Comprensione dei trasduttori di velocità
A trasduttore di velocità — noto anche come velocimetro, sensore sismico o sensore a bobina mobile — è un dispositivo autogenerante vibrazione sensore che produce una tensione di uscita direttamente proporzionale alla vibrazione velocità, senza alimentazione esterna né condizionamento del segnale. Il suo funzionamento si basa sull'induzione elettromagnetica: un magnete sospeso su molle morbide si sposta rispetto a una bobina quando l'alloggiamento vibra, e tale movimento relativo genera una tensione proporzionale alla velocità. In qualità di membro del trasduttore sismico famiglia — sensori che utilizzano una massa interna sospesa su molle come riferimento inerziale — misura il movimento assoluto della superficie a cui è fissato.
I trasduttori di velocità sono stati i sensori di vibrazione più diffusi all'incirca dagli anni '50 agli anni '80 e sono ancora in uso negli impianti di monitoraggio fissi e in alcuni strumenti portatili. Nei nuovi modelli, tuttavia, hanno lasciato il posto in gran parte a accelerometri, che sono più piccoli, coprono una gamma di frequenze più ampia e raggiungono le alte frequenze necessarie per il rilevamento dei difetti dei cuscinetti.
1. Principio di funzionamento
Induzione elettromagnetica
Il meccanismo è un'applicazione diretta della legge di Faraday:
- Un magnete permanente è sospeso tramite molle all'interno di una bobina.
- La vibrazione fa muovere l'alloggiamento e, con esso, la bobina.
- Al di sopra della frequenza di risonanza del sensore, l'inerzia del magnete lo mantiene pressoché immobile nello spazio.
- Ciò genera un movimento relativo tra la bobina e il magnete.
- Il movimento induce una tensione nella bobina (V ∝ velocità).
- La tensione di uscita è quindi direttamente proporzionale alla velocità di vibrazione.
Funzionamento autonomo
Poiché il sensore genera autonomamente il proprio segnale, non necessita di alimentazione esterna: si tratta di una trasduzione passiva a due fili intrinsecamente a prova di guasto, senza alcun alimentatore che possa smettere di funzionare. È proprio questa caratteristica che rende i trasduttori di velocità ancora oggi rilevanti in determinate nicchie specifiche.
2. Caratteristiche
Risposta in frequenza
- Limite di bassa frequenza: impostato dal sensore frequenza naturale, in genere 8–15 Hz.
- Gamma utilizzabile: superiore a circa il doppio della frequenza naturale, quindi almeno 16–30 Hz.
- Limite di alta frequenza: in genere 1–2 kHz.
- Flat response: un intervallo ampio e uniforme nell'intero campo operativo.
- Ideale per: 10–1000 Hz — la banda in cui si verificano la maggior parte dei guasti nei macchinari generici.
Sensibilità
- Tipicamente 10–500 mV per inch/sec (circa 0.4–20 mV per mm/s).
- Un valore comune è 100 mV/in/s (≈ 3.94 mV/mm/s, cioè circa 4 V/(m/s)).
- Una sensibilità più elevata è indicata per applicazioni a basse vibrazioni; una sensibilità più bassa è indicata per misurazioni in condizioni di elevate vibrazioni.
Dimensioni e peso
- Di dimensioni relativamente grandi: circa 50–100 mm di lunghezza e 25–40 mm di diametro.
- Pesanti, spesso tra i 100 e i 500 g.
- Molto più ingombrante di un accelerometro.
- That mass can mass-load e alterano la risposta delle strutture leggere.
3. Vantaggi
Uscita diretta della velocità
Il trasduttore misura direttamente la velocità, senza integrazione passo. Ciò corrisponde al modo in cui le norme sulle vibrazioni delle macchine indicano i limiti — ISO 20816 (il successore della norma ISO 10816) è redatto in Velocità RMS — mantiene semplice l'elaborazione del segnale e lo rende perfettamente adatto all'uso basato sulla velocità intensità delle vibrazioni assessment.
Autogenerante e a prova di guasto
- Non richiede alimentazione.
- Semplice collegamento a due fili.
- Non può smettere di funzionare a causa di un'interruzione di corrente.
- Costi di sistema ridotti, senza necessità di specificare l'alimentatore.
Buona risposta alle basse frequenze
- Utilizzabile fino a 10–15 Hz, con prestazioni superiori a quelle di molti accelerometri.
- Adatto a macchinari a bassa velocità fino a circa 600 giri/min.
- La soluzione ideale per le applicazioni che rientrano nella sua banda di frequenza.
4. Svantaggi
Risposta in alta frequenza limitata
- Limitato a circa 1–2 kHz.
- Impossibile raggiungere l'alta frequenza difetto del cuscinetto energia (5–20 kHz).
- Inadequate for analisi dell'inviluppo.
- Questo è il limite determinante rispetto agli accelerometri.
Dimensioni, peso e fragilità
- Ingombranti e pesanti, difficili da montare su macchine di piccole dimensioni e inclini a sovraccaricare le strutture leggere.
- Meno portatile di un accelerometro.
- Le molle interne e il magnete mobile possono danneggiarsi in caso di urti o cadute; pertanto, il sensore è sensibile a una gestione brusca e richiede maggiore cura rispetto a un dispositivo a stato solido.
Limiti di temperatura
- La forza del magnete diminuisce all'aumentare della temperatura.
- Di norma è limitato a circa 120 °C.
- Resistenza alle alte temperature inferiore rispetto a un charge-mode accelerometer.
5. Dove si utilizzano ancora i trasduttori di velocità
- Installazioni permanenti preesistenti: turbomacchine di vecchia generazione monitoring sistemi in cui la sostituzione con componenti equivalenti garantisce la compatibilità con il cablaggio e i rack esistenti.
- Applicazioni a bassa frequenza: apparecchiature a bassissima velocità (inferiore a 300 giri/min) e qualsiasi applicazione in cui sia sufficiente la banda 10–1000 Hz e non siano necessarie le alte frequenze.
- Requisiti specifici: situazioni in cui è effettivamente necessario un sensore autoalimentato, applicazioni a sicurezza intrinseca in cui non è consentito l'uso di componenti elettronici alimentati, oppure quando si preferisce un'uscita diretta della velocità.
6. Mounting
Poiché il sensore è pesante, la solidità del montaggio è fondamentale: un trasduttore di velocità fissato in modo inadeguato introduce una propria risonanza nei dati.
- Metodi: montaggio su perno in un foro filettato (la soluzione più affidabile), montaggio su staffa con piastre di adattamento oppure montaggio magnetico, qualora la superficie sia magnetica e il sensore non sia troppo pesante.
- Considerations: È fondamentale un montaggio rigido: il sensore deve essere fissato saldamente in modo che non vibri autonomamente, la superficie di montaggio deve essere piana e pulita e il cavo deve essere dotato di un dispositivo antistrappo per evitare che si stacchi.
7. Alternative moderne e pratica sul campo
Nella maggior parte dei nuovi progetti l'accelerometro ha avuto la meglio: è molto più piccolo e leggero, copre una banda molto più ampia (da circa 0,5 Hz a 50 kHz), è più efficace nel rilevare difetti dei cuscinetti, è più robusto e costa meno. L'approccio standard moderno consiste quindi nel misurare l'accelerazione e integrate alla velocità, ottenendo il valore di velocità richiesto dalle norme pur mantenendo tutti i vantaggi dell'accelerometro — e gli strumenti moderni rendono tale integrazione del tutto trasparente per l'utente.
È proprio così che funziona un analizzatore di bilanciamento portatile. Il Balanset-1A utilizza accelerometri posizionati sulle sedi dei cuscinetti e integra internamente i dati relativi alla velocità, consentendo così all'ingegnere di ottenere il valore diretto della velocità che un trasduttore di velocità fornirebbe per una verifica della severità vibrazionale secondo la norma ISO 20816 — insieme alla portata ad alta frequenza e al rapporto 1× ampiezza e fase necessario per bilanciamento in situ, caratteristiche che un trasduttore di velocità da 1–2 kHz non sarebbe in grado di fornire.
8. Taratura e manutenzione
- Calibrazione: verificare la sensibilità (mV/in/s o mV/mm/s) e la risposta in frequenza su un banco vibrante, con cadenza annuale calibrazione tipico delle applicazioni critiche.
- Manutenzione: maneggiare con cura per evitare cadute e urti, controllare lo stato del cavo, verificare la sicurezza del fissaggio, testare periodicamente l'uscita e sostituire il sensore se la sua sensibilità o la sua risposta subiscono variazioni.
I trasduttori di velocità, sebbene siano in calo nelle nuove installazioni, continuano a rivestire un ruolo importante nei sistemi di monitoraggio permanenti esistenti e in determinate applicazioni a bassa frequenza, autoalimentate o a sicurezza intrinseca. Comprendere come funzionano, quali sono i loro punti di forza e quali i loro limiti è fondamentale sia per garantire il funzionamento dei sistemi esistenti sia per prendere decisioni informate scelta del sensore quando un trasduttore di velocità rimane la scelta giusta.
