MISURARE IN UN MONDO AD ALTA FREQUENZA
Misurare in un mondo ad alta frequenza
La sfida degli accelerometri industriali ad alta frequenza
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. Robert Hooke (XVII secolo, fine anni ’70) ha dimostrato che la frequenza naturale/risonante è una funzione della rigidità e della massa, come riportato nella formula seguente. Natural/Resonant Frequency=√(Stiffness/Mass)
In base a tale formula, 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.
•Montaggio con perno
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.
•Montaggio adesivo
La risposta in frequenza è ridotta solo leggermente (circa il 10-15%) rispetto a un accelerometro montato con perno.
•Montaggio con basetta
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. La risposta in frequenza sarà ridotta di circa il 35% rispetto al montaggio con perno.
•Montaggio con magnete
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%.
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 un 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.
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 di un quarto di dollaro.
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.
Per ulteriori informazioni:
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italia@pcb.com
