Desde hace mucho tiempo que los gerentes de producción han sido capaces de controlar las entradas, salidas y la velocidad de producción para maximizar la eficiencia. Sin embargo, la capacidad de usar tecnología para optimizar la maquinaria de producción es un avance relativamente reciente. Ahora es posible monitorear de manera constante las vibraciones en equipos para fines de mantenimiento preventivo, evitar fallas, actualizaciones planificadas y mucho más. En este artículo, aprenda a desarrollar una solución de medición de vibraciones de banda ancha altamente lineal y de bajo ruido basada en acelerómetro MEM para su próximo proyecto de monitoreo basado en el estado.
El monitoreo del estado es uno de los principales desafíos de hoy en día en el uso de instalaciones mecánicas y sistemas técnicos en los cuales, por ejemplo, se usan motores, generadores y engranajes. El mantenimiento planificado se está volviendo cada vez más importante para minimizar el riesgo de interrumpir la producción no solo en el sector industrial, sino que donde sea que se usen máquinas. Entre otras cosas, los patrones de las vibraciones de las máquinas se analizan por este motivo. Las vibraciones que produce la caja de cambios normalmente se perciben en el dominio de la frecuencia como múltiplo de la velocidad del eje. Las irregularidades en las diferentes frecuencias apuntan al desgaste, desequilibrio o piezas sueltas. Los acelerómetros basados en MEMS (sistema microelectromecánico) se usan normalmente para medir la frecuencia. En comparación con los sensores piezoeléctricos, cuentan con una mayor resolución, excelentes características de desviación y sensibilidad, y una mejor relación señal-ruido (SNR, por sus siglas en inglés). También permiten la detección de vibraciones de baja frecuencia cercanas al rango de CC.
En este artículo, se muestra una solución de medición de vibraciones de banda ancha altamente lineal y de bajo ruido basada en el acelerómetro ADXL1002 MEMS. Esta solución se puede usar para el análisis de cojinetes o el monitoreo del motor, y para todas las aplicaciones en las que se requiera un amplio rango dinámico de hasta ±50 g y una respuesta de frecuencia de CC a 11 kHz.
La Figura 1 muestra un circuito de ejemplo. La señal de salida analógica del ADXL1002 se alimenta a través de un filtro RC bipolar al convertidor de analógico a digital (ADC)AD4000 del registro de aproximación sucesiva (SAR, por sus siglas en inglés), el que convierte la señal analógica a un valor digital para el posterior procesamiento de la señal.
Figura 1. Circuito de ejemplo para el ADXL1002.
El ADXL1002 es un acelerómetro MEMS de alta frecuencia y un solo eje que proporciona una banda de paso para la señal de salida que se extiende más allá del rango de la frecuencia resonante del sensor. Esto es deseable, de modo que también se puedan observar las frecuencias que estén fuera del ancho de banda de 3 dB. Para admitir esto, el amplificador de salida del ADXL1002 es compatible con un ancho de banda de señal pequeña de 70 kHz. Las cargas capacitivas de hasta 100 pF también se pueden impulsar de manera directa con el amplificador de salida del ADXL1002. Para cargas mayores que 100 pF, se debe usar un resistor en serie ≥ 8 kΩ.
El filtro externo en la salida del ADXL1002 se requiere para eliminar el ruido por aliasing del amplificador de salida y otros componentes de ruido interno del ADXL1002 que surjan, por ejemplo, a través del acoplamiento de la señal del reloj interna de 200 kHz. Por lo tanto, el ancho de banda del filtro se debiera implementar en conformidad. Con las dimensiones que se muestran en la Figura 1 (R1 = 16 kΩ, C1 = 300 pF, R2 = 32 kΩ y C2 = 300 pF), la atenuación de cerca de 84 dB se logra a 200 kHz. Además, la tasa de muestra ADC seleccionada debiera ser mayor que el ancho de banda del amplificador (por ejemplo, 32 kHz).
Para el ADC, se debiera seleccionar la tensión de suministro del ADXL1002 para su referencia, ya que el amplificador de salida tiene una relación radiométrica con la tensión de suministro. En este caso, la tolerancia del suministro de la tensión y el coeficiente de temperatura de la tensión (que normalmente están conectados a reguladores externos) fluyen entre el acelerómetro y el ADC, de modo que el error implícito asociado con el suministro y las tensiones de referencia queda cancelado.
Respuesta de la frecuencia
La respuesta de la frecuencia del acelerómetro es la característica más importante del sistema y se muestra en la Figura 2. La ganancia aumenta a frecuencias mayores que 2 kHz a 3 kHz. Para la frecuencia resonante (11 kHz), se produce un valor máximo para la ganancia de cerca de 12 dB (factor de 4) en la tensión de salida.
Figura 2. Respuesta de la frecuencia del ADXL1002.
Consideraciones mecánicas para el montaje
Se debe poner atención especial a la instalación correcta del acelerómetro. Se debe montar cerca de un punto de montaje rígido en la placa para evitar cualquier vibración en la placa del circuito mismo y, por consiguiente, errores de medición debido a las vibraciones no amortiguadas de la placa del circuito. En la instalación se debe asegurar de que cada vibración de la placa del circuito del acelerómetro esté por sobre la frecuencia resonante del sensor mecánico y, por lo tanto, sea prácticamente invisible para el acelerómetro. Varios puntos de montaje cerca del sensor y una placa más gruesa también contribuyen a reducir el impacto de la resonancia del sistema en el funcionamiento del sensor.
Conclusión
Con el circuito que se muestra en la Figura 1, una solución basada en MEMS para detectar vibraciones del rango CC a 11 kHz, como normalmente se requiere en el monitoreo de estado de máquinas giratorias, se puede crear con relativa facilidad.
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