Artikel & Blog – Was Sie über Vibrationssensoren wissen müssen
Von Carolyn Mathas zur Verfügung gestellt via Electronic Products am 18.10.2012
Chaos beginnt manchmal mit einem leisen Grollen oder einem kleinen Schütteln. Wenn ein Sensor beteiligt ist, kann er die ersten Schwingungsbewegungen eines Erdbebens oder eines mechanischen Versagens in einer industriellen Umgebung messen. Normalerweise sind es Geräusche, die uns den ersten Hinweis darauf geben, daß Probleme auftreten – und wenn Sie Probleme vermeiden möchten, kann es zwei Aspekte der Vibration geben, auf die Sie genau achten sollten:
- Die Überwachung von Vibrationen
- Wartung basierend auf Sensordaten, um zukünftige Probleme zu vermeiden
Wenn sich Maschinen oder die Elektronik und Komponenten in Maschinen hin und her bewegen, verhindert die Vibration einen reibungslosen Energiefluss. Der Fluß wird unterbrochen, daher das Geräusch und das Schütteln. Typischerweise ist es eine Überlastung aufgrund einer Art von Belastung, oder die Komponenten selbst haben möglicherweise ihre Lebensdauer erreicht – Zahnräder, Zähne, Lager oder Riemen können versagen.
Warum sollte man Vibrationen überwachen?
Vibrationen, die von Industriemaschinen erzeugt werden, sind wichtige Indikatoren für den Maschinenzustand. Die Schwingungsanalyse wird als Werkzeug verwendet, um den Zustand einer Maschine und die spezifische Ursache und den Ort von Problemen zu bestimmen, Reparaturen zu beschleunigen und Kosten zu minimieren. Maschinenüberwachungsprogramme zeichnen die Vibrationshistorie einer Maschine auf. Die Überwachung der Vibrationspegel über die Zeit ermöglicht die Vorhersage von Problemen, bevor ernsthafte Schäden auftreten können. Entscheidend für die Schwingungsüberwachung und -analyse sind maschinenmontierte Sensoren.
Drei Parameter, die die von Vibrationsmonitoren erfaßte Bewegung darstellen, sind Verschiebung, Geschwindigkeit und Beschleunigung. Mathematisch bezogen können die Parameter aus einer Vielzahl von Bewegungssensoren entnommen werden. Die Auswahl eines Sensors proportional zu Weg, Geschwindigkeit oder Beschleunigung hängt von den interessierenden Frequenzen und Signalpegeln ab, die beteiligt sind. Wegsensoren werden verwendet, um Wellenbewegungen und Innenräume zu messen. Berührungslose Näherungssensoren erfassen Wellenschwingungen relativ zu Lagern oder anderen Stützstrukturen. Die Sensoren werden für niederfrequente Messungen (1 bis 100 Hz) eingesetzt und messen Verschiebungen mit geringer Amplitude, die typischerweise in Gleitlagermaschinenkonstruktionen zu finden sind. Piezoelektrische Wegaufnehmer lösen Probleme, die mit der Montage berührungsloser Sonden verbunden sind, und eignen sich besser für Maschinenkonstruktionen mit Wälzlagern. Piezoelektrische Sensoren liefern eine Leistung, die proportional zur absoluten Bewegung einer Struktur ist. Geschwindigkeitssensoren werden für Messungen mit niedriger bis mittlerer Frequenz (1 bis 1000 Hz) verwendet und sind nützlich für die Schwingungsüberwachung und Auswuchtvorgänge an rotierenden Maschinen. Sie haben eine geringere Empfindlichkeit gegenüber hochfrequenten Vibrationen als Beschleunigungsmesser und sind daher weniger anfällig für Verstärkerüberlastungen. Überlastungen beeinträchtigen Signale mit niedriger Amplitude und niedriger Frequenz. Herkömmliche Geschwindigkeitssensoren verwenden eine elektromagnetische Spule und ein Magnetsystem, um das Geschwindigkeitssignal zu erzeugen. Heutzutage werden piezoelektrische Geschwindigkeitssensoren aufgrund verbesserter Fähigkeiten und ihrer Robustheit immer beliebter. Beschleunigungsmesser sind die bevorzugten Bewegungssensoren für die meisten Vibrationsüberwachungen. Sie messen niedrige bis sehr hohe Frequenzen und sind in einer Vielzahl von universellen und anwendungsspezifischen Designs erhältlich. Der piezoelektrische Beschleunigungsmesser ist zuverlässig, vielseitig, unübertroffen für Frequenz- und Amplitudenbereich und beliebt für die Maschinenüberwachung.
Bei der Auswahl eines der drei Typen ist es wichtig, Folgendes zu fragen:
• Was ist der Vibrationspegel und Frequenzbereich?
• Was ist der Temperaturbereich?
• Ist die Umgebung korrosiv oder die Atmosphäre brennbar?
• Sind intensive Felder (elektromagnetisch oder akustisch) beteiligt?
• Ist eine erhebliche ESD – Elektro-Statische Entladung vorhanden?
• Gibt es Überlegungen zu Sensorgröße und Gewicht?
Betrachten Sie für die Schwingungsanalyse und Zustandsüberwachung Sensoren mit Wechselstrom- oder Ladeausgang. Für die kontinuierliche Überwachung und den Maschinenschutz sind Sensoren mit DC-Ausgang die bessere Wahl. Bei der Auswahl von Schwingungssensoren müssen fünf Hauptmerkmale berücksichtigt werden: Messbereich, Frequenzbereich, Genauigkeit, Querempfindlichkeit und Umgebungsbedingungen. Der Messbereich kann in Gs für Vielfache der Erdbeschleunigung, in /s (pro Sekunde) für die lineare Geschwindigkeit (oder eine andere Entfernung über die Zeit) und Zoll oder eine andere Entfernung für die Verschiebung und Nähe angegeben werden. Die Frequenz wird in Hz gemessen und die Genauigkeit wird typischerweise als Prozentsatz des zulässigen Fehlers über den gesamten Messbereich des Geräts dargestellt. Die Querempfindlichkeit bezieht sich auf die Auswirkung, die eine Kraft orthogonal zu der gemessenen auf den Messwert haben kann. Auch dies wird als Prozentsatz des vollen Ausmaßes der zulässigen Interferenz dargestellt. Für die Umgebungsbedingungen sollten Dinge wie die Temperatur sowie die maximalen Stöße und Vibrationen berücksichtigt werden, mit denen die Vibrationssensoren umgehen können. Dies ist die Bewertung, wie viel Missbrauch das Gerät aushalten kann, bevor es nicht mehr funktioniert, ganz anders als die Menge, die Vibrations- oder Beschleunigungsvibrationssensoren messen können.
Einige Beispiele
Beispiele für Schwingungssensoren: Der Schwingungssensor 1005940-1 MiniSense 100 von TE Connectivity / Measurement Specialties (Abbildung 1) ist ein kostengünstiger Schwingungssensor vom Cantilever-Typ, der eine hohe Empfindlichkeit bei niedrigen Frequenzen bietet. Der aktive Sensorbereich ist für eine verbesserte RFI / EMI – Hochfrequenz- / Elektro-Magnetische Störunterdrückung abgeschirmt. Robustes flexibles PVDF – Poly-Vinyliden-Di-Fluorid-Sensorelement widersteht hohen Stoßbelastungen.
Abbildung 1: Der Vibrationssensor MiniSense 100 ist ein freitragender Beschleunigungsmesser, der kontinuierliche oder impulsive Vibrationen oder Stöße erkennt (mit freundlicher Genehmigung von TE Connectivity / Measurement Specialties).
Diese Sensoren können verwendet werden, um kontinuierliche Vibrationen oder plötzliche Stöße in Anwendungen wie Ungleichgewicht der Waschmaschinenlast, Fahrzeugbewegungssensor, Diebstahlsicherungen, Überwachung der Vitalparameter und Manipulationserkennung zu erkennen.
Zu den Funktionen gehören:
• Hohe Spannungsempfindlichkeit (1 V/g)
• Über 5 V/g bei Resonanz
• Horizontale oder vertikale Montage
• Geschirmte Konstruktion
• Lötbare Stifte, Leiterplattenmontage
• kostengünstig
• < 1% Linearität
• bis zu 40 Hz (2.400 U/min) Betrieb unterhalb der Resonanz
Ein weiteres Beispiel mit vielen Funktionen ist der digitale dreiachsige Vibrationssensor ADIS16223 von Analog Devices Inc. (Abbildung 2), ein Vibrationssensorsystem, das die iMEMS® -Sensortechnologie des Unternehmens mit Signalverarbeitung, Datenerfassung und einer praktischen seriellen Peripherieschnittstelle (SPI) kombiniert. Die SPI- und Datenpufferstruktur bietet bequemen Zugriff auf Sensordaten mit großer Bandbreite. Die Sensorresonanz von 22 kHz und die Abtastrate von 72,9 kSPS bieten einen Frequenzgang, der für Anwendungen im Maschinenzustand geeignet ist.
Abbildung 2: Digitaler dreiachsiger Vibrationssensor ADIS16223 (mit freundlicher Genehmigung von Analog Devices).
In diesem Fall steuert eine interne Uhr das Datenabtastsystem während eines Datenerfassungsereignisses an, wodurch die Notwendigkeit einer externen Taktquelle entfällt. Die Datenerfassungsfunktion verfügt über vier verschiedene Modi, die mehrere Erfassungsauslöseroptionen bieten, um den Anforderungen mehrerer Anwendungen gerecht zu werden. Der ADIS16223 ist inzwischen veraltet und abgekündigt, die Alternative ADIS16228CMLZ bietet ebenfalls einen digitalen Temperatursensor, digitale Netzteilmessungen und Spitzenleistungserfassung. Es ist in einem 15 mm x 15 mm x 15 mm Modul mit einer Gewindehalterung für die Bolzenmontage mit einer 10-32 UNF Schraube erhältlich von TE Connectivity / AMP Connectors: 1650399-1. Zu den Anwendungen gehören Schwingungsanalyse, Schockerkennung und Ereigniserfassung, Zustandsüberwachung, Maschinenzustand, Instrumentierungsdiagnose, Sicherheitsabschaltungserkennung, Sicherheitssensorik einschließlich Manipulationserkennung. Besonders für Energy-Harvesting-Anwendungen ist auch der piezoelektrische Energie-Harvester von Midé Technology Volture (Abbildung 3) in Betracht zu ziehen, der ansonsten verschwendete Energie aus mechanischen Schwingungen in nutzbare elektrische Energie umwandelt. Die Voltur tut dies, indem sie normalerweise spröde piezoelektrische Materialien verwendet.
Abbildung 3: Der piezoelektrische Energie-Harvester Volture von Midé wandelt verschwendete Energie aus Vibrationen um (mit freundlicher Genehmigung von Midé). Die piezoelektrischen Materialien sind in einer Schutzhaut mit vorkonfektionierten elektrischen Leitungen verpackt, wodurch ein robustes Bauteil ohne Lötdrähte entsteht. Die Haut bietet auch elektrische Isolierung und Schutz vor Feuchtigkeit und aggressiven Verunreinigungen.
Anwendungen umfassen:
- Netzwerksensoren zur Überwachung des industriellen Gesundheitszustands
- Zustandsbasierte Wartungssensoren
- Drahtlose HLK-Sensoren
- Mobiles Asset-Tracking
- Reifendrucksensoren
- Öl- und Gassensoren
- Alle Luft-, Land- und Seefahrzeugsensoren
- Batterie- und fest verdrahteter Stromersatz
Der erste Schritt bei der Anwendung eines Geräts wie dem Volture besteht darin, die Vibrationsumgebung, in der das Teil betrieben wird, vollständig zu verstehen. Das effektivste Mittel, um dies zu erreichen, besteht darin, die Vibration mit einem Beschleunigungsmesser zu messen, die Daten zu erfassen und eine FFT (schnelle Fourier-Transformation) an den Daten durchzuführen, um die relevanten Frequenzinformationen zu extrahieren. Einige Anwendungen erfordern diesen Schritt nicht, da ihre dominanten Frequenzen bekannt sind.
Ein Beispiel hierfür wäre ein Wechselstrommotor 50 – 60 Hz oder 100 – 120 Hz. Die meisten Anwendungen erfordern jedoch eine Form der Schwingungscharakterisierung, um erfolgreich zu sein. Wenn Sie den Schwingungsfrequenzgehalt und die Amplitudenniveaus nicht kennen, bietet die Mide Technology Corporation ein Produkt und einen Service zur Schwingungscharakterisierung an, den Slam Stick™, Volture™ . Das Mide Technology Corporation VR001 ist ein kleines Gerät, das einfach in vielen verschiedenen Vibrationsumgebungen installiert werden kann. Befestigen Sie es einfach mit allen verfügbaren Mitteln an der vibrierenden Struktur (doppelseitiges Klebeband wird empfohlen), drücken Sie die eine Taste und warten Sie, bis die Aufnahme beendet ist. Schließen Sie als Nächstes den Slam Stick™ an einen USB-Anschluß an und laden Sie die Daten wie bei einem Memory Stick herunter.
Aufgrund der Größe / des Gewichts dieses Produkts wurde es direkt vom Hersteller versendet.
Aufgrund vorübergehender Lieferengpässe können wir keine Nachbestellungen annehmen und eine Lieferzeit ist derzeit auch nicht verfügbar, weshalb dieses Produkt bei Digi-Key eingestellt wurde.
Die Schwingungsanalyse ist ein wesentlicher Bestandteil der Maschinenwartung. Durch die Überwachung von Pumpen, Motoren, Lüftern und anderen Arten von rotierenden Maschinen wird die Fehlersuche und -diagnose einfacher und führt letztendlich zu Kosteneinsparungen. In diesem Artikel werden einige der kritischen Parameter beschrieben, die bei der Auswahl eines Schwingungssensors berücksichtigt werden müssen. Wenn Sie diese „To-Do’s“ befolgen und Beispiele wie die vorgestellten Teile in Betracht ziehen, werden Sie die Effektivität Ihres Schwingungsüberwachungsprogramms erhöhen und die Produktivität Ihrer Maschinen verbessern. Außerdem können Sie Anwendungen zur Energiegewinnung in Betracht ziehen.
Als Alternativen ab Lager können wir diese Geräte anbieten:
VBDL100 als ähnlicher DATA LOGGER RECORDER VIBRATION von Triplett Test Equipment and Tools
oder eine professionellere Version als
SDL800 als VIBRATION TESTER/DATA LOGGER REC von FLIR Extech.
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