Photoelektrische Sensoren verstehen
A Lichtschranke ist ein optisches Erfassungsgerät, bei dem eine Lichtquelle – eine LED, ein Laser oder ein Infrarotstrahler – mit einem Fotodetektor kombiniert wird, um durch Lichtdurchgang, -reflexion oder -unterbrechung das Vorhandensein, das Fehlen oder die Position eines Objekts oder einer Markierung zu erfassen. Bei rotierenden Maschinen dienen diese Sensoren meist als Drehzahlmesser: Sie erfassen einmal pro Umdrehung eine Wellenmarkierung, um die Drehzahl zu messen, und liefern den einmal pro Umdrehung anfallenden Taktimpuls, der eine Phase reference for Bilanzierung, und bieten Schlüsselphasengeber Funktionalität für Schutzsysteme kritischer Maschinen.
Ihre Vorteile liegen in der berührungslosen Funktionsweise, der sehr schnellen Ansprechzeit, der Unempfindlichkeit gegenüber Magnetfeldern und der Fähigkeit, Nichteisenmetalle zu erkennen. Diese Kombination macht sie zu vielseitigen Werkzeugen zur Drehzahl- und Positionsmessung für praktisch alle Arten von rotierenden Anlagen – und bildet die Grundlage für die optische Drehzahlmesser und Laser-Tachometer die in tragbaren Auswuchtgeräten verwendet werden.
1. Betriebsmodi
Fotoelektrische Sensoren gibt es in drei Erfassungsvarianten, die sich darin unterscheiden, wo sich Sender und Empfänger befinden und wie das Ziel den Lichtweg beeinflusst.
Lichtschranke (Gegensinnbetrieb)
Die Lichtquelle und der Empfänger befinden sich in getrennten Gehäusen, die einander gegenüberliegen, und die Erkennung erfolgt, wenn das Zielobjekt den Strahl unterbricht, der den Spalt überquert. Die Reichweite ist groß – mehrere Meter sind möglich – und die Zuverlässigkeit ist die höchste aller Betriebsarten, da dieses System am unempfindlichsten gegenüber Verschmutzung und Ausrichtungsabweichungen ist. Typische Anwendungsbereiche sind die Schaufelzählung und die Objekterkennung auf Förderbändern.
Retroreflektierender Modus
Sender und Empfänger sind in einem Gehäuse untergebracht, gegenüber ist ein Reflektor angebracht; das Zielobjekt wird erfasst, sobald es den reflektierten Lichtstrahl unterbricht. Die Reichweite ist mäßig (mehrere Meter), und die einseitige Installation ist praktisch und eignet sich für die Stückzählung sowie die Erkennung größerer Objekte.
Diffusreflexionsmodus – die gängige Wahl für die Tachometrie
Auch hier sind Sender und Empfänger in einem Gehäuse untergebracht, doch hier erfasst der Sensor das direkt von der Zielfläche reflektierte Licht. Die Reichweite ist gering – in der Regel 5–500 mm – und die Einrichtung erfolgt durch einfaches Ausrichten und Erkennen. Dieser Modus wird verwendet, um reflektierendes Band zur Geschwindigkeits- und Phasenmessung sowie das Funktionsprinzip von Lasertachometern.
2. Anwendungen in der Schwingungsüberwachung
Within Schwingungsanalyse derselbe Sensor erfüllt mehrere unterschiedliche Funktionen:
- Drehzahlmessung: Indem das Gerät einmal pro Umdrehung ein Reflexionsband oder eine Markierung auf der Welle erfasst und die Impulse zählt, berechnet es Drehzahl, überwacht die Drehzahl kontinuierlich und überprüft sie während der Messungen.
- Phasenbezug: Der einmal pro Umdrehung auftretende Impuls definiert den 0°-Bezugspunkt, der für Auswuchtberechnungen entscheidend ist, phasenverriegelte Messungen ermöglicht und die Synchronisation gewährleistet Auftragsverfolgung.
- Keyphasor-Funktion: Ein fest installierter fotoelektrischer Sensor kann als Phasengeber dienen, der bei jeder Umdrehung eine Markierung, einen Schlitz oder ein anderes Merkmal an der Welle erfasst, um die Phasenreferenz für proximity-probe Systeme – unverzichtbar für die Überwachung von Turbomaschinen unter API 670.
- Auslösen von Ereignissen: Der Impuls kann die Datenerfassung an einer bestimmten Wellenposition auslösen, einen Stroboskop für die Betrachtung im Standbildmodus oder zur anderweitigen Synchronisierung der Messungen mit der Drehung.
3. Wichtige technische Daten
Drei Parameter entscheiden darüber, ob ein Sensor in einer bestimmten Anlage einwandfrei funktioniert.
- Response time: von Mikrosekunden bis zu Millisekunden – sie muss schnell genug sein, um die höchste gemessene Drehzahl zu erfassen. Eine Welle mit 10.000 U/min passiert ihre Markierung mit etwa 167 Hz, daher erfordert ein sauberer Impuls eine Reaktionszeit im Submillisekundenbereich.
- Erfassungsreichweite: Jedes Modell hat einen minimalen und maximalen Arbeitsabstand, der je nach Reflektivität des Zielobjekts variiert; Sensoren im Diffusmodus arbeiten in der Regel bei 50–300 mm.
- Light source: visible red (630–670 nm) lässt sich leicht ausrichten; infrared (850–950 nm) bietet eine bessere Leistung bei hellem Umgebungslicht; ein laser sorgt für einen stark gebündelten Strahl, eine größere Reichweite und eine präzisere Auslösung.
4. Installation und Einrichtung
Eine zuverlässige Auslösung hängt vor allem von einer sorgfältigen Montage ab. Der Sensor sollte ausgerichtet werden senkrecht zur reflektierenden Oberfläche für das stärkste Signal, in dem in der Spezifikation angegebenen Abstand angebracht, fest montiert, damit es durch Vibrationen nicht verrutschen kann, und vor mechanischen Beschädigungen geschützt. Das Ziel selbst ist ebenso wichtig: Bringen Sie an einer geeigneten Stelle auf der gereinigten Wellenoberfläche reflektierendes Klebeband an und stellen Sie sicher, dass genau ein Strich pro Umdrehung (eine zweite reflektierende Stelle führt zu einer Doppelzählung) und vergewissern Sie sich, dass die Markierung fest sitzt und sich bei hoher Geschwindigkeit nicht löst. Richten Sie das Gerät schließlich auf die Markierung aus, achten Sie auf die LED-Anzeige des Sensors, um ein stabiles Signal zu erkennen, fixieren Sie die Position und testen Sie das Gerät durch eine vollständige Drehung, um eine zuverlässige Erkennung sicherzustellen, bevor Sie sich auf den Messwert verlassen.
5. Advantages
Das berührungslose optische Prinzip bietet mehrere Vorteile:
- Kein mechanischer Kontakt: Keine Reibung oder Belastung der Welle, kein Verschleiß, sicherer Betrieb ohne Kontakt zu rotierenden Teilen und bei jeder Drehzahl einsetzbar.
- Materialunabhängigkeit: Es funktioniert gleichermaßen bei Eisen- und Nichteisenmetallen sowie bei Kunststoffen, Verbundwerkstoffen und Holz – alles, was es braucht, ist optischer Kontrast.
- Schnelles, sauberes Ansprechverhalten: geeignet für Hochgeschwindigkeitsanwendungen, erzeugt präzise digitale Impulse mit exakter Zeitsteuerung.
6. Limitations
Das gleiche optische Prinzip bringt einige Einschränkungen mit sich, die bei der Planung berücksichtigt werden sollten:
- Umweltempfindlichkeit: Helles Umgebungslicht kann störend wirken, während Staub und Ölnebel auf der Optik die Leistung beeinträchtigen. Daher muss das Objektiv regelmäßig gereinigt werden und benötigt in rauen Umgebungen möglicherweise ein Schutzgehäuse.
- Die Ausrichtung ist entscheidend: Der Sensor muss auf das Ziel ausgerichtet bleiben, und Vibrationen oder Setzungen können ihn aus der Ausrichtung bringen – ein weiterer Grund für eine stabile Befestigung.
- Zielabhängigkeit: Es muss eine reflektierende Markierung oder ein reflektierender Gegenstand vorhanden sein, Änderungen der Reflektivität beeinflussen den Messwert, und das Klebeband kann sich mit der Zeit ablösen.
Wenn sich der Einsatz eines permanenten optischen Lesekopfes nicht praktikabel erweist, greifen Ingenieure häufig auf nicht-optische Alternativen zurück, wie zum Beispiel einen Wirbelstromsonde das Auslesen einer Keilnut, wofür kein Klebeband benötigt wird und das weder durch Schmutz noch durch Lichteinwirkung beeinträchtigt wird.
7. Fotoelektrische Sensoren beim praktischen Feldauswuchten
Bei einem tragbaren Messgerät ist ein diffus reflektierender Lasertachometer der Standard für die Phasenerfassung, gerade weil er außer einem Stück Klebeband keine weitere Vorbereitung der Welle erfordert. Der Balanset-1A wird mit genau dieser Art von optischem Laserdrehzahlmesser geliefert: Er wird durch ein kleines Stück reflektierendes Klebeband ausgelöst, funktioniert über einen großen Abstandsbereich hinweg und liefert den einmal pro Umdrehung anfallenden Impuls, den die Software benötigt, um die Größe und den Winkel jedes einzelnen Korrekturgewicht und um die Restunwucht nach der Korrektur. Kurz gesagt: Dank seiner schnellen Ansprechzeit, Materialunabhängigkeit und berührungslosen Funktionsweise eignet sich der fotoelektrische Sensor ideal als Drehzahlmesser und ergänzt die Beschleunigungsaufnehmer in einem umfassenden System zur Zustandsüberwachung und Auswuchtung.
