Was ist ein Beschleunigungsmesser? Ein Leitfaden zur Schwingungsanalyse
Ein Beschleunigungsmesser ist ein Wandler (oder Sensor), der mechanische Bewegung umwandelt – insbesondere die Beschleunigung die durch Vibrationen oder Stöße entstehen, in ein proportionales elektrisches Signal um. Er ist der mit Abstand am häufigsten verwendete Sensor in vorausschauende Wartung und Zustandsüberwachung. Durch die Messung, wie schnell sich die Geschwindigkeit eines Punktes an einer Maschine ändert, liefert ein Beschleunigungssensor die Rohdaten, anhand derer ein Analyst eine Vielzahl mechanischer und elektrischer Fehler diagnostizieren kann – von Lagerdefekte Zu Unwucht und Fehlausrichtung.
1. Definition: Der Kern der Schwingungsmessung
Die Beschleunigung ist die natürlichste Messgröße bei rotierenden Maschinen, da die dynamischen Kräfte, die eine Maschine beschädigen – wie die Zentrifugalkraft aufgrund einer Unwucht oder der Aufprall einer abgeplatzten Lagerlaufbahn –, proportional zur Beschleunigung sind. Ein Beschleunigungssensor reagiert direkt auf diese Kräfte, weshalb er das Herzstück fast jeder modernen Schwingungsanalysator und Datenerfassungsgerät.
Eine der praktischen Stärken des Beschleunigungssensors besteht darin, dass sein Beschleunigungssignal elektronisch integriert einmal zu geben Geschwindigkeit (mm/s) und zweimal, um Verschiebung (µm). Ein einziger, ordnungsgemäß montierter Sensor deckt somit alle drei klassischen Schwingungsgrößen ab, sodass der Analytiker diejenige auswählen kann, die einen bestimmten Fehler am besten aufzeigt.
2. Wie funktionieren Beschleunigungssensoren? Das piezoelektrische Prinzip
Obwohl es mehrere physikalische Prinzipien gibt, basiert die überwiegende Mehrheit der in Industriemaschinen verwendeten Beschleunigungssensoren auf dem piezoelektrischen Effekt. Der Arbeitsablauf ist einfach:
- Piezoelektrischer Kristall: Im Inneren des Sensors ist eine kleine seismische Masse an einem piezoelektrisch Element – in der Regel eine Keramik wie PZT oder bei hochwertigen Sensoren ein präzisionsgeschliffener Quarzkristall.
- Krafteinwirkung: Wenn die Maschine vibriert, bewegt sich das Gehäuse mit. Aufgrund der Trägheit wirkt die innere Masse dieser Bewegung entgegen und übt eine Kraft auf den Quarz aus – die nach dem zweiten Newtonschen Gesetz der Masse mal Beschleunigung entspricht.
- Ein Signal erzeugen: Ein beanspruchter piezoelektrischer Kristall erzeugt eine winzige elektrische Ladung, die direkt proportional zur ausgeübten Kraft und somit zur Beschleunigung ist.
- Ausgabe: Die interne Elektronik verarbeitet diese Ladung und leitet sie über ein Kabel an einen Datensammler oder ein Überwachungssystem weiter, wo sie als analoge Darstellung der Beschleunigung an dieser Stelle dient.
Je nachdem, wie diese Ladung konditioniert ist, lassen sich zwei gängige Familien unterscheiden. Ein Lade-Ausgang Der Sensor überträgt die Rohdaten an ein externes Ladungsverstärker und verträgt sehr hohe Temperaturen. In der Industrie weitaus häufiger anzutreffen ist das IEPE (oder Spannungsmodus) Typ, bei dem der Verstärker in den Sensor integriert ist und eine Spannung mit niedriger Impedanz ausgibt, die sich gut über gewöhnliche Zweidrahtkabel übertragen lässt. Die robustesten Ausführungen verwenden einen Scherung Konstruktion, die den Kristall vor Sockelbiegungen und thermischen Transienten schützt.
3. Arten von Beschleunigungssensoren
Unterschiedliche Anwendungsbereiche erfordern unterschiedliche Sensoren, von denen jeder seine eigenen Stärken hat.
Allzweck-Beschleunigungssensoren
Das sind die Arbeitstiere der industriellen Überwachung. Sie bieten in der Regel eine Empfindlichkeit von 100 mV/g und einem Frequenzbereich, der für die meisten gängigen Maschinen wie Pumpen, Motoren und Ventilatoren geeignet ist – etwa 2 Hz bis 10 kHz.
MEMS-Beschleunigungsmesser
Beschleunigungssensoren auf Basis mikroelektromechanischer Systeme (MEMS) sind siliziumbasiert, sehr klein, stromsparend und kostengünstig. Während sie früher weniger empfindlich waren als piezoelektrische Modelle, entwickeln sich moderne MEMS-Bauteile rasch weiter und sind heute in tragbaren Elektronikgeräten, Fahrzeugsystemen, drahtlose Überwachung Knoten und kostengünstigere Anlagen zur Zustandsüberwachung.
Piezoresistive Beschleunigungssensoren
Diese Sensoren werden für Stoßprüfungen und niederfrequente Bewegungen eingesetzt und reagieren bis hinunter zu 0 Hz (Gleichstrombeschleunigung), wodurch sie sich zur Messung der gleichmäßigen Beschleunigung in einer Zentrifuge oder der langsamen Fahrbewegung eines Fahrzeugs eignen.
Hochfrequenz-Beschleunigungssensoren
Diese Sensoren wurden entwickelt, um hochfrequente Ereignisse wie beginnende Schäden an Getrieben und Lagern zu erfassen. Sie nutzen eine kleinere Schwingmasse und eine höhere Resonanzfrequenz, was eine genaue Messung bis 20 kHz oder darüber hinaus ermöglicht – den Bereich, in dem Techniken wie Hüllkurvenanalyse und die Stoßimpulsverfahren live.
4. Wichtige technische Daten und Auswahl
Bei der Auswahl eines Beschleunigungssensors berücksichtigen Ingenieure verschiedene Parameter:
- Empfindlichkeit (mV/g): Eine höhere Empfindlichkeit führt zu einem stärkeren Ausgangssignal, was für die Erfassung von Schwingungen mit geringem Amplitudenpegel vorteilhaft ist; 100 mV/g ist der gängige Industriestandard.
- Frequenzgang: Der Bereich, in dem der Sensor genaue Messwerte liefert. Er muss den erwarteten Fehlerfrequenzen des Lagers der Maschine, mit einem komfortablen Spielraum unterhalb des Sensors selbst Eigenfrequenz.
- Temperaturbereich: Der Sensor muss der Oberflächentemperatur an seinem Einbauort standhalten; ein Temperatursensor wird häufig am selben Standort untergebracht, um eine kombinierte Überwachung zu ermöglichen.
- Befestigungsart: Die Art der Befestigung des Sensors – Schraubbefestigung, Klebeverbindung oder Magnetbefestigung – hat einen starken Einfluss auf die Genauigkeit im Hochfrequenzbereich. Eine Schraubbefestigung pro ISO 5348 bietet die beste Kopplung und die größte nutzbare Bandbreite; ein Magnet eignet sich gut für den Einsatz unterwegs, senkt jedoch die obere Frequenzgrenze. Schlecht Montage kann zu einer falschen Anbauresonanz das sich als Maschinenfehler tarnt.
Sie können den Bandbreitenverlust eines bestimmten Anhangs mit dem Resonanzrechner für die Montage von Beschleunigungsmessern bevor man sich für eine Befestigungsart entscheidet.
5. Anwendungen in der Zustandsüberwachung
Beschleunigungssensoren sind die Grundlage für fast jedes Schwingungsanalyse Aufgabe, einschließlich:
- Programme zur vorausschauenden Instandhaltung: Routinemäßige Datenerhebung zu einem Route um den Zustand der Maschinen zu überwachen und Ausfälle vorherzusagen.
- Fehlerdiagnose: Unwuchten und Fehlausrichtungen aufspüren, Lockerheit und Lagerverschleiß von der Schwingungsspektrum.
- Abnahmeprüfung: die Überprüfung, ob neue oder reparierte Maschinen die Schwingungsvorgaben erfüllen, wie zum Beispiel ISO 20816 (der moderne Nachfolger von ISO 10816).
- Modalanalyse: das Studium der Eigenfrequenzen und Eigenformen einer Struktur.
Das Feldauswuchten ist eine der anspruchsvollsten dieser Aufgaben, da sie sowohl die Amplitude und die Phase der Schwingung, die einmal pro Umdrehung auftritt. Ein tragbares Zweikanal-Messgerät wie das Balanset-1A nimmt seine beiden Beschleunigungssensoren und synchronisiert sie mit einem Drehzahlmesser Impuls und misst die 1×-Amplitude und -Phase direkt in den eigenen Lagern der Maschine bei Betriebsdrehzahl – dabei werden die Rohdaten des Beschleunigungssensors in die Einflusskoeffizienten und Korrekturgewichte umgewandelt, die für das Auswuchten des Rotors vor Ort erforderlich sind.
