Comprensión de las sondas de proximidad (sensores de corrientes de Foucault)
A sonda de proximidad — también conocido como un sonda de corrientes de Foucault o un transductor de desplazamiento — es un sensor sin contacto que mide la distancia entre su punta y un objetivo conductor, casi siempre un eje giratorio. Cuando un acelerómetro se fija a la carcasa y detecta las vibraciones de la estructura; una sonda de proximidad comprueba through la carcasa del cojinete y registra el movimiento real del eje con respecto a este. Esa distinción lo convierte en el sensor principal para la protección y la supervisión de maquinaria crítica de alta velocidad que funciona con cojinetes de película de fluido, y constituye la base de la medición relativa al eje monitorización de vibraciones en turbomáquinas a nivel mundial.
1. Definición: ¿Qué es un sensor de proximidad?
La característica principal de un sensor de proximidad es que mide desplazamiento relativo — la posición de la superficie del eje con respecto al soporte de la sonda — directamente, en micrómetros o milésimas de pulgada. Esto difiere fundamentalmente de un sensor sísmico como, por ejemplo, un transductor de velocidad o un acelerómetro, que mide el movimiento absoluto de la pieza a la que está fijado. En una máquina de gran tamaño con una carcasa pesada y rígida y un eje relativamente ligero que se desliza sobre una película de aceite, la carcasa apenas se mueve, mientras que el eje puede girar considerablemente en su interior cojinete de muñón. En esa situación, solo un sensor de observación del eje detecta lo que realmente ocurre, y por eso predominan los sensores de proximidad protección de maquinaria en turbinas y compresores.
2. El sistema de sonda de proximidad: tres componentes a juego
Una cadena de medición completa con sonda de proximidad se compone de tres piezas perfectamente adaptadas entre sí, que se calibran conjuntamente como un conjunto:
- Sonda: un sensor con cuerpo roscado y punta sellada que encierra una bobina plana de alambre. Se instala manteniendo una distancia física específica con respecto al eje y se fija en su posición.
- Cable alargador: un cable coaxial de una longitud determinada que conecta la sonda al controlador. Su longitud forma parte del ajuste electrónico del sistema, no es un cable de conexión cualquiera.
- Proximitor / controlador: un módulo electrónico que genera una señal de radiofrecuencia (RF) de alta frecuencia, la transmite a la bobina de la sonda y demodula la señal de retorno para producir una tensión de salida proporcional a la distancia.
Dado que los tres elementos están calibrados como una unidad —normalmente según el factor de escala estándar del sector de 200 mV por mil (aproximadamente 7,87 mV/µm)—, estos son no intercambiables con componentes de otro sistema. Si se combina una sonda de un juego con un controlador o un cable de otra longitud, se altera la calibración y las lecturas. El error de longitud eléctrica total se corrige mediante compensación del cable, y la cadena montada debería llegar con un certificado de calibración documentando su factor de escala trazable.
3. Cómo funciona: el principio de las corrientes parásitas
El proximitor envía su señal de radiofrecuencia a la bobina de la punta, que irradia un pequeño campo magnético. Cuando la punta se acerca a un eje conductor, ese campo induce pequeñas corrientes circulantes — corrientes de Foucault — en la capa superficial del material del eje. Las corrientes parásitas generan su propio campo magnético opuesto, y la energía que absorben carga la bobina. La cantidad de energía perdida depende de la proximidad de la superficie conductora: cuanto más cerca esté del eje, más intensas serán las corrientes parásitas y mayor será la carga.
El proximitor mide esta carga y genera dos señales de salida superpuestas: una Voltaje de CC proporcional a la media gap, and an voltaje de CA proporcional a la dinámico el movimiento del eje al vibrar.
Dado que la técnica se basa en corrientes inducidas en el metal, en lugar de en el contacto mecánico o la luz, es insensible al aceite, la suciedad y la presión en la cavidad del rodamiento, pero sí es sensible a la uniformidad eléctrica y magnética de la superficie del eje —un aspecto que se vuelve a abordar más adelante en el apartado sobre la excentricidad—. Los mismos principios físicos sustentan la familia más amplia de sondas de corrientes parásitas utilizado para la detección de desplazamiento sin contacto.
4. Qué miden los sensores de proximidad
Una sola sonda —y, sobre todo, un par de ellas— proporciona una cantidad notable de información sobre el estado y el comportamiento del rotor:
- Vibración radial: un par X-Y montado a 90° capta el movimiento del eje en dos dimensiones, que el analizador combina en una órbita del eje — una representación directa de la trayectoria que describe la línea central en cada vuelta.
- Posición axial (de empuje): una sonda situada en el extremo del eje mide la holgura axial, la primera línea de defensa contra cojinete de empuje failure.
- Posición del eje central: la componente de corriente continua indica la posición media del muñón dentro de su holgura de cojinete, lo que revela desgaste de los rodamientos, los cambios de carga y el línea central del eje se desplaza a medida que la máquina se calienta.
- Velocidad de rotación y fase: una sonda que detecta una ranura o muesca se activa una vez por revolución, lo que la convierte en un sistema de gran fiabilidad Keyphasor o tacómetro que suministra el fase referencia para el equilibrado y el diagnóstico.
- Excentricidad radial: Una lectura a giro lento, realizada a baja velocidad, cuantifica la combinación de desviación mecánica y eléctrica de la superficie del eje, que luego se resta de las mediciones en marcha para aislar el movimiento dinámico real.
5. Ventajas y ámbitos de aplicación
Los sensores de proximidad son la opción habitual para proteger turbomaquinaria grande y crítica, por varias razones relacionadas entre sí:
- Non-contact: Nada entra en contacto con el eje, por lo que no se produce desgaste y el sensor no impone ningún límite de velocidad, lo que lo hace ideal para aplicaciones de alta velocidad.
- Observación directa del eje: ven lo que hace el eje dentro del cojinete, lo cual, en una máquina con carcasa pesada, es mucho más importante que el movimiento de la carcasa.
- Respuesta hasta 0 Hz (CC): captan tanto la vibración dinámica como la posición media, algo que un acelerómetro —que no puede medir un desplazamiento constante— es incapaz de hacer por naturaleza.
- Alta fiabilidad: hermético, resistente y diseñado para entornos hostiles, calurosos y con presencia de aceite, así como para un funcionamiento continuo.
Por estas razones, su uso es casi generalizado en grandes turbinas de vapor y de gas, compresores centrífugos y axiales, turbogeneradores, así como en grandes bombas y motores que funcionan con cojinetes de manguito o de muñón, donde su instalación es obligatoria según normas como API 670. Su complemento natural en las máquinas con rodamientos de elementos rodantes es el acelerómetro montado en la carcasa, y muchos monitorización en línea Los sistemas utilizan ambos. Cuando una máquina de película fluida genera desequilibrio, el par de sondas X-Y permite visualizarla como una órbita 1× en expansión, y la corrección de campo puede realizarse in situ con un analizador portátil de dos canales como el Balanset-1A, que lee la amplitud y la fase de 1× que proporcionan las sondas y calcula el valor necesario pesos de corrección.
6. Problemas prácticos
- Desviación eléctrica: Las variaciones locales en la permeabilidad del eje o en el magnetismo residual generan una señal de vibración falsa que no tiene nada que ver con el movimiento real. Esta señal se elimina mediante una sustracción de la desviación con rotación lenta.
- Material objetivo incorrecto: El factor de escala calibrado se basa en una aleación de eje específica (normalmente acero AISI 4140). Si se utiliza un material diferente, la sensibilidad varía y es necesario volver a caracterizarlo.
- Separación fuera de rango: La sonda debe situarse dentro de su rango lineal, que suele estar centrado en torno a −10 V CC. Si se acerca demasiado o se aleja demasiado, la respuesta deja de ser lineal o se produce un recorte.
- Arañazos y chapado: Cualquier defecto superficial o recubrimiento en la banda observada del eje se interpreta como un movimiento, por lo que dicha banda debe ser lisa, redonda y uniforme.
