Trasduttori sismici
A trasduttore sismico — detto anche sensore sismico o trasduttore inerziale — è un vibrazione sensore che utilizza una massa sismica interna (una “proof mass”) sospesa su molle o flessioni elastiche come riferimento inerziale, consentendogli di misurare il movimento assoluto della base del sensore. Quando l'alloggiamento vibra, il movimento relativo tra la massa sospesa e l'alloggiamento viene convertito in un segnale elettrico che rappresenta la vibrazione. A seconda di dove la frequenza di misura si colloca rispetto alla frequenza naturale, il sensore opera in uno di due regimi: sopra la risonanza la massa tende a restare ferma nello spazio e il movimento relativo segue lo spostamento dell'alloggiamento (il classico regime del sismometro e del sensore di velocità), mentre sotto la risonanza la piccola deflessione residua della massa è proporzionale all'accelerazione dell'alloggiamento (il regime dell'accelerometro). La caratteristica distintiva è che il riferimento è trasportato all'interno dal sensore stesso, pertanto non è richiesto alcun punto di riferimento esterno fisso.
Il termine “sismico” deriva dalla strumentazione per i terremoti: la massa sospesa di un sismometro rimane relativamente ferma mentre il terreno si muove al di sotto di essa. Nel monitoraggio dei macchinari, sia trasduttori di velocità e accelerometri sono trasduttori sismici in questo senso, sebbene il termine sia più spesso associato al classico captatore di velocità.
1. Principio di funzionamento
Sistema massa-molla-smorzatore
Ogni trasduttore sismico è, nella sua essenza, un piccolo oscillatore meccanico composto da quattro parti funzionali:
- Seismic mass: una massa di prova calibrata sospesa all'interno dell'alloggiamento del sensore.
- Molla: molle meccaniche o sottili elementi flessibili che sostengono la massa.
- Smorzamento: smorzamento ad aria, magnetico (a correnti parassite) o fluidico che attenua la risonanza.
- Trasduzione: l'elemento che converte il moto relativo massa-alloggiamento in una tensione.
Regioni di risposta in frequenza
Il comportamento del sensore dipende interamente da dove cade la frequenza di eccitazione rispetto alla propria frequenza naturale, e le due principali famiglie di sensori lavorano deliberatamente su lati opposti della risonanza:
- Sotto la frequenza naturale (regime accelerometrico): massa e supporto si muovono sostanzialmente insieme, e la piccola deflessione residua della massa e proporzionale al supporto accelerazione. Gli accelerometri piezoelettrici e MEMS funzionano qui, al di sotto della loro alta risonanza di montaggio.
- Alla frequenza naturale: il sistema va in risonanza: l'uscita viene amplificata ma risulta distorta e inaffidabile, quindi si evita di misurare in prossimita della risonanza.
- Al di sopra della frequenza naturale (regime del sismometro): la massa rimane effettivamente ferma mentre il supporto vibra attorno ad essa, e il moto relativo segue il supporto spostamento (o velocita). I sismometri di spostamento e i sensori di velocita a bobina mobile funzionano qui, al di sopra della loro bassa frequenza naturale.
- Usable ranges: un sensore di velocita viene convenzionalmente utilizzato al di sopra di circa 2 volte la sua frequenza naturale, dove la sua risposta si e stabilizzata ed e piatta; un accelerometro viene usato ben al di sotto della sua risonanza di montaggio, tipicamente fino a circa un terzo di essa per una buona accuratezza.
2. Tipi di trasduttore sismico
Trasduttori di velocità (a bobina mobile)
- Un magnete è sospeso su molle all'interno di una bobina fissa (o viceversa).
- La velocità relativa tra magnete e bobina genera una tensione per induzione elettromagnetica.
- Frequenza naturale tipicamente compresa tra 8 e 15 Hz.
- Utilizzabile approssimativamente al di sopra di 16–30 Hz.
- Misura direttamente la velocità, senza necessità di integrazione del segnale.
Accelerometri
- Piezoelettrico i tipi a cristallo piezoelettrico utilizzano un cristallo piezo per rilevare la forza inerziale della massa.
- I tipi MEMS impiegano rilevamento capacitivo o piezoresistivo su un elemento microlavorato.
- Frequenza naturale (di montaggio) molto piu elevata, tipicamente 10-30 kHz.
- A differenza dei sensori di velocita, utilizzati sotto risonanza: utilizzabile da circa 1 Hz fino approssimativamente a un terzo della frequenza di risonanza di montaggio.
- Misura l'accelerazione, che può essere integrata per ottenere la velocità o lo spostamento.
3. Sensori sismici e non sismici
La famiglia dei sensori sismici si comprende meglio per contrasto con i sensori che si basano su un riferimento esterno.
Sensori sismici (riferimento inerziale)
- Accelerometri e trasduttori di velocità.
- Misurano il moto assoluto nello spazio inerziale.
- Si montano direttamente sulla struttura in vibrazione.
- Portano la propria massa interna come riferimento.
- La scelta più comune per il monitoraggio dei macchinari.
Sensori non sismici (riferimento esterno)
- Sonde di prossimità (sensori a correnti parassite).
- Misurano il moto relativo tra due superfici.
- Richiedono un punto di montaggio fisso da cui operare.
- Misurano tipicamente il movimento dell'albero rispetto al cuscinetto.
- Standard per la misurazione della vibrazione dell'albero su macchine con cuscinetti radenti.
4. Vantaggi della progettazione sismica
Riferimento autonomo
- Non è necessario alcun sistema di riferimento esterno.
- Il sensore può essere montato praticamente ovunque su una struttura vibrante.
- Fornisce la vera misura del moto assoluto nello spazio inerziale.
Versatilità
- Un unico tipo di sensore copre un'ampia gamma di applicazioni.
- Adatto sia per rilievi temporanei che per installazioni permanenti.
- Facilmente trasportabile da una macchina all'altra.
Questa versatilità spiega perché gli strumenti portatili vi fanno affidamento. Il bicanale Balanset-1A, ad esempio, acquisisce le letture da accelerometri fissati alle cappette dei cuscinetti — sensori sismici autoreferenziati che non richiedono un riferimento fisso, così il tecnico può spostarsi rapidamente tra i punti di misura e le macchine durante la bilanciatura in campo.
5. Limitazioni
Limitazioni della risposta in frequenza
- I sensori di velocita non possono misurare in modo affidabile al di sotto di circa 2 volte la loro frequenza naturale; i tipi a bobina mobile in particolare rispondono male sotto 15-20 Hz. Esiste un compromesso intrinseco: una frequenza naturale piu bassa offre una migliore estensione verso le basse frequenze ma richiede un sensore piu grande e piu pesante.
- Gli accelerometri perdono accuratezza quando la frequenza di misura si avvicina alla loro risonanza di montaggio; il limite superiore pratico (tipicamente circa un terzo della risonanza di montaggio) dipende fortemente dal metodo di montaggio (vedere ISO 5348).
- Alle frequenze molto basse, la risposta dell'accelerometro e limitata dall'elemento sensibile e dall'elettronica dell'amplificatore piuttosto che dalla sospensione sismica, tipicamente fino a circa 0.5-1 Hz per le unita industriali standard.
Misura il movimento dell'alloggiamento
- Il sensore rileva il movimento della cappetta del cuscinetto, non direttamente dell'albero.
- La vibrazione dell'alloggiamento non coincide con la vibrazione dell'albero — è filtrata dalla rigidità del cuscinetto e dalla struttura circostante.
- Nei casi in cui interessa la vera orbita dell'albero, sono necessarie sonde di prossimità.
6. Applicazioni
Monitoraggio delle condizioni dei macchinari
- Misurazioni delle vibrazioni sul corpo del cuscinetto.
- Monitoraggio andamentale delle vibrazioni globali.
- Bearing-defect rilevazione.
- Diagnostica generale di macchine rotanti.
Vibrazione strutturale
- Rilievi delle vibrazioni di edifici e fondazioni.
- Monitoraggio sismico dei terremoti.
- Vibrazione trasmessa al suolo e irradiata dai macchinari.
Analisi modale
- Misurazione della risposta di una struttura a un impatto calibrato.
- Determining frequenze naturali e forme modali.
- Building the funzioni di risposta in frequenza utilizzato in analisi modale.
I trasduttori sismici, che usano una massa interna sospesa come riferimento inerziale, costituiscono il fondamento della misura delle vibrazioni sulle macchine rotanti. Comprendere il principio sismico - come una massa sospesa consenta la misura del moto assoluto e perche i sensori di velocita lavorino al di sopra della loro frequenza naturale mentre gli accelerometri lavorano al di sotto della loro risonanza di montaggio - spiega sia i punti di forza sia i limiti di questi due cavalli di battaglia di ogni programma industriale di analisi delle vibrazioni.
