Productos y tecnologías de sensores de vibración

¿Qué es un sensor de vibración?

Un sensor de vibración es un dispositivo que mide las vibraciones en máquinas como los motores y las bombas. Analizando estas vibraciones, los ingenieros de mantenimiento pueden saber si el equipo funciona normalmente. Si se producen vibraciones inusuales, esto podría indicar una avería que podría requerir un mantenimiento preventivo para evitar un fallo. Hay muchos tipos diferentes de sensores de vibración, cada uno apto para aplicaciones concretas.

¿Dónde se usan los sensores de vibración?

Los sensores de vibración se usan con mayor frecuencia en equipos giratorios, como motores, bombas, compresores, cajas de engranajes y turbinas de gas.

Una amplia gama de sectores (automoción y aeroespacial, alimentos y bebidas, pulpa y papel, petróleo y gas, minería y metalurgia) dependen de los equipos giratorios para sus aplicaciones, como los sistemas de transporte, los hornos, las turbinas eólicas, los secadores y los trenes de rodaje.

Un número cada vez mayor de sectores usa la monitorización de las vibraciones de la maquinaria giratoria para garantizar el buen estado de su planta de producción y proceso. Es normal que sistemas como los motores y las bombas vibren, pero cualquier comportamiento inusual podría indicar fallos causados por problemas como cojinetes desgastados o ejes de transmisión desalineados.

Por ejemplo, los ventiladores y compresores son fundamentales para el buen funcionamiento de los sistemas de climatización. El control de las vibraciones en estos sistemas garantiza que el aire fluya correctamente y mantenga la sala o la maquinaria a la temperatura requerida. En la industria química, muchas sustancias son corrosivas para las tuberías y otros recipientes y deben mantenerse en movimiento. Para ello es necesario que las bombas y los motores sean fiables y ofrezcan un funcionamiento ininterrumpido. La monitorización de las vibraciones garantiza la detección temprana de los problemas y la adopción de medidas para mantener su disponibilidad, evitando daños en los recipientes de la planta y procesos de limpieza posiblemente costosos y arriesgados.

¿Cómo funciona un sensor de vibración?

Los sensores de vibración convierten el movimiento en energía eléctrica mediante un transductor. Hay varios fenómenos físicos que pueden usarse para lograr esta conversión. Uno de los métodos más comunes es el efecto piezoeléctrico, en el que la presión mecánica sobre un material cristalino provoca una salida eléctrica correspondiente que puede analizarse y usarse para representar los valores de las vibraciones originales.

Otros métodos son los dispositivos de sistemas microelectromecánicos o MEMS, que es una tecnología basada en chips. Los dispositivos MEMS capacitivos miden las vibraciones cambiando su capacitancia en respuesta a la aceleración. Otra técnica usa las corrientes de Foucault inducidas en el objeto medido por una bobina. El cambio en la distancia entre la bobina y el objetivo produce una señal de salida proporcional.

También se usan sensores de micrófono. Estos convierten el ruido generado por las vibraciones en señales eléctricas.

¿Qué es un sensor de choque?

Un sensor de choque es similar a un sensor de vibración, pero responde a cargas de choque repentinas, en lugar de medir la vibración continua. Algunos sensores de choque se basan en el principio piezoeléctrico, generando una salida en respuesta a un estrés de flexión.

Un método alternativo son los sensores de choque magnetodinámicos que usan un imán montado en un resorte para inducir una corriente en una bobina cuando un choque mueve el imán.

Los sensores de choque producen poca salida cuando experimentan una aceleración lenta, como el traslado de un sitio a otro. Sin embargo, cuando se someten a un choque rápido, como una caída, producirán una salida correspondiente a la velocidad y al tamaño de la fuerza experimentada. También pueden usarse para indicar la dirección de la fuerza de choque produciendo una salida positiva o negativa.

Las aplicaciones de los sensores de choque incluyen la prevención de errores de lectura y escritura en las unidades de disco duro, que podrían ser causados por una caída. También pueden usarse para medir la velocidad de rotación de los neumáticos, accionando los sistemas de control de la presión de los neumáticos para preservar la vida de la batería.

Tipos de sensores de vibración

• Galgas extensométricas

Un tipo común de sensor de vibración es la galga extensométrica o extensómetro. Pueden funcionar tanto por el efecto piezorresistivo como por el piezoeléctrico.

Las galgas extensométricas piezorresistivas tienen forma de lámina que tiene una rejilla conductora de electricidad, que sufre una deformación cuando el componente a prueba, como un motor, experimenta vibraciones. Estas deformaciones modifican la resistencia eléctrica de la rejilla y, leyendo el tiempo que tarda en pasar una corriente eléctrica a través de ella, se puede evaluar la vibración del objeto.

Una disposición típica es un sensor de película piezoeléctrica, que consiste en una sección rectangular de película piezoeléctrica que se adhiere directamente a la superficie del componente.

El otro tipo principal de galgas extensométricas es un sensor piezoeléctrico, en el que una fuerza mecánica aplicada a ciertos materiales produce una carga a través del material. Esta fuerza puede medirse como una tensión proporcional a la presión.

La carga a través del sensor se fuga con el tiempo debido a factores como imperfecciones en el aislamiento y la resistencia interna del sensor. Esto los hace inadecuados para medir la presión estática. Sin embargo, son sensibles a los cambios dinámicos de presión en una amplia gama de frecuencias y presiones, lo que los hace ideales como sensores de vibración.

Las galgas extensométricas pueden montarse a menudo en el espacio libre. Cuando el conjunto se desvía por contacto directo, el dispositivo actúa como un "interruptor" flexible que genera una salida. Si el conjunto se apoya en sus contactos y se deja vibrar en el espacio libre, el dispositivo se comportará como un acelerómetro o un sensor de vibración.

• Acelerómetros

Los sensores de vibración más usados son de lejos los acelerómetros. Funcionan midiendo los cambios en la velocidad del componente. Estos cambios de velocidad se indican mediante vibraciones que hacen que el acelerómetro produzca una señal eléctrica. Estas señales se pueden procesar para generar datos de vibración usables.

Un acelerómetro funciona mediante un sensor electromecánico, diseñado para medir la aceleración estática o dinámica. La aceleración estática es la fuerza constante que actúa sobre un cuerpo, como la gravedad o la fricción. Las fuerzas dinámicas de aceleración no son uniformes, y los mejores ejemplos son las vibraciones o los golpes.

Los acelerómetros piezoeléctricos son el tipo más usado, pues producen una señal fuerte y clara en la mayoría de las frecuencias. Sin embargo, los acelerómetros piezorresistivos también son cada vez más comunes y logran detectar frecuencias altas y bajas, pero son bastante más caros que los piezoeléctricos.

Los acelerómetros de uno y varios ejes pueden detectar tanto la magnitud como la dirección de la aceleración propia que experimentan, que se expresa como una cantidad vectorial y puede usarse para detectar la vibración, la orientación del sensor, la aceleración de las coordenadas, el choque y las caídas en un medio resistivo.

Los acelerómetros de un solo eje tienen un solo cristal y, por tanto, responden a la vibración en un solo plano. Los acelerómetros de tres ejes miden la vibración en tres ejes, X, Y y Z, usando tres cristales, cada uno de ellos posicionado para responder a las fuerzas que actúan en un plano diferente. La salida del acelerómetro tiene tres señales, y cada una representa la vibración experimentada en uno de los ejes.

También están disponibles los acelerómetros MEMS que vienen en dos tipos principales: acelerómetros piezoeléctricos y capacitivos. Un acelerómetro piezoeléctrico MEMS combina un cuerpo rígido y una masa física unida a un cristal piezoeléctrico. Cuando se produce el movimiento, la masa producirá tensión, estirando el material piezoeléctrico y generando una carga que es proporcional a la aceleración. Se usan más que todo para medir las vibraciones y los choques.

En un acelerómetro capacitivo MEMS, el cambio de aceleración impulsa el movimiento de la masa de prueba, reduciendo la distancia entre dos polos del condensador de placas paralelas. La aceleración se calcula entonces midiendo el cambio de la capacitancia. Conocido por su precisión, es el tipo de acelerómetro más usado.

En comparación con los acelerómetros piezoeléctricos estándar, los acelerómetros MEMS tienen una serie de ventajas. Además de tener un tamaño relativamente compacto en comparación con los dispositivos estándar, los acelerómetros MEMS pueden medir hasta CC, lo que los hace muy útiles para evaluar la maquinaria de movimiento lento. Este rasgo se aplica en la medición de las vibraciones en las turbinas eólicas y en los tipos de equipos de rotación lenta usados en sectores como el procesamiento de metales y alimentos y bebidas, donde son comunes las velocidades de rotación inferiores a 60 rpm.

Los sensores MEMS también pueden recuperarse de las cargas de choque más rápidamente que los acelerómetros piezoeléctricos estándar, lo que les permite detectar de forma fiable tanto los eventos de impacto como las posteriores mediciones de vibración.

• Sensores de vibración de micrófono

Otra opción son los sensores de micrófono. Las vibraciones crean algunos sonidos de alta frecuencia que son indetectables para el ser humano. Los sensores de los micrófonos pueden detectar cambios en estos sonidos de alta frecuencia y son un método rentable para ofrecer cierta información básica.

Con su amplio rango de frecuencias, los micrófonos pueden dar una representación clara y precisa de las frecuencias presentes en el patrón de vibración de una máquina. Sin embargo, aunque pueden detectar cambios en las frecuencias, no pueden proporcionar valores absolutos.

Por esta razón, suelen usarse junto a los acelerómetros.
Un producto típico es el micrófono de contacto CM-01B de TE Connectivity. Usa una película piezoeléctrica de PVDF, sensible pero resistente, y la combina con un preamplificador electrónico de bajo ruido. El diseño minimiza el ruido acústico externo mientras ofrece una sensibilidad extremadamente alta a las vibraciones. Sus características incluyen un gran ancho de banda, alta sensibilidad, gran resistencia a los impactos, peso ligero y bajo coste.

• Otros tipos de sensores de vibración

Existen otros tipos de sensores de vibración.

Un sensor de corriente de Foucault es un tipo de sensor sin contacto. Funciona induciendo corrientes parásitas en el objeto medido mediante una bobina. Si el sensor está fijo y el objeto experimenta vibraciones, ese movimiento se registrará en el campo magnético. El cambio en la distancia entre la bobina y el objetivo produce una señal de salida proporcional.

Dado que los sensores de Foucault miden el movimiento en relación con la posición del sensor, deben fijarse en su lugar. Como no necesitan entrar en contacto con el activo, son ideales para activos o montajes delicados.

Otra técnica sin contacto se trata del desplazamiento láser que usa un rayo láser dirigido al activo. El haz se refleja en un detector. Los cambios en la posición del objeto hacen que el haz se refleje en una parte diferente del detector, lo que se interpreta como una medida del movimiento del objeto.

Los giroscopios son una técnica de contacto que mide la velocidad angular, es decir, la rapidez con la que algo gira o rota. Usan la tecnología MEMS para realizar mediciones precisas de cuántos grados gira un objeto por segundo. Los giroscopios no suelen usarse por sí solos, sino que complementan los datos de un acelerómetro con datos sobre la orientación.

Cómo seleccionar un sensor de vibración

Existen varios aspectos que se deben tener en cuenta la hora de seleccionar los sensores de vibración adecuados para una aplicación.

Uno de ellos es la tecnología que se va a usar. Puede necesitar una tecnología con o sin contacto, medir vibraciones de muy baja o muy alta frecuencia, vibraciones en más de un plano o un aparato muy compacto. Estos requisitos pueden limitar las tecnologías de detección de vibraciones que se pueden emplear.

La sensibilidad es otro factor que se debe tener en cuenta. Por ejemplo, la sensibilidad de los acelerómetros industriales oscila entre 10 y 100 mV/g. Elegir la sensibilidad correcta para una aplicación implica conocer el rango de niveles de amplitud de vibración a los que estará expuesto el sensor durante las mediciones.

Si la máquina produce vibraciones de gran amplitud (superiores a 10 g rms) en el punto de medición, es preferible un sensor de baja sensibilidad (10 mV/g). Por el contrario, si la vibración es inferior a 10 g rms, debe elegirse un sensor de 100 mV/g. En ningún caso el nivel de g máximo debe superar el rango de aceleración del sensor.

Para seleccionar el rango de frecuencias, tenemos que determinar los requisitos de frecuencia de la aplicación. El rango de alta frecuencia del sensor está limitado por la sensibilidad al aproximarse a la resonancia. Muchos amplificadores de sensores también filtran el extremo superior del rango de frecuencia para atenuar la amplitud de la resonancia.

La mayoría de las vibraciones de la maquinaria industrial tienen frecuencias inferiores a 1000 Hz, pero puede haber componentes de interés a frecuencias más altas. Por ejemplo, con un eje, la frecuencia más alta de interés podría ser un armónico que será un producto de la velocidad operativa y el número de cojinetes del eje.

Otro factor es la temperatura, ya que los sensores deben sobrevivir a los rangos de temperatura experimentados en la aplicación propuesta. Esto es importante, pues la termoexpansión de la carcasa metálica del sensor o de otros componentes metálicos podría causar salidas erróneas.

Existen muchos sensores diferentes y es importante encontrar el sensor de vibración adecuado para la aplicación. Obtener las mediciones precisas de las vibraciones es esencial para que la monitorización basada en el estado de la maquinaria giratoria logre todo su potencial.