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Tipps & Trends

April 22, 2020

Messung von Beschleunigung und Vibration: diese 10 Punkte sollten Sie beachten

Bei der Schwingungsüberwachung und Beschleunigungsmessung gibt es viele Faktoren zu berücksichtigen und mehrere mögliche Fehlerquellen. Eine gute Checkliste hilft dabei nichts zu übersehen und auf dem richtigen Kurs zu bleiben.
Hier sind die 10 wichtigsten Punkte die Sie bei der effektiven Schwingungsüberwachung und Beschleunigungsmessung im Auge behalten sollten:

1. Kennen Sie Ihre Anwendung genau

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 wesentlicher Unterschied zwischen der Schwingungsmessung von Kugellagern und Gleitlagern. Bei Kugellagern werden Beschleunigungssensoren verwendet, während bei Gleitlagern Näherungssensoren sogar beides zum Einsatz kommt.

2. Beachten Sie die Oberflächen- oder Umgebungstemperatur

Bei sehr hohen und sehr niedrigen Oberflächen- oder Umgebungstemperaturen können nicht alle Arten von Beschleunigungssensoren eingesetzt werden. Es gibt Beschleunigungssensoren mit eingebauten elektronischen Komponenten und Sensoren ohne elektronische Komponenten. Sensoren mit integrierter Elektronik wie MEMS und IEPE-Beschleunigungsaufnehmer sind bis zu 120°C (MEMS) und 150°C bis 200°C (IEPE) Oberflächen- oder Umgebungstemperaturen einsetzbar. Für Hochtemperaturanwendungen wie Messungen an Gasturbinen, Rohren und Behältern müssen piezoelektrische (PE) Sensoren verwendet werden

3. Vibration oder Schock?

Beschleunigungsaufnehmer eignen sich zur Messung von Schwingungen an Maschinen, Strukturen und anderen Komponenten. Für Schockmessungen, z.B. bei Crash-Tests, treten jedoch sehr hohe Beschleunigungen auf, sodass spezielle Beschleunigungsaufnehmer erforderlich sind. Verwenden Sie für diese Art von Tests PE-Beschleunigungsaufnehmer für einen breiten Messbereich bis zu 50.000 g oder MEMS-Sensoren auf der Basis piezoresistiver Sensorelemente.

4. Messen in einem breiten Frequenzbereich bis auf 0 Hz

Je nach Anwendung ist der Frequenzgang des Sensors zur Messung der interessierenden Frequenz unerlässlich. Bei Messungen an Strukturen wie Brücken oder Türmen, z.B. Windkraftanlagen und Modalanalyse, kann die Frequenz der gemessenen Schwingung sehr niedrig sein, manchmal unter 0,5 Hz oder bis hinunter zum Stillstand (DC). Für diese Anwendungen sollten Sie Sensoren mit einem Frequenzgang bis auf 0 Hz verwenden. MEMS-basierte Beschleunigungssensoren sind für diese Aufgabe geeignet.

5. Sensorbefestigung und Frequenzgang

Bei Anwendungen wie der Maschinenüberwachung muss die Schwingung über einen breiten Frequenzbereich gemessen werden. Rotierende Maschinen mit 3000 Umdrehungen pro Minute oder höher und Wälzlager haben interessierende Frequenzen über 3-5 kHz. Um die Oberschwingungen dieser Signale betrachten zu können, muss der Frequenzgang der verwendeten Sensoren höher als 3-5 kHz sein.
Der maximale Frequenzgang des Sensors hängt auch von seiner Befestigung auf der Oberfläche des Messobjekts ab. Für Signalfrequenzen über 3 kHz können Magnete verwendet werden, aber für die besten Messergebnisse, insbesondere bei Frequenzen über 10kHz, müssen die Sensoren mit Klebstoffen oder Montagebolzen befestigt werden.

6. Verlegung und Befestigung des Sensorkabels

Für die Schwingungsmessung eines bestimmten Objekts installieren Sie einen Sensor, der jedoch keine induzierten Schwingungen anderer Komponenten erfassen soll.

Deshalb muss auch das Sensorkabel mit grosser Sorgfalt verlegt und an mehreren Punkten fixiert werden. Bei unbefestigten Kabeln können zusätzliche Schwingungen durch andere Komponenten als das Messobjekt eingeleitet werden. Diese eingeleitete Schwingung beeinflusst den Sensor und verfälscht das zu messende Signal.
Insbesondere bei piezoelektrischen Sensoren kann die Bewegung des Kabels vom Sensor zum Ladungsverstärker dazu führen, dass mit diesem Kabel Ladungsänderungen übertragen werden.

7. Rauschen vermeiden 

Wenn Sie Rauschen in Ihrem Messsignal sehen, insbesondere bei 50/60 Hz, dann haben Sie höchstwahrscheinlich eine Erdschleife. Erdschleifen können Störungen des Messsignals als Rauschen übertragen, am häufigsten bei einer Netzfrequenz von 50/60 Hz. 
Erdschleifen entstehen, wenn eine gemeinsame Leitung (z.B. Signalrückführung/Abschirmung einer IEPE-Beschleunigungsaufnehmer-Installation) an zwei Punkten mit unterschiedlichem elektrischen Potential geerdet wird. Um solche Erdschleifen zu vermeiden, verbinden Sie den Kabelschirm nur an einer Stelle mit Erdpotential und verwenden Sie, wenn möglich, elektrisch isolierte Sensorelemente.

8. Wie beeinflusst die Zeitkonstante eines Ladungsverstärkers die Messungen?

Es besteht ein grundlegender Unterschied zwischen den beiden Betriebsarten von Ladungsverstärkern für quasi-statische und dynamische Messungen. Die meisten Ladungsverstärker unterstützen beide Messarten, aber bevor eine Schwingungsmesskette aufgebaut wird, ist ein klares Verständnis der gewünschten Messung unerlässlich, um die richtige Betriebsart des Ladungsverstärkers auszuwählen.
Beispielsweise sollten Messungen in außergewöhnlich niedrigen Frequenzbereichen <0,5Hz mit dem quasi-statischen Modus durchgeführt werden, und dies ist manchmal bei der Messung niederfrequenter Druckschwankungen in Hochtemperaturanwendungen der Fall. Typische Schwingungsmessungen haben einen höheren Frequenzgehalt im Signal; daher wird der dynamische Modus verwendet.
Die Zeitkonstante des Ladungsverstärkers definiert den Betriebsmodus für statische oder dynamische Messungen.

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

IEPE-Sensoren werden mit einem Konstantstrom und einer Gleichspannung gespeist, auf dieser Versorgungsspannung wird das AC-Signal der gemessenen Beschleunigung überlagert. 
Merken Sie sich die Faustregel: Je höher der Konstantstrom, desto größer kann die Kabellänge sein. Aber wie immer hängt die maximale Kabellänge 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 Stromaufnahme bildet. Messungen mit Kabellängen über 80 m oder sogar 100 m sind möglich.

10. Ist die Versorgungsspannung für einen MEMS-basierten Beschleunigungsmesser von Bedeutung?

Die kurze Antwort lautet: Ja, die Versorgungsspannung spielt eine Rolle. Die meisten MEMS-Sensoren verfügen über einen eingebauten Spannungsregler, reagieren aber sehr empfindlich auf die Qualität der gelieferten Eingangsspannung. Die Qualität der Spannungsquelle muss hochwertig sein, sollte innerhalb von +/- 0,1 % geregelt werden, und das Rauschen und die Welligkeit dürfen 1,5mV RMS nicht überschreiten. E/A-Module, die speziell für MEMS-basierte Sensoren entwickelt wurden, sorgen für eine stabile Stromversorgung und bei der Verwendung dieser Geräte müssen Sie sich um die Versorgungsspannung keine Sorgen machen.

 

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Author: Benedikt Heinz

Benedikt Heinz is Gantner Instrument's Vice President and Global Sales Manager.

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