Imagina un puente majestuoso que se mantiene firme en medio de tormentas furiosas, que parece inmóvil a simple vista, pero que vibra con movimientos intrincados y microscópicos. Estas vibraciones, como la respiración del puente, revelan tanto su resistencia como sus posibles vulnerabilidades. La clave para descifrar este lenguaje oculto reside en los acelerómetros, nuestras herramientas más sofisticadas para comprender los fenómenos vibratorios.
La vibración, un fenómeno físico fundamental, se refiere al movimiento oscilatorio de objetos o componentes mecánicos alrededor de su posición de equilibrio. Estos movimientos pueden ser periódicos, como el balanceo de un péndulo, o aleatorios, como el rebote de un vehículo en un camino de grava. Generalmente medida en metros por segundo al cuadrado (m/s²) o unidades gravitacionales (g, donde 1g ≈ 9,81 m/s²), el análisis de vibraciones juega un papel fundamental en los sectores de ingeniería, fabricación y transporte. Permite la evaluación del estado de los equipos, la predicción de fallas, la optimización del diseño y la mejora del rendimiento.
Las vibraciones se clasifican principalmente en dos categorías según sus mecanismos de excitación:
Ocurre cuando un objeto o estructura oscila naturalmente después de una perturbación inicial (como un impacto o desplazamiento) sin una fuerza externa continua. El sonido sostenido de un diapasón después de ser golpeado ejemplifica la vibración libre. La frecuencia natural del sistema, su tendencia inherente a la oscilación, determina este comportamiento. La resonancia, un caso especial, surge cuando la excitación externa coincide con esta frecuencia natural, lo que puede amplificar las vibraciones a niveles destructivos.
Resulta de fuerzas externas continuas, ya sean rotacionales, alternas o periódicas de otro tipo. Los ejemplos industriales incluyen las lavadoras que vibran durante los ciclos de centrifugado debido a los tambores desequilibrados. En el monitoreo de condición, el análisis de las vibraciones forzadas de la maquinaria rotativa (compresores, turbinas, bombas) revela los estados operativos. El seguimiento a largo plazo de estas firmas vibratorias permite el mantenimiento predictivo, lo que mejora la seguridad y reduce los costos.
Dos tipos principales de sensores dominan la medición de vibraciones:
Estos sensores piezoeléctricos, las herramientas de medición de vibraciones más comunes, operan a través del efecto piezoeléctrico: ciertos cristales generan voltaje cuando se someten a tensión mecánica. A medida que la aceleración mueve una masa interna dentro del sensor, la fuerza proporcional sobre el cristal produce una carga medible. Disponibles como:
- Acelerómetros de Modo de Carga: Salida de señales de carga bruta que requieren amplificación externa para mitigar la susceptibilidad al ruido.
- Acelerómetros IEPE: Incorporan amplificadores de carga integrados alimentados por fuentes de corriente constante, que convierten los cambios de impedancia en voltajes medibles. Preferidos para aplicaciones industriales debido a la resistencia al ruido y la facilidad de uso.
Los acelerómetros sobresalen en mediciones de alta frecuencia (vibraciones de rodamientos, cajas de engranajes o álabes) y pueden evaluar impactos (explosiones, pruebas de fallas) o movimientos de baja frecuencia.
Estos sensores sin contacto miden las distancias a los objetos objetivo, particularmente útiles para el monitoreo directo de vibraciones de ejes en maquinaria pesada con carcasas exteriores amortiguadas (por ejemplo, turbinas grandes).
La elección de los acelerómetros adecuados requiere la evaluación de múltiples factores:
Los niveles máximos de vibración esperados determinan los rangos de medición requeridos. El sobrepaso causa distorsión de la señal. Las aplicaciones de alta vibración exigen sensores ligeros y de baja sensibilidad.
Expresada en mV/g (por ejemplo, 100 mV/g produce una salida de 1 V a 10 g), la sensibilidad varía con la frecuencia; la calibración de rango completo es esencial. La baja sensibilidad se adapta a señales de alta amplitud; la alta sensibilidad detecta vibraciones sutiles.
Las unidades de un solo eje miden las vibraciones lineales, mientras que los modelos triaxiales capturan vectores tridimensionales para un análisis completo (lateral, longitudinal, rotacional).
La masa del sensor no debe exceder el 10% del peso de la estructura de prueba para evitar alterar las características vibratorias.
Las técnicas de instalación afectan significativamente los rangos de frecuencia medibles:
| Método de Montaje | Límite de Frecuencia (Hz) |
|---|---|
| Manual | 500 |
| Magnético | 2000 |
| Adhesivo | 2500-5000 |
| A tornillo | >6000 |
Considere las temperaturas extremas, la exposición a productos químicos y la humedad. Los acelerómetros de modo de carga soportan temperaturas más altas, pero requieren cableado especializado. Los tipos de sellado (hermético, epoxi, ambiental) determinan la resistencia a la humedad.
Si bien los precios unitarios son comparables, los sistemas IEPE a menudo reducen los costos totales en implementaciones a gran escala al eliminar la necesidad de cables costosos y amplificadores externos.
Las mediciones precisas requieren un procesamiento de señal adecuado:
- Ampliación para mejorar la resolución y las relaciones señal-ruido
- Excitación de corriente para sensores IEPE
- Acoplamiento de CA para eliminar las compensaciones de CC
- Filtrado para eliminar el ruido de alta frecuencia
- Conexión a tierra adecuada para evitar interferencias
Los avances en sensores inalámbricos, computación en la nube y análisis de big data prometen sistemas de monitoreo de vibraciones más inteligentes e integrados. Al extraer información más profunda de los datos de vibración, las industrias pueden lograr niveles sin precedentes de mantenimiento predictivo, eficiencia operativa y seguridad de los equipos. Tanto como arte como ciencia, la medición de vibraciones seguirá evolucionando como una disciplina industrial indispensable.