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 an Federn oder nachgiebigen Biegeelementen als Trägheitsreferenz aufgehängt ist, wodurch er die absolute Bewegung der Sensorbasis messen kann. Wenn das Gehäuse vibriert, neigt die aufgehängte Masse dazu, im Raum stillzustehen (vorausgesetzt, die Frequenz liegt über der des Masse-Feder-Systems Eigenfrequenz), und die Relativbewegung zwischen dem beweglichen Gehäuse und der nahezu feststehenden Masse wird in ein elektrisches Signal umgewandelt, das die Schwingung darstellt. Das entscheidende Merkmal ist, dass die Referenz übertragen 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.
- Frühling: 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 ganz davon ab, wo die Erregungsfrequenz im Verhältnis zu seiner eigenen Eigenfrequenz liegt:
- Unterhalb der Eigenfrequenz: Die Masse und das Gehäuse bewegen sich gemeinsam, so dass es nur eine geringe Relativbewegung und eine schlechte Reaktion gibt.
- Bei Eigenfrequenz: das System schwingt mit - die Leistung wird verstärkt, aber verzerrt und unzuverlässig.
- Oberhalb der Eigenfrequenz: Die Masse bleibt praktisch an Ort und Stelle, während das Gehäuse um sie herum vibriert. Dies ist der Bereich der guten Messung.
- Verwendbare Reichweite: wird üblicherweise als mehr als das 2fache der Eigenfrequenz angesehen, bei der sich die Reaktion eingependelt hat und flach ist.
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.
- Viel höhere Eigenfrequenz, typischerweise 10-30 kHz.
- Verwendbar ab etwa 1 Hz aufwärts.
- 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 angewiesen sind. Das zweikanalige Balanset-1A, Die Messwerte werden von Beschleunigungssensoren ermittelt, die an den Lagergehäusen befestigt sind. Diese selbstreferenzierenden seismischen Sensoren benötigen keinen festen Bezugspunkt, so dass ein Ingenieur beim Auswuchten vor Ort schnell zwischen Messpunkten und Maschinen wechseln kann.
5. Beschränkungen
Frequenzgangbeschränkungen
- Kann unterhalb von etwa 2× der Eigenfrequenz nicht zuverlässig messen.
- Vor allem Drehspulgeschwindigkeitsaufnehmer sprechen unterhalb von 15-20 Hz schlecht an.
- Es gibt einen inhärenten Kompromiss: Eine niedrigere Eigenfrequenz ermöglicht eine bessere Reichweite bei niedrigen Frequenzen, erfordert aber einen größeren und schwereren Sensor.
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 Aufnehmer, die eine innere, aufgehängte Masse als Trägheitsreferenz verwenden, bilden die Grundlage der Schwingungsmessung an rotierenden Maschinen. Das Verständnis des seismischen Prinzips - wie eine aufgehängte Masse eine absolute Bewegungsmessung ermöglicht und warum diese Messung nur oberhalb der Eigenfrequenz des Sensors gültig ist - erklärt sowohl die Stärken als auch die Grenzen von Beschleunigungs- und Geschwindigkeitsaufnehmern, den beiden Arbeitspferden jedes industriellen Schwingungsanalyseprogramms.
