Ultraschallanalyse verstehen
Ultraschallanalyse - auch Luft- und Körperschall genannt - ist ein Zustandsüberwachung Technologie, die auf hochfrequente Töne hört, die weit über dem menschlichen Hörbereich liegen. Menschen können in der Regel bis zu etwa 20 Kilohertz (kHz) hören; Ultraschallgeräte sind darauf ausgelegt, Töne im Bereich von 20 kHz bis 100 kHz zu erkennen. Diese hochfrequenten Emissionen werden durch Reibung, Turbulenzen und elektrische Lichtbögen erzeugt - drei Dinge, die fast immer mit einem entstehenden Fehler einhergehen. Das Gerät erkennt den Ultraschall, wandelt ihn in ein über Kopfhörer hörbares Signal um und misst dessen Intensität (Amplitude), die in Dezibel (dB) angezeigt wird. So kann der Prüfer Probleme “hören”, die sonst völlig unbemerkt bleiben, was das Gerät zu einer leistungsstarken Ergänzung der Schwingungsanalyse und Thermografie in einem modernen vorausschauende Wartung Programm.
1. Definition: Was ist Ultraschallanalyse?
Im Kern geht es bei der Ultraschallanalyse darum, akustische Energie zu erfassen, die das menschliche Ohr nicht wahrnehmen kann. Hier kommt es auf die Physik an: Ultraschallwellen sind kurzwellig und stark gerichtet, und sie schwächen sich mit zunehmender Entfernung und beim Durchdringen fester Hindernisse schnell ab. Genau das macht die Technik für Inspektionen so nützlich - da der Schall schnell abklingt, weist der lauteste Messwert zuverlässig auf die Quelle zurück, so dass ein Inspektor ein Leck oder einen fehlerhaften Kontakt mit Sicherheit lokalisieren kann.
Ultraschall wird überall dort erzeugt, wo Reibung (ein trockenes oder beschädigtes Lager), Turbulenzen (Gas, das durch eine kleine Öffnung entweicht) oder elektrische Entladungen (Lichtbögen, Kriechstrom und Korona) auftreten. Das Gerät erfasst diese Emission entweder mit einem Luftschallsensor (einem Ultraschallmikrofon) oder einem Kontaktsensor (einem Wellenleiter, der gegen eine Oberfläche gedrückt wird, um Körperschall zu erfassen). Das erfasste Signal wird dann aufbereitet und dem Prüfer sowohl als hörbarer Ton als auch als numerischer dB-Wert angezeigt, so dass die Diagnose ein geschultes Ohr mit einer objektiven, trendfähigen Messung kombiniert.
2. Funktionsweise: Heterodynierung
Die Kerntechnologie in einem Ultraschallgerät wird genannt Überlagerung. Dabei handelt es sich um ein elektronisches Verfahren, das das sehr hochfrequente, unhörbare Ultraschallsignal präzise in ein niederfrequentes Signal im hörbaren Bereich umwandelt, ohne den ursprünglichen Charakter des Klangs zu verändern. Das “Zischen” eines Druckluftlecks klingt im Kopfhörer immer noch wie ein Zischen, und das “Knistern” eines elektrischen Lichtbogens klingt immer noch wie ein Knistern. Diese originalgetreue Übersetzung macht die Diagnose so intuitiv: Ein Inspektor lernt, die Signatur eines jeden Fehlers nach Gehör zu erkennen.
Beim Heterodyning wird das eingehende Ultraschallsignal mit einer stabilen, im Gerät erzeugten Referenzfrequenz gemischt. Durch die Mischung entsteht eine Differenzfrequenz, die in den hörbaren Bereich fällt. Da die ursprünglichen Amplitudenverhältnisse erhalten bleiben, bleibt der Dezibelwert auf dem Messgerät eine aussagekräftige, wiederholbare Größe, die protokolliert und im Laufe der Zeit verfolgt werden kann - so wird aus einem subjektiven “es klingt schlechter” ein dokumentierter Anstieg in dB, der eine Wartungsentscheidung unterstützt.
3. Wichtige Anwendungen in der Instandhaltung
Die Ultraschallanalyse ist eine vielseitige Technologie mit mehreren hochwertigen Anwendungen:
a) Lecksuche
Dies ist die häufigste und finanziell vorteilhafteste Anwendung. Die turbulente Strömung eines Gases - Druckluft, Dampf, Stickstoff oder ein anderes unter Druck stehendes Medium -, das aus einem Rohr, einem Ventil oder einem Behälter entweicht, erzeugt eine große Menge an Breitband-Ultraschall.
- Verfahren: Ein Inspektor verwendet ein tragbares Ultraschallgerät mit einem Luftsensor, um einen Bereich abzutasten. Das Gerät ist hochgradig richtungsabhängig, so dass das akustische Signal im Kopfhörer lauter wird und die dB-Anzeige auf dem Messgerät ansteigt, wenn man sich einem Leck nähert, was den Prüfer direkt zur Quelle führt.
- Vorteile: Das Aufspüren und Beheben von Druckluftlecks kann einem Werk jährlich Zehn- oder sogar Hunderttausende von Dollar an verschwendeter Energie sparen. Druckluft ist eines der teuersten Betriebsmittel in einer Fabrik, und ein einziges, hörbares Leck, das nicht behoben wird, treibt die Kosten für jede Stunde in die Höhe, in der der Kompressor unter Last läuft, um den Verlust auszugleichen.
b) Elektrische Inspektion
Elektrische Fehler wie Lichtbogenbildung, Kriechstrombildung und Korona in Mittel- und Hochspannungsgeräten erzeugen alle Ultraschall, oft bevor sie genug Wärme erzeugen, um von einer Infrarotkamera gesehen zu werden.
- Verfahren: Ein Prüfer kann geschlossene Schaltschränke sicher von außen scannen. Der durch einen Fehler erzeugte Ultraschall entweicht durch Luftspalten in den Schaltschrankdichtungen, so dass der Schaltschrank nicht geöffnet werden muss, um ein Problem zu finden.
- Vorteile: Dies ist eine hervorragende, berührungslose Methode, um schwerwiegende elektrische Fehler zu erkennen, bevor sie zu einem Störlichtbogenereignis führen, was die Anlagensicherheit direkt erhöht. Es ist auch ein idealer Screening-Schritt zur Durchführung vor Öffnen eines Panels für Thermografie, helfen bei der Entscheidung, ob das Schaltfeld überhaupt sicher zu öffnen ist. Beide Methoden stehen neben anderen nicht-intrusiven Techniken wie zerstörungsfreie Prüfung.
c) Mechanische Inspektion (zustandsabhängige Schmierung)
Ultraschall eignet sich auch hervorragend zur Beurteilung des Zustands von Wälzlagern und zur Steuerung der Schmierungspraxis - eine Disziplin, die oft als akustische oder zustandsorientierte Schmierung bezeichnet wird.
- Verfahren: Ein Kontakt-Ultraschallsensor wird am Lagergehäuse angebracht und nimmt den Körperschall auf, den das Lager bei seiner Drehung abstrahlt.
- Interpretation:
- Ein intaktes, gut geschmiertes Lager erzeugt ein leises, gleichmäßiges „Zischen“.
- Ein Lager, das geschmiert werden muss, zeigt einen höheren dB-Wert an. Ein Techniker trägt das Fett langsam auf und stoppt in dem Moment, in dem der dB-Pegel zu sinken beginnt, um eine Überschmierung zu vermeiden, die ihrerseits zu Lagerverschleiß und Dichtungsschäden.
- Ein Lager mit einem sich entwickelnden Defekt wie z.B. einem Abschuppung erzeugt ein sich wiederholendes “Knistern” oder “Knallen”, wenn die rollenden Elemente auf den Riss treffen, was sehr Frühwarnung von Lagerausfall.
4. Ultraschall- vs. Schwingungsanalyse
Für die Lageranalyse werden Ultraschall und Schwingungsanalyse ergänzen sich eher als dass sie konkurrieren. Ultraschall eignet sich oft besser zur Erkennung von Fehlern im Frühstadium (Stufe 1) und von Schmierproblemen, da das erste Anzeichen einer Störung eine schwache hochfrequente Emission ist, lange bevor der Defekt groß genug ist, um das Lager messbar zu bewegen. Die Schwingungsanalyse ist besser geeignet, die genaue Art eines Fehlers in einem späteren Stadium zu diagnostizieren - zum Beispiel die Unterscheidung eines Kugelpassfrequenz Außenring Defekt aus einem Kugelpassfrequenz Innenring Defekt - sobald der Fehler in der Vibration sichtbar ist Spektrum und identifizierbar durch Lagerfehlerfrequenzen. Viele Schwingungsanalytiker verwenden Hüllkurvenanalyse diese frühen Lagerschäden aus dem Schwingungssignal zu extrahieren, wodurch sich der Abstand zwischen den beiden Verfahren verringert.
5. Wo der Ultraschall in ein Feldprogramm passt
Ultraschall, Infrarot, Ölanalyse und Vibration zeigen jeweils einen anderen Ausschnitt des Maschinenzustands an, und die besten Zuverlässigkeitsprogramme kombinieren sie miteinander. Ultraschall zeigt in Sekundenschnelle ein Leck, einen funkenden Kontakt oder ein ausgehungertes Lager an; Vibration quantifiziert dann den mechanischen Zustand und sagt Ihnen Warum. Wenn ein Routenbildschirm einen ansteigenden Lagerton oder erhöhte 1× Unwucht, ist der natürliche nächste Schritt, ein echtes Zweikanalgerät an der Maschine einzusetzen. Ein tragbarer Analysator und Auswuchtgerät wie der Balanset-1A misst die 1× Amplitude und Phase in den maschineneigenen Lagern bei Betriebsdrehzahl, so dass Sie, sobald der Ultraschall auf ein Problem an der rotierenden Maschine hinweist, ein Unwucht und dies vor Ort zu korrigieren — der Kreislauf zwischen Erkennung und Reparatur schließt sich, ohne dass der Rotor in eine Werkstatt geschickt werden muss.
