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 en muelles o flexiones elásticas como referencia inercial, lo que le permite medir el movimiento absoluto de la base del sensor. Cuando la carcasa vibra, el movimiento relativo entre la masa suspendida y la carcasa se convierte en una señal eléctrica que representa la vibración. Dependiendo de dónde se sitúe la frecuencia de medición respecto a la del sistema masa-resorte frecuencia natural, el sensor funciona en uno de dos regímenes: por encima de la resonancia, la masa tiende a permanecer quieta en el espacio y el movimiento relativo sigue el desplazamiento de la carcasa (el régimen clásico de sismómetro y captador de velocidad), mientras que por debajo de la resonancia, la pequeña deflexión residual de la masa es proporcional a la aceleración de la carcasa (el régimen del acelerómetro). La característica definitoria es que la referencia se transporta 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.
- Resorte: resortes mecánicos o elementos flexibles delgados que sostienen la masa.
- Amortiguación: 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 por completo de dónde caiga la frecuencia de excitación respecto a su propia frecuencia natural, y las dos familias principales de sensores trabajan deliberadamente en lados opuestos de la resonancia:
- Por debajo de la frecuencia natural (régimen del acelerómetro): la masa y la carcasa se mueven esencialmente juntas, y la pequeña deflexión residual de la masa es proporcional a la aceleración. Los acelerómetros piezoeléctricos y MEMS trabajan aquí, por debajo de su alta resonancia montada.
- A la frecuencia natural: el sistema entra en resonancia: la salida se amplifica, pero se distorsiona y deja de ser fiable, por lo que se evita medir cerca de la resonancia.
- Por encima de la frecuencia natural (régimen del sismómetro): la masa permanece prácticamente inmóvil mientras la carcasa vibra a su alrededor, y el movimiento relativo sigue el desplazamiento (o la velocidad) de la carcasa. Los sismómetros de desplazamiento y los captadores de velocidad de bobina móvil trabajan aquí, por encima de su baja frecuencia natural.
- Usable ranges: un captador de velocidad se utiliza convencionalmente por encima de aproximadamente 2× su frecuencia natural, donde su respuesta se ha estabilizado y es plana; un acelerómetro se utiliza muy por debajo de su resonancia montada, normalmente hasta alrededor de un tercio de esta para una buena precisión.
2. Tipos de transductores sísmicos
Transductores de velocidad (de bobina móvil)
- Un imán está suspendido sobre resortes dentro de una bobina fija (o viceversa).
- 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 (montada) mucho más alta, normalmente 10–30 kHz.
- A diferencia de los captadores de velocidad, utilizados debajo de resonancia: utilizable desde aproximadamente 1 Hz hasta alrededor de un tercio de la frecuencia de resonancia montada.
- 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.
- Se monta 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
- Los captadores de velocidad no pueden medir con fiabilidad por debajo de aproximadamente 2× su frecuencia natural; los tipos de bobina móvil, en particular, responden mal por debajo de 15–20 Hz. Existe una compensación inherente: una frecuencia natural más baja permite un mejor alcance a baja frecuencia, pero exige un sensor más grande y pesado.
- Los acelerómetros pierden precisión a medida que la frecuencia de medición se aproxima a su resonancia montada; el límite superior práctico (normalmente alrededor de un tercio de la resonancia montada) depende en gran medida del método de montaje (véase ISO 5348).
- En el extremo muy bajo, la respuesta del acelerómetro está limitada por el elemento sensor y la electrónica del amplificador, más que por la suspensión sísmica; normalmente hasta alrededor de 0.5–1 Hz para unidades industriales estándar.
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 interna suspendida 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 los captadores de velocidad trabajan por encima de su frecuencia natural mientras que los acelerómetros trabajan por debajo de su resonancia montada— explica tanto las fortalezas como los límites de estos dos caballos de batalla de cualquier programa industrial de análisis de vibraciones.
