Che cos'è la vibrazione?
La vibrazione in un sistema di macchinari rotanti e/o alternativi è, in parole povere, il movimento avanti e indietro o l'oscillazione delle macchine e dei componenti che compongono il sistema. Sebbene la vibrazione nelle apparecchiature industriali sia spesso una parte normale del funzionamento delle macchine, può anche essere un segno - o la causa - di un problema. Se non controllate, le vibrazioni crescenti possono causare un progressivo deterioramento delle condizioni di problema, portando al danneggiamento dei componenti dell'impianto o addirittura a un problema catastrofico. Il monitoraggio proattivo delle vibrazioni è la migliore linea d'azione per prevenire guasti catastrofici, ridurre i tempi di fermo macchina e abbassare i costi di manutenzione. E un sensore di vibrazioni è il mezzo più efficace per il monitoraggio delle vibrazioni.
Che cos'è un sensore di vibrazioni?
Un sensore di vibrazioni è un dispositivo che misura l'ampiezza delle vibrazioni all'interno di una determinata apparecchiatura nel tempo.
Figura 1. Grafico che mostra il segnale di vibrazione su un periodo di tempo di 0,4 secondi proveniente da un compressore a gas.
Il segnale di vibrazione viene quindi elaborato per fornire informazioni precise (frequenza rispetto all'ampiezza) utilizzate per valutare lo stato di salute delle risorse chiave di un sistema industriale. Si collega direttamente a una macchina o a un componente e, una volta posizionato, è in grado di rilevare le vibrazioni attraverso vari mezzi, a seconda del sensore. I dati forniti dai sensori di vibrazione possono aiutare a prevedere le future esigenze di manutenzione e il risultato è un processo operativo più snello ed efficiente, che rende le risorse più affidabili ed efficienti.
I sensori di vibrazione, insieme ai sensori di riferimento di velocità/fase o ad altri sensori di vibrazione, raccolgono tre tipi di dati: frequenza, ampiezza e fase. La parte relativa alla frequenza dei dati indica la frequenza con cui si verifica la vibrazione (che è correlata al punto in cui si verifica il problema nella macchina), mentre la parte relativa all'ampiezza dei dati riflette il livello di vibrazione che un'apparecchiatura sta subendo (che è correlato alla gravità del problema). La fase indica dove si verifica il picco di vibrazione in relazione a una singola rotazione dell'albero o del rotore, che può essere utilizzato per la diagnostica dei problemi e il bilanciamento del rotore.
Figura 2. Grafico dello spettro creato dal segnale mostrato nella Figura 1. Qui è possibile vedere le singole componenti di frequenza insieme alla loro ampiezza che compongono il segnale.
Figura 3. Il grafico orbitale a sinistra è costruito dai segnali di due sensori montati a 90 gradi di distanza l'uno dall'altro per monitorare la vibrazione dell'albero, mostrata a destra. Si noti la differenza di fase tra i due segnali dei sensori.
Perché il monitoraggio delle vibrazioni è importante per i sistemi industriali?
Nella gestione e nel funzionamento di un sistema industriale, il monitoraggio delle condizioni è fondamentale. Un monitoraggio adeguato delle condizioni, che massimizza la capacità operativa delle apparecchiature riducendo al minimo il rischio di esposizione, prolunga la durata delle risorse, il che a sua volta porta a una riduzione dei tempi di inattività delle apparecchiature, a un minor numero di interruzioni del funzionamento, a una maggiore efficienza e, in ultima analisi, a una riduzione dei costi del ciclo di vita delle risorse. Per le apparecchiature industriali, le vibrazioni sono una delle variabili principali per le quali è essenziale un monitoraggio proattivo delle condizioni.
Analisi delle cause alla radice
Il monitoraggio e l'analisi delle vibrazioni possono aiutare nell'analisi delle cause alla radice; se un'apparecchiatura è danneggiata, individuare la fonte alla radice delle vibrazioni può portare alla comprensione della causa del danno e fornire indicazioni su come evitare che si ripeta.
Manutenzione predittiva
Sebbene l'analisi delle cause alla radice sia un vantaggio importante, il monitoraggio delle vibrazioni è forse più prezioso quando viene utilizzato nella manutenzione predittiva, come mezzo per prevenire il verificarsi del guasto. Utilizzando un sensore di vibrazioni, è possibile monitorare i dati relativi alle vibrazioni in tempo reale. Il rilevamento tempestivo di un aumento delle vibrazioni all'interno di un'apparecchiatura consente di pianificare in anticipo e in modo economicamente vantaggioso gli interventi di manutenzione, prevenendo il verificarsi o lo sviluppo di danni.
Chi può trarre vantaggio dai sensori di vibrazione?
Qualsiasi azienda che utilizza macchinari rotanti e/o alternativi può trarre vantaggio dall'uso dei sensori di vibrazione. Tra queste:
- Petrolio e gas
- Energia rinnovabile
- Energia termica
- Industria di trasformazione
Ovunque vi siano componenti in movimento, esistono vibrazioni che possono essere monitorate. Alcuni casi reali in cui i sensori di vibrazione sono necessari includono una serie di macchine critiche come compressori (centrifughi, assiali, alternativi e a vite) e turbine (a gas, a vapore, idrauliche ed eoliche). Vengono monitorate anche le macchine di bilanciamento dell'impianto, come:
Ventilatori- I ventilatori sono utilizzati in numerose applicazioni. Le pale possono raccogliere depositi che possono ridurre l'efficienza e sollecitare i cuscinetti e il riduttore causandone il guasto prematuro.
Motori- Oltre alle parti rotanti che generano forze centrifughe, i motori elettrici hanno anche forze elettromagnetiche generate dalla loro modalità di funzionamento; tutte queste forze possono causare l'instabilità di un sistema. In ambito industriale, i sensori di vibrazione vengono utilizzati per monitorare i livelli di vibrazione all'interno del motore che possono essere causati da barre del rotore rotte, anelli terminali rotti, cuscinetti difettosi, ecc.
Pompe- Le pompe trasportano liquidi tra due livelli di altezza diversi. Come i motori, anche le pompe generano forza centrifuga a causa del movimento rotatorio. I sensori di vibrazione consentono agli ingegneri o ai tecnici di monitorare la frequenza di vibrazione risultante dal funzionamento della pompa.
Compressori- Un compressore è un dispositivo meccanico che aumenta la pressione di un gas riducendone il volume. Come i motori e le pompe, i compressori generano forza centrifuga a causa del movimento rotatorio. I sensori di vibrazione consentono agli ingegneri o ai tecnici di monitorare la frequenza delle vibrazioni risultanti dagli elementi del compressore, dai cuscinetti e dagli alberi.
In tutte le applicazioni, la misurazione e il monitoraggio delle vibrazioni delle macchine consentono ai responsabili e agli operatori di prevedere i guasti, individuare le condizioni operative ottimali e prevenire i rischi sul posto di lavoro.
Tipi principali di sensori di vibrazione
Esistono tre tipi principali di sensori di vibrazione, ciascuno con i propri vantaggi e svantaggi:
- Accelerometri – Misurano direttamente l'accelerazione assoluta delle vibrazioni
- Sensori di velocità – Misurano direttamente la velocità assoluta delle vibrazioni
- Sensori di spostamento (sonde di prossimità o sonde a correnti parassite) - Misurano direttamente la vibrazione relativa nello spostamento (DC – spostamento statico / AC – spostamento variabile)
Vantaggi e svantaggi dei diversi tipi di sensori di vibrazione
Accelerometri
Gli accelerometri sono sensori eccellenti per il rilevamento di guasti nei cuscinetti a rotolamento e negli ingranaggi, o praticamente qualsiasi problema nella gamma di frequenze medio-alte, compresi gli impatti di breve durata. Sono ottimi anche per rilevare squilibri, disallineamenti, alberi piegati, parti allentate o rotte, risonanze dei componenti, ecc. Gli accelerometri sono i sensori più comunemente utilizzati nelle applicazioni di monitoraggio delle vibrazioni. Offrono un'ampia gamma di frequenze e hanno una lunga durata (>20 anni). Sono disponibili in dimensioni ridotte, con design specifici per determinate applicazioni e in versioni per alte temperature.
Sensori di velocità
I sensori di velocità sono facili da installare e sono ideali per la misurazione e il monitoraggio generale delle vibrazioni su macchinari rotanti e alternativi. Non sono sensibili alla superficie su cui sono montati, vengono utilizzati per misurazioni a media frequenza e offrono un buon intervallo di temperatura. I sensori di velocità sono elettrodinamici, il che significa che generano autonomamente il loro segnale, quindi non richiedono alimentazione.
I sensori di velocità, tuttavia, presentano alcuni svantaggi. Sono più costosi della maggior parte degli accelerometri e hanno una durata limitata, poiché la molla (membrana) su cui è sospeso il magnete interno del sensore è soggetta a usura. Hanno un limite di frequenza superiore e una frequenza di risonanza inferiore a causa della risonanza della molla/massa, che ne limita la gamma di frequenza. I sensori di velocità non sono inoltre adatti per il rilevamento precoce dei cuscinetti, sono sensibili ai campi magnetici, hanno dimensioni leggermente grandi e le loro molle possono deformarsi nel tempo.
Displacement Sensors
I sensori di spostamento, chiamati anche sonde di prossimità o sonde a correnti parassite, sono sensori senza contatto che misurano direttamente lo spostamento e vengono utilizzati per monitorare il movimento dell'albero e i giochi interni. Sono la soluzione migliore per monitorare macchine con cuscinetti a perno e cuscinetti assiali e forniscono una buona potenza del segnale alle basse frequenze. I sensori di spostamento sono affidabili e eccellenti per la protezione e il monitoraggio delle turbomacchine, indipendentemente dalla velocità.
I sensori di spostamento presentano anche alcuni svantaggi. Sono sensori montati in modo permanente e costosi da installare. I sensori di spostamento sono molto sensibili alla composizione e alle condizioni del materiale superficiale e richiedono una lunghezza fissa del cavo dalla sonda a correnti parassite all'oscillatore/demodulatore.
Quale sensore di vibrazione utilizzare?
In caso di selezione di un sensore di vibrazione, è necessario prendere in considerazione alcune variabili. Il livello di vibrazione, la gamma di frequenza, l'intervallo di temperatura e il tipo di cuscinetto (cuscinetto a rotolamento o cuscinetto a perno) sono tutti fattori importanti. Anche l'ambiente esterno e la presenza di campi elettromagnetici possono interferire con le letture del sensore, quindi devono essere presi in considerazione. Anche le dimensioni e il peso del sensore stesso possono influire sulla scelta per applicazioni di piccole dimensioni.
Come configurare un sistema di monitoraggio delle vibrazioni
Nell'analisi delle vibrazioni, è fondamentale valutare e determinare la posizione di montaggio di un singolo sensore. Un montaggio errato di un sensore di vibrazioni può portare a risultati inaffidabili, quindi il montaggio corretto del sensore è fondamentale per garantire precisione e coerenza. È possibile effettuare una corretta installazione di un sensore di vibrazioni comprendendo i requisiti, le capacità e le limitazioni del sensore.
I sensori devono essere montati il più vicino possibile alla fonte di vibrazioni e su una superficie liscia, non verniciata, piana, priva di olio e grasso e più grande della base del sensore stesso. Per garantire che il sensore rilevi i problemi nei componenti della macchina, deve essere montato nella posizione con l'orientamento corretto, in modo da consentire un monitoraggio efficace della direzione corretta delle vibrazioni (movimento orizzontale, verticale e/o assiale).
Fondamentalmente, l'installazione di un sistema di monitoraggio delle vibrazioni consiste di tre parti:
Montaggio del sensore
- Il montaggio corretto del sensore sul sistema è fondamentale per garantire misurazioni accurate. In generale, più il sensore di vibrazione è posizionato vicino ai supporti dell'albero (cuscinetti), migliore sarà la misurazione delle vibrazioni da parte del sensore, in particolare dei segnali ad alta frequenza.
- È possibile utilizzare diversi metodi di montaggio per accelerometri e sensori di velocità, come perni, supporti adesivi, magneti piatti o a 2 poli o punte di sonda. Il metodo di montaggio influirà sulla gamma di frequenze che il sensore è in grado di misurare (accelerometri), il che è particolarmente importante con le alte frequenze.
Wiring
- I sensori di spostamento vengono generalmente avvitati in posizione attraverso l'involucro per monitorare la vibrazione relativa dell'albero, con la distanza di separazione adeguata per quel sensore. I sensori di spostamento utilizzati per il monitoraggio delle vibrazioni e della velocità/frase di riferimento richiedono un montaggio rigido quando si fissa il sensore alla macchina.
Cablaggio
- Un buon cablaggio è fondamentale anche per un sistema di misurazione delle vibrazioni efficiente. Quando si tratta di cablaggio, lunghezza del cavo e capacità, il percorso, la messa a terra e l'ancoraggio sono gli aspetti più critici. Esiste una lunghezza massima per gli accelerometri prima che il contenuto del segnale inizi a diminuire. La capacità di un cavo aumenta con la lunghezza; pertanto, l'uscita finale del sensore combinerà la propria capacità con quella del cavo. Pertanto, tutti i sensori di spostamento hanno cavi di lunghezza fissa. L'instradamento è il processo che determina il percorso del cavo dal sensore al sistema di acquisizione. È necessario un instradamento corretto perché, quando il cavo viene instradato vicino ad altri dispositivi elettronici, le interferenze elettromagnetiche e le scariche elettrostatiche provenienti da questi dispositivi possono interferire con le letture del sensore. Il cavo di strumentazione deve essere instradato in appositi passecavi e non deve mai essere parallelo ai cavi di alimentazione. È inoltre importante evitare il looping di terra del cavo. Oltre a questi punti, il cablaggio o l'instradamento devono iniziare con cavi adeguatamente schermati.
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Scritto da: Dan Schultz
Aggiornato il: 30 ottobre 2025
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Written by: Dan Schultz
Updated on: March 30, 2026