Informazioni sulle sonde di prossimità (sensori a correnti parassite)
A sonda di prossimità — noto anche come sonda a correnti parassite oppure un trasduttore di spostamento — è un sensore senza contatto che misura la distanza tra la sua punta e un bersaglio conduttivo, quasi sempre un albero rotante. Laddove un accelerometro viene fissato all'involucro e rileva le vibrazioni della struttura, mentre una sonda di prossimità controlla through l'alloggiamento del cuscinetto e rileva il movimento effettivo dell'albero rispetto al cuscinetto stesso. Questa caratteristica lo rende il sensore principale per la protezione e il monitoraggio di macchinari critici ad alta velocità che funzionano con cuscinetti a film fluido, ed è alla base del monitoraggio relativo all'albero monitoraggio delle vibrazioni nel settore delle turbomacchine a livello mondiale.
1. Definizione: che cos'è una sonda di prossimità?
La caratteristica distintiva di una sonda di prossimità è che misura spostamento relativo — la posizione della superficie dell'albero rispetto al supporto della sonda — espressa direttamente in micrometri o mil. Ciò è sostanzialmente diverso da un sensore sismico come un trasduttore di velocità oppure un accelerometro, che misura il movimento assoluto del componente a cui è fissato. Su una macchina di grandi dimensioni con un carter pesante e rigido e un albero relativamente leggero che scorre su un film d'olio, il carter si muove appena mentre l'albero può ruotare in modo significativo al suo interno cuscinetto radente. In quella situazione, solo un sensore con osservazione dell'albero rileva la situazione reale, ed è per questo che i sensori di prossimità sono i più diffusi protezione dei macchinari su turbine e compressori.
2. Il sistema di sonde di prossimità: tre componenti abbinati
Una catena di misura completa con sonda di prossimità è composta da tre componenti perfettamente compatibili tra loro, calibrati insieme come un unico set:
- Sonda: un sensore con corpo filettato dotato di una punta sigillata che racchiude una bobina piatta di filo metallico. Viene installato mantenendo una distanza specifica dall'albero e fissato saldamente in posizione.
- Prolunga: un cavo coassiale di lunghezza prestabilita che collega la sonda al driver. La sua lunghezza fa parte della regolazione elettronica del sistema e non è un cavo di lunghezza arbitraria.
- Proximitor / driver: un modulo elettronico che genera un segnale a radiofrequenza (RF) ad alta frequenza, lo invia alla bobina della sonda e demodula il segnale di ritorno per produrre una tensione di uscita proporzionale alla distanza.
Poiché i tre elementi sono calibrati come un unico insieme — in genere secondo il fattore di scala standard del settore pari a 200 mV per mil (circa 7,87 mV/µm) — essi sono non intercambiabili con componenti di un altro sistema. L'utilizzo di una sonda di un set con un driver o un cavo di lunghezza diversa compromette la calibrazione e le letture. L'errore di lunghezza elettrica totale viene corretto da compensazione del cavo, e la catena assemblata dovrebbe arrivare con un certificato di taratura documentandone il fattore di scala tracciabile.
3. Come funziona: il principio delle correnti parassite
Il proximitor invia il proprio segnale RF alla bobina della punta, che irradia un piccolo campo magnetico. Quando la punta viene avvicinata a un albero conduttore, tale campo induce minuscole correnti circolanti — correnti parassite — nello strato superficiale del materiale dell'albero. Le correnti parassite generano un proprio campo magnetico opposto e l'energia che assorbono carica la bobina. La quantità di energia persa dipende dalla distanza dalla superficie conduttiva: più l'albero è vicino, più forti sono le correnti parassite e maggiore è il carico.
Il proximitor misura questo carico e genera due segnali di uscita sovrapposti: un tensione continua proporzionale al media gap, and an tensione alternata proporzionale al dinamico movimento dell'albero durante la vibrazione.
Poiché questa tecnica si basa sulle correnti indotte nel metallo piuttosto che sul contatto meccanico o sulla luce, è immune all’olio, allo sporco e alla pressione all’interno della cavità del cuscinetto, ma è sensibile all’uniformità elettrica e magnetica della superficie dell’albero — un aspetto che verrà ripreso più avanti nel contesto del runout. Gli stessi principi fisici sono alla base della più ampia famiglia di sonde a correnti parassite utilizzato per il rilevamento della posizione senza contatto.
4. Cosa misurano i sensori di prossimità
Una singola sonda — e soprattutto una coppia di sonde — fornisce una notevole quantità di informazioni sullo stato e sul comportamento del rotore:
- Vibrazioni radiali: una coppia di sonde X-Y disposte a 90° l'una rispetto all'altra rileva il movimento dell'albero in due dimensioni, che l'analizzatore combina in un orbita dell'albero — un'immagine diretta del percorso tracciato dalla linea centrale ad ogni giro.
- Posizione assiale (di spinta): una sonda posizionata all'estremità dell'albero misura il gioco assiale, la prima linea di difesa contro cuscinetto reggispinta failure.
- Posizione dell'asse centrale: la componente in corrente continua indica la posizione media del perno all'interno del suo gioco, rivelando usura dei cuscinetti, le variazioni di carico e il linea di centro dell'albero cambia man mano che la macchina si riscalda.
- Velocità di rotazione e fase: un sensore che rileva una scanalatura o un incavo si attiva una volta per giro, fungendo da affidabilissimo Keyphasor o tachimetro che fornisce il fase riferimento per il bilanciamento e la diagnostica.
- Eccentricità: una lettura a rotazione lenta effettuata a bassa velocità quantifica il valore combinato di eccentricità meccanica ed elettrica della superficie dell'albero, che viene poi sottratta dalle misurazioni in funzionamento per isolare il vero movimento dinamico.
5. Vantaggi e ambiti di applicazione
I sensori di prossimità rappresentano la scelta standard per la protezione di turbomacchine di grandi dimensioni e di importanza critica, per una serie di motivi correlati:
- Non-contact: Nulla entra in contatto con l'albero, quindi non si verifica usura e non vi sono limiti di velocità imposti dal sensore: una soluzione ideale per il funzionamento ad alta velocità.
- Osservazione diretta dell'albero: vedono cosa fa l'albero all'interno del cuscinetto, cosa che in una macchina con carter pesante conta molto di più del movimento del carter stesso.
- Risposta fino a 0 Hz (corrente continua): rilevano sia le vibrazioni dinamiche sia la posizione media, cosa che un accelerometro — che non è in grado di misurare uno spostamento costante — non può fare per sua natura.
- Elevata affidabilità: a tenuta stagna, robusto e progettato per ambienti difficili, caldi e oleosi e per un funzionamento continuo.
Per questi motivi sono quasi universalmente utilizzati nelle grandi turbine a vapore e a gas, nei compressori centrifughi e assiali, nei turbogeneratori, nonché nelle grandi pompe e nei motori che funzionano con cuscinetti a manicotto o cuscinetti radenti (a strisciamento), dove la loro installazione è prescritta da norme quali API 670. Il loro complemento naturale sulle macchine dotate di cuscinetti a rotolamento è l'accelerometro montato sulla carcassa, e molti monitoraggio online I sistemi utilizzano entrambi. Quando una macchina a film fluido sviluppa squilibrio, la coppia di sonde X–Y la rende visibile come un'orbita 1× in espansione, e la correzione del campo può essere effettuata in loco con un analizzatore portatile a due canali come il Balanset-1A, che legge l'ampiezza e la fase 1× fornite dalle sonde e calcola il valore richiesto pesi di correzione.
6. Insidie pratiche
- Runout elettrico: Le variazioni locali nella permeabilità dell'albero o nel magnetismo residuo generano un segnale di vibrazione errato che non ha nulla a che vedere con il movimento effettivo. Questo segnale viene eliminato mediante una sottrazione del runout a rotazione lenta.
- Materiale di destinazione errato: Il fattore di scala calibrato presuppone l'utilizzo di una lega specifica per l'albero (di solito acciaio AISI 4140). L'uso di un materiale diverso modifica la sensibilità e richiede una nuova caratterizzazione.
- Gap fuori intervallo: la sonda deve trovarsi all'interno del proprio intervallo lineare — solitamente con un valore centrale vicino a −10 V CC. Se si avvicina troppo o si allontana troppo, la risposta diventa non lineare o si verifica un clipping.
- Graffi e placcatura: Qualsiasi imperfezione superficiale o rivestimento presente sulla fascia osservata dell'albero viene interpretato come un movimento; pertanto, tale fascia deve essere liscia, rotonda e uniforme.
