La crescente diffusione di strumentazione ad alta precisione rende sempre più importante la caratterizzazione delle microvibrazioni ambientali. Livelli di vibrazione che risulterebbero trascurabili in molti contesti industriali possono infatti influenzare il corretto funzionamento di microscopi elettronici, sistemi ottici, apparecchiature metrologiche e processi produttivi avanzati.
Per la valutazione di queste condizioni vengono comunemente utilizzate le Vibration Criteria Curves (VC Curves), uno standard di riferimento sempre più largamente accettato in tutto il mondo per la qualificazione di laboratori, clean room, sale metrologiche e ambienti destinati a ospitare apparecchiature particolarmente sensibili alle vibrazioni.
Cosa sono le Vibration Criteria Curves
Le VC Curves rappresentano una famiglia di curve di riferimento utilizzate per valutare l’idoneità di un ambiente ad ospitare apparecchiature sensibili alle vibrazioni. I criteri sono espressi in termini di velocità RMS nelle diverse bande di 1/3 d’ottava.
Le classi di idoneità più richieste spaziano dalla VC-A alla VC-F, con livelli che vanno indicativamente da 50 μm/s RMS fino a circa 1,5 μm/s RMS. A titolo di esempio, nella microscopia di precisione, dove le vibrazioni possono giocare un ruolo rilevante nella mancata messa a fuoco, è buona norma che i laboratori in cui sono installate le apparecchiature non superino i seguenti livelli.
Per comprendere l’ordine di grandezza in gioco, è utile ricordare che la soglia di percezione delle vibrazioni per il corpo umano è generalmente dell’ordine di qualche decina di μm/s RMS. Le classi più severe delle VC Curves richiedono pertanto la misura di livelli vibrazionali di gran lunga inferiori alla soglia di percezione umana e la loro caratterizzazione rappresenta una sfida anche per i sensori e i sistemi di acquisizione comunemente impiegati. In queste condizioni, il rumore di fondo della catena di misura può diventare confrontabile con il segnale stesso, rendendo necessaria una strumentazione specificamente progettata per la caratterizzazione delle microvibrazioni ambientali.
Sebbene i criteri siano espressi in velocità, nella pratica le misure vengono frequentemente effettuate mediante l’uso di accelerometri. Il segnale acquisito viene convertito in velocità attraverso integrazione nel dominio della frequenza e, una volta valutato in bande di terze di ottava, confrontato con le curve di riferimento.
La sfida delle basse frequenze
Uno degli aspetti più critici nelle misure VC riguarda la caratterizzazione delle basse frequenze, dove si concentra gran parte dell’energia associata alle sorgenti di vibrazione ambientale. Poiché l’integrazione amplifica il contributo delle basse frequenze, la qualità della misura dipende in modo significativo dalle prestazioni della catena di acquisizione e, in particolare, dal rumore intrinseco del sensore utilizzato.
Molte delle sorgenti che influenzano il comportamento vibratorio di un edificio — impianti HVAC, traffico veicolare, linee ferroviarie, macchinari industriali o fenomeni legati alla dinamica strutturale dei solai — generano contenuti energetici significativi ben al di sotto dei 10 Hz.
In queste condizioni la possibilità di misurare correttamente i livelli vibrazionali in gioco non è generalmente limitata dalla banda passante o dal range dinamico del sensore, ma dal rumore di fondo della catena di acquisizione, in particolare nelle bande a bassa frequenza.
Per ottenere risultati affidabili è necessario utilizzare accelerometri caratterizzati da livelli di rumore estremamente ridotti, con una densità spettrale di rumore dell’ordine di pochi μg/√Hz anche nelle bande a basse frequenze. Un rumore di fondo elevato può infatti mascherare completamente il segnale reale nelle bande di frequenza più basse, rendendo impossibile una corretta valutazione della conformità alle VC Curves.
La strumentazione adottata da Vicoter
Per rispondere a queste esigenze di misura, Vicoter ha recentemente ampliato la propria dotazione strumentale acquisendo un accelerometro sismico ad alta sensibilità PCB Piezotronics 393B12, adatto a misure fino alla classe VC-F.
Il sensore, caratterizzato da una sensibilità di 10 V/g e da un bassissimo noise floor, è stato sviluppato per applicazioni di monitoraggio ambientale, caratterizzazione delle microvibrazioni e verifiche secondo le Vibration Criteria Curves.
La catena di misura è completata dal sistema di condizionamento PCB 482C15, progettato per l’utilizzo con accelerometri ICP® e caratterizzato da un’eccellente risposta alle bassissime frequenze e da un contenuto rumore di condizionamento.
Per garantire una catena di misura realmente adeguata a questo tipo di applicazioni, è inoltre fondamentale che la fase di acquisizione sia caratterizzata da un’elevata risoluzione in termini di quantizzazione. Livelli vibrazionali così ridotti richiedono infatti un’elevata risoluzione in termini di quantizzazione per evitare che il rumore di quantizzazione degradi il rapporto segnale/rumore lungo la catena di misura.
In questo contesto Vicoter utilizza un sistema di acquisizione Siemens/LMS SCADAS 316 a 24 bit, che consente un’adeguata risoluzione anche nella misura di segnali a bassissimo livello.
L’impiego di un condizionamento dedicato e di un sistema di acquisizione ad alta risoluzione consente di preservare il contenuto informativo del segnale anche nelle bande di frequenza più critiche per questo tipo di applicazioni.
Misurare per comprendere
La verifica di una classe VC rappresenta spesso soltanto il punto di partenza. Una volta identificata una non conformità rispetto ai livelli di riferimento, il problema si sposta dall’acquisizione del dato alla comprensione delle sorgenti di microvibrazione e della loro trasmissione attraverso la struttura.
In questo contesto diventa essenziale un approccio integrato che combini misura a basso rumore e analisi del comportamento dinamico, per separare il contributo delle diverse sorgenti presenti nell’ambiente.
Grazie all’esperienza maturata nel campo delle prove dinamiche e dell’analisi vibrazionale, Vicoter è in grado di supportare progettisti, laboratori e aziende sia nella misura dei livelli vibrazionali sia nell’interpretazione dei risultati e nell’identificazione delle possibili azioni correttive.
Leggi di più su tutte le attività di Vicoter nel campo delle prove di vibrazione nella nostra pagina: Misure di vibrazioni.
