Comprensione degli accelerometri piezoelettrici
A accelerometro piezoelettrico è un vibrazione sensore che sfrutta l'effetto piezoelettrico — la proprietà per cui alcuni cristalli generano una carica elettrica quando sottoposti a sollecitazioni meccaniche — per convertire l'energia meccanica accelerazione in un segnale elettrico proporzionale all'ampiezza della vibrazione. Quando il sensore subisce un'accelerazione, una massa sismica interna comprime o deforma un elemento piezoelettrico, e la carica o la tensione risultante viene elaborata e emessa come segnale di misura. Grazie a un'ampia gamma di frequenze (da circa 0,5 Hz a oltre 50 kHz), all'elevata sensibilità, alla robustezza e a un elemento sensibile autogenerante che non necessita di alimentazione esterna, l'accelerometro piezoelettrico è il sensore di vibrazione più utilizzato nell'industria e costituisce la base della moderna analisi delle vibrazioni e il monitoraggio delle condizioni.
1. L'effetto piezoelettrico
Principio fisico
- Alcuni cristalli (quarzo, tormalina) e ceramiche (PZT, titanato di bario) sono piezoelettrici
- La sollecitazione meccanica genera una carica elettrica sulle superfici del cristallo.
- La carica è proporzionale alla forza applicata.
- L'effetto è reversibile: l'applicazione di una tensione provoca la deformazione dell'elemento.
- È autogenerante, quindi non serve alcuna fonte di energia per generare la carica stessa.
All'interno dell'accelerometro
Il percorso dal movimento al segnale è breve e diretto:
- La vibrazione provoca un'accelerazione della base e dell'alloggiamento del sensore.
- La massa sismica interna subisce una forza F = m × a.
- Quella forza esercita una sollecitazione sul cristallo piezoelettrico.
- Il cristallo genera una carica proporzionale alla forza e, di conseguenza, all'accelerazione.
- La carica viene raccolta dagli elettrodi e convertita in un segnale misurabile.
Poiché l'uscita rileva l'accelerazione, lo stesso segnale può essere integrato elettronicamente per velocità per l'analisi dei guasti a media frequenza, oppure utilizzato direttamente per lavori ad alta frequenza.
2. Tipologie in base alla struttura interna
Il modo in cui il cristallo viene caricato dalla massa sismica determina le caratteristiche del sensore.
- Tipo di compressione: il modello più diffuso, in cui il cristallo è compresso tra la massa e la base. Robusto e adatto a un ampio intervallo di temperature, è ideale per ambienti difficili, ma può risultare più sensibile alle sollecitazioni sulla base e ai transitori termici.
- Tipo a taglio: il cristallo viene sottoposto a taglio dal movimento della massa. Questa configurazione garantisce un eccellente isolamento della deformazione di base, una migliore risposta alle basse frequenze e una bassa sensibilità alle variazioni di temperatura, motivo per cui il accelerometro di taglio è la scelta ideale per misurazioni complesse.
- Tipo a flessione (piegatura): il cristallo lavora in flessione, garantendo una sensibilità molto elevata, ma è meno resistente e meno diffuso nell'uso industriale.
3. Tipi in base all'elettronica
La seconda classificazione riguarda il fatto che l'elettronica di condizionamento del segnale sia integrata nel sensore o esterna ad esso.
- Modalità di carica: l'uscita è una carica grezza espressa in picocoulomb, che richiede un amplificatore di carica. L'uscita ad alta impedenza è sensibile al movimento del cavo e rumore triboelettrico, ma, non avendo componenti elettronici interni, questi sensori resistono a temperature estreme (fino a circa 650 °C), rendendoli indispensabili per applicazioni specializzate in ambienti ad alta temperatura.
- IEPE / ICP (modalità tensione): I componenti elettronici integrati convertono la carica in una tensione a bassa impedenza. L' IEPE interfaccia — definita anche come accelerometro in modalità tensione — è lo standard del settore, grazie alla sua semplice connettività a due fili e all'eccellente immunità ai disturbi. È adatto a oltre il 95 % delle applicazioni industriali.
4. Specifiche tecniche
Sensibilità
Sensibilità è l'uscita per unità di accelerazione — in genere 10–100 mV/g per i sensori IEPE, oppure 1–100 pC/g per la modalità a carica. Una maggiore sensibilità garantisce una risoluzione più precisa ma un campo massimo più ridotto, pertanto il valore viene scelto in modo da corrispondere ai livelli di vibrazione previsti; il Calcolatore della sensibilità del sensore di vibrazioni aiuta a convertire la tensione di uscita nella corrispondente accelerazione.
Gamma di frequenza
- Bassa frequenza: un limite inferiore compreso tra circa 0,5 e 5 Hz, impostato dall'elettronica.
- Alta frequenza: un limite massimo compreso tra 5 e 50 kHz, determinato dal dispositivo montato risonanza.
- Gamma utilizzabile: per un'accuratezza dell'ampiezza di pochi punti percentuali, fino a circa un quinto (20%) della risonanza montata frequenza, secondo ISO 5348; un terzo della risonanza è solo un limite approssimativo di screening, con la lettura dell'ampiezza già superiore di circa 10–12%.
- Effetto di montaggio: Il metodo di montaggio limita notevolmente la risposta in alta frequenza ottenibile.
Intervallo di ampiezza e gamma dinamica
- Uso generico: da ±50 g a ±500 g.
- Elevata sensibilità: da ±5 g a ±50 g.
- Sensori di urto: da ±500 g a ±10.000 g.
Il segnale non deve mai superare il campo di misura del sensore, altrimenti si verificherà un clipping e si potrebbe danneggiare l'elemento; un ampio gamma dinamica consente a un unico sensore di rilevare sia i deboli toni caratteristici dei cuscinetti sia le forti vibrazioni dovute alla velocità di marcia nella stessa misurazione.
5. Criteri di selezione
La scelta del sensore più adatto all'applicazione è fondamentale per una corretta configurazione di misurazione.
- Monitoraggio generale dei macchinari: un accelerometro IEPE da 100 mV/g con un campo di misura di ±50 g, una risposta in frequenza compresa tra 1 Hz e 10 kHz, un intervallo di temperatura industriale (da −40 a +120 °C) e una sigillatura ermetica.
- Rilevamento dei difetti dei cuscinetti: una risposta in frequenza più estesa (oltre i 20 kHz) per catturare frequenze di guasto dei cuscinetti, sensibilità moderata (10–50 mV/g), ampia gamma dinamica e montaggio con prigioniero per un accoppiamento ottimale alle alte frequenze: la combinazione ideale per rilevare i primi segni di difetti dei cuscinetti.
- Applicazioni ad alta temperatura: IEPE per alte temperature (fino a circa 175 °C) o in modalità a carica (fino a circa 650 °C), con montaggio e cablaggio speciali, accettando un certo compromesso in termini di prestazioni a vantaggio della resistenza termica.
6. Montaggio e installazione
L'interfaccia di montaggio fa parte del sistema di misurazione: determina la risonanza di montaggio e quindi il limite di alta frequenza. In ordine decrescente:
- Montaggio su perno: il miglior accoppiamento, piatto fino a oltre 10 kHz.
- Adesivo: buona, piatta fino a circa 7–8 kHz.
- Magnetico: accettabile, piatta fino a circa 2–3 kHz.
- Sonda / portatile: scadente — limitato alle basse frequenze e a letture qualitative.
Per ottenere dati affidabili ad alta frequenza, la superficie deve essere pulita e piana, il prigioniero deve essere serrato correttamente, lo strato adesivo deve essere sottile e uniforme, la base magnetica deve essere ben posizionata e il cavo deve essere fissato in modo da evitare che venga tirato. Il calcolatore della risonanza di montaggio stima il punto in cui termina la banda utilizzabile di ciascun metodo; per i sensori installati in modo permanente, i principi di corretta montaggio del sensore sono codificati in ISO 5348.
Sul campo, questi sensori costituiscono il front-end di ogni analizzatore portatile. Uno strumento a due canali come il Balanset-1A cattura la stessa ampiezza e fase sincronizzate — usando due accelerometri MEMS analogici forniti con il kit anziché sensori piezo IEPE — come richiesto per l'equilibratura a un piano e a due piani bilanciamento e per la diagnostica di routine nei cuscinetti della macchina stessa a velocità operativa. Insieme al sensore di prossimità e al trasduttore di velocità, l'accelerometro piezoelettrico è uno dei tre principali sensori di vibrazione trasduttori — ed è di gran lunga il più versatile, motivo per cui rimane il pilastro del monitoraggio delle vibrazioni, della diagnostica e dell'equilibratura industriale in tutto il mondo.
