In diesem Artikel erfahren Sie mehr über IEPE- und Ladungsbeschleunigungsaufnehmer (auch als Beschleunigungsmesser bekannt) und wie diese für Schwingungsmessungen an rotierenden Maschinen eingesetzt werden.
Für die Messung von Schwingungen gibt es verschiedene Methoden, die in der Regel über einen piezoelektrischen Sensor oder einen Beschleunigungsmesser erfolgen. Ein Beschleunigungsmesser ist ein Sensor, der die dynamischen Schwingungen eines physischen Objekts in eine Spannung umwandelt. Beschleunigungsmesser sind berührungslos arbeitende Aufnehmer, die direkt an dem Element angebracht werden, an dem Vibrationen zu erwarten sind. Beispiele hierfür sind Kugellager und Zahnradübertragungen. Dieser vielseitige Sensor kann sowohl für hoch- als auch niederfrequente Schwingungsmessungen verwendet werden. Die Vorteile eines Beschleunigungsaufnehmers sind seine Linearität über einen breiten Frequenzbereich und sein großer Dynamikbereich.
Wie funktioniert ein Beschleunigungsmesser?
Die meisten Beschleunigungsmesser nutzen den piezoelektrischen Effekt, d. h., der Kristall im Sensor gibt unter Druck eine elektrische Spannung ab. Die Beschleunigung des Gehäuses wird auf eine kalibrierte Masse (seismische Masse) übertragen, woraufhin ein proportionaler Druck auf den piezoelektrischen Kristall ausgeübt wird. Die äußere Spannung am Kristall erzeugt einen elektrischen Widerstand mit hoher Impedanz, der proportional zur angelegten Kraft und somit proportional zur Beschleunigung ist.
Wie wähle ich den richtigen Beschleunigungsmesser aus?
Da Beschleunigungsaufnehmer so vielseitig sind, gibt es sie in verschiedenen Formen, Größen, Reichweiten und anderen spezifischen Eigenschaften. Wenn Sie sich eine Vorstellung von dem zu messenden Signal in Kombination mit Umgebungsfaktoren (wie Temperatur und Explosionsempfindlichkeit) machen, können Sie spezifische Modelle in Betracht ziehen. Natürlich können Sie uns bei der Wahl des richtigen Sensors jederzeit um Rat fragen, aber wir erklären Ihnen im Folgenden, worauf Sie achten sollten.
Schwingungsamplitude
Die maximale Amplitude bzw. der maximale Bereich der zu messenden Schwingung bestimmt den erforderlichen Sensorbereich. Wenn eine Schwingung mit einem Sensor gemessen wird, der den Bereich nicht einhält, wird das Ausgangssignal unzuverlässig. Beschleunigungsaufnehmer, die zur Überwachung hochfrequenter Schwingungen verwendet werden, haben in der Regel eine geringere Empfindlichkeit und Masse.
Empfindlichkeit
Die Empfindlichkeit ist ein wichtiger Parameter bei der Auswahl des richtigen Aufnehmers. Die Empfindlichkeit ist die Korrelation zwischen der Vibration und der Spannung bei einer Referenzfrequenz. Die genaue Empfindlichkeit wird durch die Kalibrierung bestimmt und ist in der Regel im Kalibrierungszertifikat aufgeführt, das mit dem Sensor geliefert wird. 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 Beschleunigungsaufnehmer mit geringer Empfindlichkeit zur Messung von Signalen mit hoher Amplitude/Frequenz und ein Beschleunigungsaufnehmer mit hoher Empfindlichkeit zur Messung von Signalen mit niedriger Amplitude/Niedrigfrequenz verwendet. Ein weiterer Aspekt ist die Eigenresonanzfrequenz des Sensors, und es kann festgestellt werden, dass die maximal messbare Frequenz immer einen Faktor zwei unter der Eigenresonanzfrequenz des Sensors liegen sollte.
Anzahl der Achsen
Was die Messrichtung betrifft, so gibt es zwei Arten von Beschleunigungsaufnehmern. Der gebräuchlichste Beschleunigungsmesser misst Schwingungen in einer Richtung. Dieser Typ wird häufig zur Messung von mechanischen Schwingungen an Anlagen und Maschinen verwendet. Der zweite Typ ist ein triaxialer Beschleunigungsmesser. Dieser Beschleunigungsmesser kann eine 3D-Darstellung der Beschleunigung erzeugen.
Gewicht
Beschleunigungsaufnehmer müssen deutlich weniger wiegen als die zu überwachende Struktur. Wenn die Masse des Objekts, an dem der Beschleunigungsaufnehmer 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 Beschleunigungsaufnehmers nicht mehr als 10 % des Gewichts des Objekts betragen. Für jede Anwendung gibt es eine spezifische Lösung.
Montage
Eine weitere Überlegung bei der Wahl des richtigen Beschleunigungsaufnehmers ist die Art der Befestigung des Sensors auf der Oberfläche. Es gibt vier Arten von Befestigungsmöglichkeiten:
- Handheld
- Magnetisch
- Kleber
- Schraubbefestigung
Die Schraubbefestigung ist bei weitem die beste Methode, erfordert aber eine Bohrung in der Maschine, die nur dann vorgenommen wird, wenn eine dauerhafte Installation erforderlich ist. Alternativ kann der Sensor auch geklebt werden, was jedoch eine weniger effektive Übertragungscharakteristik bietet als die Schraubmontage.
Die anderen Befestigungsarten sind hauptsächlich für temporäre Installationen gedacht. Jede Befestigungsart wirkt sich in irgendeiner Weise auf den Beschleunigungsaufnehmer aus. Im Allgemeinen gilt: Je "lockerer" die Befestigung, desto niedriger ist die messbare Grenzfrequenz. Wenn einem Beschleunigungsaufnehmer Masse hinzugefügt wird, wie z. B. bei der magnetischen Befestigung, sinkt die Resonanzfrequenz, was die Genauigkeit und die Grenzen des nutzbaren Frequenzbereichs des Beschleunigungsaufnehmers beeinflussen kann.
Umweltfaktoren
Bei der Auswahl eines Beschleunigungssensors müssen Umgebungsfaktoren wie die maximale Betriebstemperatur, der Kontakt mit schädlichen Chemikalien und die Luftfeuchtigkeit berücksichtigt werden. Die meisten Beschleunigungsaufnehmer können aufgrund ihrer robusten und zuverlässigen Konstruktion in gefährlichen Umgebungen eingesetzt werden. Für zusätzlichen Schutz können industrielle Beschleunigungsmesser aus rostfreiem Stahl hergestellt werden, was sie korrosions- und chemikalienbeständig macht.
Ein Ladungsbeschleunigungsmesser ist für extreme Temperaturen geeignet. Da diese Beschleunigungsmesser keine eingebaute Elektronik haben, wird die maximale Betriebstemperatur nur durch das Sensorelement und die für die Konstruktion verwendeten Materialien begrenzt. Da diese Beschleunigungsaufnehmer jedoch nicht über eine eingebaute Konditionierung und Signalverstärkung verfügen, sind sie empfindlich gegenüber Umgebungsstörungen und erfordern eine rauscharme Verkabelung. Ist das Umgebungsrauschen zu stark, sollte ein Inline-Signalwandler oder ein IEPE-Sensor mit eingebautem Signalverstärker verwendet werden.
Die Feuchtigkeitsspezifikationen werden durch die Art der Abdichtung eines Beschleunigungsmessers bestimmt. Übliche Dichtungen bestehen aus Glas oder Epoxid. Die meisten dieser Dichtungen halten hoher Luftfeuchtigkeit und längerer Exposition gegenüber übermäßiger Feuchtigkeit stand.
Kosten
Obwohl die Preise für Beschleunigungsaufnehmer im Ladungsmodus und IEPE-Beschleunigungsaufnehmer vergleichbar sind, sind die Kosten für IEPE-Beschleunigungsaufnehmer bei Verwendung in Mehrkanalsystemen deutlich niedriger, da sie keine speziellen rauscharmen Kabel und Ladungsverstärker benötigen. Außerdem sind IEPE-Beschleunigungsmesser einfacher zu verwenden, da sie leichter zu warten sind.
Näherungsschalter vs. Beschleunigungssensoren
Ein weiterer Sensortyp, der zur Messung von Maschinenschwingungen verwendet wird, ist der Näherungssensor oder Abstandssensor. Im Gegensatz zu Beschleunigungsmessern, die die Beschleunigung messen, um Vibrationen zu erkennen, sind Näherungssensoren berührungslose Sensoren, die den Abstand zu einem Objekt messen. Diese Sensoren werden hauptsächlich zur Messung von Wellenschwingungen in großen, schweren rotierenden Maschinen eingesetzt. Eine Dampfturbine ist eine der typischen Maschinen, bei denen Näherungssonden zur Messung von Wellenschwingungen eingesetzt werden. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf der Messung der Schwingungen der Welle innerhalb des Gleitlagers. Aufgrund der dämpfenden Wirkung des Ölfilms, in dem sich die Welle befindet, und des schweren Gehäuses können die Wellenschwingungen deutlich ansteigen, ohne dass sich die Gehäuseschwingungen wesentlich erhöhen. Daher ist es in solchen Situationen besser, Näherungssonden zu verwenden, die die Wellenbewegung direkt messen. Häufig wird eine Kombination verwendet.
