Seismische Wandler verstehen
A seismischer Schallwandler - auch seismischer Sensor oder Trägheitswandler genannt - ist ein Vibration Sensor, der eine interne seismische Masse (eine “Prüfmasse”) verwendet, die als Trägheitsreferenz an Federn oder nachgiebigen Biegebalken aufgehängt ist, sodass er die absolute Bewegung der Sensorbasis messen kann. Wenn das Gehäuse schwingt, wird die Relativbewegung zwischen der aufgehängten Masse und dem Gehäuse in ein elektrisches Signal umgewandelt, das die Schwingung darstellt. Je nachdem, wo die Messfrequenz relativ zur Eigenfrequenzliegt, arbeitet der Sensor in einem von zwei Bereichen: Oberhalb der Resonanz bleibt die Masse tendenziell im Raum still und die Relativbewegung folgt der Gehäuseauslenkung (das klassische Seismometer- und Geschwindigkeitssensor-Regime), während unterhalb der Resonanz die kleine Restauslenkung der Masse proportional zur Beschleunigung des Gehäuses ist (das Beschleunigungssensor-Regime). Das entscheidende Merkmal ist, dass die Referenz mitgeführt wird innerhalb der Sensor, so dass kein fester externer Bezugspunkt erforderlich ist.
Der Name “seismisch” stammt aus der Erdbebenmesstechnik: Die aufgehängte Masse eines Seismometers bleibt relativ ruhig, während sich der Boden unter ihr hebt. Bei der Überwachung von Maschinen werden sowohl Geschwindigkeitsaufnehmer und Beschleunigungsaufnehmer sind seismische Wandler in diesem Sinne, obwohl der Begriff meist mit dem klassischen Geschwindigkeitsaufnehmer in Verbindung gebracht wird.
1. Funktionsprinzip
Masse-Feder-Dämpfer-System
Jeder seismische Wandler ist im Grunde genommen ein kleiner mechanischer Oszillator mit vier funktionellen Teilen:
- Seismische Masse: eine geeichte Prüfmasse, die im Inneren des Sensorgehäuses aufgehängt ist.
- Feder: mechanische Federn oder dünne Biegungen, die die Masse stützen.
- Dämpfung: Luft-, Magnet- (Wirbelstrom-) oder Flüssigkeitsdämpfung, die die Resonanz zähmt.
- Transduktion: das Element, das die Relativbewegung zwischen Masse und Gehäuse in eine Spannung umwandelt.
Frequenzgangbereiche
Wie sich der Sensor verhält, hängt vollständig davon ab, wo die Anregungsfrequenz relativ zu seiner eigenen Eigenfrequenz liegt — und die beiden Hauptsensorfamilien arbeiten absichtlich auf entgegengesetzten Seiten der Resonanz:
- Unterhalb der Eigenfrequenz (Beschleunigungssensor-Regime): Masse und Gehäuse bewegen sich im Wesentlichen gemeinsam, und die kleine Restauslenkung der Masse ist proportional zur Beschleunigung. Piezoelektrische und MEMS-Beschleunigungssensoren arbeiten hier, unterhalb ihrer hohen montierten Resonanz.
- Bei Eigenfrequenz: das System gerät in Resonanz — das Ausgangssignal wird verstärkt, ist aber verzerrt und unzuverlässig, daher wird eine Messung in der Nähe der Resonanz vermieden.
- Oberhalb der Eigenfrequenz (Seismometer-Regime): Die Masse bleibt effektiv stehen, während das Gehäuse um sie herum schwingt, und die Relativbewegung folgt der Gehäuse Verschiebung (oder Geschwindigkeit). Wegseismometer und bewegliche Spulen-Geschwindigkeitssensoren arbeiten hier, oberhalb ihrer niedrigen Eigenfrequenz.
- Anwendbarkeitsbereiche: ein Geschwindigkeitssensor wird üblicherweise oberhalb von ungefähr 2× seiner Eigenfrequenz verwendet, wo sich sein Verhalten eingependelt hat und flach ist; ein Beschleunigungssensor wird deutlich unterhalb seiner montierten Resonanz eingesetzt — typischerweise bis etwa zu einem Drittel davon für eine gute Genauigkeit.
2. Arten von seismischen Aufnehmern
Geschwindigkeitsaufnehmer (Drehspulsensoren)
- Ein Magnet ist an Federn innerhalb einer festen Spule aufgehängt (oder andersherum).
- Die Relativgeschwindigkeit zwischen Magnet und Spule erzeugt durch elektromagnetische Induktion eine Spannung.
- Eigenfrequenz typischerweise 8-15 Hz.
- Verwendbar oberhalb von etwa 16-30 Hz.
- Misst die Geschwindigkeit direkt und benötigt keine Signalintegration.
Beschleunigungsmesser
- Piezoelektrisch Typen verwenden einen Piezokristall, um die Trägheitskraft der Masse zu messen.
- MEMS-Typen verwenden kapazitive oder piezoresistive Sensoren auf einem mikrogefertigten Element.
- Deutlich höhere (montierte) Eigenfrequenz, typischerweise 10–30 kHz.
- Im Gegensatz zu Geschwindigkeitssensoren, verwendet unter Resonanz: nutzbar von etwa 1 Hz bis ungefähr zu einem Drittel der montierten Resonanzfrequenz.
- Misst die Beschleunigung, die in die Geschwindigkeit oder den Weg integriert werden kann.
3. Seismische vs. nicht-seismische Sensoren
Die seismische Familie lässt sich am besten verstehen, wenn man sie mit Sensoren vergleicht, die auf eine externe Referenz angewiesen sind.
Seismische Sensoren (Inertialreferenz)
- Beschleunigungs- und Geschwindigkeitsaufnehmer.
- Messung der absoluten Bewegung im Inertialraum.
- Direkt an der vibrierenden Struktur montieren.
- Sie tragen ihre eigene innere Masse als Referenz mit sich.
- Die häufigste Wahl für die Überwachung von Maschinen.
Nicht-seismische Sensoren (Externe Referenz)
- Näherungssensoren (Wirbelstromsensoren).
- Messung der relativen Bewegung zwischen zwei Oberflächen.
- Sie benötigen einen festen Montagepunkt, von dem aus Sie schauen können.
- Sie messen in der Regel die Bewegung der Welle relativ zum Lager.
- Norm für die Wellenschwingungsmessung an Maschinen mit Gleitlager.
4. Vorteile der seismischen Auslegung
Eigenständige Referenz
- Es wird kein externer Bezugsrahmen benötigt.
- Der Sensor kann fast überall an einer schwingenden Struktur angebracht werden.
- Sie meldet echte absolute Bewegung im Inertialraum.
Vielseitigkeit
- Ein Sensortyp deckt sehr viele Anwendungen ab.
- Eignet sich sowohl für temporäre Erhebungen als auch für permanente Installationen.
- Leicht von Maschine zu Maschine zu transportieren.
Diese Vielseitigkeit ist der Grund, warum tragbare Instrumente auf sie setzen. Das zweikanalige Balanset-1A, zum Beispiel, ermittelt seine Messwerte von Beschleunigungssensoren, die an den Lagergehäusen befestigt sind — selbstreferenzierende seismische Sensoren, die keinen festen Bezugspunkt benötigen, so dass ein Ingenieur beim Auswuchten vor Ort schnell zwischen Messpunkten und Maschinen wechseln kann.
5. Beschränkungen
Frequenzgangbeschränkungen
- Geschwindigkeitssensoren können unterhalb von ungefähr 2× ihrer Eigenfrequenz nicht zuverlässig messen; insbesondere bewegliche Spulentypen sprechen unterhalb von 15–20 Hz schlecht an. Es gibt einen inhärenten Zielkonflikt: Eine niedrigere Eigenfrequenz verbessert den Tieffrequenzbereich, erfordert aber einen größeren, schwereren Sensor.
- Beschleunigungssensoren verlieren an Genauigkeit, wenn sich die Messfrequenz ihrer montierten Resonanz nähert; die praktische Obergrenze (typischerweise etwa ein Drittel der montierten Resonanz) hängt stark von der Befestigungsart ab (siehe ISO 5348).
- Im sehr niedrigen Bereich wird das Verhalten von Beschleunigungssensoren durch das Sensorelement und die Verstärkerelektronik begrenzt, nicht durch die seismische Aufhängung — typischerweise bis hinunter zu etwa 0.5–1 Hz bei industriellen Standardgeräten.
Misst die Gehäusebewegung
- Der Sensor meldet die Bewegung des Lagergehäuses, nicht direkt die der Welle.
- Gehäuseschwingungen sind nicht dasselbe wie Wellenschwingungen - sie werden durch die Lagersteifigkeit und die umgebende Struktur gefiltert.
- Wo es auf die tatsächliche Wellenumlaufbahn ankommt, sind stattdessen Näherungssonden erforderlich.
6. Anwendungen
Maschinenzustandsüberwachung
- Messungen der Schwingungen von Lagergehäusen.
- Allgemeine Vibrationstendenz.
- Lagerdefekt Erkennung.
- Allgemeine Diagnose von rotierenden Maschinen.
Strukturschwingungen
- Schwingungsmessungen an Gebäuden und Fundamenten.
- Seismische Überwachung von Erdbeben.
- Von Maschinen abgestrahlte Bodenvibrationen.
Modalanalyse
- Messung der Reaktion eines Bauwerks auf einen kalibrierten Aufprall.
- Bestimmung von Eigenfrequenzen und Eigenformen.
- Aufbau der Frequenzgangfunktionen verwendet in Modalanalyse.
Seismische Messwandler, die eine intern aufgehängte Masse als Trägheitsreferenz nutzen, bilden die Grundlage der Schwingungsmessung an rotierenden Maschinen. Das Verständnis des seismischen Prinzips — wie eine aufgehängte Masse die Messung der Absolutbewegung ermöglicht und warum Geschwindigkeitssensoren oberhalb ihrer Eigenfrequenz arbeiten, während Beschleunigungssensoren unterhalb ihrer montierten Resonanz arbeiten — erklärt sowohl die Stärken als auch die Grenzen dieser beiden Arbeitspferde jedes industriellen Programms zur Schwingungsanalyse.
