Näherungssensoren (Wirbelstromsensoren) verstehen
A Näherungssensor - auch genannt ein Wirbelstromsonde oder ein Wegaufnehmer - ist ein berührungsloser Sensor, der den Spalt zwischen seiner Spitze und einem leitenden Ziel, fast immer eine rotierende Welle, misst. Wo ein Beschleunigungsmesser an das Gehäuse geschraubt ist und spürt, wie die Maschinenstruktur schwingt, sucht eine Näherungssonde über Der Sensor wird in das Lagergehäuse eingebaut und meldet die tatsächliche Bewegung der Welle relativ zum Lager. Diese Unterscheidung macht ihn zum wichtigsten Sensor für den Schutz und die Überwachung von kritischen Hochgeschwindigkeitsmaschinen, die in Flüssigkeitsfilmlagern laufen, und er ist die Grundlage der wellenrelativen Schwingungsüberwachung auf Turbomaschinen weltweit.
1. Definition: Was ist eine Näherungssonde?
Das entscheidende Merkmal einer Näherungssonde ist, dass sie Folgendes misst relative Verschiebung - die Position der Wellenoberfläche in Bezug auf die Sondenhalterung - direkt, in Mikrometern oder Mils. Dies ist ein grundlegender Unterschied zu einem seismischen Sensor wie einem Geschwindigkeitsaufnehmer oder Beschleunigungsmesser, der die absolute Bewegung des Teils misst, an dem er befestigt ist. Bei einer großen Maschine mit einem schweren, steifen Gehäuse und einer vergleichsweise leichten Welle, die auf einem Ölfilm reitet, bewegt sich das Gehäuse kaum, während die Welle im Wesentlichen innerhalb des Gehäuses kreisen kann. Gleitlager. In dieser Situation sieht nur ein wellenbeobachtender Sensor die wirkliche Geschichte, weshalb Näherungssonden dominieren Maschinenschutz auf Turbinen und Kompressoren.
2. Das Näherungssondensystem: Drei aufeinander abgestimmte Komponenten
Eine vollständige Näherungssonden-Messkette besteht aus drei genau aufeinander abgestimmten Teilen, die zusammen als Satz kalibriert werden:
- Sonde: ein Gewindesensor mit einer versiegelten Spitze, die eine flache Drahtspule umschließt. Er wird mit einem bestimmten Abstand zur Welle eingebaut und arretiert.
- Verlängerungskabel: ein Koaxialkabel mit einer bestimmten Länge, das die Sonde mit dem Treiber verbindet. Seine Länge ist Teil der elektronischen Abstimmung des Systems, nicht eine beliebige Leitung.
- Proximitor / Treiber: ein elektronisches Modul, das ein Hochfrequenzsignal (HF-Signal) erzeugt, es in die Sondenspule einspeist und das zurückkehrende Signal demoduliert, um eine zum Spalt proportionale Ausgangsspannung zu erzeugen.
Da die drei Elemente als Einheit abgestimmt werden - in der Regel auf den Industriestandard-Skalierungsfaktor von 200 mV pro mil (etwa 7,87 mV/µm) - sind sie nicht mit Komponenten eines anderen Systems austauschbar sind. Das Mischen einer Sonde aus einem Satz mit einem Treiber oder Kabel einer anderen Länge verfälscht die Kalibrierung und die Messwerte. Der gesamte elektrische Längenfehler wird korrigiert durch Kabelkompensation, und die montierte Kette sollte mit einer Kalibrierungszertifikat die ihren rückführbaren Skalenfaktor dokumentiert.
3. Wie es funktioniert: Das Prinzip des Wirbelstroms
Der Proximitor sendet sein HF-Signal in die Spitzenspule, die ein kleines Magnetfeld ausstrahlt. Wenn die Spitze in die Nähe einer leitenden Welle gebracht wird, induziert dieses Feld winzige zirkulierende Ströme - Wirbelströme - in der Oberflächenschicht des Wellenmaterials. Die Wirbelströme erzeugen ihr eigenes, entgegengesetztes Magnetfeld, und die von ihnen absorbierte Energie belastet die Spule. Die Menge der verlorenen Energie hängt davon ab, wie nah die leitende Oberfläche ist: je näher die Welle, desto stärker die Wirbelströme und desto größer die Belastung.
Der Proximitor misst diese Belastung und erzeugt zwei überlagerte Ausgaben: eine Gleichspannung proportional zu den Durchschnitt Lücke, und eine Wechselspannung proportional zu den dynamisch die Bewegung der Welle, wenn sie vibriert.
Da die Technik mit induzierten Strömen im Metall und nicht mit mechanischem Kontakt oder Licht arbeitet, ist sie immun gegen Öl, Schmutz und Druck im Lagerhohlraum, aber sie reagiert empfindlich auf die elektrische und magnetische Gleichmäßigkeit der Wellenoberfläche - ein Punkt, der weiter unten unter Rundlauffehler wiederkehrt. Die gleiche Physik liegt auch der breiteren Familie der Wirbelstromsonden für die berührungslose Wegmessung verwendet.
4. Was Näherungssonden messen
Eine einzelne Sonde - und vor allem ein Paar - liefert eine bemerkenswerte Menge an Informationen über den Zustand und das Verhalten des Rotors:
- Radiale Schwingung: ein um 90° versetzt montiertes X-Y-Paar erfasst die Wellenbewegung in zwei Dimensionen, die der Analysator zu einem Wellenumlaufbahn - ein direktes Bild des Weges, den die Mittellinie bei jeder Umdrehung zurücklegt.
- Axiale (Schub-)Position: eine auf das Wellenende gerichtete Sonde misst das Axialspiel, die erste Verteidigungslinie gegen Axiallager Versagen.
- Position der Mittellinie der Welle: die DC-Komponente meldet die durchschnittliche Position des Zapfens innerhalb seines Lagerspiels und zeigt damit an Lagerverschleiß, Laständerungen und die Wellenmittelachse sich verlagert, wenn die Maschine warm wird.
- Drehzahl und Phase: eine Sonde, die eine Nut oder Kerbe beobachtet, wird einmal pro Umdrehung ausgelöst und fungiert als äußerst zuverlässige Schlüsselphasengeber oder Drehzahlmesser die den Phase Referenz für Auswuchtung und Diagnose.
- Auslaufen: Eine Slow-Roll-Messung bei niedriger Drehzahl quantifiziert die kombinierte mechanischer und elektrischer Rundlauffehler der Wellenoberfläche, die dann von den laufenden Messungen subtrahiert wird, um die tatsächliche dynamische Bewegung zu isolieren.
5. Vorteile und Einsatzgebiete
Näherungssonden sind aus mehreren Gründen die erste Wahl für den Schutz großer, kritischer Turbomaschinen:
- Berührungslos: Da nichts die Welle berührt, gibt es keinen Verschleiß und keine Drehzahlbegrenzung durch den Sensor - ideal für den Hochgeschwindigkeitsbetrieb.
- Direkte Wellenbeobachtung: Sie sehen, was die Welle im Inneren des Lagers macht, was bei einer Maschine mit schwerem Gehäuse viel wichtiger ist als die Bewegung des Gehäuses.
- Ansprechverhalten bis zu 0 Hz (DC): Sie erfassen sowohl die dynamische Vibration als auch die durchschnittliche Position, was ein Beschleunigungsmesser - der keine konstante Verschiebung messen kann - grundsätzlich nicht leisten kann.
- Hohe Zuverlässigkeit: versiegelt, robust und für raue, heiße, ölige Umgebungen und Dauerbetrieb gebaut.
Aus diesen Gründen sind sie fast universell in großen Dampf- und Gasturbinen, Zentrifugal- und Axialverdichtern, Turbogeneratoren sowie großen Pumpen und Motoren mit Gleit- oder Gleitlagern zu finden, wo ihr Einbau durch Normen wie API 670. Ihre natürliche Ergänzung bei wälzgelagerten Maschinen ist der am Gehäuse montierte Beschleunigungsmesser, und viele Online-Überwachung Systeme verwenden beides. Wenn eine Flüssigfilmmaschine Unwucht, das X-Y-Sondenpaar macht ihn als wachsende 1×-Bahn sichtbar, und die Feldkorrektur kann an Ort und Stelle mit einem tragbaren Zweikanal-Analysator wie dem Balanset-1A, das die von den Sonden gelieferte 1×-Amplitude und Phase abliest und die erforderliche Korrekturgewichte.
6. Praktische Fallstricke
- Elektrischer Schlag: Lokale Schwankungen der Wellenpermeabilität oder des Restmagnetismus erzeugen ein falsches Schwingungssignal, das nichts mit der tatsächlichen Bewegung zu tun hat. Eine Subtraktion des elektrischen Schlags im Schleichgang beseitigt dieses Signal.
- Falsches Zielmaterial: Der kalibrierte Skalenfaktor geht von einer bestimmten Wellenlegierung aus (in der Regel AISI 4140 Stahl). Ein anderes Material verschiebt die Empfindlichkeit und muss neu charakterisiert werden.
- Messabstand außerhalb des linearen Bereichs: Der Messfühler muss sich innerhalb seines linearen Bereichs befinden – normalerweise zentriert bei ca. −10 V DC. Liegt er zu nah oder zu weit entfernt, wird das Ansprechverhalten nichtlinear oder das Signal wird abgeschnitten (Clipping).
- Kratzer und Überzüge: Jeder Oberflächenfehler oder Belag auf dem beobachteten Wellenband wird als Bewegung gewertet, so dass das Band glatt, rund und gleichmäßig sein muss.
