Calibración de sistemas convencionales y sensores inalámbricos

En el concepto de Industria 4.0 está la digitalización de los procesos y, en este contexto, está la sensorización de la maquinaria industrial.

La detección permite supervisar los activos y puede ser utilizada por el mantenimiento predictivo en la toma de decisiones.  A partir de parámetros recogidos de las máquinas, como la vibración y la temperatura, es posible supervisar el estado de un activo en tiempo real.

Gracias a los sensores inalámbricos, lugares que antes, por razones de acceso o seguridad, no permitían recoger datos, hoy son puntos que se pueden vigilar fácilmente.

Y esta es precisamente la actividad principal de Dynamox, el desarrollo de sistemas de supervisión inalámbricos para activos industriales.

Con la expansión del uso de sensores de este tipo, son inevitables algunos cambios de paradigma como la eliminación de la necesidad de desplazarse hasta las máquinas, por parte de los inspectores de campo, para recoger los parámetros.

Con el uso de sensores inalámbricos instalados en estas máquinas, este proceso puede automatizarse y los inspectores pueden dedicarse a otras tareas, como el análisis de los datos generados.

Aumento significativo del número de dispositivos

En el método tradicional de recogida de datos mediante colectores fuera de línea utilizados por los inspectores en sus rutas, cada empresa dispone de una o unas pocas unidades de estos dispositivos.

En cambio, en la monitorización inalámbrica, con sensores que se fijan en las máquinas, es habitual que las industrias cuenten con cientos o miles de este tipo de sensores, ya que cada uno se encarga de monitorizar un punto concreto de un activo.

Cambios en el proceso de calibración

El proceso de calibración de los sistemas de adquisición de señales es una parte vital para la asertividad de los datos recogidos, ya que garantiza la precisión del sistema de medición en su conjunto.

Este proceso de calibración se ve facilitado en los sistemas de supervisión manuales tradicionales, ya que hay pocos dispositivos que calibrar, mientras que en los sistemas de supervisión automatizados, con miles de sensores instalados fijos en la maquinaria industrial, este proceso se vuelve inviable.

En el caso de los captadores offline del método tradicional, la calibración debe tener en cuenta el sensor (en general, piezoeléctrico y analógico), los cables, las conexiones (si las hay) y el captador, ya que la calibración sólo del sensor asegura datos de captación más fiables, pero no garantiza la no contaminación de ruido en los captadores y, en consecuencia, la medición en su conjunto.

Por otro lado, la calibración de los sistemas inalámbricos de vigilancia automatizada sólo tiene en cuenta el sensor individualmente y, por tanto, tiene menos incertidumbres asociadas a las mediciones.

En este texto, daremos más detalles sobre cómo funciona el proceso de calibración de los DynaLoggers (sensores inalámbricos para la captación de vibraciones y temperatura desarrollados por Dynamox).

Sin embargo, antes de eso, entendamos mejor cómo funciona el proceso de calibración de los sistemas tradicionales (colectores offline).

Calibración de sistemas convencionales (colectores fuera de línea)

El proceso de verificación de los sistemas convencionales se centra en la calibración del sensor (acelerómetro), que está regulada por la norma ISO 16063, haciendo hincapié en las siguientes partes:

• 16063 – Parte 11. Calibración de vibraciones primarias por interferometría láser.
• 16063 – Parte 13. Calibrado de choque primario por interferometría láser.
• 16063 – Parte 21. Calibrado de vibraciones por el método de comparación
• 16063 – Parte 22. Calibrado de choque por el método de comparación

Estas normas normalizan la calibración basándose en la obtención de la sensibilidad y la respuesta en frecuencia del sensor.

En terminología técnica, un acelerómetro es un transductor, lo que significa que transduce la energía mecánica (vibración) en energía eléctrica (carga eléctrica), pudiendo entenderse la sensibilidad como la relación de esta transducción.

Así pues, este enfoque parte de la base de que el sensor tiene salida analógica por naturaleza, como se muestra en la figura 1.

El acelerómetro de referencia (calibrado y de gran precisión) y el acelerómetro sin calibrar se exponen a una señal de vibración predefinida generada por el excitador (agitador).

Mediante el convertidor analógico-digital, se captura la señal eléctrica de tensión generada por ambos acelerómetros.

La sensibilidad (Ss) relaciona la tensión (V) generada por el sensor con el valor de aceleración (Ar) al que ha estado expuesto (medido por el acelerómetro de referencia), obteniéndose así una sensibilidad con la ecuación siguiente:

Al establecer un paralelismo entre la calibración de los sistemas tradicionales y el contexto de aplicación de los Dynaloggers, hay que tener en cuenta dos cuestiones:

1. Dado que los sensores están instalados de forma fija en las máquinas que vigilan, sería necesario retirarlos de donde están instalados. Esto significa detener el funcionamiento del activo para retirar el dispositivo o dispositivos y, a continuación, aplicar el procedimiento de calibrado. Este punto se vuelve aún más inviable si tenemos en cuenta el número de sensores que tienen varios de nuestros clientes.
2. El método de calibración propuesto por la norma no puede aplicarse a los acelerómetros utilizados en los Dynaloggers, porque en ellos están presentes sensores con salida digital (véase la Figura 1). A diferencia de los acelerómetros tradicionales, cuya sensibilidad se calcula en unidades de voltios por gravedad (V/g) o voltios por segundo al cuadrado (V/m/s²), los acelerómetros utilizados en los DynaLogger tienen unidades de bits menos significativas por unidad de aceleración (LSB/g o LSB/m/s²).

En la actualidad, no existe un proceso normalizado para calibrar los sensores de aceleración con salida digital. Para entender mejor las particularidades de este tipo de sensores, a continuación, detallaremos el funcionamiento de estos acelerómetros digitales.

Acelerómetros digitales MEMS

Los DynaLogger están equipados con acelerómetros MEMS (Micro-Electro Mechanical Systems) fabricados en silicio con tecnología de micromecanizado y son modelos ya consolidados en el mercado, comercializados desde mediados de 2015.

Los sensores MEMS tienen estructuras mecánicas, que pueden describirse como un sistema masa-resorte, donde el resorte se deforma generando una variación de capacitancia que, a su vez, genera una señal de tensión eléctrica proporcional a la aceleración.

La gran diferencia con los sensores convencionales es que el acondicionador de señal y el convertidor analógico-digital están integrados en el circuito del acelerómetro.

En este acondicionamiento de la señal se aplican filtros y procesamientos que aseguran la respuesta en frecuencia del acelerómetro.

Además de la miniaturización del sensor de vibraciones, la tecnología MEMS presenta una gran fiabilidad en relación con las caídas y los impactos sobre el sensor.

Algunos estudios muestran que el mecanismo de fallo más común en los acelerómetros MEMS está causado por la fatiga, lo que significa que la degradación del dispositivo se produce más comúnmente por cuestiones de uso del sensor.

La investigación [1] también muestra que el tiempo medio hasta el fallo (MTTF) debido a la fatiga de los elementos mecánicos de un acelerómetro MEMS es de aproximadamente 1,9×1081 s (en el peor de los casos) [4], lo que indica que los sensores MEMS tienen una alta resistencia a la fatiga mecánica.

Incluso en condiciones de degradación acelerada (a altas temperaturas, frecuencia y amplitud), la tasa de fallos estimada se ve poco comprometida [2].

Por lo tanto, en base a estos estudios de robustez se espera que con una vida útil estimada entre 3 y 5 años, un DynaLogger no experimente cambios en su respuesta dentro de este periodo.

¿Cómo funciona la calibración de los DynaLoggers?

Todos los sensores presentes en los DynaLogger, ya sea el acelerómetro o el sensor de temperatura, están calibrados por sus respectivos fabricantes.

Los fabricantes de los acelerómetros MEMS utilizados en los DynaLoggers corrigen la ganancia y la sensibilidad de cada acelerómetro con rutinas de compensación almacenadas en la memoria interna del sensor.

Cada vez que se activa el dispositivo, se cargan los valores de compensación, lo que evita la necesidad de calibraciones posteriores.

Además, los sensores se someten a comprobaciones dentro de nuestro riguroso proceso de calidad, en el que Dynamox cuenta con la certificación ISO 9001. Los sensores se prueban en dos etapas durante el proceso de producción.

El primer procedimiento de prueba consiste en comprobar la respuesta en frecuencia del acelerómetro y la asertividad de la sensibilidad digital.

En este procedimiento, también llamado back-to-back, utilizamos un acelerómetro más sensible y calibrado junto con un dispositivo que genera señales de vibración para exponer el DynaLogger a una señal conocida.

Por comparación, se evalúan los valores medidos por el DynaLogger y los valores medidos por el acelerómetro calibrado para determinar el error y las incertidumbres de la recogida.

Este proceso se realiza por muestreo antes de la producción de cada lote de DynaLoggers.

El segundo procedimiento tiene por objeto garantizar que el proceso de montaje del DynaLogger no interfiera en la respuesta del acelerómetro.

Así, utilizando un banco específico, varios DynaLoggers se exponen a una señal de vibración conocida que puede excitar hasta 20 DynaLoggers y sus tres ejes simultáneamente.

Este proceso se realiza diariamente por lotes durante el proceso de producción.

Además de estos pasos de calibración, se siguen realizando pruebas de calidad.

Los DynaLoggers se instalan para supervisar un activo y el sistema que gestiona los sensores de temperatura y vibración dentro de los DynaLoggers realiza comprobaciones de los datos medidos.

Siempre que el sistema detecta que se han adquirido datos incoherentes, los descarta, evitando así que se presenten valores falsos a los analistas.

Respuesta de los DynaLoggers tras un largo periodo de uso

Para verificar las condiciones de trabajo de los DynaLoggers en funcionamiento, utilizamos como ejemplo dos DynaLoggers que estaban instalados en una máquina de nuestros clientes.

Durante la producción de los dispositivos, es decir, antes de la instalación sobre el terreno, se midió una muestra del lote para realizar una inspección de calidad, y los resultados se guardaron en la base de datos de Dynamox.

Con estos DynaLoggers, que se muestran en las imágenes siguientes, se realizaron comparaciones back-to-back con un acelerómetro de referencia calibrado, y se estimó la función de respuesta en frecuencia de los DynaLoggers.

La siguiente figura muestra la comparación de la respuesta de estos DynaLoggers antes y después de su instalación y funcionamiento sobre el terreno.

Como se puede observar en el gráfico, aunque claramente el DynaLogger fue instalado en un ambiente muy agresivo, véase la presencia de grietas, marcas de contacto con productos químicos y ligera oxidación, se puede observar que la respuesta en frecuencia de este DynaLogger no cambió significativamente, demostrando así la robustez y asertividad del método de calibración y ensayo adoptado.

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