Die 10 wichtigsten Grundsätze für eine effektive Beschleunigungsmessung und Schwingungsüberwachung

1. Kennen Sie Ihre Anwendung

Wenn Sie vor der Challenge stehen, ein Vibrationsmesssystem für eine rotierende Maschine einzurichten, müssen Sie die mechanische Bauweise und die Lagerung der Welle kennen. Es besteht ein wesentlicher Unterschied zwischen der Vibrationsmessung bei Kugellagern und Gleitlagern. Bei Kugellagern kommen Beschleunigungssensoren zum Einsatz, bei Gleitlagern hingegen Näherungssensoren oder eine Kombination aus beiden.

2. Umwelt- und Oberflächentemperatur

Bitte beachten Sie, dass nicht alle Arten von Beschleunigungssensoren bei sehr hohen oder sehr niedrigen Oberflächen- oder Umgebungstemperaturen eingesetzt werden können. Es gibt Beschleunigungssensoren mit in das Sensorgehäuse integrierten elektronischen Bauteilen sowie Sensoren ohne elektronische Bauteile. Sensoren mit integrierter Elektronik, wie beispielsweise MEMS- und IEPE-Beschleunigungssensoren, können bei Oberflächen- oder Umgebungstemperaturen von bis zu 120 °C / 248 °F (MEMS) und 150 °C bis 200 °C (302 °F bis 392 °F) (IEPE) eingesetzt werden. Für Hochtemperaturanwendungen, wie beispielsweise Messungen an Gasturbinen, Rohrleitungen und Behältern, müssen piezoelektrische (PE) Sensoren verwendet werden.

3. Vibration oder Schock?

Standard-Beschleunigungsaufnehmer eignen sich für die Messung zufälliger Schwingungen an Maschinen, Strukturen und anderen Bauteilen. Bei Schockmessungen, z. B. bei Crashtests, treten jedoch sehr hohe Beschleunigungen auf, so dass spezielle Beschleunigungsaufnehmer erforderlich sind. Verwenden Sie für diese Art von Tests PE-Beschleunigungssensoren für einen breiten Messbereich bis zu 50.000 g oder MEMS-Sensoren auf der Grundlage piezoresistiver Sensorelemente.

4. Messen im Hochfrequenzbereich bis hin zu DC

Je nach Anwendung ist der Frequenzgang des Sensors entscheidend für die Messung aller interessierenden Frequenzen. Bei der Messung von Bauwerken wie Brücken oder Türmen (z. B. Windkraftanlagen und Modalanalyse) kann die Frequenz der gemessenen Schwingungen sehr niedrig sein, manchmal unter 0,5 Hz oder bis zu Gleichstrom. Für diese Anwendungen sollten Sie Sensoren mit einem Frequenzgang bis hinunter zu DC verwenden. MEMS-basierte Beschleunigungsmesser sind für diese Aufgabe geeignet.

5. Sensormontage und Frequenzgang

Bei Anwendungen wie der Maschinenüberwachung müssen die Schwingungen über einen breiten Frequenzbereich gemessen werden. Bei rotierenden Maschinen mit 3000 Umdrehungen pro Minute oder mehr und bei Wälzlagern sind Frequenzen von mehr als 3-5kHz von Interesse. Um die Oberschwingungen dieser Signale zu erkennen, muss der Frequenzgang des/der verwendeten Sensors/Sensoren höher als 3-5kHz sein. Der maximale Frequenzgang des Sensors hängt von seiner Fixierung auf der Oberfläche des Messobjekts ab. Für Signalfrequenzen über 3kHz können Magnete verwendet werden. Um jedoch die besten Messergebnisse zu erzielen, insbesondere bei Frequenzen über 10 kHz, müssen die Sensoren mit Klebstoffen oder Montagebolzen befestigt werden.

6. Verlegung und Befestigung des Sensorkabels

Um die Schwingungen eines Objekts zu messen, sollten Sie den Sensor an diesem befestigen, ohne dass dabei Schwingungen von anderen Bauteilen übertragen werden. Daher muss das Sensorkabel ebenfalls mit großer Sorgfalt verlegt und an mehreren Stellen befestigt werden. Bei frei hängenden Kabeln können zusätzliche Schwingungen durch andere Komponenten als das zu messende Objekt verursacht werden. Diese eingeleiteten Schwingungen wirken sich auf den Sensor aus und verfälschen das Signal, das Sie messen möchten. Insbesondere bei der Verwendung piezoelektrischer Sensoren kann die Bewegung des Kabels vom Sensor zum Ladungsverstärker dazu führen, dass Ladungsänderungen über dieses Kabel übertragen werden.

7. Vermeidung von Rauschen im Messsignal

Wenn Sie Rauschen in Ihrem Messsignal sehen, besonders bei 50/60 Hz, haben Sie höchstwahrscheinlich eine Masseschleife. Erdschleifen können das Messsignal als Rauschen stören, am häufigsten bei einer Netzfrequenz von 50/60 Hz. Erdschleifen entstehen, wenn eine gemeinsame Leitung (z. B. die Signalrückleitung/Abschirmung einer IEPE-Beschleunigungsmessanlage) an zwei Punkten mit unterschiedlichem elektrischem Potenzial geerdet wird. Um solche Erdschleifen zu vermeiden, legen Sie den Kabelschirm nur an einer Stelle auf Erdpotential auf und verwenden Sie nach Möglichkeit elektrisch isolierte Messfühler.

8. Wie wirkt sich die Zeitkonstante eines Ladungsverstärkers auf die Messungen aus?

Es besteht ein grundlegender Unterschied zwischen den beiden Betriebsarten von Ladungsverstärkern für quasi-statische und dynamische Messungen. Die meisten Ladungsverstärker unterstützen beide Messarten. Bevor Sie jedoch eine Kette für die Vibrationsmessung aufbauen, ist ein klares Verständnis der gewünschten Messung unerlässlich, um die richtige Betriebsart des Ladungsverstärkers auszuwählen. So sollten beispielsweise Messungen in außergewöhnlich niedrigen Frequenzbereichen <0,5 Hz im quasi-statischen Modus durchgeführt werden. Dies ist manchmal der Fall, wenn niederfrequente Druckschwankungen in Hochtemperaturanwendungen gemessen werden. Typische Vibrationsmessungen weisen einen höheren Frequenzanteil im Signal auf; daher wird der dynamische Modus verwendet.
Die Zeitkonstante des Ladungsverstärkers bestimmt den Betriebsmodus für statische oder dynamische Messungen.

9. Was ist die maximale Kabellänge für einen IEPE-Sensor?

IEPE-Sensoren werden mit einem konstanten Strom und einer Gleichspannung betrieben. Das AC-Signal der gemessenen Beschleunigung wird der Versorgungsspannung überlagert. Als Faustregel gilt: Je höher der Konstantstrom, desto größer kann die Kabellänge sein. Aber bedenken Sie: Die maximale Kabellänge hängt auch von der Kabelqualität ab. Die meisten Signalkonditionierer und E/A-Module für IEPE-Sensoren liefern einen 4mA-Konstantstrom, der ein sehr gutes Optimum zwischen Störfestigkeit, Kabellänge, Signalfrequenz und Stromverbrauch darstellt. Messungen mit Kabeln, die länger als 80 m oder sogar 100 m sind, sind möglich.

10. Ist die Versorgungsspannung für einen MEMS-Beschleunigungsmesser wichtig?

Die kurze Antwort lautet: Ja, die Versorgungsspannung spielt eine Rolle. Die meisten MEMS-Sensoren haben einen eingebauten Spannungsregler, sind aber sehr empfindlich gegenüber der Qualität der zugeführten Eingangsspannung. Die Qualität der Spannungsquelle muss hoch sein, sollte innerhalb von +/-0,1% geregelt werden und das Rauschen und die Restwelligkeit dürfen 1,5mV RMS nicht überschreiten. E/A-Module, die speziell für MEMS-basierte Sensoren entwickelt wurden, bieten eine stabile Stromversorgung, und bei Verwendung dieser Geräte bereitet die Versorgungsspannung kein Kopfzerbrechen.