Die 10 wichtigsten Grundsätze für eine effektive Beschleunigungsmessung und Schwingungsüberwachung

1. Kennen Sie Ihre Anwendung

Wenn Sie vor der Herausforderung stehen, ein Schwingungsmesssystem für eine rotierende Maschine einzurichten, müssen Sie den mechanischen Aufbau und die Lagerung der Welle kennen. Es besteht ein erheblicher Unterschied zwischen der Messung der Schwingungen von Kugellagern und Gleitlagern. Bei Kugellagern kommen Beschleunigungssensoren zum Einsatz, bei Gleitlagern Näherungssensoren oder beides.

2. Umwelt- und Oberflächentemperatur

Beachten Sie, dass nicht alle Arten von Beschleunigungsaufnehmern bei sehr hohen oder sehr niedrigen Oberflächen- oder Umgebungstemperaturen eingesetzt werden können. Es gibt Beschleunigungssensoren mit eingebauten elektronischen Bauteilen in ihren Sensorgehäusen und Sensoren ohne elektronische Bauteile. Sensoren mit integrierter Elektronik, wie MEMS- und IEPE-Beschleunigungsmesser, können bis zu einer Oberflächentemperatur von 120°C (MEMS) und 150°C bis 200°C (302°F bis 392°F) (IEPE) oder Umgebungstemperatur eingesetzt werden. Für Hochtemperaturanwendungen, wie z. B. Messungen an Gasturbinen, Rohren 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, muss der Sensor an diesem Objekt angebracht werden, ohne dass von anderen Teilen Schwingungen induziert werden. Deshalb muss auch das Sensorkabel mit großer Sorgfalt verlegt und an mehreren Stellen fixiert werden. Bei frei fliegenden Kabeln können zusätzliche Schwingungen durch andere Komponenten als das Messobjekt verursacht werden. Diese eingebrachte Vibration wirkt sich auf den Sensor aus und verfälscht das Signal, das Sie messen möchten. Insbesondere bei der Verwendung von piezoelektrischen Sensoren kann die Bewegung des Kabels vom Sensor zum Ladungsverstärker dazu führen, dass mit diesem Kabel Ladungsänderungen 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 jedoch eine Schwingungsmesskette eingerichtet wird, ist ein klares Verständnis der gewünschten Messung erforderlich, um die richtige Betriebsart des Ladungsverstärkers auszuwählen. So sollten beispielsweise Messungen in besonders niederfrequenten Bereichen <0,5 Hz mit dem quasistatischen Modus durchgeführt werden. Dies ist manchmal der Fall, wenn niederfrequente Druckschwankungen bei Hochtemperaturanwendungen gemessen werden. Typische Schwingungsmessungen haben einen höheren Frequenzanteil im Signal; daher wird der dynamische Modus verwendet.
Die Zeitkonstante des Ladungsverstärkers bestimmt die Betriebsart 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.