15 de Octubre
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Vibrómetros

El mantenimiento predictivo y el diagnóstico de fallas

El mantenimiento predictivo busca de estudiar el funcionamiento de equipos, procesos o estructuras para identificar posibles fallas o mal funciones y repararlas. Posteriormente, cambiar el componente averiado o sustituir el equipo completo antes de que ocurra cualquier falla. De esta forma, la producción se mantiene y se evita cualquier tipo de riesgo laboral. No obstante, para detectar averías se debe estudiar el comportamiento de una máquina. Para eso, se pueden usar equipos como vibrómetros o sensores térmicos para la detección de anomalías.

Todo equipo, material, estructura o proceso son propensos a presentar fallas durante su vida útil. La industria es un sector encargado de convertir materias primas en productos finales o intermedios. Entonces, la industria es un sector crucial para la sociedad moderna. Por tal motivo, cualquier fallo causaría desde retrasos en la producción hasta averías mayores que puedan afectar la integridad de los trabajadores. Por esto, mantener vigilados esos equipos para evitar cualquier mal función es vital. Es aquí donde entra el mantenimiento predictivo.

Las vibraciones

Conocemos como vibración a cualquier movimiento periódico de un objeto entorno a su posición de equilibrio sin que se produzca un desplazamiento neto. Este punto de equilibrio o punto inicial funciona como marco de referencia para saber qué tanto se ha desplazado. Por ejemplo, una molécula de aire antes de volver a su estado inicial.

En este ejemplo, se supone que la hoja de papel se mueve horizontalmente hacia la izquierda y el marcador de arriba hacia abajo.
Figura 1. Representación de un fenómeno oscilatorio.

Cualquier equipo en movimiento generará una vibración. Por esto, existen vibraciones estándares que se generan cuando un motor o proceso trabajan correctamente. Sin embargo, cuando se produce una mal función por falta de lubricación o entrada de un cuerpo extraño a la máquina se generan vibraciones anormales. Por lo tanto, detectar estas frecuencias nos permite detectar cualquier indicio de una falla inminente. Para eso, se usan componentes como los sensores de vibraciones y, por lo tanto, instrumentos como los vibrómetros.

Los vibrómetros

Un vibrómetro es un instrumento de medición para captar y cuantificar la magnitud de una vibración. Estos instrumentos son muy comunes en el mercado, especialmente los basados en el uso de acelerómetros. Sin embargo, los más nuevos aplican láseres para medir las vibraciones. Más adelante, hablaremos de ellos.

Los vibrómetros que usan acelerómetros miden el desplazamiento, aceleración o velocidad del objeto a estudiar. Estas herramientas se aplican directamente sobre la máquina, colocando la punta del sensor en ella por unos instantes. Luego, la vibración estimula una masa M interna del acelerómetro, lo que estimula al material piezoeléctrico. En consecuencia, cuando el acelerómetro es sometido a una vibración, la masa M produce fuerzas de inercia sobre el material piezoeléctrico. Como reacción, el instrumento piezoeléctrico genera cargas eléctricas proporcionales a la fuerza.

Aparte de los vibrómetros de acelerómetro, existe otro tipo más avanzado y más potente, el VLD (Vibrómetro láser Doppler). Para entender cómo funciona, primero debemos definir qué es el efecto Doppler.

El efecto Doppler es el cambio aparente de frecuencia de una onda producido por el movimiento de la fuente respecto al receptor. Por ejemplo, cuando se acerca un automóvil mientras toca el claxon a medida que se acerca se escucha más agudo. Por otro lado, cuando se aleja el sonido se vuelve más grave.

Para ilustrar mejor esto, imagine que esta en un bote anclado en un mar calmo y las olas (ondas) tienen un periodo de T = 3.0s. Esto significa que cada 3.0 segundos una cresta de ola impacta el bote. Así, si las ondas se mueven a la izquierda y usted pone un cronometro con t = 0 justo cuando una ola golpea, al pasar 3.0s impacta otra. Luego, transcurridos 6.0s golpea otra y así sucesivamente. Entonces, la frecuencia ondulatoria f = 1/T, lo que es igual a f = 1/3.0s = 0.33Hz. Ahora, usted enciende su motor y avanza hacia la derecha, dirección contraria a las olas, cronometrando su tiempo con t = 0 cuando una ola golpea su bote. En consecuencia, las olas lo impactan en un tiempo mucho menor a 3.0s luego del primer golpe. En otras palabras, aumenta la frecuencia de olas golpeando el bote.

Por otro lado, si se mueve a la izquierda (misma dirección de las olas) podría observar que las olas impactan su bote cada vez con menos frecuencia. Entonces, decimos que la frecuencia de impacto de las olas ha disminuido. En conclusión, el efecto Doppler aplica para cualquier tipo de ondulaciones periódicas como las vibraciones. Asimismo, este es válido en acústica con ondas sonora y en astronomía para detectar las ondas electromagnéticas de los cuerpos celestes.

Por otro lado, la longitud de onda es mayor en el sentido contrario de la dirección del movimiento de la fuente.
Figura 2. Se observa cómo la frecuencia aumenta en la dirección del movimiento de la fuente.

Los VLD aprovechan el efecto Doppler para hacer mediciones en maquinaria industrial. El VLD enfoca un haz de luz en el objeto a medir. La superficie del objeto refleja la luz y esta última es recogida de nuevo por un vibrómetro. Posteriormente, un interferómetro demodula la diferencia de frecuencia entre el haz de luz enviado (incidente) respecto al reflejado. Estos datos se transforman en una señal de voltaje y posteriormente procesado en un computador.

Entre los tipos de vibrómetros VLD tenemos:

Vibrómetro de un solo punto

Los VLD de un solo punto miden las funciones de transferencia, las amplitudes y las frecuencias de resonancia sin contacto. Además, lo hacen de forma no intrusiva gracias al sencillo principio de “apuntar y disparar”. En otras palabras, son sensores de vibración láser que miden las vibraciones de los objetos en la dirección del rayo láser.

Vibrómetro diferencial

La vibrometría diferencial describe la medición de las vibraciones en dos puntos que vibran uno respecto al otro. Normalmente, se usan dos métodos:

  1. En el primero, la diferencia se genera directamente en el recorrido óptico. Este método es ideal para las frecuencias más altas.
  2. Con el segundo, la diferencia se calcula electrónicamente con dos interferómetros independientes. Por lo tanto, este método permite una mayor flexibilidad de configuración.

Vibrómetro Doppler de barrido SLDV

La vibrometría Doppler de barrido (SLDV) describe la medición de las vibraciones. De esta forma, el rayo láser explora secuencialmente toda la superficie de la muestra utilizando una serie de mediciones de un solo punto. Con esta medición, se generan funciones de transferencia para todos los puntos de medición. Una de las ventajas, es que en el dominio de la frecuencia las funciones de transferencia se representan como una forma de deflexión operativa. Luego, con el dominio del tiempo se anima la secuencia de movimiento simultáneo del área de la estructura examinada. Además, permite la exploración de campo completo 1D de estructuras enteras. De igual forma, permite el escaneo 3D, usando tres haz de láseres con diferentes ángulos.

Vibrómetros rotacionales

Los vibrómetros rotacionales describen la medición de la velocidad angular y desplazamiento angular de las vibraciones forma de estructura giratoria. Por ejemplo, nos permite analizar detalladamente la dinámica rotacional de

  • transmisiones,
  • turbinas de gas,
  • generadores eléctricos,
  • impresoras, y
  • copiadoras.

Vibrometros de plano

La vibrometría en el plano describe las mediciones de vibración y movimiento perpendiculares al eje de medición. Por ejemplo, la vibrometría en el plano detecta sin contacto los movimientos de los pistones, los ejes de las válvulas o las herramientas. Además, se utiliza para mediciones de deformación muy dinámicas.

Vibrometros multi punto

La medición sincronizada de varios sensores es esencial para detectar las formas de reflexión de eventos dinámicos o transitorios. En contraste con la vibrometría de barrido, todos los canales ópticos miden en el mismo momento de tiempo. Este enfoque multisensor permite analizar las vibraciones de todo el campo en el dominio del tiempo y de la frecuencia.

Diferentes tipos de vibrómetros Doppler.
Figura 3. Los diferentes tipos de vibrómetros Doppler.

Resumen

Como vimos, en el mercado existe una amplia variedad de vibrómetros, desde los simples con acelerómetros hasta los VLD. Por lo tanto, debemos entender las ventajas y desventajas de cada uno de los instrumentos. De esa forma, podremos garantizar una medición exitosa y así tener la oportunidad de prevenir cualquier tipo de accidente laboral.

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