Trasduttori: i sensori dell'analisi delle vibrazioni
In analisi delle vibrazioni, a trasduttore è un dispositivo che converte il moto fisico e meccanico — vibrazione — in un segnale elettrico proporzionale che un collettore dati o sistema di monitoraggio può elaborare, misurare e analizzare. I trasduttori sono i sensori primari e il primo anello della catena di misura; senza un trasduttore affidabile, nessuna analisi significativa è possibile. La scelta di quello corretto è una decisione critica che dipende dal tipo di macchina, dalla sua velocità di esercizio e dai guasti specifici da monitorare — poiché ogni tipo di trasduttore è naturalmente sensibile a una diversa parte del quadro vibrazionale.
1. La Catena di Misura e i Tre Parametri
La vibrazione può essere descritta da tre grandezze correlate, e quella misurata dal trasduttore determina il campo in cui eccelle. Spostamento predomina alle basse frequenze e riflette il moto di massa; velocità è la misura più equilibrata nella banda media, dove risiedono la maggior parte dei guasti comuni; e accelerazione enfatizza gli eventi ad alta frequenza che segnalano i primi danni ai cuscinetti e agli ingranaggi. Le tre grandezze sono collegate matematicamente — integrazione converte un segnale di accelerazione in velocità, e nuovamente in spostamento — ecco perché un singolo sensore può, grazie all'elettronica, svolgere più ruoli. Qualunque sia il parametro, il trasduttore alimenta il resto della catena: condizionamento del segnale, digitalizzazione e infine l'analizzatore.
2. I Tre Principali Tipi di Trasduttori di Vibrazione
Esistono tre tipi principali di trasduttori utilizzati nel monitoraggio delle macchine industriali, ognuno dei quali misura un diverso parametro fisico di vibrazione.
L'Accelerometro (misura l'accelerazione)
Il accelerometro è di gran lunga il trasduttore di vibrazioni più comune e versatile. Misura l'accelerazione della struttura su cui è montato.
- Principio: la maggior parte delle unità industriali è piezoelettrico, tramite un cristallo che genera una carica quando sollecitato da una massa sismica interna.
- Punti di forza: un'ampia gamma di frequenze, grande robustezza, numerose tipologie disponibili e idoneità per quasi qualsiasi macchina. Sono particolarmente eccellenti nel rilevamento di eventi ad alta frequenza.
- Utilizzo principale: monitoraggio di macchine di uso generale, dalle macchine a bassa velocità alle turbomacchine ad altissima velocità, e sensore di riferimento per guasti ad alta frequenza quali cuscinetto e difetti degli ingranaggi.
Il Trasduttore di Velocità (misura la velocità)
A trasduttore di velocità è un sensore elettrodinamico che misura direttamente la velocità di vibrazione.
- Principio: funziona come un microfono — una bobina di filo è sospesa in un campo magnetico e, mentre l'involucro vibra, il moto relativo tra bobina e magnete genera una tensione proporzionale alla velocità.
- Punti di forza: un segnale forte e a basso rumore nella banda di frequenza media (approssimativamente da 10 Hz a 1.000 Hz), esattamente dove si manifestano guasti comuni come squilibrio e disallineamento e nessuna necessità di alimentazione esterna.
- Punti deboli: più fragile di un accelerometro, con una gamma di frequenze limitata e una sensibilità ai campi magnetici e all'orientamento di montaggio. Il classico design autogenerante a bobina e magnete — il velocimetro — è stato in gran parte sostituito dagli accelerometri con integrazione elettronica.
- Utilizzo principale: storicamente il sensore più utilizzato per il monitoraggio generale prima che gli accelerometri robusti diventassero comuni, e ancora talvolta scelto per installazioni permanenti nella banda di frequenza media.
La Sonda di Prossimità (misura lo spostamento)
Il sonda di prossimità, o sonda a correnti parassite, è un trasduttore senza contatto che misura lo spostamento di un albero rotante.
- Principio: utilizza un campo elettromagnetico per indurre e misurare le correnti parassite nella superficie dell'albero, rilevando il gioco tra la punta della sonda e l'albero.
- Punti di forza: misura il moto effettivo dell'albero stesso anziché della carcassa, è priva di contatto e la sua risposta scende fino a 0 Hz (DC), pertanto rileva sia la posizione media dell'albero’s sia la sua vibrazione.
- Utilizzo principale: indispensabile per la protezione e il monitoraggio di turbomacchine critiche ad alta velocità su cuscinetti a film fluido cuscinetti radenti — turbine e compressori — e per l'analisi del orbita dell'albero e posizione dell'asse.
3. Scelta del trasduttore corretto
La scelta del trasduttore è un passaggio critico nella configurazione di qualsiasi programma di monitoraggio. La regola generale è selezionare il sensore più sensibile nella gamma di frequenze dei guasti attesi:
- Utilizzo sonde di prossimità per il moto dell'albero su macchine con cuscinetti a film fluido, dove l'albero può spostarsi in modo significativo all'interno di un alloggiamento relativamente fermo.
- Utilizzo accelerometri per tutto il resto, poiché sono i più versatili. Il segnale può essere integrato alla velocità per analizzare guasti a media frequenza o utilizzato direttamente come accelerazione per guasti ad alta frequenza.
Due fattori pratici completano la scelta. La sensibilità deve essere adeguata all'ampiezza di vibrazione prevista — troppo bassa e i guasti minori si perdono nel rumore, troppo alta e i segnali forti saturano — e il suo frequenza gamma deve coprire le frequenze di guasto di interesse. I sensori piezoelettrici a uscita di carica necessitano inoltre di un amplificatore di carica in the chain.
4. Trasduttori nel bilanciamento sul campo e nella diagnostica
In uno strumento portatile il trasduttore è il componente da cui dipende tutto il resto. Un analizzatore di campo a due canali come il Balanset-1A abbina due accelerometri MEMS analogici a un tachimetro ottico per il riferimento di fase, acquisendo ampiezza e fase sincronizzate a ciascun cuscinetto mentre la macchina gira nei propri supporti alla velocita di esercizio. Questa catena basata su accelerometri consente allo strumento di calcolare i pesi di correzione per l'equilibratura su uno e due piani ed eseguire la normale monitoraggio delle vibrazioni — una chiara illustrazione del principio generale secondo cui l'accelerometro è il trasduttore predefinito per la grande maggioranza dei lavori su macchine rotanti, con la sonda di prossimità e il trasduttore sismico riservati ai casi per cui la loro fisica è più adatta.
