Acelerómetros de ancho de banda amplio para monitoreo de condición

La mayoría de las máquinas que son impulsadas por grandes motores eléctricos tendrán un accionamiento de entrada que funcionará a una velocidad de entre 900 y 3600 rpm (15 a 60 Hz). Esta frecuencia fundamental se puede monitorear fácilmente mediante acelerómetros con un ancho de banda relativamente bajo, pero la información que produce esta señal puede limitarse solo a la condición de desequilibrio.

Los rodamientos de elementos rodantes son una causa común de falla de la máquina. A medida que comienzan a producirse defectos en los rodamientos, el nivel de vibración producido en las primeras etapas de la falla puede ser muy bajo y podría estar enmascarado por la vibración de otras fuentes. El análisis de dominio de frecuencia es muy útil para revelar pequeñas señales que pueden estar ocultas en el dominio del tiempo. Las frecuencias características de los rodamientos son generalmente muchas veces más altas que la velocidad de carrera (alrededor del 50% del número de bolas multiplicadas por la velocidad de carrera) y pueden estar presentes incluso cuando el equipo está en buenas condiciones. Los defectos de los rodamientos tienden a ser impulsivos, lo que produce una serie de armónicos espaciados a la frecuencia característica, extendiéndose a frecuencias muy altas.

Los engranajes representan otro caso en el que se generarán altos múltiplos de velocidad/frecuencia de funcionamiento, aunque las cajas de engranajes pueden ser significativamente más complejas de analizar. La frecuencia básica de red de engranajes está dada por el producto del número de dientes y la velocidad de funcionamiento en Hz. La magnitud de las bandas laterales o armónicos de esta frecuencia puede indicar la aparición o gravedad de varios defectos. Los engranajes también poseerán sus propias frecuencias naturales, que pueden ser estimuladas por defectos impulsivos o por fuertes vibraciones a frecuencias más altas.

Las palas y paletas vuelven a generar vibración a un múltiplo de velocidad de marcha, incluso cuando están en buenas condiciones. La frecuencia de paso de la cuchilla ocurre por el número de cuchillas multiplicada por la velocidad de marcha. Una cuchilla faltante generará una gran cantidad de armónicos de la frecuencia de paso de la cuchilla (además de aumentar el desequilibrio a 1 x frecuencia de funcionamiento).

La holgura mecánica también es muy probable que haga que aparezcan muchos armónicos de velocidad de carrera en el espectro. En términos generales, la holgura puede causar discontinuidades en el movimiento y los cambios bruscos de posición o desplazamiento pueden producir niveles muy altos de aceleración. 

Para ilustrar la naturaleza general de las discontinuidades mecánicas, a continuación se presenta una simulación numérica. Se supone que parte de un mecanismo desplaza nominalmente ±5 mm a una frecuencia de 50 Hz. Para crear una discontinuidad simulada, recortamos el desplazamiento, solo en excursiones positivas, a 4.98 mm, como se resalta en la traza ampliada a la derecha:

La gráfica de aceleración correspondiente muestra el componente de aceleración sinusoidal subyacente a ±50.3 g pero con impulsos generados por el inicio y el final del recorte mecánico (con picos de -237 g):

Ahora, el resultado de la FFT correspondiente, primero con el ancho de banda completo y luego con un zoom de los primeros 2 kHz:

El "defecto" de 0.020 mm ha introducido una energía de señal significativa en un ancho de banda muy amplio, como una serie de armónicos estrechamente espaciados de la velocidad de funcionamiento. En esta simulación, la magnitud a 10 kHz es solo unos pocos dB por debajo del nivel alrededor de 1500 Hz y la energía de la señal continuaría mucho más allá de 10 kHz.

Ahora bien, ¿qué ocurre si limitamos el ancho de banda del dispositivo sensor (acelerómetro)? En la siguiente simulación, se aplicó un filtro digital de paso bajo a 5 kHz a los mismos datos:

En este caso, en lugar de que los picos negativos alcancen -237 g, la restricción del ancho de banda los ha reducido a -158 g (una caída de un tercio).

Aunque esta simulación numérica no pretende representar ningún caso específico del mundo real, los principios generales son válidos: las discontinuidades mecánicas abruptas en movimiento causan impulsos de aceleración cortos. Los impulsos producen energía de ancho de banda amplio en el espectro y un sensor que está limitado por el ancho de banda no capturará la extensión total de los eventos transitorios.

Incluso las estructuras muy grandes y de rotación lenta (como las turbinas eólicas) pueden acoplarse a conjuntos de engranajes con múltiples etapas y un recuento de dientes muy alto. La energía de la señal por encima de 10 kHz se considera útil para la detección temprana de defectos, ya que puede estar libre de vibraciones de orden inferior a niveles de amplitud más altos que pueden estar presentes en condiciones normales de funcionamiento.

Los eventos individuales que crean fractura o descamación pueden liberar energía en un ancho de banda muy amplio (las mediciones dinámicas de deformación han mostrado energía ultrasónica a 1 MHz). Aunque no se puede esperar que los acelerómetros convencionales capturen un ancho de banda tan amplio, las señales de banda de audio pueden indicar cierta probabilidad de daño.

Dos tiempos de seguimiento se muestran arriba, a la izquierda hay un impacto de metal duro a vidrio que no causó daños visibles; a la derecha, un impacto de metal a vidrio que causó un desplazamiento local limitado del vidrio (en un área de menos de 1 mm de diámetro). Sus espectros se superponen a continuación.

La curva azul es el impacto sin desprendimiento, la naranja es con desprendimiento. Hay una buena separación generalmente en el rango de 5 kHz a 15 kHz y particularmente de 12 a 15 kHz.

Si bien estos son eventos transitorios (limitados en el tiempo) con energías relativamente altas, podemos considerar que algunas formas de desgaste de la máquina son una serie continua de eventos de dispersión microscópica. Los acelerómetros piezoeléctricos, que ofrecen una excelente resolución en un ancho de banda muy amplio, son un enfoque adecuado para la detección temprana del ruido de alta frecuencia asociado con el desgaste de la máquina.

En un acelerómetro capacitivo SMEM, el movimiento inercial de una matriz de dedos en relación con una matriz fija se detecta midiendo el cambio en la capacitancia entre las matrices. Esto generalmente se hace permitiendo que el cambio en la capacitancia modifique una frecuencia, muy por encima del ancho de banda de detección previsto, que luego se puede demodular para obtener una salida analógica final. Dado que el dispositivo se activa constantemente, el consumo de energía es generalmente significativamente mayor que el de un dispositivo piezoeléctrico. Hasta hace relativamente poco, los dispositivos SMEM capacitivos se habían limitado a la operación de frecuencia baja, aunque existe una tendencia actual hacia dispositivos de mayor ancho de banda.

En comparación con la tecnología SMEM, los acelerómetros piezoeléctricos pueden lograr un ancho de banda significativamente mayor y un rendimiento de ruido superior (resolución de señal). El elemento de detección es típicamente material cerámico piezoeléctrico (o "cristal") cargado en cizallamiento por una masa inercial. Debido a la alta rigidez y alta sensibilidad a la carga del cristal y la masa relativamente baja requerida para lograr los rangos de detección típicos para el monitoreo de las condiciones, la frecuencia de resonancia será mínima >30 kHz, con algunos diseños >50 kHz. Esto permite que la banda de paso se extienda mucho más allá de 10 kHz. El elemento de detección piezoeléctrico en sí no requiere energía y el acondicionamiento de la señal (conversión de carga a voltaje) se puede proporcionar dentro de un dispositivo con un requisito de voltaje muy bajo.