In diesem Artikel erfahren Sie mehr über IEPE- und Ladungsbeschleunigungsmesser (auch als Beschleunigungssensoren bekannt) und deren Einsatz bei Schwingungsmessungen an rotierenden Maschinen.
Zur Schwingungsmessung gibt es verschiedene Methoden, die in der Regel mithilfe eines piezoelektrischen Sensors oder eines Beschleunigungsmessers durchgeführt werden. Ein Beschleunigungsmesser ist ein Sensor, der die dynamischen Schwingungen eines physikalischen Objekts in eine Spannung umwandelt. Beschleunigungsmesser sind Vollkontakt-Wandler, die direkt an dem Element angebracht werden, an dem Schwingungen zu erwarten sind. Beispiele hierfür sind Kugellager und Getriebe. Dieser vielseitige Sensor kann sowohl für hoch- als auch für niederfrequente Schwingungsmessungen eingesetzt werden. Die Vorteile eines Beschleunigungsmessers liegen in seiner Linearität über einen breiten Frequenzbereich und seinem großen Dynamikbereich.
Wie funktioniert ein Beschleunigungsmesser?
Die meisten Beschleunigungssensoren nutzen den piezoelektrischen Effekt, was bedeutet, dass der Kristall im Sensor unter Druck eine elektrische Spannung abgibt. Die Beschleunigung des Gehäuses wird auf eine kalibrierte Masse (seismische Masse) übertragen, woraufhin ein proportionaler Druck auf den piezoelektrischen Kristall ausgeübt wird. Die an den Kristall angelegte externe Spannung erzeugt einen elektrischen Widerstand mit hoher Impedanz, der proportional zur ausgeübten Kraft und somit proportional zur Beschleunigung ist.
Wie wähle ich den richtigen Beschleunigungssensor aus?
Da Beschleunigungssensoren so vielseitig sind, gibt es sie in verschiedenen Formen, Größen, Messbereichen und mit anderen spezifischen Eigenschaften. Indem man sich ein Bild von dem zu messenden Signal in Kombination mit Umgebungsfaktoren (wie Temperatur und Explosionsempfindlichkeit) macht, lassen sich bestimmte Modelle in Betracht ziehen. Selbstverständlich können Sie uns bei der Auswahl des richtigen Sensors jederzeit um Rat fragen, aber wir werden im Folgenden erläutern, was zu beachten ist.
Schwingungsamplitude
Die maximale Amplitude bzw. der maximale Bereich der zu messenden Schwingung bestimmt den erforderlichen Sensorbereich. Wird eine Schwingung mit einem Sensor gemessen, dessen Bereich nicht dazu passt, ergibt sich ein unzuverlässiges Signal. Typischerweise weisen Beschleunigungssensoren, die zur Überwachung hochfrequenter Schwingungen eingesetzt werden, eine geringere Empfindlichkeit und Masse auf.
Sensibilität
Die Empfindlichkeit ist ein wichtiger Parameter bei der Auswahl des richtigen Beschleunigungssensors. Die Empfindlichkeit ist die Korrelation zwischen der Schwingung und der Spannung bei einer Referenzfrequenz. Die genaue Empfindlichkeit wird durch die Kalibrierung bestimmt und ist in der Regel im mit dem Sensor gelieferten Kalibrierungszertifikat angegeben. Die Empfindlichkeit hängt auch von der (erwarteten) Frequenz ab. Letztendlich ist eine vollständige Kalibrierung über den gesamten nutzbaren Frequenzbereich erforderlich, um festzustellen, wie die Empfindlichkeit mit der Frequenz korreliert.
Im Allgemeinen wird ein Beschleunigungsmesser mit geringer Empfindlichkeit zur Messung von Signalen mit hoher Amplitude/Frequenz verwendet, während ein Beschleunigungsmesser mit hoher Empfindlichkeit zur Messung von Signalen mit geringer Amplitude/niedriger Frequenz eingesetzt wird. Ein weiterer Aspekt ist die Eigenresonanzfrequenz des Sensors, und es lässt sich festhalten, dass die maximal messbare Frequenz stets um den Faktor zwei unterhalb der Eigenresonanzfrequenz des Sensors liegen sollte.
Anzahl der Achsen
Hinsichtlich der Messrichtung gibt es zwei Arten von Beschleunigungssensoren. Der gängigste Beschleunigungssensor misst Schwingungen in einer Richtung. Dieser Typ wird häufig zur Messung mechanischer Schwingungspegel an Anlagen und Maschinen eingesetzt. Der zweite Typ ist ein dreiachsiger Beschleunigungssensor. Dieser Beschleunigungssensor kann eine 3D-Darstellung der Beschleunigung erstellen.
Gewichtung
Beschleunigungssensoren müssen deutlich weniger wiegen als die zu überwachende Struktur. Wenn die Masse des Objekts, an dem der Beschleunigungssensor angebracht ist, durch den Sensor erheblich erhöht wird, kann dies die Schwingungseigenschaften beeinflussen. Dies kann zu ungenauen Messdaten führen. Im Allgemeinen sollte die Masse des Beschleunigungssensors 10 % des Gewichts des Objekts nicht überschreiten. Für jede Anwendung gibt es eine spezifische Lösung.
Montage
Ein weiterer Aspekt bei der Auswahl des richtigen Beschleunigungssensors ist die Art und Weise, wie der Sensor an der Oberfläche befestigt werden kann. Es gibt vier Arten von Befestigungsmöglichkeiten:
- Handheld
- Magnetisch
- Klebstoff
- Schraubbefestigung
Die Schraubbefestigung ist bei weitem die beste Methode, erfordert jedoch das Bohren eines Lochs in die Maschine, was nur dann erfolgt, wenn eine dauerhafte Installation erforderlich ist. Alternativ kann der Sensor geklebt werden, was jedoch eine weniger effektive Übertragungscharakteristik als die Schraubbefestigung bietet.
Die anderen Befestigungsmethoden sind hauptsächlich für temporäre Installationen vorgesehen. Jede Befestigungsmethode wirkt sich in gewisser Weise auf den Beschleunigungssensor aus. Im Allgemeinen gilt: Je „lockerer“ die Befestigung, desto niedriger ist die messbare Frequenzgrenze. Das Hinzufügen von Masse zu einem Beschleunigungssensor, wie beispielsweise bei der magnetischen Befestigung, senkt die Resonanzfrequenz, was die Genauigkeit und die Grenzen des nutzbaren Frequenzbereichs des Beschleunigungssensors beeinträchtigen kann.
Umgebungsfaktoren
Bei der Auswahl eines Beschleunigungssensors müssen Umgebungsfaktoren wie die maximale Betriebstemperatur, die Einwirkung schädlicher Chemikalien und die Luftfeuchtigkeit berücksichtigt werden. Die meisten Beschleunigungssensoren können aufgrund ihrer robusten und zuverlässigen Bauweise in gefährlichen Umgebungen eingesetzt werden. Für zusätzlichen Schutz können industrielle Beschleunigungssensoren aus Edelstahl gefertigt werden, wodurch sie korrosions- und chemikalienbeständig sind.
Ein Ladungsbeschleunigungsmesser eignet sich für extreme Temperaturen. Da diese Beschleunigungsmesser keine integrierte Elektronik besitzen, wird die maximale Betriebstemperatur lediglich durch das Sensorelement und die bei der Konstruktion verwendeten Materialien begrenzt. Da diesen Beschleunigungssensoren jedoch eine integrierte Signalaufbereitung und -verstärkung fehlt, reagieren sie empfindlich auf Umgebungsstörungen und erfordern rauscharme Verkabelung. Bei zu starken Umgebungsstörungen sollte ein Inline-Signalwandler oder ein IEPE-Sensor mit integriertem Signalverstärker verwendet werden.
Die Feuchtigkeitsspezifikationen richten sich nach der Art der Abdichtung eines Beschleunigungssensors. Übliche Abdichtungen bestehen aus Glas oder Epoxidharz. Die meisten dieser Abdichtungen halten hoher Luftfeuchtigkeit und längerer Einwirkung übermäßiger Feuchtigkeit stand.
Kosten
Obwohl die Preise für Ladungsmodus- und IEPE-Beschleunigungssensoren vergleichbar sind, sind die Kosten für IEPE-Beschleunigungssensoren bei Einsatz in Mehrkanalsystemen deutlich geringer, da sie keine speziellen rauscharmen Kabel und Ladungsverstärker erfordern. Zudem sind IEPE-Beschleunigungssensoren einfacher zu handhaben, da sie leichter zu warten sind.
Näherungssensor vs. Beschleunigungsmesser
Eine weitere Art von Sensor zur Messung von Maschinenschwingungen ist der Näherungssensor oder Abstandssensor. Im Gegensatz zu Beschleunigungssensoren, die die Beschleunigung messen, um Schwingungen zu erfassen, sind Näherungssensoren berührungslose Sensoren, die den Abstand zu einem Objekt messen. Diese Sensoren werden in erster Linie zur Messung von Wellenschwingungen in großen, schweren rotierenden Maschinen eingesetzt. Eine Dampfturbine ist eine der typischen Maschinen, bei denen Näherungssensoren zur Messung von Wellenschwingungen verwendet werden. Der Schwerpunkt liegt dabei hauptsächlich auf der Messung der Schwingungen der Welle innerhalb des Gleitlagers. Aufgrund der dämpfenden Wirkung des Ölfilms, in dem die Welle gelagert ist, und des schweren Gehäuses können die Wellenschwingungen erheblich ansteigen, ohne dass die Gehäuseschwingungen nennenswert zunehmen. Daher ist es in solchen Situationen besser, Näherungssensoren zu verwenden, die die Wellenbewegung direkt messen. Häufig wird eine Kombination aus beiden Verfahren eingesetzt.
