Analog Devices ha recentemente introdotto l’ADIS16228, un sistema di monitoraggio delle vibrazioni basato su sensori Mems. Il dispositivo trova applicazione nella manutenzione predittiva di complessi apparati industriali sfruttando la firma vibrazionale come elemento di diagnostica. Il cuore del sistema è rappresentato da un accelerometro tre assi in grado di misurare accelerazioni di ±18g, e da un microprocessore programmabile che consente la rilevazione direzionale delle accelerazioni ed una analisi spettrale. Grazie a queste caratteristiche è possibile prevedere eventuali guasti individuando in anticipo vibrazioni anomale e intervenendo prima che una rottura catastrofica porti a un inevitabile e costoso fermo macchina.
La manutenzione predittiva
Prevenire è meglio che curare recita un ben noto detto, e questo è vero anche in ambito sicurezza. Guasti improvvisi e rotture di macchinari industriali, oltre a provocare un danno economico legato a costi di riparazione e fermi produttivi, mettono a serio repentaglio la sicurezza degli operatori. Proprio il tema della sicurezza ha condotto allo studio di strategie manutentive atte a prevenire i guasti. Un primo approccio è la manutenzione preventiva che presuppone revisioni periodiche dei macchinari e sostituzione delle parti soggette ad usura. Uno dei limiti di questa tecnica sta nel fatto che è difficile prevedere la durata corretta tra un ciclo di revisione e l’altro, col rischio da un lato che tempi troppo lunghi portino comunque a guasti indesiderati, mentre tempi troppo brevi comportino la sostituzione di parti ancora pienamente efficienti. Per superare questi limiti è stato necessario sviluppare della strumentazione in grado di rilevare lo stato di salute dei macchinari. A tal fine è stata individuata tutta una serie di parametri, come gli assorbimenti di corrente, la temperatura e le vibrazioni, le cui variazioni rispetto alle condizioni originali costituiscono un campanello d’allarme. Il monitoraggio di queste grandezze consente la rilevazione di malfunzionamenti all’origine, permettendo così di focalizzare gli interventi solo quando effettivamente necessari e solo sulle parti a rischio di rottura. La strumentazione utilizzata per verificare lo stato di salute dei macchinari è tipicamente molto costosa, per questo ci si affida a società specializzate che provvedono alle verifiche periodiche. La manutenzione predittiva costituisce un ulteriore passo in avanti che rende possibile un sensibile aumento della sicurezza operativa ad un costo contenuto. I nuovi apparati industriali vengono progettati con tutta una serie di sensori che monitorano di continuo lo stato di salute e segnalano la necessità di un intervento di manutenzione. Oltre a dover assolvere al proprio compito efficacemente, la rete di sensori deve essere minimamente invasiva, in modo da non interferire con le funzioni primarie della macchina, e ad un costo abbordabile. Studi condotti da società specializzate hanno dimostrato che questa nuova tecnica consente un ritorno dell’investimento triplo rispetto alla spesa iniziale.
L’analisi delle vibrazioni
Le vibrazioni costituiscono un parametro fondamentale per l’analisi del funzionamento delle macchine rotanti, permettendo di diagnosticare tutta una serie di problemi come l’usura dei cuscinetti, il disallineamento, lo squilibrio e gli accoppiamenti fuori tolleranza. Ogni macchinario o processo industriale presenta uno spettro delle vibrazioni proprio chiamato firma vibrazionale. Andando a comparare la firma con le vibrazioni misurate è possibile identificare un malfunzionamento ed associarlo alla causa. Infatti le varie cause di vibrazione modificano lo spettro in maniera peculiare consentendone l’identificazione. Una delle difficoltà legate a questa tecnica sta nel reperimento di sensori adeguati. Gli accelerometri Mems risultano particolarmente adatti a questo ruolo. Provvisti di una banda sufficientemente ampia per andare a catturare gli eventi più significativi ai fini della diagnostica e di una notevole ripetibilità, questi sensori costituiscono un supporto indispensabile nel definire lo stato di salute dei macchinari. Inoltre, la robustezza meccanica, le dimensioni contenute e la capacità di operare su un range di temperatura che va da -40 a +125°C li rende particolarmente adatti per le applicazioni industriali.
La tecnologia iSensor
iSensor è la tecnologia sviluppata da Analog Devices che combina la pluriennale esperienza nell’elaborazione del segnale con la capacità di sviluppare sensori Mems, accelerometri e giroscopi, che rendono possibile rilevare movimenti, vibrazioni e urti. Benché molti iSensor si presentino esteriormente come dei normali circuiti integrati in realtà sono veri e propri sottosistemi elettromeccanici; il livello di integrazione è tale da renderne estremamente semplice l’utilizzo; è sufficiente fornire un’alimentazione, un’interfaccia digitale seriale, qualche piccolo accorgimento meccanico ed il sistema è pronto per l’uso. Grazie all’elettronica di elaborazione associata ai sensori è possibile migliorare le prestazioni di un fattore 10 e oltre. Le operazioni effettuate sul segnale prelevato dai sensori sono il filtraggio, la linearizzazione, la compensazione degli offset e del guadagno, la conversione analogico-digitale. Per alcuni dispositivi è prevista anche la compensazione delle derive termiche. La calibrazione effettuata in fabbrica consente il miglioramento delle prestazioni esaltandone le caratteristiche. Questo fa si che gli interventi di calibrazione nell’impiego finale siano ridotti al minimo, se non del tutto eliminati. La quasi totalità di questi dispositivi dispone anche di un sensore di temperatura integrato. Inoltre su alcuni dispositivi si hanno degli ingressi ausiliari Adc e uscite Dac per pilotaggi analogici. Un certo numero di ingressi e uscite digitali può essere disponibile in uscita. L’interfaccia digitale è solitamente del tipo Spi. A seconda della specializzazione del dispositivo vengono forniti tutta una serie di registri, accessibili tramite l’interfaccia seriale, che consentono di impostare dati di calibrazione, soglie, registrazione degli eventi, memorizzazione di dati di confronto, e via discorrendo.
Le funzioni svolte da questi dispositivi sono le seguenti:
• misura dell’accelerazione;
• misura della velocità angolare;
• misura dell’inclinazione;
• misura degli urti;
• misura delle vibrazioni;
• unità di misura inerziali.
Partendo dalle funzioni sopra elencate le applicazioni possono essere le più svariate. Tra queste segnaliamo le più comuni:
• rilevazione di movimenti rototraslazionali;
• rilevazione di vibrazioni;
• crash recorder;
• inclinometri;
• stabilizzazione delle piattaforme;
• stabilizzazione delle immagini;
• navigazione inerziale;
• robotica;
• sistemi avionici.
Ovviamente il limite alle applicazioni dei sensori di movimento è imposto solo dalla fantasia umana. L’avanzamento della tecnologia mette a disposizione sensori sempre più piccoli e a costi ragionevoli, rendendo possibile la realizzazione di nuove applicazioni che semplificano i processi industriali e ne aumentano la sicurezza.
Il sensore di vibrazioni ADIS16228
L’ADIS16228 è un dispositivo di misura delle vibrazioni che si compone di tre accelerometri Mems, uno per ciascun asse, e un sofisticato sistema di elaborazione del segnale. Il sensore consiste di una massa mobile m, sospesa con un sistema di molle. Quando al dispositivo si applica un’accelerazione la massa è soggetta alla forza di Newton F = m·a. La forza di Newton viene contrastata dall’azione di richiamo delle molle, F = k·x, dove k è la costante elastica e x lo spostamento dal punto di equilibrio a riposo. x sarà tanto maggiore quanto maggiore sarà l’accelerazione impressa. Lo spostamento x viene misurato con un sistema capacitivo differenziale; la parte mobile del sensore costituisce un’armatura del condensatore, mentre l’altra armatura è solidale con la parte fissa. La trasduzione si basa sulla ben nota formula del condensatore C = ε·(S/d) dove la distanza d viene modulata dallo spostamento x. Noto x sarà possibile risalire all’accelerazione mediante la relazione a = (k/m)x. Il sensore è caratterizzato da un livello di rumore basso, pari a 248μg/√Hz, consentendo così di discriminare segnali di piccola ampiezza. La banda passante si estende fino a 5 kHz, consentendo la cattura di segnali in frequenza significativi per determinare lo stato di salute dei macchinari.
I segnali analogici provenienti dai sensori vengono convertiti in digitale ed elaborati sia nel dominio del tempo che della frequenza. Il dispositivo può essere programmato per effettuare una Fft a 516 punti, fornendo così direttamente lo spettro delle vibrazioni. È possibile inoltre immagazzinare fino a 14 Fft per asse, e pertanto avere l’evoluzione temporale dello spettro. Il dispositivo consente inoltre quattro modalità di funzionamento differenti fornendo così all’utente finale la massima flessibilità sul tipo di analisi che si vorrà effettuare. L’interfaccia di comunicazione è del tipo SPI. Sono disponibili due I/O general purpose, e degli allarmi configurabili. Il sistema si completa con un sensore di temperatura, la gestione dell’alimentazione e un clock interno che scandisce i tempi delle acquisizioni e successive elaborazioni. La tensione di alimentazione è compresa tra 3.0 e 3.6 V, mentre il range di temperatura è da -40 a +125 °C. Il package è in alluminio, delle dimensioni di 15x24x15 mm3 ed è provvisto di connettore flat.
