Medir vibración con acelerómetros

¿Qué es la vibración? 

La vibración es el movimiento u oscilación mecánica alrededor de una posición de equilibrio de una máquina o componente. Puede ser periódico, como el movimiento de un péndulo, o aleatorio, como el movimiento de un neumático en un camino de grava. La vibración se puede expresar en unidades métricas (m/s²) o en unidades de constante gravitacional g, donde 1 g = 9.81 m/s². Un objeto puede vibrar de dos maneras: vibración libre y vibración forzada.

La vibración libre ocurre cuando un objeto o estructura se desplaza o impacta y luego se le permite oscilar de forma natural. Por ejemplo, cuando golpea un diapasón, suena y luego el sonido finalmente disminuye. La frecuencia natural generalmente se refiere a la frecuencia a la que una estructura "quiere" oscilar después de un impacto o desplazamiento. La resonancia es la tendencia de un sistema a oscilar más violentamente en algunas frecuencias que en otras. La vibración forzada en o cerca de la frecuencia natural de un objeto hace que se acumule energía dentro de la estructura. Con el tiempo, la vibración puede volverse bastante grande incluso cuando la vibración forzada de entrada es muy pequeña. Si una estructura tiene frecuencias naturales que coinciden con la vibración ambiental normal, la estructura vibra más violentamente y falla prematuramente.

La vibración forzada ocurre cuando una estructura vibra porque se aplica una fuerza de alteración. El movimiento rotativo o alterno puede obligar a un objeto a vibrar a frecuencias no naturales. Un ejemplo de este movimiento es el desequilibrio en una lavadora, donde la máquina tiembla a una frecuencia igual a la rotación del torniquete. En el monitoreo de condición, puede usar medidas de vibración para indicar el estado de la maquinaria rotativa como compresores, turbinas o bombas. Estas máquinas tienen una variedad de partes y cada parte aporta un patrón de vibración único. Al establecer la tendencia de diferentes firmas de vibración a lo largo del tiempo, usted puede predecir cuándo fallará una máquina y programar adecuadamente el mantenimiento para mejorar la seguridad y reducir los costos.

Medir la vibración 

Un acelerómetro o sensor piezoeléctrico cerámico se utiliza comúnmente para medir la vibración. La mayoría de los acelerómetros se basan en el uso del efecto piezoeléctrico, que ocurre cuando se genera un voltaje a través de ciertos tipos de cristales cuando se someten a tensión. La aceleración de la estructura de prueba se transmite a una masa sísmica dentro del acelerómetro, que genera una fuerza proporcional en el cristal piezoeléctrico. Esta tensión externa en el cristal genera una carga eléctrica de alta impedancia proporcional a la fuerza aplicada y, por lo tanto, proporcional a la aceleración. 

Elegir el acelerómetro adecuado

Debido a que los acelerómetros son tan versátiles, usted puede elegir entre una variedad de diseños, tamaños y rangos. Comprender las características de la señal que usted espera medir y cualquier restricción ambiental puede ayudarlo a clasificar las diferentes especificaciones eléctricas y físicas de los acelerómetros.

Amplitud de vibración

La amplitud o rango máximo de la vibración que está midiendo determina el rango del sensor que puede usar. Si intenta medir la vibración fuera del rango del sensor, distorsiona o corta la respuesta. Por lo general, usted usaría acelerómetros para monitorear altos niveles de vibración con una menor sensibilidad y menor masa.

Sensibilidad

La sensibilidad es uno de los parámetros más importantes para los acelerómetros. Describe la conversión entre vibración y voltaje a una frecuencia de referencia, como 160 Hz. La sensibilidad se especifica en mV por G. Si la sensibilidad típica del acelerómetro es 100 mV/G y usted mide una señal de 10 G, espera una salida de 1000 mV o 1 V. La sensibilidad exacta se determina a partir de la calibración y, por lo general, se indica en el certificado de calibración que se envía con el sensor. La sensibilidad también depende de la frecuencia. Se requiere una calibración completa en todo el rango de frecuencia utilizable para determinar cómo varía la sensibilidad con la frecuencia. La Figura 4 muestra las características típicas de respuesta de frecuencia de un acelerómetro. En general, use un acelerómetro de baja sensibilidad para medir señales de alta amplitud y un acelerómetro de alta sensibilidad para medir señales de baja amplitud.

Número de ejes

Usted puede elegir entre dos tipos de acelerómetros axiales. El acelerómetro más común mide la aceleración a lo largo de un solo eje. Este tipo generalmente se utiliza para medir niveles de vibración mecánica. El segundo tipo es un acelerómetro triaxial. Este acelerómetro puede crear un vector de aceleración en 3D en forma de componentes ortogonales. Utilice este tipo cuando necesite determinar el tipo de vibración, como lateral, transversal o rotacional.

Peso

Los acelerómetros deben pesar significativamente menos que la estructura que usted está monitoreando. Agregar masa a la estructura puede alterar sus características vibratorias y potencialmente conducir a datos y análisis inexactos. El peso del acelerómetro generalmente no debe ser superior al 10 por ciento del peso de la estructura de prueba.

Opciones de montaje

Otra consideración para su sistema de medidas de vibración es cómo montar el acelerómetro en la superficie del dispositivo. Puede elegir entre cuatro métodos típicos de montaje:

• Puntas de sonda o manuales
• Magnético
• Adhesivo
• Montaje con pernos

El montaje con pernos es por mucho, la mejor técnica de montaje, pero requiere que taladrar en el material del dispositivo y generalmente se reserva para una instalación permanente del sensor. Los otros métodos están pensados para una sujeción temporal. Los diversos métodos de sujeción afectan todos la frecuencia medible del acelerómetro. En términos generales, cuanto más floja sea la conexión, menor será el límite de frecuencia medible. La adición de cualquier masa al acelerómetro, como un adhesivo o una base de montaje magnética, reduce la frecuencia de resonancia, lo que puede afectar la precisión y los límites del rango de frecuencia utilizable del acelerómetro. Consulte las especificaciones del acelerómetro para determinar cómo los diferentes métodos de montaje afectan los límites de las medidas de frecuencia. La Tabla 1 muestra los límites típicos de frecuencia para un acelerómetro de 100 mV/G.

Restricciones ambientales

Al elegir un acelerómetro, tenga en cuenta los parámetros ambientales críticos, como temperatura máxima de funcionamiento, exposición a productos químicos nocivos y humedad. Puede usar la mayoría de los acelerómetros en entornos peligrosos debido a su construcción robusta y confiable. Para una protección adicional, los acelerómetros industriales construidos con acero inoxidable pueden proteger los sensores de la corrosión y los productos químicos.

Utilice un acelerómetro en modo de carga si el sistema debe funcionar en temperaturas extremas. Dado que estos acelerómetros no contienen componentes electrónicos integrados, la temperatura de funcionamiento está limitada solo por el elemento de detección y los materiales utilizados en la construcción. Sin embargo, dado que no tienen acondicionamiento integrado ni amplificación de carga, los acelerómetros en modo de carga son sensibles a la interferencia ambiental y requieren un cableado de bajo ruido. Si el entorno es ruidoso, use un convertidor de carga en línea o un sensor IEPE con un amplificador de carga integrado.

Las especificaciones de humedad se definen por el tipo de sello en el acelerómetro. Los sellos comunes incluyen herméticos, epoxi o ambientales. La mayoría de estos sellos pueden soportar altos niveles de humedad, pero NI recomienda un sello hermético para inmersión en líquido y exposición prolongada a humedad excesiva.

Costo

Aunque el modo de carga y los acelerómetros IEPE tienen costos similares, los acelerómetros IEPE tienen un costo significativamente menor para sistemas multicanal más grandes porque no requieren cables especiales de bajo ruido ni amplificadores de carga. Además, los acelerómetros IEPE son más fáciles de usar porque requieren menos cuidados, atención y esfuerzo para operar y mantener.

Acondicionamiento de señales para acelerómetros

Al preparar un acelerómetro para que un dispositivo DAQ lo mida correctamente, debe tener en cuenta lo siguiente para asegurarse de cumplir con todos sus requisitos de acondicionamiento de señales:

• Amplificación para aumentar la resolución de la medida y mejorar la relación señal-ruido
• Excitación de corriente para alimentar el amplificador de carga en sensores IEPE
• Acoplamiento AC para eliminar el desfase DC para aumentar la resolución y aprovechar el rango completo del dispositivo de entrada
• Filtrado para eliminar el ruido externo de alta frecuencia
• Conexión a tierra adecuada para eliminar el ruido del flujo de corriente entre diferentes potenciales a tierra
• Rango dinámico para medir el rango de amplitud completo del acelerómetro

Para aprender más sobre cómo acondicionar, adquirir, analizar y mostrar las medidas del acelerómetro, descargue la Guía del ingeniero para medidas precisas del sensor.

Conectar acelerómetros a hardware de NI

Una vez que sepa cuáles son sus necesidades de pruebas y sensores, el siguiente paso importante es decidir el hardware para recopilar esos datos. La calidad del hardware de adquisición determina la calidad de los datos que usted recopila.

NI ofrece una variedad de hardware de sonido y vibración que puede adquirir datos de vibración y es compatible con una variedad de sensores IEPE.

Para ayudar a verificar la compatibilidad entre un dispositivo de sonido y vibración de NI y un sensor IEPE, acelerómetros, etc., consulte Voltaje de excitación y cumplimiento para sensores IEPE en tarjetas NI. Si se usa un preamplificador, el hardware de sonido y vibración de NI aún funciona, pero las características de la señal pueden cambiar. Verifique que la salida del preamplificador está dentro del rango de entrada del hardware de sonido y vibración. De igual manera, para los sensores que no son IEPE, asegúrese de que la salida del sensor sea compatible con las capacidades de entrada del dispositivo.