Los sensores de velocidad son instrumentos fundamentales en el campo del análisis de vibraciones, sirviendo como primera línea de defensa en los programas de monitoreo de condiciones y mantenimiento predictivo en los sectores industriales. Al convertir el movimiento mecánico en una señal eléctrica mensurable, estos transductores permiten a los ingenieros evaluar la salud de la maquinaria rotatoria, los componentes estructurales y el equipo de proceso.

¿Cuáles son los sensores de velocidad?

Los sensores de velocidad, también conocidos como transductores de velocidad o sismómetros en ciertas configuraciones, son dispositivos que miden la velocidad instantánea de una superficie vibratoria relativa a una referencia fija o la inercia de la Tierra. A diferencia de los acelerómetros que miden la aceleración y requieren integración para obtener velocidad, los sensores de velocidad producen directamente una señal proporcional a la velocidad del movimiento.

Principio de trabajo

El tipo más común de sensor de velocidad emplea un diseño de espiral móvil basado en la inducción electromagnética. Dentro de la carcasa del sensor, un imán permanente se une a una masa de primavera sostenida. A medida que el cuerpo del sensor vibra con la superficie de la máquina, la bobina se mueve en relación con el campo magnético, induciendo un voltaje que es directamente proporcional a la velocidad del movimiento relativo.

V = B × L × v

donde B es la densidad del flujo magnético, L es la longitud del alambre de bobina en el campo magnético, y v es la velocidad relativa. Esta salida de tensión es típicamente en el rango de milivolt a voltio y varía linealmente con velocidad sobre un ancho de banda de frecuencia especificado, generalmente de 10 Hz a 1.000 Hz o más ancho dependiendo del diseño.

Tipos de sensores de la velócica

Mientras que los sensores de la bobina móvil (electrodinámica) dominan las aplicaciones tradicionales, otras tecnologías han surgido para satisfacer necesidades específicas:

  • Moving-Coil (Electrodynamic) Velocity Sensores: El diseño clásico, robusto y fiable, con una frecuencia natural alrededor de 4-12 Hz. No requieren potencia externa y producen una señal de alto nivel, pero son relativamente grandes y sensibles a la orientación.
  • ] Sensores de Velocia Piezoeléctrica (Acelerómetros Integrados): Estos combinan un acelerómetro piezoeléctrico con un circuito integrador interno para producir una señal proporcional a velocidad. Ofrecen un rango de frecuencia más amplio y menor tamaño pero requieren potencia y pueden introducir ruido a bajas frecuencias.
  • Los Vibrometers Doppler (LDV):] Los instrumentos ópticos no convencionales que miden la velocidad mediante el cambio Doppler de luz láser reflejada. Se utilizan cuando los sensores de contacto son poco prácticos (por ejemplo, superficies calientes, estructuras ligeras) pero son significativamente más costosos y requieren una línea clara de visión.
  • Sistemas microelectromecánicos (MEMS) Sensores de velocidad: Dispositivos emergentes de estado sólido que integran la detección basada en silicio con procesamiento de señales. Son de bajo costo, compactos y adecuados para cierto monitoreo de baja frecuencia, pero su rendimiento en entornos de alta velocidad o de alta temperatura es limitado.

Producto de señalización de sensores de velocidad

Comprender las características eléctricas de la salida del sensor de velocidad es obligatorio para la adquisición y análisis de datos adecuados.Los parámetros de salida primaria incluyen tipo de señal, sensibilidad, respuesta de frecuencia y rango dinámico.

Características de la señal eléctrica

La mayoría de los sensores de velocidad industrial producen una salida de tensión de corriente alterna (AC) que refleja la onda de vibración. El nivel de tensión instantáneo corresponde a la velocidad de vibración en cada momento. Para sensores de espiral móvil, la impedancia de salida es baja (normalmente diez a cientos de ohmios), permitiendo largas carreras de cable sin una significativa degradación de la señal.

Los sensores de velocidad piezoeléctrica integrados emiten una señal de tensión o corriente (normalmente 4–20 mA para dispositivos con potencia de bucle) después de la integración interna. La sensibilidad se expresa en mV (o mA) por mm/s. Por ejemplo, un sensor con una sensibilidad de 100 mV/mm/s producirá 100 mV RMS cuando se somete a una vibración de 1 mm/s RMS. Es crucial conocer el valor de la sensibilidad para convertir el voltajes.

Respuesta de frecuencia y ancho de banda

El rango de frecuencia utilizable de un sensor de velocidad se define por sus frecuencias inferiores y superiores de corte. Los sensores de color de movimiento tienen una resonancia natural (normalmente alrededor de 4-12 Hz) que limita su respuesta de baja frecuencia; por debajo de tres veces la frecuencia natural, la salida se apaga rápidamente. Por encima de la resonancia, operan en la región controlada por masa donde la respuesta es plana.

Al seleccionar un sensor de velocidad para una aplicación específica, el rango de frecuencias debe cubrir las frecuencias de vibración dominantes esperadas. Por ejemplo, la maquinaria de baja velocidad (por ejemplo, grandes ventiladores que corren a 300 RPM) genera vibración fundamental a 5 Hz, lo que requiere un sensor con respuesta a al menos 2 Hz. Los engranajes de alta velocidad pueden producir frecuencias de malla por encima de 5 kHz, necesitando un sensor con una capacidad de alta frecuencia.

Consideraciones de integración y diferenciación

En el análisis de vibraciones, desplazamiento (posición), velocidad y aceleración están relacionados a través de la diferenciación e integración en el dominio del tiempo. Los sensores de velocidad de medición inherentemente, pero los analistas a veces necesitan datos de desplazamiento o aceleración.

  • Para obtener desplazamiento de velocidad, integre la señal en el tiempo (o dominio de frecuencia utilizando 1/(jω) factor).
  • Para obtener aceleración de velocidad, diferenciar la señal (o multiplicarse por jω en el dominio de frecuencia).

Estas operaciones pueden realizarse electrónicamente (por ejemplo, usando un circuito integrador en un colector de datos) o matemáticamente en el software post-procesamiento. Sin embargo, la diferenciación amplifica el ruido de alta frecuencia, y la integración puede introducir baja frecuencia de deriva. Por lo tanto, seleccionar el sensor adecuado para el parámetro primario de interés es preferible. Muchos programas de mantenimiento predictivo prefieren velocidad porque ofrece una representación equilibrada de la vibración en un rango de velocidad

Interpretar señales de la velócica en el análisis de vibración

Interpretar la salida de un sensor de velocidad implica extraer información significativa del tiempo forma de onda y espectro de frecuencia. El objetivo es correlacionar características específicas de señal con fallas mecánicas utilizando el reconocimiento de patrón y el análisis de tendencias.

Interpretación del tiempo-dominio

La onda de tiempo libre muestra la velocidad de vibración como función del tiempo.

  • Overall RMS Level: El valor de la base media-cuadrilla representa la energía total de vibración sobre el ancho de banda de medición. ISO 10816 proporciona gráficos de gravedad para diferentes clases de máquinas basadas en el velocidad de RMScity. Una tendencia creciente RMS indica un deterioro progresivo.
  • Peak y Peak-to-Peak: La velocidad máxima instantánea puede indicar los eventos de choque o el impacto, como las faltas de carrera o partes sueltas. Comparar la relación pico-a-RMS (factor de reposo) ayuda a detectar vibraciones impulsivas.
  • Periodicidad y forma de onda: Los patrones repetitivos a intervalos específicos (por ejemplo, una vez por revolución) insinúan desequilibrio o desalineamiento. Las ondas distorsionadas con puntas de alta frecuencia pueden indicar defectos de cojinete o daño diente de engranaje.

Por ejemplo, una forma de onda sinusoidal pura a velocidad de rotación 1× con amplitud constante sugiere desequilibrio residual. Una onda con múltiples sinusoides superpuestos podría indicar varias fallas simultáneamente.

Interpretación de dominio de frecuencias mediante FFT

La Transformación rápida de Fourier (FFT) convierte la señal de velocidad de dominio del tiempo en un espectro de frecuencias, revelando la amplitud de la vibración en cada frecuencia. Esta es la herramienta más poderosa para la identificación de fallas porque cada componente mecánico genera vibración a frecuencias características.

  • 1× Velocidad de Correción (RPM/60): La alta amplitud en 1× indica desequilibrio, excentricidad o eje doblado. El equilibrio muestra típicamente un pico estable de 1× radial.
  • 2× Velocidad de ejecución: Elevado 2× suele apuntar a la desalineación (angular o paralela), la desalentamiento o acoplamientos desalineados. Destinguido por análisis de fases a través de los rodamientos.
  • Harmonics of Running Speed: Múltiples armónicos (3×, 4×, etc.) pueden indicar la debilidad, las condiciones de frote o la resonancia estructural.
  • ]Características de defectos: La raza interna, la raza externa, la tirada de bolas y las frecuencias de jaula aparecen en frecuencias altas (a menudo por encima de 1 kHz). Espectra de la velócia con un suelo ascendente de energía de banda ancha en el rango de alta frecuencia indican el desgaste de los rodamientos avanzado.
  • Frecuencias de malla de oro: La mecanización de dientes de engranaje produce picos en la frecuencia de malla de engranaje (número de dientes × velocidad de rotación).Las bandas laterales alrededor de la frecuencia de malla indican la modulación debido a la excentricidad, el desgaste o la desalineación.
  • Frecuencias electrónicas: En motores, frecuencia de línea (50/60 Hz) y bandas laterales de frecuencia de deslizamiento alrededor de 1× o 2× de frecuencia de línea pueden indicar defectos de barras de rotor, problemas de estator o excentricidad.

El análisis FFT requiere una resolución adecuada (líneas de resolución) y un promedio para reducir el ruido. Los espectros de la velócica son especialmente útiles porque la disminución de la amplitud en frecuencias más altas es menos pronunciada que para el desplazamiento pero más pronunciada que para la aceleración, dando una visión equilibrada.

Análisis de fase

Las mediciones de fase (tiempo relativo entre señales de vibración en diferentes puntos o entre vibraciones y un keyphasor) añaden otra dimensión. Por ejemplo:

  • Imbalance:] Diferencia de fase de 0° o 180° en el mismo rodamiento en direcciones verticales y horizontales indica desequilibrio estático o de pareja.
  • Misalignment: La diferencia de fase de 180° entre las mediciones axiales en los lados opuestos de un acoplamiento sugiere la desalineación angular.
  • Resonancia: En resonancia, la fase cambia rápidamente 180° como barre la frecuencia natural. Esto se detecta mediante una prueba de ejecución o de bajada de costa con salida de sensor de velocidad monitorizada.

Combinar la amplitud, frecuencia y datos de fase permite un diagnóstico preciso de fallas de maquinaria.

Análisis de tendencias y salud de la máquina

Las mediciones individuales son informativas, pero la tendencia a lo largo del tiempo proporciona las ideas más factibles. Los niveles de Vez RMS se presentan semanal o mensualmente. ISO 10816-1 proporciona zonas (A, B, C, D) para la gravedad en varios tipos de máquinas. Una máquina que se mueve de la Zona B a la Zona C indica la necesidad de mantenimiento programado. La tendencia también revela un desgaste gradual, como un lento aumento en 1× amplitud debido al desequilibrio progresivo de la falta de fouling o erosión.

Las técnicas especiales de tendencia incluyen:

  • Spectrum Trend: Superando espectros FFT consecutivos para visualizar la evolución de los picos de frecuencia específicos.
  • Cascade (Waterfall) Parcelas: Representación tridimensional de espectros a lo largo del tiempo o la velocidad, útil durante las startups o las interrupciones para identificar resonancias.
  • Parámetros Estatísticos: La Kurtosis, la esquedad y los cambios de factor de cresta pueden indicar el inicio de los defectos antes de que el RMS aumente significativamente.

Métodos de Interpretación Avanzada

Para maquinaria compleja, es necesario procesar más señales de velocidad.

  • Análisis de la evolución (Demodulación): La señal de velocidad es filtrada, rectificada y de baja velocidad filtrada para extraer el sobre. Esto destaca los impactos de las fallas de rodamiento o las grietas de engranaje incluso cuando se enmascara por vibración de baja frecuencia.
  • Análisis de orden:] Se utiliza para máquinas de velocidad variable; la señal de velocidad se muestra sincronizada con la velocidad de rotación para que los armónicos aparezcan a órdenes de entero. Esto separa fallas dependientes de la velocidad de resonancias estructurales.
  • Análisis de la estructura: El FFT inverso del espectro de registros ayuda a identificar familias de bandas laterales o ecos en la forma de onda temporal, útil para el diagnóstico de caja de cambios.

Aplicaciones Prácticas en la industria

Los sensores de velocidad se despliegan en una amplia gama de activos industriales para reducir el tiempo de inactividad no planificado.

Fabricación y Procesamiento de Plantas

En líneas de producción, los ventiladores, bombas, compresores y transportadores son monitoreados usando sensores de velocidad. Una aplicación común es el monitoreo en línea de bombas centrífugas. Un sensor de velocidad montado en las vías de carcasa de rodamientos cambia en 1× y amplitudes 2×. Un aumento de los desequilibrios de señales 1× de cavitación o desgaste impeller; un aumento en 2× puede indicar desalineamiento después de reastrotica.

Generación de energía

Los sensores de velocidad se instalan en pedestales de rodamientos de turbinas para cumplir con los límites de vibración de API. Durante el inicio, se analiza la señal para evitar velocidades críticas. Las turbinas de combustión utilizan sensores de velocidad para monitorear frecuencias de paso de cuchillas y inestabilidad de combustión. En las turbinas de viento, los sensores de velocidad dentro de la tina detectan

Transporte

Los sensores inalámbricos transmiten datos de velocidad a un centro de diagnóstico central. En las pruebas de vibración terrestre de las estructuras de las aeronaves se utilizan sensores de velocidad de banda alta para identificar límites de flujo y modos estructurales.

Marine and Offshore

Los sistemas de propulsión de buques, las bombas y los compresores en plataformas offshore se supervisan utilizando sensores de velocidad robustos. Se utilizan carcasas resistentes a la corrosión y cables largos. El análisis de espectros de velocidad ayuda a detectar desequilibrios de hélice y desgaste de los rodamientos en entornos difíciles.

Ventajas y limitaciones de sensores de velocidad

Comprender los cambios es esencial para seleccionar el sensor adecuado.

Ventajas

  • Salida de velocidad directa – no se requiere integración, simplificando el análisis por normas ISO.
  • Salida de baja potencia – robusta contra el ruido eléctrico; cable largo funciona posible con tipos de espirales móviles.
  • Fiabilidad demostrada – décadas de uso de campo; modos de falla bien entendidos.
  • Los sensores de cara móvil son económicos en comparación con los acelerómetros de alta gama con integradores.
  • Buena sensibilidad a las frecuencias medias (10 Hz–1 kHz) donde se manifiestan muchas fallas de maquinaria.

Limitaciones

  • Respuesta limitada de baja frecuencia: sensores de coil móvil se desplazan por debajo de 3-10 Hz; inadecuados para maquinaria de baja velocidad (por ejemplo, torres de refrigeración a ■100 RPM).
  • Tamaño y peso: los sensores de la bobina móvil son más grandes y más pesados que los acelerómetros, lo que puede ser problemático para rodamientos pequeños o estructuras ligeras.
  • Sensibilidad de orientación – la masa móvil se suspende por los muelles; el montaje horizontal vs. vertical puede afectar la frecuencia natural y la sensibilidad debido a la gravedad.
  • Susceptibilidad a los campos magnéticos – el imán permanente puede atraer escombros ferrosos o ser afectado por campos externos.
  • Los sensores de velocidad de la bobina móvil tienen un límite superior de 1 a 2 kHz, inadecuado para frecuencias de malla de engranaje por encima de eso.

Para aplicaciones que requieren frecuencias muy bajas (<1 Hz) or very high frequencies (>5 kHz), un acelerómetro piezoeléctrico con integración externa o una sonda de velocidad de vibración dedicada puede ser más apropiado.

Criterios de calibración y selección

La interpretación fiable se basa en una calibración precisa de sensores y una selección adecuada para el medio ambiente.

Calibración

Los sensores de velocidad deben calibrarse periódicamente (normalmente anuales) contra un estándar de referencia trazable a los institutos nacionales. La calibración incluye sensibilidad (mV/mm/s), respuesta de frecuencia, linealidad y sensibilidad transversal. Un certificado de calibración certificado proporciona los factores de corrección necesarios para convertir el voltaje crudo a las unidades de ingeniería. La verificación de campo se puede realizar con un titulador que genera una velocidad conocida a una frecuencia fija (a 159 mm)

Criterios de selección

Al elegir un sensor de velocidad para una tarea de monitoreo específica, considere:

  • Rango de frecuencia necesario – coinciden con el ancho de banda del sensor a las frecuencias de vibración esperadas.
  • Rango de amplificación – asegura que el sensor pueda manejar la vibración máxima esperada sin recortar ni dañar. Los sensores de la bobina de movimiento pueden manejar hasta 1000 mm/s de pico.
  • Condiciones ambientales: rango de temperatura, humedad, gases corrosivos, atmósferas explosivas (diseños intrínsecamente seguros).
  • Método de montaje: base magnética de montaje en estude vs.; montaje en estud proporciona la mejor respuesta de frecuencia. Compare Bruel & Kjær notas técnicas sobre el montaje de sensores.
  • Cable y conector tipo – cables blindados, resistentes a la humedad con conectores de bloqueo positivos (por ejemplo, estilo MS) para uso industrial.
  • Formato de señal de salida – salida de tensión estándar (por ejemplo, ±5V), o de 4-20 mA propulsado por bucle para la integración con PLC/DCS para el monitoreo en línea. Véase PB Guía de Piezotrónicas en el acondicionamiento de señal.

Conclusión

El sensor de velocidad sigue siendo una piedra angular de mantenimiento predictivo y análisis de vibraciones, ofreciendo una medida directa y fiable de velocidad de vibración de la máquina que se alinea con estándares de gravedad internacional. Su salida de señal —por lo general, un voltaje proporcional a velocidad— puede ser interpretado a través de análisis de ondas temporales, examen de frecuencia, medición de fases y tendencia a descubrir fallas de desarrollo mucho antes de que ocurra el fallo.

Para mayor lectura y referencia, considere estos recursos: ISO 10816-1: Vibración mecánica — Evaluación de la vibración de la máquina mediante mediciones sobre partes no rotativas; Instrumentos nacionales sobre el análisis de vibraciones FFT; y ]Mobius Institute training resources for vibrations[LT] analysis[FLT][FLT.