Analizador de Vibraciones

El análisis y los analizadores de vibraciones

El mantenimiento predictivo es una de varias estrategias de mantenimiento. El propósito es medir de forma continua el comportamiento de una máquina, proceso o estructura. Para lograrlo, se observa el rendimiento del sistema usando una amplia variedad de herramientas de medición como sensores térmicos y/o analizador de vibraciones. De esta forma, nos permite monitorear y prevenir cualquier falla o mal función en un sistema antes de que ocurran. Por otro lado, tenemos diferentes estrategias de mantenimiento tales como:

  • reactivo,
  • preventivo, y
  • proactivo.

Vibraciones

Se conoce como vibración a todo movimiento oscilatorio o repetitivo de un sistema alrededor de su posición de equilibrio. Naturalmente, todo cuerpo con una temperatura mayor al cero absoluto,-273.15ºC, vibra. Por lo tanto, cualquier tipo de maquinaria, proceso o estructura industrial en actividad muestra señales de vibración. Entonces, las vibraciones pueden medirse en según su frecuencia en Hz (Hertz) o cps (ciclos por segundo). Cabe destacar, que 1Hz = 1ciclo/1seg; 1cpm = 1ciclo/1min; por lo tanto, 1cpm =

Pasos para la conversión de ciclos por minutos a Hertz.
Ecuación 1

Conocer la vibración de un equipo en todo momento nos puede indicar el estado actual del sistema. Existen patrones de vibraciones estándar para mostrar el funcionamiento estable y normal de un motor, compresor, engranajes, etc. Entonces, al medir y encontrar vibraciones fuera del rango de movimiento normal de una máquina ya es un indicio del comienzo de una posible mal función. El mantenimiento predictivo hace uso de estas mediciones para atacar un problema antes de que ocurra.

Herramientas para la medición de vibraciones

Un medidor o analizador de vibraciones es un dispositivo electrónico que es capaz de procesar señales oscilatorias. El sensor más popular es el acelerómetro piezoeléctrico. Un acelerómetro es un instrumento usado para medir aceleraciones. La aceleración medida no es necesariamente la tasa de cambio de velocidad de un objeto viajando el espacio. En este caso, es la aceleración asociada al marco de referencia donde se encuentra el dispositivo.

Naturalmente, un transductor piezoeléctrico genera una tensión eléctrica al recibir una presión sobre el cristal. Luego, dicha tensión es proporcional a la aceleración. Estos transductores son muy usados porque captan con mucha precisión señales entre 1 y 15.000Hz. Existen transductores más especializados para captar vibraciones más altas o más bajas del rango estándar.

Podemos observar la ubicación del material piezoeléctrico y la masa que lo impacta.
Figura 1. Partes de un transductor piezoeéctrico.

Al comprimir el material piezoeléctrico este genera una carga. Posteriormente, la carga eléctrica se transfiere al sensor electrónico donde la carga se convierte en voltaje. Finalmente, el voltaje es transferido al equipo analizador de vibraciones a través del sensor y un cable. En otras palabras, al colocar el acelerómetro sobre un motor. Por ejemplo, la vibración del equipo estira y comprime el sensor piezoeléctrico. De esta forma, se crea la señal de voltaje en la salida del sensor.

En el mercado existe una amplia variedad de analizador de vibraciones, algunos incluyen pero no limitándose a la aplicación de acelerómetros. Entre los transductores de vibraciones, aparte del acelerómetro, tenemos 3 tipos adicionales.

1. Sensor de desplazamiento relativo sin contacto

Este transductor está compuesto por un sensor, un cable de extensión, un oscilador demodulador y una fuente de poder. Cabe destacar, que el demodulador es un aparato que transforma una señal analógica en eléctrica. Entonces, este analizador de vibración mide la distancia relativa entre la punta del sensor y el blanco a medir.

El sensor es una bobina eléctrica cubierta por un material estable como la fibra de vidrio. El oscilador demodulador le proporciona al sensor un voltaje de alta frecuencia, normalmente 1.5MHz. Naturalmente, al pasar por la bobina produce un campo magnético variable que induce corrientes parásitas en la en la superficie a medir. Lo anterior se cumple siempre y cuando sea un metal conductor. En otras palabras, la superficie se comporta como el secundario de un transformador al absorber energía del campo magnético de la bobina. Como resultado, se genera una modulación del voltaje. Entonces, el demodulador demodula el voltaje y entrega como salida una señal.

2. Analizador de vibraciones de desplazamiento relativo con contacto

Los sensores de desplazamiento con contacto se consideran una estrategia de medición antigua y son incapaces de medir vibraciones por encima de los 12.000 cpm o 200Hz. Sin embargo, son útiles para casos específicos tales como:

  • mediciones sobre ejes con superficies no conductoras,
  • mediciones de vibraciones de un eje cuando la máquina carece de sensores de desplazamiento sin contacto.

3. Analizador de vibraciones de velocidad

Existen dos tipos principales de sensores de velocidad:

3.1.Sensor de velocidad sísmico

Estos sensores trabajan en un rango de frecuencias muy bajas y no necesitan una fuente de poder al funcionar. Esto es posible porque están hechos con una bobina que se desplaza con la superficie a medir. Por lo tanto, tiene un movimiento relativo a un imán permanente que está fijo a la masa sísmica; esto se conoce como sensor de velocidad sísmico electrodinámico. Cuando la bobina se mueve relativamente respecto al imán se induce en los espirales de la bobina una fuerza electromotriz. De modo que la fuerza es directamente proporcional a la velocidad relativa del sistema imán-bobina.

En esta imagen, observamos las partes del analizador de vibraciones sísmico. Podemos apreciar el sistema oscilatorio de la masa dentro de la bobina.
Figura 2. Partes de un sensor de velocidad sísmico.

1.1.Sensor de velocidad piezoeléctrico

Este sensor es un acelerómetro con un integrador analógico dentro del transductor. Se caracterizan por tener un rango de frecuencias mayor que el sensor de velocidad electrodinámico.

El vibrómetro como analizador de vibraciones

El Vibrómetro es un instrumento de medición que se utiliza para medir las magnitudes que caracterizan el suceso de las vibraciones. Este equipo es muy útil para el mantenimiento predictivo, siendo el analizador de vibraciones por defecto. Entre los tipos de vibrómetros disponibles tenemos:

  • Vibrómetro diferencial: mide los cambios de velocidad entre dos lugares en el objetivo.
  • Medidor multi-haz: miden la velocidad en varios lugares a la vez.
  • Vibrómetro de rotación: usado para medir la velocidad angular.

Nueva generación de analizadores de vibración

La versión más moderna y eficaz de los vibrómetros es conocida como VLD (Vibrómetro láser Doppler). El efecto Doppler es el cambio aparente de frecuencia de una onda producida por el movimiento de la fuente de emisión respecto al observador. Por ejemplo, cuando se acerca una ambulancia y percibimos el sonido de la sirena más aguda, y conforme se aleja se torna más grave.

Observamos cómo la frecuencia disminuye a medida que se aleja la fuente de sonido y aumenta en el sentido de dirección del sonido.
Figura 3. Representación del efecto Doppler.

Funcionamiento de los VLD

El VLD enfoca un láser a la superficie por medir. La frecuencia de la luz reflejada por la superficie varía si objeto enfocado se desplaza. Esta variación de frecuencia se conoce como corrimiento Doppler. Así, se mide en el vibrómetro. Luego, con la ayuda de un interferómetro se demodula la diferencia de frecuencia y transforma ese corrimiento en una señal de voltaje o en datos digitales.

La diferencia de frecuencias entre la señal incidente y la reflejada indica la vibración del objeto a estudiar.
Figura 4. Cómo el VLD detecta un desplazamiento.

Uno de los beneficios del VLD es la capacidad simultánea de medir la amplitud-tiempo dependiente de la vibración, frecuencia, y los múltiples puntos en la superficie del objeto. Esto se conoce como capacidad multipunto. De igual forma, encontramos otra variante conocida como vibrometría de barrido o SLDV (Scanning Laser Doppler Vibrometry, vibrometría Doppler de barrido por sus siglas en inglés). El SLDV describe la medición de vibraciones usando un haz de luz que explora secuencialmente toda la superficie a analizar. La exploración puede ser de un campo completo de 1D (una dimensión) o 3D, aplicando tres haz de láseres con diferentes ángulos. 

Un analizador de vibraciones que aprovecha el efecto Doppler para medir los picos de vibración.
Figura 6. Analizador de vibraciones SLDV.

Resumen

Como vimos, existe una amplia variedad de analizador de vibraciones, cada con sus respectivas ventajas y desventajas. Por ejemplo, existen analizadores de vibraciones portátiles. Estos se comunican con smartphones y tabletas en tiempo real y pueden generar FFT (Fast Fourier Transform, transformada rápida de Fourier) con una resolución extremadamente alta. Por esto, muchas empresas de instrumentos de vibración optan por desarrollar sus propias aplicaciones para comunicarse entre sí. Por lo tanto, elegir un cierto tipo de analizador de vibraciones depende de nuestras prioridades y del sistema, equipo, máquina, estructura o proceso a estudiar.

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