Leitfaden für Beschleunigungsmesser und Anwendungen der Schwingungsanalyse

Stellen Sie sich eine majestätische Brücke vor, die inmitten tobender Stürme standhaft steht – für das bloße Auge unbeweglich, aber mit komplizierten, mikroskopischen Bewegungen vibrierend. Diese Vibrationen, wie der Atem der Brücke, offenbaren sowohl ihre Widerstandsfähigkeit als auch potenzielle Schwachstellen. Der Schlüssel zur Entschlüsselung dieser verborgenen Sprache liegt in Beschleunigungsmessern, unseren hochentwickeltsten Werkzeugen zum Verständnis von Schwingungsphänomenen.

Vibration, ein grundlegendes physikalisches Phänomen, bezieht sich auf die oszillierende Bewegung von Objekten oder mechanischen Komponenten um ihre Gleichgewichtsposition. Diese Bewegungen können periodisch sein, wie das Schwingen eines Pendels, oder zufällig, wie ein Fahrzeug, das auf einer Schotterstraße hüpft. Die Schwingungsanalyse, die typischerweise in Metern pro Sekunde zum Quadrat (m/s²) oder in Gravitationseinheiten (g, wobei 1g ≈ 9,81 m/s²) gemessen wird, spielt eine entscheidende Rolle in den Bereichen Maschinenbau, Fertigung und Transport. Sie ermöglicht die Bewertung des Zustands von Geräten, die Vorhersage von Fehlern, die Optimierung von Konstruktionen und die Leistungssteigerung.

Vibrationen werden hauptsächlich in zwei Kategorien eingeteilt, die auf ihren Anregungsmechanismen basieren:

Tritt auf, wenn ein Objekt oder eine Struktur nach einer anfänglichen Störung (wie Stoß oder Verschiebung) ohne kontinuierliche äußere Kraft natürlich schwingt. Das anhaltende Klingeln einer Stimmgabel nach dem Anschlagen ist ein Beispiel für freie Vibration. Die Eigenschwingfrequenzdes Systems – seine inhärente Schwingungstendenz – bestimmt dieses Verhalten. Resonanz, ein Sonderfall, entsteht, wenn die äußere Anregung mit dieser Eigenschwingfrequenz übereinstimmt, wodurch Vibrationen potenziell auf zerstörerische Niveaus verstärkt werden.

Ergeben sich aus kontinuierlichen äußeren Kräften, ob rotatorisch, alternierend oder anderweitig periodisch. Industrielle Beispiele sind Waschmaschinen, die während des Schleuderns aufgrund von Unwuchten in den Trommeln vibrieren. Bei der Zustandsüberwachung offenbart die Analyse erzwungener Vibrationen von rotierenden Maschinen (Kompressoren, Turbinen, Pumpen) Betriebszustände. Die langfristige Verfolgung dieser Schwingungssignaturen ermöglicht eine vorausschauende Wartung, erhöht die Sicherheit und reduziert gleichzeitig die Kosten.

Zwei Hauptsensortypen dominieren die Schwingungsmessung:

Diese piezoelektrischen Sensoren – die gebräuchlichsten Werkzeuge zur Schwingungsmessung – arbeiten über den piezoelektrischen Effekt: Bestimmte Kristalle erzeugen Spannung, wenn sie mechanisch beansprucht werden. Wenn die Beschleunigung eine innere Masse innerhalb des Sensors bewegt, erzeugt die proportionale Kraft auf den Kristall eine messbare Ladung. Verfügbar als:

• Ladungsmodus-Beschleunigungsmesser:Geben Rohladungssignale aus, die eine externe Verstärkung erfordern, um die Anfälligkeit für Rauschen zu verringern.
• IEPE-Beschleunigungsmesser:Enthalten eingebaute Ladungsverstärker, die von Konstantstromquellen gespeist werden und Impedanzänderungen in messbare Spannungen umwandeln. Werden aufgrund ihrer Rauschunempfindlichkeit und Benutzerfreundlichkeit für industrielle Anwendungen bevorzugt.

Beschleunigungsmesser zeichnen sich bei Hochfrequenzmessungen (Lager-, Getriebe- oder Blattvibrationen) aus und können Stöße (Explosionen, Ausfalltests) oder niederfrequente Bewegungen beurteilen.

Diese berührungslosen Sensoren messen Abstände zu Zielobjekten und sind besonders nützlich für die direkte Überwachung der Wellenvibrationen in schweren Maschinen mit gedämpften Außenverkleidungen (z. B. große Turbinen).

Die Auswahl geeigneter Beschleunigungsmesser erfordert die Bewertung mehrerer Faktoren:

Die maximal erwarteten Schwingungspegel bestimmen die erforderlichen Messbereiche. Übersteuerung verursacht Signalverzerrung. Anwendungen mit hohen Vibrationen erfordern Sensoren mit geringer Empfindlichkeit und geringem Gewicht.

Ausgedrückt in mV/g (z. B. ergibt 100 mV/g 1 V Ausgang bei 10 g), variiert die Empfindlichkeit mit der Frequenz – eine vollständige Kalibrierung ist unerlässlich. Geringe Empfindlichkeit eignet sich für Signale mit hoher Amplitude; hohe Empfindlichkeit erkennt subtile Vibrationen.

Einachsige Einheiten messen lineare Vibrationen, während triaxiale Modelle dreidimensionale Vektoren für eine umfassende Analyse erfassen (lateral, longitudinal, rotatorisch).

Die Masse des Sensors sollte 10 % des Gewichts der Teststruktur nicht überschreiten, um eine Veränderung der Schwingungseigenschaften zu vermeiden.

Die Installationstechniken beeinflussen die messbaren Frequenzbereiche erheblich:

Berücksichtigen Sie extreme Temperaturen, Chemikalienexposition und Feuchtigkeit. Ladungsmodus-Beschleunigungsmesser halten höheren Temperaturen stand, benötigen aber spezielle Verkabelung. Dichtungsarten (hermetisch, Epoxidharz, Umgebung) bestimmen die Feuchtigkeitsbeständigkeit.

Während die Stückpreise vergleichbar sind, reduzieren IEPE-Systeme in groß angelegten Einsätzen häufig die Gesamtkosten, indem sie teure Kabel und externe Verstärker überflüssig machen.

Genaue Messungen erfordern eine ordnungsgemäße Signalverarbeitung:

• Verstärkung zur Verbesserung der Auflösung und des Signal-Rausch-Verhältnisses
• Stromversorgung für IEPE-Sensoren
• AC-Kopplung zur Entfernung von DC-Offsets
• Filterung zur Eliminierung hochfrequenter Störungen
• Ordnungsgemäße Erdung zur Vermeidung von Interferenzen

Fortschritte bei drahtlosen Sensoren, Cloud Computing und Big-Data-Analysen versprechen intelligentere, stärker integrierte Schwingungsüberwachungssysteme. Durch die Gewinnung tieferer Einblicke aus Schwingungsdaten können Branchen ein beispielloses Maß an vorausschauender Wartung, betrieblicher Effizienz und Anlagensicherheit erreichen. Als Kunst und Wissenschaft wird sich die Schwingungsmessung weiterhin als unverzichtbare industrielle Disziplin weiterentwickeln.