Comprensión de los transductores sísmicos
A transductor sísmico —también conocido como sensor sísmico o transductor inercial— es un vibración sensor que utiliza una masa sísmica interna (una «masa de prueba») suspendida de resortes o elementos flexibles como referencia inercial, lo que le permite medir el movimiento absoluto de la base del sensor. Cuando la carcasa vibra, la masa suspendida tiende a permanecer inmóvil en el espacio (siempre que la frecuencia sea superior a la del sistema masa-resorte frecuencia natural), y el movimiento relativo entre la carcasa móvil y la masa prácticamente inmóvil se convierte en una señal eléctrica que representa la vibración. La característica definitoria es que la referencia se lleva inside el sensor, por lo que no se necesita ningún punto de referencia externo fijo.
El término «sísmico» proviene de la instrumentación sismológica: la masa suspendida de un sismómetro permanece relativamente inmóvil mientras el suelo se agita debajo de ella. En la monitorización de maquinaria, tanto transductores de velocidad y acelerómetros son transductores sísmicos en este sentido, aunque el término se asocia con mayor frecuencia al clásico captador de velocidad.
1. Principio de funcionamiento
Sistema masa-resorte-amortiguador
En esencia, todo transductor sísmico es un pequeño oscilador mecánico compuesto por cuatro partes funcionales:
- Masa sísmica: una masa de referencia calibrada suspendida en el interior de la carcasa del sensor.
- Primavera: resortes mecánicos o elementos flexibles delgados que sostienen la masa.
- Mojadura: amortiguación por aire, magnética (por corrientes de Foucault) o por fluido que contrarresta la resonancia.
- Transducción: el elemento que transforma el movimiento relativo entre la masa y la carcasa en tensión.
Regiones de respuesta en frecuencia
El comportamiento del sensor depende totalmente de dónde se sitúe la frecuencia de excitación con respecto a su propia frecuencia natural:
- Por debajo de la frecuencia natural: La masa y la carcasa se mueven al unísono, por lo que el movimiento relativo es mínimo y la respuesta es deficiente.
- A la frecuencia natural: el sistema entra en resonancia: la señal de salida se amplifica, pero resulta distorsionada y poco fiable.
- Por encima de la frecuencia natural: La masa permanece fija, mientras que la carcasa vibra a su alrededor. Esta es la zona de medición adecuada.
- Alcance utilizable: que se considera convencionalmente como más del doble de la frecuencia natural, punto en el que la respuesta se ha estabilizado y es plana.
2. Tipos de transductores sísmicos
Transductores de velocidad (de bobina móvil)
- Un imán está suspendido por resortes dentro de una bobina fija (o al revés).
- La velocidad relativa entre el imán y la bobina genera una tensión mediante inducción electromagnética.
- Frecuencia natural: normalmente entre 8 y 15 Hz.
- Se puede utilizar por encima de aproximadamente 16–30 Hz.
- Mide la velocidad directamente, sin necesidad de integrar la señal.
Acelerómetros
- Piezoeléctrico Estos modelos utilizan un cristal piezoeléctrico para detectar la fuerza inercial de la masa.
- Los dispositivos MEMS utilizan sensores capacitivos o piezorresistivos en un elemento microfabricado.
- Frecuencia natural mucho más alta, normalmente entre 10 y 30 kHz.
- Se puede utilizar a partir de aproximadamente 1 Hz.
- Mide la aceleración, que puede integrarse para obtener la velocidad o el desplazamiento.
3. Sensores sísmicos frente a sensores no sísmicos
La familia de sensores sísmicos se comprende mejor si se compara con los sensores que dependen de una referencia externa.
Sensores sísmicos (referencia inercial)
- Acelerómetros y transductores de velocidad.
- Miden el movimiento absoluto en el espacio inercial.
- Móntelo directamente sobre la estructura vibratoria.
- Toman como referencia su propia masa interna.
- La opción más habitual para la supervisión de maquinaria.
Sensores no sísmicos (referencia externa)
- Sondas de proximidad (sensores de corrientes parásitas).
- Mide el movimiento relativo entre dos superficies.
- Se necesita un punto de fijación fijo desde el que mirar.
- Normalmente, se mide el movimiento del eje con respecto al cojinete.
- Norma para la medición de las vibraciones de los ejes en máquinas con cojinetes de deslizamiento.
4. Ventajas del diseño sísmico
Referencia autónoma
- No se necesita ningún sistema de referencia externo.
- El sensor se puede instalar prácticamente en cualquier lugar de una estructura vibrante.
- Indica el movimiento absoluto real en el espacio inercial.
Versatilidad
- Un solo tipo de sensor abarca una gran variedad de aplicaciones.
- Es adecuado tanto para mediciones temporales como para instalaciones fijas.
- Se puede trasladar fácilmente de una máquina a otra.
Esta versatilidad es la razón por la que los instrumentos portátiles los utilizan. El de dos canales Balanset-1A, por ejemplo, obtiene sus lecturas de acelerómetros fijados a las cajas de rodamientos —sensores sísmicos autorreferenciados que no necesitan un punto de referencia fijo—, lo que permite a un ingeniero desplazarse rápidamente entre los puntos de medición y las máquinas mientras realiza el equilibrado in situ.
5. Limitaciones
Limitaciones de respuesta en frecuencia
- No es posible realizar mediciones fiables por debajo de aproximadamente el doble de la frecuencia natural.
- Los transductores de velocidad de bobina móvil, en particular, ofrecen un rendimiento deficiente por debajo de los 15-20 Hz.
- Existe una disyuntiva inherente: una frecuencia natural más baja ofrece un mejor alcance en las bajas frecuencias, pero requiere un sensor más grande y pesado.
Medición del movimiento de la carcasa
- El sensor detecta el movimiento de la carcasa del cojinete, no el del eje directamente.
- La vibración de la carcasa no es lo mismo que la vibración del eje: queda filtrada por la rigidez de los cojinetes y la estructura circundante.
- Cuando lo que importa es la trayectoria real del eje, es necesario utilizar sensores de proximidad.
6. Aplicaciones
Monitorización del estado de la maquinaria
- Mediciones de vibraciones en el alojamiento de los cojinetes.
- Evolución general de las vibraciones.
- Bearing-defect detección.
- Diagnóstico general de maquinaria rotativa.
Vibración estructural
- Estudios de vibraciones en edificios y cimientos.
- Monitorización sísmica de los terremotos.
- Vibraciones transmitidas por el suelo que emanan de la maquinaria.
Análisis modal
- Medición de la respuesta de una estructura ante un impacto calibrado.
- Determining frecuencias naturales y formas modales.
- Building the funciones de respuesta en frecuencia used in análisis modal.
Los transductores sísmicos, que utilizan una masa suspendida interna como referencia inercial, constituyen la base de la medición de vibraciones en maquinaria rotativa. Comprender el principio sísmico —cómo una masa suspendida permite medir el movimiento absoluto y por qué esa medición solo es válida por encima de la frecuencia natural del sensor— explica tanto las ventajas como las limitaciones de los acelerómetros y los transductores de velocidad, los dos pilares fundamentales de cualquier programa industrial de análisis de vibraciones.
