Introduzione agli accelerometri industriali piezoelettrici

Negli ultimi dieci anni, l'andamento dei parametri di vibrazione è diventato la tecnologia più utilizzata per il monitoraggio della salute dei macchinari. Gli accelerometri industriali sono diventati il cavallo di battaglia del mercato della manutenzione predittiva. Questi sensori sono estremamente robusti, offrono un'ampia gamma dinamica e sono disponibili in una varietà di configurazioni per soddisfare i requisiti di installazione individuali.

La scelta dell'accelerometro più adatto a una determinata applicazione è spesso fonte di confusione. Esistono molti buoni accelerometri generici che possono soddisfare l'80% delle applicazioni. Il restante 20% richiede sensori di vibrazione speciali. Queste applicazioni possono includere il monitoraggio ad altissima frequenza, le misure a bassissima frequenza, l'ampiezza molto bassa, le installazioni ad alta temperatura e molte altre.

Questo documento/presentazione illustra le caratteristiche di base della progettazione degli accelerometri. Particolare attenzione sarà dedicata alla descrizione dei criteri che compongono i sensori speciali, come gli accelerometri a bassa frequenza. Verranno fornite indicazioni applicative sull'installazione degli accelerometri, sulle tecniche di montaggio e sul cablaggio.

Selezione del materiale

Gli accelerometri sono dispositivi piezoelettrici, cioè l'elemento primario di rilevamento è un elemento piezoelettrico costruito in modo tale che, quando viene sollecitato da forze vibratorie, viene prodotto un segnale elettrico proporzionale. Alcuni materiali sono naturalmente piezoelettrici. Il quarzo è un materiale naturale comunemente utilizzato negli accelerometri e presenta una stabilità a lungo termine senza pari. I materiali ceramici policristallini possono essere realizzati con proprietà piezoelettriche. Lo zirconato titinato di piombo (PZT) è un materiale comunemente usato negli accelerometri dopo essere stato "polarizzato". La polarizzazione del PZT sottopone la ceramica a tensioni continue molto elevate ad alte temperature, nel tentativo di allineare i domini lungo l'asse di polarizzazione. Il PZT mostra un naturale decadimento della resa nel tempo e richiede una frequente ricalibrazione. Un particolare impegno nell'invecchiare artificialmente le unità riduce questa condizione. Anche alti livelli di shock o installazioni ad alta temperatura possono causare spostamenti nell'uscita dei sensori basati su PZT.

In generale, il quarzo e il PZT sono entrambi utilizzati nella produzione di accelerometri. Ciascun materiale presenta alcuni vantaggi e svantaggi. Come già detto, il quarzo presenta una stabilità termica superiore e non ha effetti di invecchiamento, quindi è estremamente stabile nel tempo. I sensori al quarzo offrono un'elevata sensibilità alla tensione e richiedono amplificatori di tensione per condizionare il segnale. Gli amplificatori di tensione, con resistenze di valore elevato, sono normalmente più rumorosi e limitano il segnale minimo misurabile, ma consentono di monitorare livelli di vibrazione molto elevati. I sensori basati su PZT forniscono un'elevata carica in uscita e un'alta capacità. "Vengono utilizzati amplificatori di carica microelettronici più silenziosi, che consentono di misurare le vibrazioni di basso livello.

Altri materiali da considerare nella progettazione dell'accelerometro sono il materiale della custodia, la scelta del connettore e il metodo di sigillatura. Gli accelerometri industriali devono operare in condizioni ambientali molto avverse. Spesso sono presenti sostanze chimiche aggressive che sottopongono il sensore a condizioni corrosive e, in ultima analisi, dannose. Le custodie in acciaio inox 316L, non corrosivo, sono necessarie in ambienti industriali difficili per garantire la sopravvivenza del sensore. L'acciaio inox 316L è utilizzato anche per le sue proprietà non magnetiche, importanti in presenza di motori di grandi dimensioni. Le custodie in alluminio anodizzato non sono in grado di resistere a condizioni estreme. Alcuni nuovi sensori stanno emergendo con un design composito della custodia. Alcuni materiali compositi presentano una resistenza alla corrosione simile a quella dell'acciaio inossidabile. Anche i connettori devono essere altrettanto robusti. I connettori in acciaio inox con guarnizioni ermetiche sono necessari anche in ambienti difficili. I connettori non ermetici come i BNC, per quanto convenienti, non sopravvivono alle condizioni industriali. Inoltre, i connettori BNC tendono a usurarsi con l'uso ripetuto e in presenza di forti vibrazioni. I contaminanti possono penetrare nel sensore attraverso le guarnizioni epossidiche e danneggiarlo in modo permanente. I connettori ermetici e le saldature ermetiche a laser o a fascio di elettroni assicurano che il sensore sia sigillato dai contaminanti esterni.

Meccanica

Nella produzione di accelerometri industriali si utilizzano tre modelli strutturali di base. Si tratta dei modelli a flessione, compressione e taglio. Tutti e tre i progetti contengono i componenti di base dell'elemento piezoelettrico, della massa sismica, della base e dell'alloggiamento.

Nella struttura a flessione, l'elemento piezoelettrico è fissato alla massa sismica sotto forma di una doppia trave a sbalzo. La Figura 1 mostra il sistema elemento sensibile/massa che viene azionato dal fulcro o dalla base. I modelli a flessione hanno una frequenza di risonanza inferiore e in genere non sono adatti alle applicazioni di monitoraggio dei macchinari. Grazie alla loro potenza molto elevata (fino a 100 V/g), i modelli a flessione eccellono nelle applicazioni sismiche a basso livello e a bassa frequenza. L'elemento flessionale è spesso epossidato, il che ne limita l'applicazione in ambienti con scosse elevate.

Il design a compressione è generalmente il più semplice e facile da capire. Il cristallo, di quarzo o ceramica, è inserito tra la massa sismica e la base con un bullone elastico di precarico. Il movimento (vibrazione) nella base comprime il cristallo creando un'uscita. I modelli a compressione sono molto più adatti di quelli a flessione per le applicazioni di monitoraggio dei macchinari industriali, grazie all'elevata risonanza e alla maggiore durata. I modelli a compressione hanno generalmente basi spesse e dovrebbero essere utilizzati su strutture con pareti spesse a causa della sensibilità alle deformazioni della base e ai transitori termici.

Il design a taglio sottopone l'elemento sensibile a una sollecitazione di taglio. L'elemento di rilevamento piezoelettrico e la massa sismica sono fissati a un palo centrale/base in posizione verticale tramite un anello di fissaggio, come mostrato nella figura 3. Questo precarico produce una struttura rigida. Questo precarico produce una struttura rigida con una buona risposta in frequenza e una maggiore integrità meccanica. Poiché l'asse sensibile non è in linea con la superficie di montaggio, le condizioni ambientali avverse, come la deformazione della base e i transitori termici, non producono falsi segnali come negli altri modelli.

Nella scelta degli accelerometri, gli specialisti delle vibrazioni devono considerare tre aree principali: gamma di ampiezza, gamma di frequenza e considerazioni ambientali.

Campo di ampiezza

Gli accelerometri utilizzati nelle applicazioni di manutenzione predittiva sono sensori ICP® amplificati internamente. Questi sensori sono alimentati con una corrente continua costante. La tensione di alimentazione è regolata tra 18 e 28 volt CC e la corrente è limitata, tramite un diodo a corrente costante, tra 2 e 20 mA. L'uscita del segnale dei sensori ICP® è un segnale CA con polarizzazione in corrente continua. Il segnale di vibrazione, in genere 100 mV/g CA, è sovrapposto alla polarizzazione CC. Questa polarizzazione CC è normalmente bloccata da un condensatore di disaccoppiamento, in modo che l'apparecchiatura di lettura possa essere accoppiata alla corrente alternata. Se si utilizza un normale livello di polarizzazione di 12 V c.c. con un alimentatore c.c. da 18 volt e il segnale dell'accelerometro è di 100 mV/g, il segnale massimo misurabile sarà di 50 g o 5 V c.a.. Questo livello massimo può essere aumentato aumentando il livello di tensione di alimentazione o diminuendo la sensibilità dell'accelerometro. Utilizzando un accelerometro da 10 mV/g con la stessa uscita massima di 5VAC, il limite di vibrazione aumenta a 500 g.

L'altro criterio da considerare quando si esamina l'intervallo di ampiezza è il livello minimo di vibrazione misurabile. Questo è specificato come rumore di fondo o come risoluzione del sensore. La risoluzione del sensore è determinata da due fattori: il rumore elettrico dell'amplificatore interno e il guadagno meccanico del sistema massa/piezoelettrico. Più grande è la massa sismica, più grande è l'uscita del sensore prima dell'amplificazione. L'elevato guadagno meccanico migliora le misure a basso livello, producendo segnali elettrici sostanziali senza l'uso del guadagno dell'amplificatore. Gli elementi di rilevamento in ceramica forniscono in genere un rapporto segnale/rumore più elevato, consentendo di misurare piccoli livelli di vibrazione senza che il rumore elettrico interferisca con l'analisi.

Risposta in frequenza

La risposta in frequenza di un accelerometro ICP® amplificato internamente è descritta come l'intervallo di frequenza in cui il sensore fornisce una risposta lineare. L'estremità superiore della risposta in frequenza è regolata dalla rigidità meccanica e dalle dimensioni della massa sismica nell'elemento sensibile, mentre la gamma di basse frequenze è controllata dal roll-off dell'amplificatore e dalla costante di tempo di scarica. La Figura 4 mostra una tipica risposta in frequenza.

Risposta in frequenza alle alte frequenze

La risposta in frequenza alle alte frequenze è determinata dalla formula w=Ök/m, dove w è la frequenza di risonanza (2pf), k è la rigidità della struttura di rilevamento e m si riferisce alle dimensioni della massa sismica. A parità di rigidità, un sensore con una grande massa sismica avrà una bassa risonanza. Una massa sismica di grandi dimensioni produrrà anche un guadagno meccanico più elevato e quindi un accelerometro a basso rumore con una maggiore sensibilità. Una massa sismica più piccola produrrà meno segnale, ma darà luogo a un sensore con una frequenza di risonanza più elevata. Il segnale in uscita può essere basso utilizzando una massa sismica più piccola, ma la gamma di frequenza sarà più ampia, consentendo di effettuare misurazioni a frequenze più elevate.

La rigidità, la seconda variabile dell'equazione w=Ök/m, dipende dalla struttura di rilevamento. Le strutture flessionali, come detto in precedenza, forniscono un guadagno meccanico significativo, ma la rigidità è molto bassa. I modelli a flessione hanno in genere un'uscita elevata, una bassa risonanza e una limitata resistenza agli urti. Gli accelerometri a compressione, grazie alla vite di precarico, presentano una rigidità maggiore rispetto alle unità a flessione e quindi hanno una risonanza più elevata e una gamma di frequenze più ampia. Come già detto, altri fattori ambientali come la deformazione della base e i transitori termici possono limitarne l'uso. I sensori a taglio, se fissati meccanicamente, presentano un'elevata rigidità e quindi un'alta risonanza. L'insensibilità ai fattori ambientali come la deformazione e i transitori termici pone il design a taglio in cima alla lista.

Risposta in frequenza alle basse frequenze

La gamma bassa è governata elettricamente da un circuito capacitivo resistivo che determina la costante di tempo di scarica (t=R*C). Più alto è il DTC, più lento è lo scarico del segnale e quindi migliore è la risposta in frequenza alle basse frequenze (vedi tabella 1). Il DTC può essere paragonato a un imbuto. Più piccola è l'apertura sul fondo dell'imbuto (o più alta è la costante di tempo), meno acqua (segnale) fuoriesce. Un sensore con una DTC più elevata significa una migliore risposta in frequenza alle basse frequenze. Un'applicazione a bassa frequenza è spesso ingestibile senza un sensore con un DTC adeguato. Il DTC, tuttavia, non determina solo la risposta in frequenza alle basse frequenze, ma è anche un fattore importante nel determinare il tempo di assestamento. Più alto è il DTC, più lungo è il tempo di assestamento. (Nota: una regola empirica prudente da seguire è che un tempo di assestamento pari a 10 volte la costante di tempo di scarica consentirà al segnale di decadere entro l'1% del bias di uscita). Un tempo di assestamento di alcuni secondi o più potrebbe non sembrare significativo per chi lavora in un ambiente di laboratorio con uno o due punti, ma una persona che prende i dati da punto a punto sul campo penserà sicuramente il contrario. Pertanto, spesso è necessario trovare un compromesso tra la risposta a bassa frequenza e il tempo di assestamento.

Materiale

Gli accelerometri industriali sono destinati a essere installati in modo permanente in ambienti molto difficili. Le precedenti discussioni sulla scelta dei materiali influiscono direttamente sulla capacità dei sensori di sopravvivere agli ambienti ostili. I sensori devono essere realizzati in acciaio inox 316L e i connettori devono essere di tipo militare ermetico. Anche le custodie esterne devono essere sigillate ermeticamente. Gli accelerometri con involucro in alluminio non sopravvivono alle installazioni industriali difficili. I BNC e i connettori coassiali 10-32 non durano nelle applicazioni industriali. La struttura interna del cristallo deve essere fissata meccanicamente e non incollata.

Anche i gruppi di cavi devono essere robusti come il sensore. I connettori di accoppiamento devono essere sigillati se si prevede una contaminazione. Anche i materiali del rivestimento dei cavi devono essere studiati per assicurarsi che le sostanze chimiche o le temperature non superino l'intervallo utile del cavo. Troppo spesso le installazioni vengono compromesse perché non si presta sufficiente attenzione ai connettori e ai cavi. Il sensore può essere industrialmente robusto, ma i guasti si verificano nei cavi e nei connettori.

Montaggio

Un'altra condizione ambientale da considerare è il metodo di montaggio dei sensori di vibrazione. Nella manutenzione predittiva si utilizzano quattro metodi principali per fissare i sensori ai punti di monitoraggio. Si tratta del montaggio di perni, del montaggio di adesivi, del montaggio magnetico e dell'uso di punte di sonda o stinger. Ciascun metodo influisce sulla risposta in alta frequenza dell'accelerometro. Il montaggio su perno offre la risposta in frequenza più ampia e il fissaggio più sicuro e affidabile. La Figura 5 mostra la preparazione ideale della superficie per il montaggio dei sensori con perno.

Tutti gli altri metodi menzionati riducono la gamma di frequenze superiori del sensore. Rimuovendo il sensore dall'intimo contatto con il punto di misura e inserendo pezzi di montaggio alternativi, come cuscinetti adesivi, magneti o punte di sonda, si introduce una risonanza montata. Questa risonanza montata è inferiore alla risonanza naturale del sensore e riduce la gamma di frequenza superiore. Più il sensore è lontano dal punto di misura, più bassa è la risonanza montata e più bassa è la gamma di frequenze utilizzabili. La Figura 6 mostra questa variazione della risonanza montata.

Un ultimo punto da sottolineare riguardo al montaggio riguarda la preparazione della superficie. Oltre a superfici il più possibile piane, pulite e prive di detriti e a fori di montaggio perpendicolari, le superfici di montaggio devono essere leggermente rivestite con un lubrificante. Questo rivestimento favorisce la trasmissibilità delle vibrazioni ad alta frequenza e migliora la risposta ad alta frequenza dei sensori. Si utilizzano comunemente grasso per vuoto al silicone, olio per macchinari pesanti o cera d'api.

Cablaggio

Come già detto, la scelta dei connettori e dei cavi ha un impatto diretto sulla robustezza e sull'affidabilità dell'installazione del sensore. Un'altra considerazione da fare quando si tratta di cavi è la modalità di terminazione dei conduttori. Gli accelerometri ICP® sono accelerometri a due fili amplificati internamente. Le connessioni al sensore richiedono due conduttori, uno per l'alimentazione e il segnale e l'altro per il comune e il ritorno del segnale. Spesso si utilizzano cavi coassiali, poiché sono necessari solo due fili e i cavi coassiali sono meno costosi. I segnali errati possono essere indotti nei sistemi di sensori che utilizzano cavi coassiali attraverso loop di massa o interferenze elettromagnetiche o di radiofrequenza (EMI o RFI). Per evitare loop di massa, il sistema deve avere una sola massa.

Le installazioni permanenti richiedono cavi schermati a due conduttori per garantire una trasmissione pulita del segnale di vibrazione. I cavi schermati a due conduttori consentono di schermare completamente il segnale e il ritorno del segnale (comune) dal sensore all'apparecchiatura di lettura. Per garantire la migliore schermatura da EMI e RFI e per assicurare che non vengano indotti segnali di loop di massa, lo schermo deve essere terminato solo a un'estremità. In genere, la schermatura di un cavo schermato a due conduttori viene lasciata aperta o non collegata all'estremità del sensore e collegata a terra all'estremità della strumentazione.

In sintesi, gli accelerometri industriali sono il cavallo di battaglia di un programma di manutenzione predittiva e di monitoraggio delle vibrazioni. È indispensabile che il sensore utilizzato soddisfi i requisiti dell'applicazione. L'analista delle vibrazioni deve esaminare l'applicazione tenendo conto dei criteri di selezione del sensore per aiutare l'ingegnere applicativo a scegliere il sensore adeguato. I tre criteri più importanti da considerare sono la costruzione interna, la costruzione esterna e l'installazione. All'interno, il materiale e la struttura dell'elemento sensibile sono importanti per le considerazioni sulla gamma dinamica. La costruzione esterna è importante per l'affidabilità e la sopravvivenza a lungo termine. Infine, l'installazione è importante per garantire che gli effetti negativi del montaggio e del cablaggio siano ridotti.