Medición de vibraciones torsionales

Un eje giratorio sometido a vibraciones torsionales no gira a una velocidad perfectamente constante: acelera y desacelera ligeramente en cada revolución, aunque el número medio de revoluciones por minuto (RPM) se mantenga constante. Medir esto implica registrar las variaciones de la velocidad de rotación a una frecuencia muy alta, con sensores que proporcionan múltiples muestras por revolución del eje. Cuanto más pequeñas y rápidas sean estas fluctuaciones, más muestras por revolución —y mayor resolución temporal— necesitará el sistema de medición.

Opciones de sensores para la medición de vibraciones torsionales

Hay tres tipos de sensores que predominan en la medición de vibraciones torsionales en la práctica, cada uno con sus propias ventajas e inconvenientes:

Captadores magnéticos (sensores de pulso por revolución o PPR). Son populares por su robustez, bajo coste y facilidad de instalación. Su principal limitación es que la resolución depende del número de dientes del engranaje disponibles en la rueda objetivo.

Codificadores ópticos. Mediante el uso de cintas o discos de código de barras, los codificadores ópticos pueden alcanzar frecuencias de impulsos más altas y una mayor precisión que los captadores magnéticos, a costa de una mayor sensibilidad a la suciedad, el polvo y el aceite en entornos más adversos.

Codificadores incrementales. Dispositivos de alta resolución que proporcionan datos suficientes por revolución para permitir el análisis de efectos de orden superior, el análisis de errores de transmisión y la identificación del orden de engranaje.

La elección entre ellos depende de los requisitos de precisión y del entorno en el que deba funcionar el sensor.

Medición basada en el ángulo frente a la medición basada en el tiempo

La medición clásica de NVH suele basarse en el tiempo. La medición de vibraciones torsionales, en cambio, se beneficia de un enfoque basado en el ángulo, utilizando contadores de alta resolución que operan en el rango de los gigahercios. Esto proporciona resultados de gran precisión y un procesamiento rápido mediante FFT —en gran parte porque los archivos de datos resultantes son mucho más pequeños que los registros equivalentes basados en el tiempo—. El procesamiento basado en el ángulo también gestiona los artefactos de forma limpia, como la corrección de las uniones a tope en la cinta de cebra o las marcas de los engranajes (un diente que falte en una rueda 60-1, por ejemplo, se manifestaría de otro modo como una caída de velocidad hasta aproximadamente la mitad del valor medio).

Por qué la resolución angular es más importante que el paso del sensor

He aquí un punto contraintuitivo pero importante: la resolución angular de un sistema de medición de vibraciones torsionales no tiene prácticamente nada que ver con el número de dientes o marcas de la rueda del sensor.

A primera vista, parece obvio que una rueda dentada de 60 dientes (paso angular de 6°) debería limitar la resolución a 6°, y que un disco segmentado de 720 líneas debería limitarla a 0,5°. En realidad, la resolución angular que se puede alcanzar es mucho mayor que el paso angular, ya que la rueda objetivo gira y la medición utiliza un contador de tiempo de alta resolución en lugar de limitarse a contar marcas.

La resolución angular viene determinada por:

Δφ_resol = ω̄ × Δt_resol = ω̄ / f_clock

Con un contador de 12,3 GHz —una resolución temporal de unos 81,3 picosegundos—, la resolución angular resultante suele ser mejor que 1/1000 de grado, independientemente del número de dientes o líneas que tenga la rueda del sensor. En otras palabras, un mayor número de marcas por revolución mejora la frecuencia de muestreo (la frecuencia con la que se obtiene un nuevo valor), pero no la resolución de cada medición individual. Solo un reloj más rápido mejora la resolución, ya que implica «observar con mayor atención», no «observar con mayor frecuencia».

Resolución frente a precisión

Conviene diferenciar dos conceptos que se confunden fácilmente: la resolución es la diferencia más pequeña que un sistema puede detectar, mientras que la precisión es el grado de proximidad de una medición al valor real. Un convertidor analógico-digital de 24 bits, por ejemplo, puede resolver diferencias tan pequeñas como una fracción de un microvoltio; sin embargo, el ruido del mundo real, las tolerancias de los sensores y las imperfecciones mecánicas hacen que, en la práctica, ese nivel de resolución rara vez vaya acompañado de una precisión equivalente. Lo mismo se aplica a la medición de vibraciones torsionales: una resolución angular extremadamente fina no elimina la necesidad de utilizar sensores de referencia bien fabricados y un acondicionamiento de señal limpio.