Comprensione dei sensori fotoelettrici
A sensore fotoelettrico è un dispositivo di rilevamento ottico che abbina una sorgente luminosa — un LED, un laser o un emettitore a infrarossi — a un fotorilevatore per rilevare la presenza, l'assenza o la posizione di un oggetto o di un segno tramite la trasmissione, la riflessione o l'interruzione della luce. Nell'ambito delle macchine rotanti, questi sensori fungono molto spesso da tachimetri: rilevano una tacca sull'albero una volta per giro per misurare la velocità e forniscono l'impulso di sincronizzazione una volta per giro che genera un fase riferimento per bilanciamento, e fornire fasore chiave funzionalità per i sistemi di protezione dei macchinari critici.
Il loro punto di forza risiede nel funzionamento senza contatto, nella risposta estremamente rapida, nell'immunità ai campi magnetici e nella capacità di rilevare materiali non ferrosi. Questa combinazione li rende strumenti versatili per il rilevamento della velocità e della posizione su praticamente ogni tipo di apparecchiatura rotante — e costituisce la base del tachimetri ottici e tachimetri laser utilizzati nei kit di bilanciamento portatili.
1. Modalità operative
I sensori fotoelettrici sono disponibili in tre configurazioni di rilevamento, che si differenziano per la posizione dell'emettitore e del ricevitore e per il modo in cui l'oggetto da rilevare influisce sul percorso della luce.
A raggio passante (modalità opposta)
La sorgente luminosa e il ricevitore sono alloggiati in involucri separati, disposti uno di fronte all'altro, e il rilevamento avviene quando l'oggetto interrompe il raggio che attraversa lo spazio tra i due. La portata è elevata — si possono raggiungere diversi metri — e l'affidabilità è la più alta tra tutte le modalità, essendo questa la meno sensibile allo sporco e alle variazioni di allineamento. Gli impieghi tipici sono il conteggio di lame e il rilevamento di oggetti sui nastri trasportatori.
Modalità retroriflettente
L'emettitore e il ricevitore condividono lo stesso alloggiamento, con un riflettore montato sul lato opposto; il bersaglio viene rilevato quando interrompe il percorso della luce riflessa. La portata è moderata (alcuni metri) e l'installazione su un solo lato è pratica, rendendola adatta al conteggio di pezzi e al rilevamento di oggetti di grandi dimensioni.
Modalità a riflessione diffusa — la scelta più comune per la tachimetria
Anche in questo caso l'emettitore e il ricevitore condividono lo stesso alloggiamento, ma in questo caso il sensore rileva la luce riflessa direttamente dalla superficie del bersaglio. La portata è ridotta — in genere 5–500 mm — e la configurazione consiste semplicemente nel puntare e rilevare. Questa è la modalità utilizzata per rilevare nastro riflettente per la misurazione della velocità e della fase, nonché il principio di funzionamento dei tachimetri laser.
2. Applicazioni nel monitoraggio delle vibrazioni
All'interno analisi delle vibrazioni lo stesso sensore svolge diverse funzioni distinte:
- Misurazione della velocità: rilevando il nastro riflettente o un elemento dell'albero una volta per giro e contando gli impulsi, lo strumento calcola giri al minuto, monitora costantemente la velocità e la verifica durante le misurazioni.
- Riferimento di fase: L'impulso generato una volta per giro definisce il punto di riferimento a 0°, fondamentale per i calcoli di bilanciamento, consentendo misurazioni con sincronizzazione di fase e la sincronizzazione tracciamento degli ordini.
- Funzione Keyphasor: un sensore fotoelettrico installato in modo permanente può fungere da Keyphasor, rilevando un segno, una fessura o un elemento caratteristico sull'albero ad ogni giro per fornire il riferimento di fase per sonda di prossimità sistemi — indispensabili per il monitoraggio delle turbomacchine in condizioni di API 670.
- Attivazione dell'evento: l'impulso può attivare l'acquisizione dei dati in una posizione specifica dell'albero, attivare un stroboscopio per la visualizzazione in stop-motion, oppure sincronizzare le misurazioni alla rotazione.
3. Caratteristiche tecniche che contano
Tre parametri determinano il corretto funzionamento di un sensore in una determinata installazione.
- Tempo di risposta: da microsecondi a millisecondi, deve essere sufficientemente veloce da coprire la velocità massima rilevata. Un albero a 10.000 giri/min supera il proprio punto di riferimento a circa 167 Hz, quindi un impulso pulito richiede una risposta inferiore al millisecondo.
- Distanza di rilevamento: Ogni modello ha una distanza operativa minima e massima che varia a seconda della riflettività del bersaglio; i sensori a modalità diffusa funzionano in genere a una distanza compresa tra 50 e 300 mm.
- Fonte di luce: rosso visibile (630–670 nm) è facile da puntare; infrarossi (850–950 nm) offre prestazioni migliori in condizioni di luce ambientale intensa; a laser offre un fascio di luce molto concentrato, una portata maggiore e un'attivazione più precisa.
4. Installazione e configurazione
Un funzionamento affidabile dipende soprattutto da un montaggio accurato. Il sensore deve essere orientato perpendicolare alla superficie riflettente per ottenere il segnale più forte, posizionarlo alla distanza indicata nelle specifiche, fissarlo saldamente in modo che le vibrazioni non ne alterino l'orientamento e proteggerlo da eventuali danni meccanici. Anche il bersaglio stesso è altrettanto importante: applicare del nastro riflettente in un punto adeguato sulla superficie pulita dell'albero, assicurandosi che vi sia esattamente un segno per ogni giro (una seconda superficie riflettente causa un doppio conteggio) e assicurarsi che il bersaglio sia ben fissato e non rischi di staccarsi durante la corsa. Infine, allineare il dispositivo puntando verso il bersaglio, controllare che l'indicatore LED del sensore mostri un segnale stabile, bloccare la posizione ed eseguire una rotazione completa per verificare l'affidabilità del rilevamento prima di fare affidamento sulla lettura.
5. Vantaggi
Il principio ottico senza contatto offre diversi vantaggi:
- Nessun contatto meccanico: nessun attrito né carico sull'albero, nessuna usura, funzionamento sicuro senza parti rotanti e utilizzabile a qualsiasi velocità.
- Indipendenza dal materiale: Funziona sia sui metalli ferrosi che su quelli non ferrosi, nonché su plastica, materiali compositi e legno: basta che ci sia un contrasto ottico.
- Risposta rapida e precisa: adatto ad applicazioni ad alta velocità, in grado di generare impulsi digitali nitidi con una temporizzazione precisa.
6. Limitazioni
Lo stesso principio ottico impone alcuni vincoli che è opportuno tenere in considerazione nella progettazione:
- Sensibilità ambientale: Una luce ambientale intensa può causare interferenze, mentre la polvere e la nebbia d'olio sulle ottiche ne compromettono le prestazioni; pertanto, la lente richiede una pulizia periodica e, in ambienti difficili, potrebbe essere necessario un involucro protettivo.
- L'allineamento è fondamentale: il sensore deve rimanere puntato sul bersaglio, e le vibrazioni o gli spostamenti potrebbero farlo deviare: un altro motivo per cui è necessario un montaggio stabile.
- Dipendenza dal bersaglio: deve essere presente un segno o un oggetto riflettente; le variazioni di riflettività influenzano la lettura e il nastro adesivo può staccarsi col tempo.
Quando non è possibile utilizzare un lettore ottico fisso, gli ingegneri ricorrono spesso ad alternative non ottiche, come ad esempio un sonda di prossimità (a correnti parassite) la lettura di una scanalatura, che non richiede l'uso di nastro adesivo e non è influenzata dallo sporco o dalla luce.
7. Sensori fotoelettrici nel bilanciamento pratico sul campo
Su uno strumento portatile, un tachimetro laser a riflessione diffusa è il sistema di rilevamento di fase standard proprio perché non richiede alcuna preparazione dell'albero oltre a una striscia di nastro adesivo. Il Balanset-1A è dotato proprio di questo tipo di tachimetro ottico a laser: si attiva tramite un piccolo pezzo di nastro riflettente, funziona su un ampio raggio d'azione e invia l'impulso ogni giro necessario al software per calcolare l'ampiezza e l'angolo di ciascun peso di correzione e per verificare il squilibrio residuo dopo la correzione. In breve, la risposta rapida del sensore fotoelettrico, la sua indipendenza dal materiale e il funzionamento senza contatto lo rendono un tachimetro ideale, che integra il accelerometri in un sistema completo di monitoraggio delle condizioni e di bilanciamento.
