente han sido menos sensibles que los de tipo piezoeléctrico, los dispositivos MEMS modernos están mejorando rápidamente y son habituales en la electrónica portátil, los sistemas de automoción, nodos de monitorización inalámbrica e instalaciones de monitorización del estado de menor coste.
Acelerómetros piezorresistivos
Estos sensores, que se utilizan para ensayos de impacto y movimientos de baja frecuencia, responden hasta los 0 Hz (aceleración continua), lo que los hace útiles para medir la aceleración constante en una centrifugadora o el movimiento lento de un vehículo.
Acelerómetros de alta frecuencia
Diseñados para detectar eventos de alta frecuencia, como daños incipientes en engranajes y cojinetes, estos sensores utilizan una masa sísmica más pequeña y una frecuencia de resonancia más alta, lo que permite realizar mediciones precisas hasta los 20 kHz o más allá —el rango en el que técnicas como análisis de envolvente y el método de impulsos de choque operan.
4. Características técnicas principales y selección
A la hora de elegir un acelerómetro, los ingenieros tienen en cuenta varios parámetros:
- Sensibilidad (mV/g): Una mayor sensibilidad proporciona una señal de salida más potente, lo que resulta más adecuado para detectar vibraciones de baja amplitud; 100 mV/g es el estándar industrial habitual.
- Respuesta en frecuencia: El rango en el que el sensor realiza lecturas precisas. Debe abarcar el rango previsto de frecuencias de fallo de la máquina, con un amplio margen por debajo de su propia frecuencia natural (de resonancia).
- Rango de temperatura: El sensor debe soportar la temperatura de la superficie en la que se instala; un sensor de temperatura suele instalarse en el mismo lugar para permitir una supervisión conjunta.
- Método de montaje: La forma de fijación del sensor —con perno, adhesivo o imán— influye considerablemente en la precisión a altas frecuencias. Una fijación con perno por ISO 5348 ofrece el mejor acoplamiento y el ancho de banda útil más amplio; un imán resulta práctico para trabajos de ruta, pero reduce el límite superior de frecuencia. Un montaje deficiente puede dar lugar a una falsa resonancia de montaje que se disfraza de fallo del equipo.
Puedes calcular la pérdida de ancho de banda que supone un método de fijación determinado con la Calculadora de resonancia de montaje del acelerómetro antes de decidirse por un sistema de montaje.
5. Aplicaciones en la monitorización de estado
Los acelerómetros son la base de casi toda tarea de análisis de vibraciones entre ellas:
- Programas de mantenimiento predictivo: recopilar datos rutinarios sobre una ruta para analizar la evolución del estado de las máquinas y predecir posibles fallos.
- Diagnóstico de averías: detectar desequilibrios, desalineaciones, holgura y desgaste de los rodamientos desde el espectro de vibración.
- Pruebas de aceptación: comprobar que la maquinaria nueva o reparada cumple con las especificaciones de vibración, tales como ISO 20816 (el sucesor moderno de la norma ISO 10816).
- Análisis modal: estudiando las frecuencias naturales y formas modales de una estructura.
El equilibrado sobre el terreno es uno de los trabajos más exigentes, ya que requiere la amplitud y el fase de la vibración de una vez por revolución. Un instrumento portátil de dos canales como el Balanset-1A toma sus dos acelerómetros, los sincroniza con un pulso de tacómetro y mide la amplitud y la fase de 1× directamente en los propios cojinetes de la máquina a velocidad de funcionamiento, transformando la señal bruta del acelerómetro en los coeficientes de influencia y los pesos de corrección necesarios para equilibrar el rotor in situ.
