Cos'è un accelerometro? Una guida per l'analisi delle vibrazioni
UN accelerometro è un trasduttore (o sensore) che converte il movimento meccanico — in particolare il accelerazione prodotti da vibrazioni o urti — in un segnale elettrico proporzionale. È di gran lunga il sensore più diffuso nel manutenzione predittiva e monitoraggio delle condizioni. Misurando con quale rapidità un punto su una macchina varia la propria velocità, un accelerometro fornisce i dati grezzi che consentono a un analista di diagnosticare un'ampia gamma di guasti meccanici ed elettrici — da difetti dei cuscinetti A sbilanciare e disallineamento.
1. Definizione: il fulcro della misurazione delle vibrazioni
L'accelerazione è la grandezza fisica da misurare sulle macchine rotanti, poiché le forze dinamiche che causano danni alle macchine — come la forza centrifuga generata da un punto di massa concentrata o l'impatto causato dalla scheggiatura di una pista di un cuscinetto — variano proporzionalmente all'accelerazione. Un accelerometro reagisce direttamente a tali forze, motivo per cui è il cuore di quasi tutte le moderne analizzatore di vibrazioni e collettore dati.
Uno dei vantaggi pratici dell'accelerometro è che il suo segnale di accelerazione può essere elaborato elettronicamente integrato una volta per dare velocità (mm/s), e due volte per ottenere spostamento (µm). Un unico sensore, correttamente installato, copre quindi tutte e tre le classiche unità di misura delle vibrazioni, consentendo all'analista di scegliere quella che meglio evidenzia un determinato guasto.
2. Come funzionano gli accelerometri? Il principio piezoelettrico
Sebbene esistano diversi principi fisici, la stragrande maggioranza degli accelerometri utilizzati nei macchinari industriali si basa sul effetto piezoelettrico. La procedura è semplice:
- Cristallo piezoelettrico: All'interno del sensore, una piccola massa sismica è fissata a un piezoelettrico elemento — solitamente un materiale ceramico come il PZT, oppure, nei sensori di alta gamma, un cristallo di quarzo tagliato con precisione.
- Applicazione della forza: Quando la macchina vibra, l'involucro si muove insieme ad essa. Per effetto dell'inerzia, la massa interna oppone resistenza a tale movimento ed esercita una forza sul cristallo — pari, in base alla seconda legge di Newton, al prodotto della massa per l'accelerazione.
- Generazione di un segnale: Un cristallo piezoelettrico sottoposto a sollecitazione genera una minuscola carica elettrica direttamente proporzionale alla forza applicata e, di conseguenza, all'accelerazione.
- Uscita: I componenti elettronici interni condizionano questa carica e la trasmettono tramite un cavo a un dispositivo di raccolta dati o a un sistema di monitoraggio sotto forma di rappresentazione analogica dell'accelerazione in quel punto.
Il modo in cui tale carica è condizionata definisce due famiglie comuni. A carica-uscita il sensore trasmette la carica grezza a un dispositivo esterno amplificatore di carica e resiste a temperature molto elevate. Molto più diffuso nell'industria è il IEPE (o modalità tensione) che integra l'amplificatore nel sensore e fornisce in uscita una tensione a bassa impedenza che si propaga bene lungo un normale cavo a due fili. I modelli più robusti utilizzano un cesoia struttura che protegge il cristallo dalla flessione della base e dagli sbalzi termici.
3. Tipi di accelerometri
Applicazioni diverse richiedono sensori diversi, ciascuno con i propri punti di forza.
Accelerometri per uso generico
Questi sono i pilastri del monitoraggio industriale. In genere offrono un sensibilità di 100 mV/g e un intervallo di frequenza adatto alla maggior parte dei macchinari comuni, quali pompe, motori e ventilatori — all'incirca da 2 Hz a 10 kHz.
Accelerometri MEMS
Gli accelerometri basati sui sistemi microelettromeccanici (MEMS) sono realizzati in silicio, sono di dimensioni molto ridotte, a basso consumo energetico ed economici. Sebbene in passato fossero meno sensibili rispetto ai modelli piezoelettrici, i moderni dispositivi MEMS stanno migliorando rapidamente e sono ormai diffusi nell'elettronica portatile, nei sistemi automobilistici, monitoraggio wireless nodi e impianti di monitoraggio delle condizioni a basso costo.
Accelerometri piezoresistivi
Utilizzati per prove di urto e movimenti a bassa frequenza, questi sensori rispondono fino a 0 Hz (accelerazione in corrente continua), il che li rende utili per misurare l'accelerazione costante all'interno di una centrifuga o il movimento lento di un veicolo in marcia.
Accelerometri ad alta frequenza
Progettati per rilevare eventi ad alta frequenza, come i primi segni di danneggiamento di ingranaggi e cuscinetti, questi sensori utilizzano una massa sismica più piccola e una frequenza di risonanza più elevata, consentendo misurazioni accurate fino a 20 kHz o oltre — la gamma in cui tecniche come analisi dell'inviluppo e il metodo dell'impulso d'urto dal vivo.
4. Caratteristiche tecniche principali e scelta
Quando si sceglie un accelerometro, gli ingegneri prendono in considerazione diversi parametri:
- Sensibilità (mV/g): Una maggiore sensibilità garantisce un segnale di uscita più forte, ideale per rilevare le vibrazioni di basso livello; 100 mV/g è lo standard industriale comunemente adottato.
- Risposta in frequenza: La banda su cui il sensore effettua una lettura accurata. Deve coprire la gamma prevista frequenze di guasto della macchina, con un ampio margine al di sotto del sensore stesso frequenza naturale (di risonanza).
- Intervallo di temperatura: Il sensore deve resistere alla temperatura della superficie su cui è montato; un sensore di temperatura è spesso collocato nello stesso luogo per consentire un monitoraggio combinato.
- Metodo di montaggio: Il tipo di fissaggio del sensore — a perno, adesivo o magnetico — influisce notevolmente sulla precisione alle alte frequenze. Un fissaggio a perno per ISO 5348 garantisce il miglior accoppiamento e la larghezza di banda utilizzabile più ampia; un magnete è pratico per i rilievi in percorso, ma riduce il limite di frequenza superiore. Scadente montaggio può introdurre un falso risonanza del montaggio che si presenta come un guasto della macchina.
È possibile stimare la perdita di larghezza di banda causata da un determinato sistema di fissaggio utilizzando il Calcolatore della risonanza di montaggio dell'accelerometro prima di decidere quale sistema di montaggio adottare.
5. Applicazioni nel monitoraggio delle condizioni
Gli accelerometri sono alla base di quasi tutti i analisi delle vibrazioni attività, tra cui:
- Programmi di manutenzione predittiva: raccogliere dati di routine su un percorso per monitorare lo stato di salute delle macchine e prevedere i guasti.
- Diagnosi dei guasti: individuare squilibri, disallineamenti, scioltezza e usura dei cuscinetti dal spettro di vibrazione.
- Test di accettazione: verificare che i macchinari nuovi o riparati rispettino le specifiche relative alle vibrazioni, quali ISO 20816 (il moderno successore della norma ISO 10816).
- Analisi modale: studiare il frequenze naturali e forme modali di una struttura.
Il bilanciamento sul campo è uno dei compiti più impegnativi, poiché richiede sia l'ampiezza e il fase della vibrazione che si verifica una volta per giro. Uno strumento portatile a due canali come il Bilanciamento-1a prende i suoi due accelerometri, li fissa a un tachimetro misura l'ampiezza e la fase del 1× direttamente nei cuscinetti della macchina stessa alla velocità di esercizio, trasformando il segnale grezzo dell'accelerometro nei coefficienti di influenza e nei pesi di correzione necessari per bilanciare il rotore in loco.
