Comprensión de los acelerómetros IEPE
Un Acelerómetro IEPE — short for Electrónica integrada piezoeléctrica, y que también se comercializa bajo la marca ICP® o se describe como un sensor de «modo de tensión» o de «corriente constante», es un acelerómetro piezoeléctrico con un circuito electrónico de acondicionamiento de señal en miniatura integrado en su propia carcasa. Dicho circuito se alimenta mediante una corriente constante (normalmente de 2 a 20 mA) que se transmite a través del mismo cable coaxial de dos hilos que lleva la señal de salida de vuelta al instrumento. Al convertir la pequeña carga de alta impedancia del sensor en una tensión robusta de baja impedancia directamente en el punto de origen, el diseño IEPE elimina la necesidad de un amplificador de carga y permite utilizar cable coaxial normal y económico en largas distancias sin perder calidad de señal. Esta única innovación es la razón por la que el sensor IEPE se ha convertido en la opción predeterminada transductor for industrial vibración medición.
1. Definición: ¿Qué es un acelerómetro IEPE?
En esencia, todo sensor piezoeléctrico genera una carga eléctrica proporcional a aceleración. El problema es que esta carga se genera a una impedancia extremadamente alta, por lo que no puede transmitirse a través de un cable normal sin captar ruido y perder amplitud. Los sensores tradicionales de modo de carga resuelven esto mediante un amplificador externo voluminoso y un cable especial de bajo ruido. El acelerómetro IEPE, en cambio, integra un pequeño amplificador FET o de circuito integrado inside el sensor, por lo que la conversión de carga a tensión se produce antes de que la señal salga de la carcasa.
El resultado es un sensor que se comporta como una simple fuente de tensión. Es muy similar al acelerómetro en modo de tensión y, al igual que la mayoría de las naves industriales modernas, suele construirse como una acelerómetro de modo de cizallamiento para un rendimiento estable y con bajo nivel de ruido. Se calcula que los sensores IEPE se utilizan en más del 90 % de las aplicaciones industriales acelerómetro aplicaciones: son el motor que impulsa el día a día de monitorización de condición, equilibrando, y resolución de problemas.
2. Cómo funciona: alimentación y señal en un solo cable
Construcción interna
- Elemento piezoeléctrico: genera una carga proporcional a la aceleración cuando se somete a tensión el cristal o la cerámica sensora.
- Amplificador integrado: Una etapa de transistores de efecto de campo (FET) o de circuitos integrados (IC) situada dentro de la carcasa convierte esa carga de alta impedancia (en picoculombios) en una tensión de baja impedancia (en milivoltios).
- Cable de dos conductores: Un único cable coaxial transporta tanto la alimentación eléctrica como la señal de medición.
La ruta de alimentación y señal
El truco para que un solo cable cumpla dos funciones consiste en superponer la señal de vibración de CA a una tensión de polarización de CC:
- El instrumento envía una corriente constante regulada (normalmente de 4 mA) a través del cable.
- Esa corriente alimenta la electrónica interna del sensor, que funciona con una tensión de polarización de corriente continua de entre 8 y 12 V aproximadamente.
- La vibración mecánica modula esta tensión, por lo que la lectura se presenta como una pequeña señal de CA superpuesta a la tensión de polarización de CC.
- La etapa de entrada del instrumento está acoplada en CA: bloquea la polarización de CC y solo detecta el componente de vibración de CA.
Dado que la señal sale del sensor con una baja impedancia, es prácticamente inmune al ruido capacitivo y triboeléctrico que afecta a los cables de carga de alta impedancia.
3. Ventajas principales
- Sencillez: sin amplificador de carga externo, una sencilla conexión de dos hilos, cable coaxial convencional y una instalación rápida.
- Tramos de cable largos: La salida de baja impedancia permite utilizar cables de hasta unos 300 m (1.000 pies) con una pérdida mínima de señal y sin necesidad de cables especiales.
- Inmunidad al ruido: Una baja impedancia de fuente ofrece un rechazo de interferencias electromagnéticas (EMI) y de radiofrecuencia (RFI) mucho mayor que el modo de carga, por lo que los sensores IEPE dan muy buenos resultados en instalaciones con mucho ruido eléctrico.
- Relación calidad-precio: La eliminación de los amplificadores de carga reduce tanto los costes del sistema como los de instalación, y los sensores son un estándar del sector que se encuentra ampliamente disponible.
4. Especificaciones y rendimiento
Especificaciones típicas
- Sensibilidad: Lo habitual es un rango de 10 a 100 mV/g, siendo 100 mV/g el valor estándar de facto para la maquinaria en general; véase sensibilidad del sensor para ver cómo se adapta el resultado.
- Rango de frecuencia: aproximadamente de 0,5 Hz a 10 kHz, con el límite de baja frecuencia determinado por el acoplamiento de CA.
- Rango de medición: En las unidades industriales, lo habitual es un rango de ±50 g a ±500 g.
- Rango de temperatura: De -50 °C a +120 °C de serie, con versiones para altas temperaturas que alcanzan los +175 °C.
- Potencia requerida: Alimentación de 18-30 VCC con una corriente constante de 2-20 mA.
Características de rendimiento
Los sensores IEPE de buena calidad ofrecen una excelente linealidad (normalmente con un error inferior al 1 %), un bajo nivel de ruido de fondo, una respuesta en frecuencia plana en toda la banda de trabajo y una calibración que se mantiene estable a lo largo de los años. Vale la pena comprobar que la sensibilidad adecuada se ajuste al rango de entrada de su instrumento en el Calculadora de sensibilidad del sensor de vibración para que la aceleración a plena escala que espera no sature el amplificador.
5. Limitaciones a tener en cuenta
Respuesta de baja frecuencia
Dado que la salida está acoplada en CA, un condensador bloquea la corriente continua y la respuesta se atenúa en un punto de corte de baja frecuencia que suele situarse entre 0,5 y 2 Hz (el punto de −3 dB). Por lo tanto, un sensor IEPE no puede medir la corriente continua real ni los cambios muy lentos. Esto no supone ningún problema para la mayoría de la maquinaria que funciona a más de ~300 rpm, pero se convierte en una limitación real en ejes de velocidad muy baja, donde es preferible utilizar un sensor capaz de medir corriente continua.
Limitaciones de temperatura
La electrónica integrada es el punto débil en lo que respecta a la temperatura: las unidades IEPE estándar tienen un límite de unos 120 °C, e incluso las variantes para altas temperaturas alcanzan un máximo de unos 175 °C. Por encima de esa temperatura, la electrónica falla, y es precisamente por eso que los sensores de modo de carga —que carecen de electrónica interna— siguen siendo la opción preferida por encima de unos 200 °C, en aplicaciones nucleares y en otros entornos extremos.
Sensibilidad al bucle de tierra
El rechazo en modo común es solo moderado, por lo que las diferencias de potencial de tierra entre el sensor y el instrumento pueden generar ruido. Una conexión a tierra adecuada y, cuando sea necesario, el aislamiento eléctrico evitan este problema; con una instalación correcta, rara vez supone un inconveniente.
6. Prácticas recomendadas para aplicaciones e instalación
Los sensores IEPE se utilizan prácticamente en cualquier lugar donde se miden las vibraciones: monitorización de rutas con un dispositivo portátil colector de datos, sistemas permanentes en línea, conexiones temporales para la resolución de problemas, trabajo de taller y equilibrado del campo pruebas de funcionamiento y de aceptación de máquinas nuevas o reparadas. En un contexto de equilibrado, el mismo canal IEPE mide tanto 1× amplitud y fase. Un instrumento portátil de dos canales como el Balanset-1A lee los datos de sus acelerómetros IEPE en los propios cojinetes de la máquina a velocidad de funcionamiento, calcula los coeficientes de influencia y verifica el desequilibrio residual en relación con el grado de calidad seleccionado, todo ello sin necesidad de una máquina equilibradora.
Métodos de montaje
La forma en que se conecta el sensor limita directamente su ancho de banda útil; consulte la nota específica sobre montaje del sensor y las normas internacionales en ISO 5348:
- Stud mount: el mejor rendimiento y la frecuencia útil más alta (más de 10 kHz).
- Adhesivo: buen rendimiento semipermanente hasta unos 7-8 kHz.
- Magnético: práctico y adecuado para la monitorización rutinaria hasta unos 2-3 kHz.
- Sonda de mano: Solo un cribado rápido, con una precisión y un alcance limitados.
Comprobaciones de cables y alimentación
- Utilice cable coaxial de buena calidad, evite aplastarlo o doblarlo bruscamente, fíjelo para que no sufra vibraciones y manténgalo alejado de los circuitos de alta tensión.
- Compruebe que el instrumento suministre la corriente constante correcta (2-20 mA), compruebe la tensión de polarización (normalmente 8-12 VCC) y verifique que la tensión de alimentación sea la adecuada (18-30 VCC).
- En caso de duda, compruebe el canal con un sensor que sepa que funciona correctamente para localizar el fallo entre el sensor, el cable y el instrumento.
7. IEPE frente a otros tipos de acelerómetros
| Tipo | Electronics | Cabling | Best fit |
|---|---|---|---|
| IEPE / ICP® | Amplificador integrado | Cable coaxial simple, tramos largos | aproximadamente el 95 % del trabajo industrial |
| Modo de carga | Ninguno (requiere un amplificador de carga externo) | Cable especial de bajo ruido | Calor extremo (>175 °C), nuclear |
| MEMS | Silicio micromecanizado | A menudo integrado/digital | Bajo coste, tamaño reducido, respuesta en corriente continua |
En comparación con el modo de carga, el IEPE destaca por su simplicidad y su coste, pero sacrifica la capacidad de soportar temperaturas muy elevadas. En comparación con los MEMS, el IEPE piezoeléctrico ofrece una mayor sensibilidad, un ancho de banda más amplio y una trayectoria probada más larga, mientras que los MEMS contrarrestan con un menor coste, un tamaño más reducido y una respuesta en corriente continua genuina. Para la gran mayoría de la maquinaria de planta, el acelerómetro IEPE sigue ofreciendo el equilibrio óptimo entre rendimiento, simplicidad y coste, y es precisamente por eso por lo que ha desplazado a los antiguos sensores de modo de carga y de salida de tensión de alta impedancia en la mayoría de las tareas estándar de monitorización de estado, equilibrado y resolución de problemas.
