Considerando che le squadre di manutenzione predittiva degli impianti industriali si sforzano di ottenere un quadro più completo delle condizioni dei macchinari, la misura delle vibrazioni ad alta frequenza è diventata un elemento aggiuntivo essenziale per identificare i guasti, come i difetti dei cuscinetti di motori e pompe e le irregolarità dei denti degli ingranaggi ad alta velocità. Di conseguenza, stiamo assistendo a un’impennata della domanda di sensori di vibrazione con una risposta ad alta frequenza.
La legge di Hooke e l’isolatore armonico massa-molla
Cosa determina la frequenza di risonanza (e quindi la risposta ad alta frequenza) di un accelerometro? Per rispondere è necessario dare uno sguardo al campo della fisica e dell’isolatore armonico massa-molla. Un isolatore armonico massa-molla consiste in una molla appesa in verticale a una struttura di supporto. Un peso è attaccato all’estremità della molla. Tirando il peso verso il basso e poi rilasciandolo, il gruppo peso/molla oscillerà uniformemente (sia in velocità sia in distanza) avanti e indietro in una posizione di equilibrio e ricreando l’oscillazione di un’onda sinusoidale. Mentre l’ampiezza delle oscillazioni risultanti può essere teorizzata usando la seconda legge del moto di Newton (F=ma), questo articolo si focalizza principalmente sulla velocità delle oscillazioni che ne derivano.
La velocità di tali oscillazioni può essere teorizzata usando la legge di Hooke (Robert Hooke, XVII secolo, fine anni ‘70). Hooke ha dimostrato che la frequenza naturale/risonante è una funzione della rigidità e della massa. Nell’esempio dell’isolatore armonico massa-molla, la massa del peso e la rigidità della molla sono predefinite, pertanto la velocità di oscillazione dell’insieme non può essere alterata, a meno che non si sostituisca la molla o il peso con un elemento alternativo. È possibile vedere come la frequenza di risonanza e la massa abbiano una relazione inversa, che risulta, invece, diretta per la frequenza di risonanza e la rigidità. Nel mondo degli accelerometri, la massa del peso è correlata a quella dell’accelerometro, mentre la rigidità della molla a quella del montaggio dell’accelerometro. Per ottenere misure ad alta frequenza, un accelerometro deve essere il più piccolo possibile e avere un metodo di montaggio particolarmente rigido. Entrambi i fattori sono analizzati in dettaglio nelle sezioni seguenti.
Fattore 1. Rigidità del metodo di montaggio del sensore
Esistono diversi metodi comuni utilizzati per il montaggio dei sensori di vibrazione: montaggio con perno, adesivo, basetta e magnete. Le caratteristiche di ogni metodo di montaggio sono descritte di seguito.
1. Montaggio con perno.
- Risposta in frequenza massima: il montaggio diretto di un accelerometro su un macchinario costituisce la soluzione di montaggio più rigida possibile, garantendo quindi la risposta in frequenza del sensore più elevata possibile.
- Modifiche al macchinario/installazione permanente: per montare un sensore su un macchinario, è necessario trovare una superficie liscia su cui praticare un foro compatibile alla filettatura di montaggio del sensore. Una volta rimosso, rimane però traccia del passato montaggio del sensore.
- Installazione su superfici curve: non è possibile montare un sensore tramite perno, su una superficie curva.
2. Montaggio adesivo.
- Risposta in frequenza massima: montare un accelerometro con adesivo direttamente sul macchinario rappresenta la seconda metodologia di montaggio più rigida. La risposta in frequenza è ridotta solo leggermente (circa il 10-15%) rispetto a un accelerometro montato con perno.
- Modifiche al macchinario/installazione permanente: un accelerometro montato con adesivo può essere facilmente rimosso usando un solvente adeguato. Una volta rimosso, non resta traccia del passato montaggio del sensore.
- Installazione su superfici curve: non è possibile usare questo metodo di montaggio su una superficie curva.
3. Montaggio con basetta.
- Risposta in frequenza massima: le basette possono essere incollate o saldate a una superficie del macchinario. Il sensore può, quindi, essere montato sull’apposita basetta tramite il foro filettato. Questo tipo di montaggio del sensore è considerato un punto intermedio tra il metodo rigido con perno e quello flessibile con magnete. La risposta in frequenza sarà ridotta di circa il 35% rispetto al montaggio con perno.
- Modifiche al macchinario/installazione permanente: mentre una basetta di montaggio saldata è relativamente permanente, una basetta fissata con adesivo può essere facilmente rimossa usando un solvente adeguato.
- Installazione su superfici curve: non è possibile usare questo metodo di montaggio su una superficie curva.
4. Montaggio con magnete.
- Risposta in frequenza massima: il montaggio di un accelerometro con un magnete è un metodo molto flessibile che degrada significativamente la risposta ad alta frequenza del sensore fino all’80-85%.
- Modifiche al macchinario/installazione permanente: la mancanza di modifiche al macchinario e la natura temporanea dell’installazione sono le ragioni per cui questo metodo è utilizzato in molte applicazioni. Il montaggio con magnete rappresenta il metodo più conveniente per l’installazione temporanea del sensore in vista di misure route-based e raccolta di dati.
- Installazione su superfici curve: questo metodo di montaggio su una superficie curva è possibile quando si usa un apposito magnete a doppia barra.
Fattore 2. Massa del sensore
I produttori di sensori continuano a costruire accelerometri sempre più piccoli per soddisfare le richieste dei clienti che chiedono sensori capaci di misure ad alta frequenza. Si tratta di uno sforzo impegnativo perché è necessario bilanciare le piccole dimensioni con la necessità di un sensore robusto che possa resistere agli ambienti difficili in cui questi si trovano solitamente a operare.
La maggior parte dei clienti industriali richiede:
- Involucro robusto: nel mondo degli accelerometri industriali, la robustezza dell’involucro del sensore non è determinata da un solo fattore, ma dal materiale che lo compone, dal livello di tenuta che offre e dall’isolamento elettrico che garantisce. La maggior parte degli involucri degli accelerometri industriali è in acciaio inossidabile 304 o 316 con sigillatura ermetica per resistere all’esposizione chimica e agli ampi intervalli di temperatura di esercizio. Un involucro isolato permette di montare l’accelerometro su macchinari con scarsa messa a terra elettrica senza correre il rischio di contaminazione del segnale. L’isolamento è solitamente ottenuto con l’uso di una gabbia di Faraday, un contenitore a rete che racchiude l’elettronica del sensore per evitare interferenze dovute al rumore.
- Connettori robusti: i connettori devono essere in grado di resistere a un uso ripetuto in condizioni difficili. Sono preferiti i connettori militari perché possono resistere a condizioni estreme, così come i relativi cavi diaccoppiamento.
Nonostante le sfide che li attendevano, i produttori di sensori come PCB Piezotronics, sono riusciti a ridurre le dimensioni degli accelerometri industriali fino a raggiungere quelle diuna moneta da un euro. L’ultimo modello ad alta frequenza (639A91) è un accelerometro triassiale ICP® che misura solo 2,4 cm x 2,4 cm, escluso il connettore di uscita laterale e presenta una risposta in frequenza di 13 kHz su tutti e tre gli assi. È dotato di un alloggiamento isolato in acciaio inossidabile 316L e di un robusto connettore M12 a quattro pin.
Conclusione
Le misure in alta frequenza stanno acquisendo importanza per le squadre di manutenzione predittiva industriale che si sforzano di avere il quadro più completo possibile delle condizioni di un macchinario. Le dimensioni del sensore e la rigidità data dal metodo di montaggio di questo, sono i due fattori più importanti che contribuiscono alla capacità di un sensore di fornire con successo misure ad alta frequenza.
Meredith Christman,
Product Marketing Manager PCB Piezotronics
