Guida completa all'analisi e all'applicazione per i sistemi di accelerometro piezoelettrico vibrometro

Introduzione: Il ruolo centrale del monitoraggio delle vibrazioni e della tecnologia di rilevamento piezoelettrico nell'industria moderna

Nei moderni sistemi industriali, il monitoraggio delle condizioni e la previsione dei guasti delle apparecchiature meccaniche sono diventati fondamentali per garantire la sicurezza della produzione e migliorare l’efficienza operativa. I macchinari rotanti come turbine, compressori e generatori, in particolare, hanno caratteristiche di vibrazione che riflettono direttamente la salute operativa dell'apparecchiatura. La tecnologia di monitoraggio delle vibrazioni rileva e analizza i segnali di vibrazione meccanica per identificare i primi segnali di squilibrio, disallineamento, usura dei cuscinetti, guasti agli ingranaggi e altri problemi, prevenendo così guasti catastrofici e consentendo una manutenzione predittiva.

Tra le varie tecnologie di sensori di vibrazioni, gli accelerometri piezoelettrici sono diventati i dispositivi di rilevamento più utilizzati nel monitoraggio delle vibrazioni industriali grazie ai loro vantaggi prestazionali unici. La Vibro-Meter SA della Svizzera, in qualità di fornitore tecnico specializzato in questo campo, offre i suoi sistemi di accelerometri piezoelettrici delle serie CA XXX e CE XXX. Conosciuti per la loro elevata affidabilità, adattabilità ad un ampio intervallo di temperature e idoneità all'uso in atmosfere potenzialmente esplosive, questi sistemi sono ampiamente utilizzati in settori globali critici come quello energetico, chimico, aeronautico e marittimo.

Basato sul 'Manuale di istruzioni per accelerometri piezoelettrici serie CA XXX/CE XXX' (edizione 4) pubblicato da Vibro-Meter, questo articolo analizza sistematicamente i principi tecnici, le classificazioni dei modelli, le specifiche di installazione, i requisiti di sicurezza e le pratiche di applicazione di questa serie di prodotti. L'obiettivo è fornire riferimenti tecnici completi e approfonditi al personale tecnico e ingegneristico, supportando la progettazione ottimale e il funzionamento affidabile dei sistemi di monitoraggio delle vibrazioni delle apparecchiature industriali.

Capitolo 1: Principi tecnici degli accelerometri piezoelettrici e del sistema prodotto vibrometro

1.1 Principio di misurazione dell'effetto piezoelettrico e dell'accelerazione

La base fisica fondamentale di un accelerometro piezoelettrico è l'effetto piezoelettrico, un fenomeno fisico in cui alcuni materiali cristallini (come quarzo o ceramica) generano una carica elettrica quando sottoposti a stress meccanico. Gli accelerometri Vibro-Meter utilizzano progetti strutturali di tipo compressione o taglio, assemblando con precisione elementi di cristallo piezoelettrici con una massa inerziale. Quando il sensore vibra con l'oggetto misurato, la massa inerziale applica uno stress periodico al cristallo piezoelettrico, generando un segnale di carica proporzionale all'accelerazione.

Come mostrato nelle Figure 1-4 e 1-5 del Manuale, nella struttura a compressione, le celle di cristallo sono soggette a forza di compressione lungo l'asse sensibile, mentre nella struttura a taglio, sono soggette a forza di taglio. Entrambe le strutture hanno i loro vantaggi: i tipi di compressione offrono tipicamente rigidità e frequenza di risonanza più elevate, adatte per misurazioni ad alta frequenza; i tipi a taglio sono meno sensibili alla deformazione di base e alle variazioni di temperatura, fornendo una migliore adattabilità ambientale.

La gamma di risposta in frequenza degli accelerometri piezoelettrici va tipicamente da 3 Hz a oltre 20 kHz, coprendo le caratteristiche di frequenza di vibrazione della maggior parte dei macchinari rotanti industriali. Il loro intervallo di temperature operative può variare da -196°C a +620°C, una caratteristica che consente loro di funzionare in modo affidabile in ambienti con temperature estreme, come vicino a fonti di calore nelle turbine a gas o su apparecchiature di pompaggio criogenico.

1.2 Sistema di classificazione dei prodotti con accelerometro per vibrometri

Vibro-Meter classifica i suoi sistemi di accelerometri piezoelettrici in tre classi principali, in base al metodo di integrazione dell'elettronica di condizionamento del segnale con la testa di rilevamento:

1.2.1 Accelerometri con condizionatore elettronico separato (serie CA)
Questi accelerometri (ad esempio CA 134, CA 135, CA 136, CA 201, CA 216, CA 902, CA 905) contengono solo l'elemento sensibile piezoelettrico, che emette un segnale di carica proporzionale all'accelerazione (sensibilità tipicamente espressa in pC/g). Il segnale di carica viene trasmesso tramite un cavo dedicato a basso rumore a un convertitore di carica separato (ad esempio, serie IPC XXX), dove viene convertito in un segnale modulato in corrente. Il vantaggio principale di questo design è che la testa di rilevamento può resistere ad ambienti con temperature molto elevate o molto basse (da -54°C a +620°C, a seconda del modello specifico), rendendola adatta a punti di misurazione vicini a fonti di calore o freddo.

1.2.2 Accelerometri con condizionatore elettronico collegato (serie CE 134/136)
Questi accelerometri presentano il condizionatore elettronico come modulo separato collegato all'estremità del cavo della testa di rilevamento (non integrato nello stesso alloggiamento). Il segnale di carica viene convertito in un segnale modulato in corrente all'interno del condizionatore collegato. Questo design bilancia l'adattabilità della temperatura e la semplificazione del sistema: la testa di rilevamento può funzionare in ambienti da -70°C a +350°C (CE 134) o da -54°C a +260°C (CE 136), mentre il condizionatore elettronico funziona tra -30°C e +100°C.

1.2.3 Accelerometri con condizionatore elettronico incorporato (serie CE 310)
Questi accelerometri hanno il circuito di condizionamento elettronico completamente integrato nell'alloggiamento della testa di rilevamento, emettendo direttamente un segnale modulato in corrente ed eliminando la necessità di un convertitore di carica esterno. Offrono la struttura più compatta e l'installazione più semplice, ma il loro intervallo di temperatura operativa è limitato dall'elettronica interna: da -30°C a +150°C per la versione standard e da -30°C a +100°C per la versione antideflagrante.

1.3 Guida alla selezione del modello: bilanciamento di temperatura e frequenza

Le Figure da 1-1 a 1-3 del manuale forniscono una guida dettagliata alla selezione, mostrando gli intervalli di temperatura operativa e le caratteristiche di risposta in frequenza dei diversi modelli. La selezione richiede una considerazione approfondita di:

1. Temperatura del punto di misurazione: la resistenza alla temperatura varia in modo significativo tra i modelli. Ad esempio, il CA 905 può resistere fino a 620°C, mentre lo standard CE 310 è limitato a 150°C.

2. Gamma di frequenza di vibrazione: tutti gli accelerometri piezoelettrici coprono la gamma base da 3 Hz a 20 kHz, ma diversi modelli presentano variazioni nella frequenza di risonanza e negli intervalli di risposta lineare.

3. Condizioni ambientali: Presenza di atmosfere potenzialmente esplosive (richiedono versioni Ex i), umidità, corrosività, ecc.

4. Limiti di spazio di installazione: il tipo incorporato è il più compatto; il tipo separato richiede spazio aggiuntivo per il convertitore di carica.

5. Distanza di trasmissione del segnale: i segnali modulati in corrente (basati sul principio 4-20 mA) possono essere trasmessi su 1000 metri senza distorsioni significative, rendendoli ideali per grandi siti industriali.

Capitolo 2: Architettura del sistema di catena di misura e tecnologia di trasmissione del segnale

2.1 Composizione di un sistema completo di monitoraggio delle vibrazioni

Una catena di misurazione delle vibrazioni Vibro-Meter è un sistema completo per l'acquisizione, il condizionamento, la trasmissione e l'elaborazione del segnale, tipicamente costituito dai seguenti componenti:

1. Testa di rilevamento dell'accelerometro: converte le vibrazioni meccaniche in un segnale di carica grezzo.

2. Cavo di collegamento: cavo coassiale a basso rumore; alcuni modelli sono dotati di guaina intrecciata in acciaio inossidabile (tipo BOA) per la protezione meccanica.

3. Condizionatore di segnale:

• Convertitore di carica (IPC XXX): converte il segnale di carica in un segnale modulato in corrente.

• Oppure circuito di condizionamento incorporato/collegato: esegue direttamente la conversione del segnale.

4. Cavo di trasmissione: cavo schermato bipolare (serie K 2XX) per la trasmissione del segnale modulato in corrente.

5. Unità di separazione galvanica (GSI XXX): elimina le interferenze del circuito di terra, fornisce alimentazione sicura al front-end e converte il segnale di corrente in un segnale di tensione.

6. Sistema di elaborazione elettronica: come i sistemi di monitoraggio MMS o VM 600 di Vibro-Meter, per l'analisi del segnale, l'allarme e la registrazione.

2.2 Vantaggi della tecnologia di conversione e trasmissione del segnale

L'uscita grezza di un accelerometro piezoelettrico è un segnale di carica ad alta impedenza, altamente suscettibile alla capacità del cavo, alle interferenze elettromagnetiche e ai circuiti di terra. Il sistema Vibro-Meter affronta questi problemi attraverso una conversione in due fasi:

Prima fase: conversione da carica a corrente

• Eseguito nel convertitore di carica (IPC) o nel condizionatore incorporato.

• Utilizza la tecnologia di modulazione della corrente (simile al principio del trasmettitore 4-20 mA).

• Il rapporto di conversione è tipicamente 4 mA corrispondente a 0 g e 20 mA all'accelerazione a fondo scala.

Seconda fase: conversione da corrente a tensione

• Eseguito nell'Unità di Separazione Galvanica (GSI).

• Fornisce inoltre alimentazione del circuito a due fili (tipicamente 24 V CC).

• Emette un segnale di tensione che può essere collegato direttamente a PLC, DCS o sistemi di monitoraggio dedicati.

Vantaggi di questa architettura di conversione a due stadi:

• Forte immunità ai disturbi: i segnali attuali sono insensibili alle interferenze elettromagnetiche.

• Lunga distanza di trasmissione: può superare i 1000 metri senza un significativo degrado del segnale.

• Cablaggio semplificato: è necessario solo un cavo bipolare sia per il segnale che per l'alimentazione.

• Sicurezza intrinseca: adatto per atmosfere potenzialmente esplosive (se utilizzato con barriere certificate).

2.3 Quattro configurazioni tipiche della catena di misurazione

Il capitolo 2 del Manuale descrive in dettaglio quattro configurazioni tipiche:

2.3.1 Accelerometro con connettore + condizionatore elettronico separato
Adatto per modelli come CA 902, CA 905, CA 135 e alcune versioni CA 134/136. L'accelerometro ha un connettore 7/16'-27 UNS-2A e richiede un cavo di collegamento dedicato. Il convertitore di carica è alloggiato in un involucro impermeabile in poliestere, con pressacavi che garantiscono il grado di protezione.

2.3.2 Accelerometro con cavo integrale + condizionatore elettronico separato
Adatto per modelli come CA 201, CA 216 e alcune versioni CA 134/136. L'accelerometro viene fornito collegato in fabbrica con un cavo a basso rumore dotato di guaina BOA, che si collega direttamente al convertitore di carica. Ciò semplifica l'installazione sul campo e riduce il rischio di guasti ai punti di connessione.

2.3.3 Accelerometro con condizionatore elettronico collegato
Adatto per CE 134 e CE 136. Il condizionatore è fissato all'estremità del cavo e non è staccabile dalla testa di rilevamento. Il cavo è saldato su entrambi gli alloggiamenti, garantendo resistenza meccanica e tenuta.

2.3.4 Accelerometro con condizionatore elettronico incorporato
Adatto per CE 310. Il circuito di condizionamento è completamente integrato nella testa di rilevamento e una scatola di giunzione (JB XXX) viene utilizzata per collegare il cavo di trasmissione. Ciò offre la struttura più compatta e l'installazione più semplice.

Capitolo 3: Tecniche di installazione e considerazioni meccaniche

3.1 Principi per la scelta del luogo di installazione

La scelta della posizione di installazione corretta è fondamentale per ottenere dati accurati sulle vibrazioni. La Figura 4-1 del manuale illustra i punti di montaggio consigliati:

1. Il più vicino possibile ai cuscinetti: i cuscinetti sono il punto di connessione tra il rotore e lo statore e riflettono al meglio lo stato di vibrazione della macchina.

2. Su parti strutturali rigide: evitare il montaggio su involucri o strutture di macchine con rigidità insufficiente, poiché potrebbero presentare risonanze locali che amplificano o attenuano le vibrazioni effettive.

3. Accessibilità e sicurezza: bilancia le esigenze di misurazione con la comodità di manutenzione e garantisce installazione e rimozione sicure.

4. Fattori ambientali: considerare la temperatura, la corrosione, le interferenze elettromagnetiche, ecc.

3.2 Requisiti per la preparazione della superficie di montaggio

Una corretta preparazione della superficie è fondamentale per la precisione della misurazione:

1. Planarità della superficie: entro 0,01 mm (figure manuali 5-2, 6-2, 7-2).

2. Rugosità superficiale: Grado N7 o migliore.

3. Perpendicolarità all'asse sensibile: la superficie di montaggio deve essere perpendicolare all'asse sensibile dell'accelerometro.

4. Pulizia: privo di olio, ruggine, rivestimenti, ecc.

Fasi di lavorazione specifiche (utilizzando CA 201 come esempio):

• Contrassegnare le posizioni per quattro fori filettati nella posizione scelta.

• Praticare quattro fori: diametro 4,8 mm, profondità 20 mm.

• Toccare le filettature M6 fino a una profondità di 14 mm.

• Preparare le viti a esagono incassato M6 x 35 e le rondelle elastiche.

• Applicare l'adesivo bloccante LOCTITE 241 sulle viti.

• Stringere utilizzando una chiave dinamometrica, non superando i 15 Nm.

3.3 Influenza del metodo di montaggio sulla precisione della misurazione

Il capitolo 3 del manuale analizza sistematicamente l'influenza dei diversi metodi di montaggio sulla risposta in frequenza, facendo riferimento allo standard ISO 5348:

3.3.1 Montaggio filettato (ottimale)

• Utilizzare i valori di coppia consigliati dal produttore (tipicamente 2-15 Nm, a seconda del modello).

• Fornisce la più ampia gamma di frequenze effettive (fino a 30 kHz).

• Distorsione di fase minima.

3.3.2 Montaggio adesivo

• Cemento metilcianoacrilato: massimo 80°C, risposta in frequenza accettabile.

• Nastro biadesivo: massimo 95°C, risposta in frequenza limitata, soprattutto con nastro spesso.

• Pellicola di cera d'api: massimo 40°C, adatta solo per misurazioni temporanee a bassa frequenza.

3.3.3 Altri metodi di montaggio temporaneo

• Base magnetica: massimo 150°C, risposta in frequenza fortemente limitata.

• Sonda portatile: Adatta solo per controlli grossolani, la risposta in frequenza scende sotto i 2 kHz.

La Figura 3-1 mostra quantitativamente l'errore di ampiezza e lo sfasamento causati da diversi metodi di montaggio. Per misurazioni precise e confronto di dati provenienti da più punti, sono essenziali metodi di montaggio coerenti.

3.4 Specifiche del percorso dei cavi

Un instradamento errato dei cavi può introdurre rumore e distorsione del segnale:

1. Raggio minimo di curvatura: non inferiore a 50 mm.

2. Spaziatura di fissaggio: utilizzare clip ogni 100-200 mm.

3. Evitare stress: il cavo deve uscire dal piano di vibrazione, non direttamente dal sensore (Figura 3-8).

4. Tenere lontano da fonti di interferenza: evitare di correre parallelo a cavi ad alta tensione o linee di trasmissione ad alta frequenza.

5. Protezione meccanica: utilizzare il condotto flessibile in acciaio inossidabile KS 106 nelle aree soggette a danni.

3.5 Punti chiave per l'installazione delle unità elettroniche

Convertitore di carica (IPC):

• Dovrebbe essere installato in una posizione con vibrazioni minime o assenti.

• Intervallo di temperatura ambiente: da -25°C a +70°C.

• Tipicamente installato in custodia industriale ABA 160 con grado di protezione IP65.

Unità di Separazione Galvanica (GSI):

• Intervallo di temperatura ambiente: da 0°C a +55°C.

• Tipicamente installato su guida DIN all'interno di un armadio.

• È disponibile un kit di montaggio dedicato (staffa, aletta di posizionamento, vite di fissaggio M4).

Scatola di giunzione (JB):

• Intervallo di temperatura ambiente: da -20°C a +90°C.

• Grado di protezione IP65.

• Utilizzato per il passaggio del cavo per accelerometri incorporati come il CE 310.

Capitolo 4: Collegamenti elettrici e tecniche di messa a terra

4.1 Tecniche di connessione dei cavi

I collegamenti elettrici corretti sono fondamentali per garantire la qualità del segnale e l'affidabilità del sistema:

4.1.1 Passaggi generali di connessione

1. Spellare l'isolamento del cavo secondo necessità (normalmente 4-6 mm).

2. Far passare il cavo attraverso il pressacavo nell'alloggiamento.

3. Collegare alla morsettiera corrispondente.

4. Installare l'anello elastico Ø8 per evitare lo slittamento del cavo.

5. Stringere il pressacavo per garantire la tenuta.

4.1.2 Dettagli di installazione del pressacavo (figure 5-12, 7-11)

• Svitare l'elemento 1 in senso antiorario (non rimuovere l'elemento 5 dall'alloggiamento).

• Estrarre gli elementi 2 e 3 (si adattano a diversi diametri di cavo).

• Far passare il cavo attraverso gli elementi.

• Rimontare e serrare i componenti della ghiandola.

• Verificare che il cavo sia tenuto saldamente per garantire la tenuta impermeabile.

4.2 Strategie di schermatura e messa a terra

Una schermatura e una messa a terra adeguate sono fondamentali per prevenire le interferenze elettromagnetiche:

1. Collegamento dello schermo all'estremità del sensore:

• La schermatura del cavo deve essere collegata all'alloggiamento del sensore all'estremità del sensore.

• Per i sensori a montaggio isolato, è necessario collegare un filo corto tra il terminale negativo (-) e il terminale schermato all'interno della scatola di giunzione o del connettore (Figure 6-10, 7-10).

2. Trattamento schermatura cavo di trasmissione:

• Lo schermo non è collegato all'estremità dell'unità di separazione galvanica (GSI).

• Ciò evita la creazione di anelli di massa.

3. Architettura di messa a terra del sistema:

• Seguire il principio di messa a terra a punto singolo.

• L'unità di separazione galvanica fornisce l'isolamento tra la terra del segnale e la terra dell'armadio.

• Gli alloggiamenti industriali devono essere collegati a terra in modo affidabile tramite i relativi bulloni di montaggio.

4.3 Specifiche del gruppo connettore

Per i modelli dotati di connettori (es. CG 134), il montaggio richiede particolare attenzione:

1. Smontare il gruppo connettore.

2. Saldare i fili del cavo ai pin corrispondenti (A, B, C) come da Figura 6-9.

3. Saldare un ponticello tra i pin B e C (per eliminare la corrente di dispersione e le interferenze del circuito di terra quando il sensore è correttamente messo a terra).

4. Applicare l'adesivo bloccante LOCTITE 241 alle filettature.

5. Rimontare il connettore, assicurandosi che il cavo non sia attorcigliato.

6. Inserire nel connettore di accoppiamento, serrando con una coppia di 7-11 Nm.

4.4 Collegamenti Unità di Separazione Galvanica

1. Spelare i fili del cavo di trasmissione e crimpare i terminali AMP Faston 6.3.

2. Inserire nei corrispondenti terminali del GSI (Figure 5-13, 6-11, 7-12).

3. Collegare il cavo lato sistema con terminali crimpati in modo simile.

4. Rispettare i contrassegni di polarità: in genere '+' per alimentazione positiva, '-' per segnale/alimentazione negativa.

Capitolo 5: Specifiche applicative per atmosfere potenzialmente esplosive

5.1 Direttiva ATEX e Certificazione Antideflagrante

I prodotti Vibro-Meter sono stati sottoposti a rigorose certificazioni per l'utilizzo in atmosfere potenzialmente esplosive, in conformità ai requisiti della Direttiva europea ATEX 94/9/CE. L'Appendice B del Manuale fornisce i certificati completi di esame CE del tipo:

5.1.1 Tipi di protezione a sicurezza intrinseca

• Livello 'ia': Adatto per Zona 0 (dove è presente continuamente o per lunghi periodi un'atmosfera esplosiva).

• Livello 'ib': Adatto per la Zona 1 (dove è probabile che si formi occasionalmente un'atmosfera esplosiva durante il normale funzionamento).

5.1.2 Classificazione dei gruppi di gas

• Gruppo IIC: rappresenta i gas che si infiammano più facilmente (ad esempio idrogeno, acetilene).

• Gruppo IIB: Gas a medio rischio di ignizione.

• Gruppo IIA: gas a rischio generale di accensione.

5.1.3 Classe di temperatura

• Da T1 a T6: indica la temperatura superficiale massima dell'apparecchiatura, dove T6 è la più rigorosa (≤85°C).

• Componenti diversi possono avere classi di temperatura diverse a seconda della loro posizione e della temperatura operativa.

5.2 Identificazione e marcatura dei prodotti antideflagranti

I prodotti idonei all'uso in atmosfere potenzialmente esplosive riportano marcature speciali che devono corrispondere al Certificato di esame CE del tipo:

Esempio tipico di marcatura:

• VIBROMETRO SA

• Tipo: CA134

• Numero di serie: ...

• Anno di costruzione:...

•  II 1G (Gruppo di attrezzatura: II=Non minerario, 1=Categoria 1)

• EEx ia IIC da T6 a T1 (tipo di protezione: ia sicurezza intrinseca, gruppo di gas IIC, classe di temperatura da T6 a T1)

• LCIE 02 ATEX 6110 X (numero di certificato)

Il marchio 'X' indica che l'apparecchiatura è soggetta a condizioni speciali per l'uso sicuro, dettagliate nella sezione 'Programma' del certificato.

5.3 Requisiti per la composizione del sistema antideflagrante

Un sistema a sicurezza intrinseca è composto da tre parti e l'intera combinazione deve essere certificata come compatibile:

1. Dispositivo da campo: sensori, convertitori, ecc., installati nell'area pericolosa.

2. Apparati associati: unità di separazione galvanica, ecc., installate in area sicura.

3. Cavo di collegamento: i suoi parametri (capacità, induttanza) devono rientrare nei limiti consentiti dal sistema.

Verifica della compatibilità del sistema:

• Parametri del dispositivo di campo: Ui, Ii, Ci, Li.

• Parametri dell'apparato associati: Uo, Io, Co, Lo.

• Parametri distribuiti del cavo (capacità, induttanza per unità di lunghezza).

• Deve soddisfare: Ui ≥ Uo, Ii ≥ Io, Ci + Ccable ≤ Co, Li + Lcable ≤ Lo.

5.4 Requisiti particolari di installazione per atmosfere esplosive

1. Abbinamento dell'apparecchiatura: può essere collegato solo ad apparecchiature certificate a sicurezza intrinseca.

2. Controllo dei parametri del cavo: la capacità e l'induttanza distribuite del cavo devono essere incluse nei calcoli del sistema.

3. Messa a terra e collegamento equipotenziale: gli alloggiamenti devono essere collegati a un sistema di collegamento equipotenziale.

4. Nessuna modifica non autorizzata: qualsiasi modifica senza il consenso scritto del produttore invalida la certificazione e la garanzia.

5. Restrizioni alla manutenzione: le apparecchiature antideflagranti non devono essere riparate in loco; deve essere restituito ad un centro assistenza autorizzato.

Capitolo 6: Accessori e componenti di montaggio ausiliari

6.1 Prigionieri di montaggio

Quando non è possibile il montaggio diretto su una superficie lavorata, vengono utilizzati perni di montaggio dedicati:

Prigioniero TA 102 (Figura 8-1):

• Per CA 201 e CE 310.

• Fornisce una regolazione dell'angolo di 30°.

• Materiale in acciaio inossidabile, resistente agli ambienti corrosivi.

Prigioniero TA 104 (Figura 8-2):

• Per CA 134, CA 135, CA 136, CE 134 e CE 136.

• Angolo di montaggio di 90°.

• Migliora la qualità di montaggio su superfici irregolari.

Prigioniero TA 106 (Figura 8-3):

• Progettato specificamente per CA 216.

• Angolo di montaggio di 92°.

• Design compatto per luoghi con vincoli di spazio.

6.2 Supporti isolanti

6.2.1 Supporto elettricamente isolante (TA 101) (Figura 8-4)

• Per CA 201 e CE 310.

• Include boccole isolanti e una piastra isolante.

• Previene i ritorni di terra e le interferenze elettriche.

• Richiede bulloni e rondelle isolanti per l'installazione.

6.2.2 Supporto Termicamente Isolante (TA 105) (Figura 8-5)

• Per CA 135, CA 136 e CE 136.

• Resistenza massima alla temperatura: 300°C.

• Piastra isolante spessa 5 mm con tre fori equidistanti.

• Riduce la conduzione del calore dall'apparecchiatura calda al sensore.

6.3 Accessori per la protezione dei cavi

Guaina intrecciata in acciaio inossidabile (BOA):

• Fornisce protezione meccanica e flessibilità limitata.

• Resistente al calore e alla corrosione.

• Preinstallato sui modelli con cavi integrati.

Condotto flessibile KS 106:

• Materiale in acciaio zincato o acciaio inossidabile.

• Fornisce una protezione meccanica aggiuntiva per i cavi di trasmissione.

• Particolarmente utile in aree soggette a urti o abrasioni.

Clip di montaggio:

• Per cavi/condotti con diametro di circa 8 mm.

• Fisso ad intervalli di 100-200 mm.

• Previene vibrazioni e sfregamenti del cavo.

Capitolo 7: Manutenzione, risoluzione dei problemi e supporto tecnico

7.1 Principi fondamentali di manutenzione

I sistemi di accelerometri piezoelettrici Vibro-Meter sono progettati come dispositivi esenti da manutenzione, ma ispezioni appropriate possono prolungarne la durata:

7.1.1 Lista di controllo per l'ispezione periodica

• Ispezione visiva: verificare la presenza di danni fisici, corrosione.

• Ispezione del cavo: verificare l'integrità della guaina, la sicurezza della connessione.

• Ispezione del montaggio: controllare il serraggio dei bulloni, per eventuali allentamenti.

• Ispezione del segnale: controlla il rumore della linea di base e le variazioni di sensibilità.

7.1.2 Raccomandazioni per la pulizia

• Pulire gli alloggiamenti con un panno morbido.

• Evitare detergenti corrosivi.

• Utilizzare un detergente per contatti elettronici dedicato per i connettori.

7.1.3 Requisiti speciali per apparecchiature antideflagranti

• Qualsiasi intervento di manutenzione deve essere conforme ai requisiti del Certificato di esame CE del tipo.

• Le apparecchiature antideflagranti non devono essere modificate o riparate in loco.

• Devono essere utilizzati solo pezzi di ricambio originali.

7.2 Guida alla risoluzione dei problemi

7.2.1 Sintomi di guasto comuni e possibili cause

7.2.2 Metodi di test di base

1. Controllo della resistenza: scollegare e misurare la resistenza tra i terminali del sensore (tipicamente >1 MΩ).

2. Controllo dell'isolamento: misurare la resistenza di isolamento tra il sensore e la terra (dovrebbe essere >100 MΩ).

3. Test funzionale: toccare leggermente il sensore e osservare la risposta del segnale.

4. Test di sostituzione: sostituire con un sensore sicuramente funzionante per il test.

7.3 Taratura e ricertificazione

7.3.1 Intervalli di calibrazione consigliati

• Applicazioni generali: ogni 24 mesi.

• Applicazioni critiche: ogni 12 mesi.

• Ambienti estremi: ogni 6 mesi o meno.

7.3.2 Elementi di calibrazione

• Sensibilità (pC/g o mV/g).

• Risposta in frequenza (ampiezza e fase).

• Linearità.

• Sensibilità Trasversale.

• Risposta alla temperatura (opzionale).

7.3.3 Ricertificazione per apparecchiature antideflagranti

• Necessario dopo ogni riparazione.

• Deve essere eseguito solo da centri di assistenza autorizzati.

• Aggiorna il certificato e le marcature antideflagranti.

Capitolo 8: Campi di applicazione ed esempi di selezione

8.1 Aree tipiche di applicazione industriale

La Sezione 1.2 del Manuale elenca le ampie aree di applicazione degli accelerometri piezoelettrici:

8.1.1 Macchinari rotanti/Elementi di guida

• Motori elettrici: motori a induzione, sincroni, CC.

• Motori a combustione: Diesel, motori a gas.

• Turbine a gas: derivate da aerei, industriali pesanti.

• Turbine a vapore: per la produzione di energia, azionamenti.

• Turbine idrauliche: tipi Francis, Kaplan, Pelton.

• Riduttori: ad alberi paralleli, planetari, a vite senza fine.

8.1.2 Macchinari rotanti/Elementi azionati

• Ventilatori: centrifughi, assiali.

• Pompe: centrifughe, volumetriche, alternative.

• Compressori: centrifughi, assiali, a vite, alternativi.

• Generatori: Turbogeneratori, idrogeneratori, generatori diesel.

8.1.3 Altre applicazioni

• Monitoraggio delle vibrazioni strutturali: Ponti, edifici, torri.

• Monitoraggio delle parti sciolte nelle macchine rotanti: rilevamento di lame allentate, bulloni, ecc.

• Monitoraggio delle macchine di processo: estrusori, frantoi, vagli.

8.2 Analisi di esempio di selezione

Esempio 1: monitoraggio delle vibrazioni nella zona ad alta temperatura di una turbina a gas

• Caratteristiche ambientali: Alta temperatura (fino a 600°C), potenzialmente esplosivo (rischio di perdita di carburante).

• Raccomandazione per la selezione: versione CA 905 (resiste a 620°C) o CA 134 Ex i (resiste a 450°C).

• Configurazione: Convertitore di carica separato installato in una zona più fresca, utilizzando cavi ad isolamento minerale.

• Requisiti di certificazione: EEx ia IIC T1-T6, conforme ad ATEX e IECEx.

Esempio 2: monitoraggio delle vibrazioni su un compressore di refrigerazione

• Caratteristiche ambientali: Bassa temperatura (fino a -50°C), presente refrigerante potenzialmente infiammabile.

• Raccomandazione per la selezione: versione criogenica CA 134 (resistente da -200°C a +450°C).

• Configurazione: cavo integrale per ridurre al minimo i punti di connessione nella zona fredda.

• Considerazioni: prevenire la formazione di condensa e formazione di ghiaccio sui cavi.

Esempio 3: monitoraggio di un set di pompe su una piattaforma offshore

• Caratteristiche ambientali: elevata corrosione, elevata umidità, vincoli di spazio, requisiti antideflagranti.

• Raccomandazione di selezione: versione CE 310 Ex i (condizionamento incorporato, struttura compatta).

• Configurazione: Custodia in acciaio inox, protezione IP65, connessione tramite scatola di giunzione.

• Montaggio: utilizzare il perno TA 102 per un montaggio più semplice su superfici irregolari.

Esempio 4: monitoraggio online di un cambio critico

• Requisiti: risposta ad alta frequenza (per monitorare le frequenze di ingranamento degli ingranaggi), elevata affidabilità.

• Raccomandazione di selezione: CA 201 (progettazione a taglio, insensibile alla deformazione di base).

• Montaggio: montaggio filettato per una risposta in frequenza ottimale.

• Elaborazione del segnale: convertitore di carica con filtro passa-basso per sopprimere il rumore ad alta frequenza.

8.3 Conversione dei parametri di vibrazione e utilizzo del nomogramma

L'Appendice A del manuale fornisce nomogrammi di accelerazione-velocità-spostamento per la conversione dei parametri di vibrazione:

Nomogramma L 1347 (unità metriche):

• Asse X: frequenza di vibrazione (Hz).

• Asse Y sinistro: ampiezza di spostamento (da picco a picco, μm).

• Asse Y centrale: ampiezza della velocità (picco, mm/s).

• Asse Y destro: ampiezza di accelerazione (picco, g).

Esempio di utilizzo:
Dati: accelerazione 1 g di picco, frequenza 157 Hz.
Dal grafico: velocità picco 10 mm/s, spostamento picco-picco 20 μm.

Significato ingegneristico:

• Spostamento: riflette le vibrazioni a bassa frequenza e di grande massa, riguarda spazi vuoti e deformazioni.

• Velocità: indicatore di gravità delle vibrazioni accettato a livello internazionale, riflette l'energia delle vibrazioni.

• Accelerazione: riflette gli urti e le vibrazioni ad alta frequenza, riguarda la fatica e i carichi d'impatto.

Capitolo 9: Conformità agli standard e sistemi di certificazione

9.1 Conformità agli standard internazionali

I prodotti Vibro-Meter sono conformi a numerosi standard internazionali:

9.1.1 Standard sui sensori di vibrazione

• ISO 5348: Linee guida per il montaggio di sensori di vibrazioni.

• ISO 10816: Linee guida generali per la valutazione delle vibrazioni della macchina.

• API 670: Sistemi di protezione dei macchinari (per l'industria petrolifera e chimica).

9.1.2 Norme di sicurezza elettrica

• EN 61010-1: Requisiti di sicurezza per apparecchiature elettriche di misurazione, controllo e uso di laboratorio.

• EN 50014: Costruzioni elettriche per atmosfere potenzialmente esplosive - Prescrizioni generali.

• EN 50020: Costruzioni elettriche per atmosfere potenzialmente esplosive - Sicurezza intrinseca 'i'.

9.2 Panoramica dei sistemi di certificazione

9.2.1 Certificazione ATEX (Europa)

• Direttive: 94/9/CE (Direttiva sulle apparecchiature), 1999/92/CE (Direttiva sul luogo di lavoro).

• Organismi notificati: LCIE (Francia), KEMA (Paesi Bassi).

• Esempio di certificato: LCIE 02 ATEX 6110 X (per CA 134/136/160/201).

9.2.2 Certificazione IECEx (internazionale)

• Basato sugli standard della serie IEC 60079.

• Riconoscimento reciproco internazionale, riduzione delle certificazioni doppie.

9.2.3 Certificazione cCSAus (Nord America)

• Combina i requisiti CSA (Canada) e UL (USA).

• Esempio di certificato: 1636188 (per CA 134).

• Standard conformi: CSA C22.2 N. 157, UL 913, UL 61010C-1.

9.2.4 Altre certificazioni regionali

• INMETRO (Brasile).

• NEPSI (Certificazione cinese antideflagrante).

• TIIS (Giappone).

• KOSHA (Corea).

9.3 Interpretazione dei parametri del certificato

Utilizzando il certificato LCIE 02 ATEX 6110 X come esempio:

Parametri dell'apparato:

• Modelli: CA 134/CA 136/CA 160/CA 201.

• Tipo di protezione: Sicurezza intrinseca 'ia'.

• Gruppo di gas: IIC (livello più alto).

• Classe di temperatura: da T6 a T1 (CA 134), da T6 a T2 (altri).

Parametri elettrici (solo sensore):

• Ci: capacità interna (0,3 nF per CA 134, 8 nF per CA 136).

• Li: induttanza interna (0, trascurabile).

Limitazioni dell'apparato associato:

• Uo ≤ 28 V.

• Io ≤ 100 mA (alimentazione lineare) o 25 mA (alimentazione non lineare).

• Po ≤ 0,7 W.

Capitolo 10: Tendenze tecnologiche e prospettive future

10.1 Evoluzione della tecnologia di rilevamento piezoelettrico

10.1.1 Progressi nella scienza dei materiali

• Nuova ceramica piezoelettrica: maggiore sensibilità, intervalli di temperatura più ampi.

• Materiali piezoelettrici a cristallo singolo: linearità e stabilità migliorate.

• Materiali compositi: sensori piezoelettrici flessibili per montaggio su superfici curve.

10.1.2 Integrazione con la tecnologia MEMS

• Accelerometri MEMS: costo inferiore, dimensioni ridotte.

• Sistemi ibridi: combinazione di piezoelettrico e MEMS per prestazioni e costi bilanciati.

• Integrazione multiasse: accelerometri a tre assi in un unico pacchetto.

10.2 Tendenze verso l'intelligenza e il networking

10.2.1 Caratteristiche dei sensori intelligenti

• Diagnostica integrata: autotest, autocalibrazione, previsione guasti.

• Uscita digitale: interfacce digitali dirette (IEPE, bus digitali).

• Memorizzazione dei parametri: numero di serie, dati di calibrazione, parametri di configurazione memorizzati nel sensore.

10.2.2 Integrazione con l'IoT industriale

• Trasmissione wireless: reti di sensori wireless alimentate a batteria.

• Edge Computing: elaborazione preliminare del segnale nel nodo del sensore.

• Integrazione della piattaforma cloud: dati sulle vibrazioni caricati nel cloud per l'analisi dei big data e l'apprendimento automatico.

10.3 Evoluzione delle strategie di manutenzione

10.3.1 Dalla manutenzione preventiva a quella predittiva

• Manutenzione basata sulle condizioni (CBM): pianificazione della manutenzione in base alle condizioni effettive.

• Manutenzione predittiva (PdM): basata sull'analisi dei trend e sulla previsione dei guasti.

• Manutenzione prognostica (PM): rilevamento di indicazioni precoci di guasto.

10.3.2 Applicazione della tecnologia Digital Twin

• Modello virtuale: creazione di un gemello digitale dell'attrezzatura.

• Sincronizzazione in tempo reale: dati del sensore che aggiornano il modello digitale in tempo reale.

• Simulazione e previsione: esecuzione della simulazione dei guasti e della previsione della vita sul modello digitale.

10.4 Sostenibilità e considerazioni ambientali

10.4.1 Progettazione di lunga durata

• Intervalli di calibrazione estesi: design dei sensori più stabili.

• Riparabilità: design modulare per riparazioni e aggiornamenti più semplici.

• Selezione dei materiali: materiali ecologici e riciclabili.

10.4.2 Efficienza energetica

• Design a basso consumo: prolunga la durata della batteria per i sensori wireless.

• Energy Harvesting: raccolta di energia dall'ambiente vibrante per l'autoalimentazione.

10.4.3 Adattabilità ad ambienti estremi

• Applicazioni sottomarine più profonde: pressioni nominali più elevate.

• Applicazioni spaziali: resistente alle radiazioni, compatibile con vuoto ultra elevato.

• Applicazioni geotermiche: temperature più elevate, ambienti corrosivi.

Conclusione: costruire un sistema affidabile di monitoraggio delle vibrazioni industriali

I sistemi di accelerometri piezoelettrici di Vibro-Meter rappresentano una soluzione di alto livello nel campo del monitoraggio delle vibrazioni industriali. Comprendendo a fondo i loro principi tecnici, selezionando correttamente i modelli, seguendo procedure di installazione e manutenzione standardizzate e combinandoli con un'adeguata elaborazione dei segnali e analisi dei dati, è possibile costruire un sistema di monitoraggio dello stato delle apparecchiature affidabile ed efficiente.

Gli elementi chiave per la riuscita implementazione di un progetto di monitoraggio delle vibrazioni sono riassunti come segue:

1. Pianificazione sistematica: partire dagli obiettivi di misurazione, considerando in modo esaustivo i fattori ambientali, tecnici, di sicurezza ed economici.

2. Selezione corretta: scegliere il tipo di sensore appropriato in base a temperatura, frequenza, condizioni ambientali e requisiti di certificazione.

3. Installazione standardizzata: seguire rigorosamente i requisiti manuali per la preparazione della superficie, il montaggio e l'instradamento dei cavi.

4. Rigorosa conformità alla certificazione: garantisce la conformità complessiva della certificazione del sistema in atmosfere potenzialmente esplosive.

5. Manutenzione continua: stabilire procedure regolari di ispezione, calibrazione e aggiornamento della documentazione.

6. Analisi dei dati: trasforma i dati grezzi sulle vibrazioni in informazioni utili sullo stato delle apparecchiature.

7. Formazione del personale: garantire che gli operatori e il personale di manutenzione possiedano le necessarie conoscenze tecniche e di sicurezza.

Con lo sviluppo dell’Industria 4.0 e della produzione intelligente, la tecnologia di monitoraggio delle vibrazioni si sta evolvendo da sistemi di protezione isolati verso nodi di rilevamento intelligenti integrati. Produttori professionali come Vibro-Meter, attraverso la continua innovazione tecnologica, stanno guidando questo campo verso una maggiore affidabilità, maggiore intelligenza e una più ampia applicabilità, fornendo una solida base per il funzionamento sicuro, efficiente e sostenibile delle apparecchiature industriali in tutto il mondo.

Questo articolo, basato su un'analisi sistematica del manuale tecnico Vibro-Meter, mira a fornire un riferimento tecnico completo per ingegneri e tecnici. Nelle applicazioni pratiche, fare sempre riferimento alla versione più recente del manuale, delle schede tecniche e dei bollettini tecnici e consultare il supporto tecnico del produttore per garantire l'ottimizzazione e la sicurezza della progettazione, installazione e funzionamento del sistema.

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Manuale di riferimento:  Manuale di istruzioni dell'accelerometro piezoelettrico Vibrometro CAxxx/CExxx