Cómo se miden las vibraciones

El mantenimiento predictivo necesita conocer el estado de un sistema, máquina o proceso para determinar una posible mal función en los mismos. Para lograrlo, hace uso de equipos de medición tales como vibrómetros; por ende, sensores de vibración. La medición de equipos industriales con fines de diagnostico para aplicar el mantenimiento predictivo consta de varios pasos y es un proceso complejo. Por lo tanto, debemos conocer cómo funcionan los equipos a utilizar y los pasos que se toman.

Para estudiar los equipos, primero aplicamos la etapa transductora. En esta primera fase los sensores de vibración transforman un fenómeno como la vibración mecánica en una señal eléctrica proporcional a la magnitud medida. Las señales mecánicas que se logran medir pueden ser desplazamientos, velocidades, aceleraciones, ruido o presión.

Algunas señales entregadas por sensores no pueden ser introducidas a un medidor de vibraciones de forma directa. Es aquí cuando entra la segunda etapa, la de acondicionamiento de la señal eléctrica. Por ejemplo, se debe amplificar la señal de una vibración para que tenga potencia suficiente para mover la aguja de indicadora de un instrumento de medición, disminuir la impedancia, demodularlas, etc.

Una vez la señal está acondicionada se pasa a la etapa de procesamiento. Aquí, se puede aplicar:

• medir su valor pico, pico a pico o RMS,
• analizar la forma de onda respecto al tiempo en un osciloscopio,
• analizar el contenido frecuencial usando un analizador de vibraciones.

Por último, tenemos la etapa de registro. Ya con la señal correctamente acondicionada y procesada solo queda mostrar los resultados obtenidos usando una computadora, impresora o plotter.

Sensores de vibración

En este capitulo nos enfocaremos en estudiar cómo funcionan los sensores de vibración, los cuales tienen un papel esencial en la etapa transductora de las señales. Para eso, debemos definir unos conceptos básicos.

Un transductor es un dispositivo electrónico diseñado para medir cantidades físicas como la vibración, temperatura o presión y posteriormente las convierte en señales eléctricas. Esta señal es proporcional a la magnitud de la medida inicial. La relación entre la señal eléctrica de salida y la magnitud física original o de entrada se define como sensibilidad del transductor. Normalmente, un transductor típico tiene una sensibilidad de 200mv/mils. En otras palabras, si el transductor capta un desplazamiento pico a pico de 1mils y el voltaje de salida que entrega es de 200mv.

A continuación, analizaremos los cuatros tipos de sensores de vibraciones con sus respectivas ventajas y desventajas de cada uno.

Sensores de vibración de desplazamiento sin contacto

Los sensores de desplazamiento sin contacto miden el desplazamiento relativo entre la punta del sensor y el objeto a medir. Estos instrumentos de medición están compuestos de un sensor, un cable de extensión, un oscilador demodulador y una fuente de poder.

El sensor consiste en una bobina eléctrica cubierta por un material estable. El oscilador demodulador le proporciona al sensor un campo magnético de alta frecuencia, normalmente de 1.5MHz. Luego, al pasar por el sensor, la corriente produce un campo magnético variable que se induce a la superficie a estudiar, siempre y cuando sea un metal conductor de corriente. La superficie absorbe energía del campo magnético y esto se traduce en una variación del voltaje en el campo magnético. Así, las variaciones de voltaje son proporcionales a la distancia d (entre el sensor y la pieza a estudiar). Posteriormente, se demodula la señal y se envía a una salida proporcional a d.

Sensores de vibración de desplazamiento de contacto

Los sensores de desplazamiento de contacto son uno de los primeros sensores de vibraciones. Estos funcionan al montarse directamente con la estructura a medir. Se caracterizan por medir vibraciones por debajo de los 200Hz. No obstante, a pesar de tener un rango de medición muy bajo, son útiles para medir máquinas hechas de materiales no conductoras de electricidad. La medición con estos sensores puede ser de dos maneras:

1. Sensores de vibración fijo a un palo en contacto con eje

Se conecta un extremo del palo de madera al eje y en la otra punta del palo se conecta el acelerómetro. Luego, se mantiene presión sobre el eje para medir la vibración de la máquina, siempre con la precaución de no mantenerlo presionado por mucho tiempo.

2. Sensores de vibración con vástago en contacto con el eje

Esta medición se realiza usando un vástago puesto directamente sobre la superficie a medir. Prácticamente, cabalgando la superficie al estar conectado a un resorte. Normalmente, las mediciones se hacen usando dos métodos:

1. Conectando un acelerómetro en el extremo del vástago que no contacta el eje.
2. usando un LVDT (Linear Variable Differential Transformer, transformador diferencia de variable linear, por sus siglas en inglés). Esta medición esta basada en un transformador eléctrico de variación lineal. La punta del LVDT es un pistón que se mueve hacia adentro y afuera cuando la superficie a medir se mueve.

Sensor de aceleración

El acelerómetro es un sensor de vibración que utiliza las propiedades piezoeléctricas de materiales cerámicos para acumular una carga interna de forma simétrica. Así, al ser sometidos a una fuerza externa en dirección de su polarización se produce una carga eléctrica en su superficie. En consecuencia, se genera una diferencia de potencial entre ellas. Naturalmente, la carga y voltaje es proporcional a la fuerza aplicada.

El acelerómetro está construido con un determinado número de placas de cuarzo sobre los cuales se apoya una masa de un lado y por el otro están unidos a una base. Esta base es la que se apoya en la superficie a medir. Cuando el acelerómetro es sometido a una vibración, la masa produce fuerzas de inercia sobre el material piezoeléctrico. Luego, el instrumento piezoeléctrico genera cargas eléctricas proporcionales a la fuerza.

Uno de los inconvenientes con los acelerómetros es que tienen una impedancia muy alta de salida. Se entiende por impedancia como la resistencia ofrecida por un circuito a un paso de corriente cuando se aplica una tensión. Por lo tanto, no es adecuado para usarlo directamente con la mayoría de los instrumentos de medición, análisis o monitoreo de vibraciones. Asimismo, para bajar la impedancia, se hace uso de un preamplificador, el cual amplifica la señal. El preamplificador puede ser colocado dentro o fuera del acelerómetro.

Sensores de velocidad piezoeléctrico

Un sensor de velocidad piezoeléctrico es un acelerómetro con un integrador analógico dentro del transductor. Tiene las mismas características de un acelerómetro. No obstante, la diferencia radica en la unidad de medida usada. Los sensores de velocidad tienen un rango de detección de frecuencias alto.

Sensor de velocidad sísmico

El sensor de velocidad sísmico se caracteriza por funcionar sin necesidad de una fuente de poder externa. Esto se conoce como sensor electrodinámico. En este tipo de sensores, la bobina se desplaza en conjunto con la superficie a medir. Lo anterior, ocurre con un movimiento relativo a un imán permanente fijo a una masa sísmica M. Luego, la bobina induce una fuerza electromotriz en sus espiras al moverse relativamente respecto al imán, fuerza que es directamente proporcional a la velocidad relativa bobina-imán. Este fenómeno ocurre cuando la vibración externa logra ser superior a la frecuencia de vibración natural del sistema interno, superior a los 10-11.6Hz.

Sin embargo, el sensor de velocidad sísmico no es adecuado para medir vibraciones de baja frecuencia. Cuando una frecuencia externa por debajo de los 10Hz la masa M no permanece estacionaria y se mueve. En consecuencia, el sensor entrega un valor de amplitud vibratoria menor a la real y se deben hacer correcciones en la medición final, lo que resulta poco práctico.

Resumen

Existe una gran variedad de sensores en el mercado, cada uno aplicado a diversas herramientas de medición de vibraciones. Por lo tanto, debemos tener en cuenta bajo qué circunstancias debemos aplicar cada tipo de sensor. Para ello, debemos tomar en cuenta:

• el rango de frecuencias típico,
• la sensibilidad,
• rango dinámico,
• sensibilidad transversal,
• susceptibilidad a la humedad,
• sensibilidad a la formación de la base,
• sensibilidad magnética,
• rango de temperatura usable,
• sensibilidad a ruidos acústicos.

De esta forma, nos aseguramos de obtener una señal de muestra completamente limpia y libre de señales externas.