Medición de vibraciones con acelerómetros IEPE

Los acelerómetros IEPE son el sensor estándar para la medición de vibraciones en bancos de ensayo, máquinas y estructuras. Son robustos y fáciles de cablear, pero necesitan la excitación, el acoplamiento, la ganancia y la frecuencia de muestreo adecuados. Este artículo explica cómo funciona un acelerómetro IEPE, cómo dimensionar la ganancia y la frecuencia de muestreo para su rango de frecuencias, qué comprobar antes de la primera medición, y qué acondicionadores de señal, módulos DAQ y sensores de ICP DAS encajan.

Cómo funciona un acelerómetro IEPE

IEPE son las siglas de Integrated Electronics Piezo-Electric (electrónica integrada piezoeléctrica). El elemento piezoeléctrico genera una carga proporcional a la aceleración, y un pequeño amplificador en el interior del sensor la convierte en una tensión de baja impedancia. El amplificador se alimenta por los mismos dos hilos que transportan la señal, normalmente un cable coaxial.

El equipo de medida suministra una corriente constante de unos pocos miliamperios desde una fuente con una tensión de cumplimiento de aproximadamente 18 a 30 V. Con el sensor conectado, aparece una tensión de polarización en continua en la línea, y la señal de vibración se superpone a ella. El acelerómetro iSN-701-F15, por ejemplo, especifica una polarización de 10 a 14 VDC. Por tanto, la entrada debe tener acoplamiento en CA: un condensador bloquea la polarización y solo la señal dinámica pasa al amplificador y al convertidor A/D.

De ello se derivan dos consecuencias. El condensador de acoplamiento forma un filtro paso alto, por lo que las frecuencias muy bajas se atenúan. Y la diferencia entre la tensión de cumplimiento y la tensión de polarización limita hasta dónde puede oscilar la señal antes de recortarse.

Sensibilidad, rango y ganancia

La sensibilidad se indica en mV/g: un sensor de 100 mV/g entrega 100 mV para 1 g. Elija la sensibilidad y la ganancia de forma que la mayor vibración esperada no provoque recorte, mientras que la menor vibración de interés se mantenga muy por encima del nivel de ruido.

Ejemplo práctico: un acelerómetro iSN-701-F15 (100 mV/g, ±80 g) alimenta un acondicionador SG-3227 con una salida de ±10 V. El ajuste de ganancia determina el rango utilizable:

La ganancia también afecta al ancho de banda. En el SG-3227, la frecuencia de corte superior es de 80 kHz con ×1 y ×10, y de 50 kHz con ×100.

Frecuencia de muestreo frente a rango de frecuencias

El teorema de muestreo exige una frecuencia de muestreo superior al doble de la frecuencia más alta. Para el análisis de espectros, un factor de 2,56 es una elección habitual porque deja margen para el filtro antialias. Los impulsos de choque y otras formas de onda en el dominio temporal requieren un muestreo aún más rápido.

• Hasta 1 kHz: al menos 2,56 kS/s por canal
• Hasta 5 kHz: al menos 12,8 kS/s por canal
• Hasta 10 kHz: al menos 25,6 kS/s por canal

En el extremo inferior, el acoplamiento en CA fija el límite: el SG-3227 tiene una frecuencia de corte inferior de 1,6 Hz con acoplamiento de 0,1 µF o de 0,2 Hz con 1 µF, y el PET-AR400 indica 0,16 Hz. Compruebe también el acelerómetro; el iSN-701-F15 está especificado desde 0,5 Hz.

En las entradas multicanal, la frecuencia puede depender del número de canales activos. El PET-AR400 muestrea a 128 kHz con un canal, a 64 kHz con dos y a 32 kHz con tres o cuatro, con un ancho de banda de 12,8 kHz (−0,1 dB) para uno o dos canales y de 6,4 kHz para tres o cuatro.

Lista de comprobación de la configuración

• Ajuste la corriente de excitación según la hoja de datos del sensor. El SG-3227 ofrece 2, 4, 6 o 10 mA por canal; las corrientes más altas ayudan a excitar cables largos a altas frecuencias.
• Compruebe la tensión de polarización antes de medir. Un valor cercano a cero indica un cortocircuito, y un valor cercano a la tensión de alimentación indica un circuito abierto. El SG-3227 lo muestra por canal con LED: verde para normal, amarillo para abierto y rojo para cortocircuito.
• Monte el sensor de forma rígida. El montaje con espárrago proporciona el rango de frecuencias más amplio; los imanes y las almohadillas adhesivas reducen la frecuencia superior utilizable.
• Evite los bucles de tierra entre la máquina y el sistema DAQ, por ejemplo con entradas aisladas o con una base de montaje aislante.

Productos ICP DAS para la medición de vibraciones IEPE

Acondicionador de señal para hardware DAQ existente

El SG-3227 es un acondicionador de señal IEPE de 2 canales. Cada canal se ajusta con interruptores DIP para la corriente de excitación (2, 4, 6 o 10 mA) y la ganancia (×1, ×10 o ×100), y dispone de una salida de tensión de ±10 V. La salida puede conectarse a cualquier entrada DAQ con rango de ±10 V, como la tarjeta PCIe-8620 con muestreo simultáneo o el módulo DAQ Ethernet PET-7H16M.

DAQ Ethernet con entradas IEPE

El PET-AR400 dispone de cuatro entradas IEPE diferenciales en conectores BNC con excitación de 4 mA, un convertidor A/D de 24 bits, acoplamiento CA o CC seleccionable mediante puentes y disparo por umbral, por software o analógico. Los datos se leen mediante streaming TCP o Modbus TCP, con SDK para Windows (incluido LabVIEW) y Linux, y el módulo puede alimentarse por PoE.

Registro autónomo y monitorización permanente

Los registradores de datos AR-200 y AR-400 adquieren 2 o 4 canales IEPE simultáneamente con excitación de 3 mA y resolución de 16 bits, a una frecuencia de hasta 200 kHz (AR-200) o 125 kHz (AR-400) por canal. Los datos se almacenan en una tarjeta microSD para su análisis fuera de línea, y la grabación puede dispararse mediante pulsador, temporizador, umbral o entrada digital.

Para la monitorización permanente, el iSN-701X alimenta un acelerómetro IEPE con 4 mA, convierte la señal en valores característicos de vibración y genera una alarma cuando un valor supera su umbral. Los valores se leen mediante Modbus TCP o Modbus RTU; el iSN-701X-mA añade una salida de 0/4-20 mA.

Acelerómetros

El iSN-701-F15 es un acelerómetro IEPE monoeje con sensibilidad de 100 mV/g, rango de ±80 g y una respuesta en frecuencia de 0,5 Hz a 15 kHz, con grado de protección IP68 (sin cable) y cable de 3 m o 6 m. Los módulos de sensor de vibración iSN-711 e iSN-713 utilizan sensores MEMS en lugar de IEPE y son adecuados para la monitorización de baja frecuencia a través de RS-485.

Envíe el tipo de sensor, el rango de frecuencias y el número de canales a nuestro equipo de ventas técnicas, y le ayudaremos a configurar la cadena de medida.