Înțelegerea sondelor de proximitate (senzori de curenți turbionari)
A sondă de proximitate — denumit și sondă de curenți turbionari sau un traductor de deplasare — este un senzor fără contact care măsoară distanța dintre vârful său și o țintă conductoare, aproape întotdeauna un arbore rotativ. În cazul în care un accelerometru se fixează pe carcasă și detectează vibrațiile structurii, iar un senzor de proximitate monitorizează through carcasa rulmentului și înregistrează mișcarea efectivă a arborelui în raport cu rulmentul. Această particularitate îl face senzorul principal pentru protejarea și monitorizarea utilajelor critice de mare viteză care funcționează cu rulmenți cu film de fluid, fiind totodată baza sistemului de monitorizare a mișcării arborelui monitorizarea vibrațiilor pe turbomașini la nivel mondial.
1. Definiție: Ce este un senzor de proximitate?
Caracteristica definitorie a unui senzor de proximitate este aceea că acesta măsoară deplasare relativă — poziția suprafeței arborelui față de suportul sondei — direct, în micrometri sau mils. Acest lucru diferă fundamental de un senzor seismic, cum ar fi un traductor de viteză sau un accelerometru, care măsoară mișcarea absolută a piesei pe care este fixat. La o mașină de mari dimensiuni, cu o carcasă grea și rigidă și un arbore relativ ușor care se rotește pe un film de ulei, carcasa abia se mișcă, în timp ce arborele se poate roti în mod semnificativ în interiorul acesteia lagăr cu alunecare. În această situație, doar un senzor de monitorizare a arborelui surprinde situația reală, motiv pentru care senzorii de proximitate sunt cei mai utilizați protecția mașinilor la turbine și compresoare.
2. Sistemul de sonde de proximitate: trei componente compatibile
Un lanț complet de măsurare cu sondă de proximitate este alcătuit din trei componente perfect adaptate între ele, calibrate împreună ca un ansamblu:
- Sondă: un senzor cu corp filetat, prevăzut cu un vârf etanș care înconjoară o bobină plată de sârmă. Acesta se montează la o distanță fizică specifică față de arbore și se fixează în poziție.
- Cablu prelungitor: un cablu coaxial de lungime prestabilită care leagă sonda de driver. Lungimea sa face parte din reglajul electronic al sistemului, nu este un cablu de lungime arbitrară.
- Proximitor / driver: un modul electronic care generează un semnal de radiofrecvență (RF) de înaltă frecvență, îl transmite către bobina sondei și demodulează semnalul de retur pentru a produce o tensiune de ieșire proporțională cu distanța.
Deoarece cele trei elemente sunt calibrate ca un tot unitar — de obicei la factorul de scală standard din industrie de 200 mV pe mil (aproximativ 7,87 mV/µm) — acestea sunt nu interschimbabile cu componentele unui alt sistem. Combinarea unei sonde dintr-un set cu un driver sau un cablu de lungime diferită afectează calibrarea și valorile măsurate. Eroarea totală de lungime electrică este corectată prin compensarea cablului, iar lanțul asamblat ar trebui să vină cu un certificat de calibrare documentând factorul de scalare care poate fi urmărit.
3. Cum funcționează: Principiul curenților turbionari
Proximitorul transmite semnalul RF către bobina de la vârf, care emite un câmp magnetic slab. Când vârful este apropiat de un arbore conductiv, acest câmp induce curenți circulanți de intensitate redusă — curenți turbionari — în stratul superficial al materialului arborelui. Curenții turbionari generează propriul câmp magnetic opus, iar energia pe care o absorb încarcă bobina. Cantitatea de energie pierdută depinde de cât de aproape se află suprafața conductoare: cu cât arborele este mai aproape, cu atât curenții turbionari sunt mai puternici și cu atât încărcarea este mai mare.
Proximitorul măsoară această sarcină și generează două semnale de ieșire suprapuse: un Tensiune continuă proporțional cu average gap, and an Tensiune alternativă proporțional cu dinamic mișcarea arborelui în timpul vibrațiilor.
Deoarece tehnica se bazează pe curenții induși în metal, și nu pe contactul mecanic sau pe lumină, aceasta este insensibilă la ulei, murdărie și presiune în cavitatea rulmentului, dar este sensibilă la uniformitatea electrică și magnetică a suprafeței arborelui — un aspect care revine în contextul excentricității, mai jos. Aceeași fizică stă la baza familiei mai largi de sonde de curenți turbionari utilizat pentru măsurarea deplasării fără contact.
4. Ce măsoară senzorii de proximitate
O singură sondă — și mai ales o pereche — oferă o cantitate remarcabilă de informații despre starea și comportamentul rotorului:
- Vibrații radiale: o pereche de senzori X–Y dispuși la un unghi de 90° captează mișcarea arborelui în două dimensiuni, pe care analizorul le combină într-o orbita arborelui — o reprezentare directă a traiectoriei pe care o urmează linia mediană la fiecare rotație.
- Poziția axială (de împingere): o sondă orientată spre capătul arborelui măsoară jocul axial, prima linie de apărare împotriva rulment axial defectare.
- Poziția axei de rotație: componenta de curent continuu indică poziția medie a fusului în cadrul jocului rulmentului, evidențiind uzura rulmenților, modificările de sarcină și axul central deplasare pe măsură ce mașina se încălzește.
- Viteza de rotație și faza: o sondă care monitorizează o canelură sau o crestătură se declanșează o dată la fiecare rotație, funcționând ca un dispozitiv extrem de fiabil Keyphasor sau tahometru care furnizează fază referință pentru echilibrare și diagnosticare.
- Bătaie: o citire cu rulare lentă, efectuată la viteză redusă, cuantifică efectul combinat devierea mecanică și electrică a suprafeței arborelui, care este apoi scăzută din măsurătorile în timpul funcționării pentru a izola mișcarea dinamică reală.
5. Avantaje și domenii de aplicare
Senzorii de proximitate reprezintă opțiunea standard pentru protejarea echipamentelor turbomecanice mari și critice, din mai multe motive interconectate:
- Non-contact: nimic nu atinge arborele, astfel încât nu există uzură și nici o limită de viteză impusă de senzor — ideal pentru funcționarea la viteze mari.
- Observarea directă a arborelui: acestea observă ce se întâmplă cu arborele în interiorul lagărului, aspect care, la o mașină cu carcasă masivă, contează mult mai mult decât mișcarea carcasei.
- Răspuns până la 0 Hz (curent continuu): acestea înregistrează atât vibrațiile dinamice, cât și poziția medie, lucru pe care un accelerometru — care nu poate măsura o deplasare constantă — nu îl poate face în mod fundamental.
- Fiabilitate ridicată: etanșe, rezistente și concepute pentru medii dure, cu temperaturi ridicate și prezență de ulei, precum și pentru funcționare continuă.
Din aceste motive, ele sunt utilizate aproape universal la turbinele mari cu abur și cu gaz, la compresoarele centrifuge și axiale, la turbogeneratoare, precum și la pompele și motoarele de mari dimensiuni care funcționează cu lagăre cu manșon sau cu lagăre lise (paliere), unde instalarea lor este impusă de standarde precum API 670. Complementul lor natural pe mașinile cu rulmenți cu elemente de rulare este accelerometrul montat pe carcasă, iar multe monitorizare online sistemele utilizează ambele variante. Atunci când o mașină cu film fluid dezvoltă dezechilibru, perechea de sonde X–Y o face vizibilă sub forma unei orbite 1× în expansiune, iar corecția poate fi efectuată la fața locului cu ajutorul unui analizor portabil cu două canale, cum ar fi Balanset-1A, care citește amplitudinea și faza 1× furnizate de sonde și calculează corecția de dezechilibru necesară ponderi de corecție.
6. Capcane practice
- Excentricitate electrică: Variațiile locale ale permeabilității arborelui sau ale magnetismului rezidual generează un semnal fals de vibrație care nu are nicio legătură cu mișcarea reală. Acesta este eliminat printr-o subtracție a excentricității electrice cu rulare lentă.
- Material țintă incorect: Factorul de scalare calibrat se bazează pe un aliaj specific pentru arbori (de obicei oțelul AISI 4140). Utilizarea unui alt material modifică sensibilitatea și necesită o nouă caracterizare.
- Joc în afara intervalului: Sonda trebuie să se afle în intervalul său liniar — de obicei, centrat în jurul valorii de −10 V c.c. Dacă se află prea aproape sau prea departe, răspunsul devine neliniar sau se produce o saturație (clipping).
- Zgârieturi și placare: orice defect de suprafață sau depunere de pe banda observată a arborelui este interpretată ca o mișcare, astfel încât banda trebuie să fie netedă, rotundă și uniformă.
