Wie messen Vibrationssensoren die Beschleunigung, um den Zustand der Maschine zu verfolgen?

Die Zustandsüberwachung von Maschinen ist eng mit dem größeren Programm der vorausschauenden Wartung verbunden. Ziel der vorausschauenden Wartung ist es, plötzliche und katastrophale Maschinenausfälle zu reduzieren oder zu beseitigen, indem die für die Maschinenfunktion kritischen Komponenten aktiv überwacht werden. Durch die Überwachung von Komponenten wie Motoren, Lüftern, Pumpen und anderen Bestandteilen wie Lagern und die Verfolgung von Parametern wie Temperatur und Vibration sowie die Verwendung von Algorithmen zur Analyse der auf diese Weise gesammelten Daten können Ausfälle vermieden werden, bevor sie auftreten.

Eine der gebräuchlichsten Techniken zur Zustandsüberwachung ist die Schwingungsanalyse. Grundsätzlich verwendet dieses Verfahren Sensoren, um Vibrationen in einer Maschine und Maschinenkomponenten zu überwachen. Diese Daten werden dann im weiteren Verlauf weiter analysiert, um festzustellen, ob eine Abweichung vom normalen Betrieb vorliegt und ob und welche Art von Eingriff erforderlich ist.

Vibrationssensoren werden häufig zur Messung von Vibrationen eingesetzt. Typische Schwingungssensoren messen die Schwingung von Maschinenkomponenten wie Wellen und Lagern rotierender Geräte wie Motoren und Pumpen. Vibrationssensoren selbst basieren auf verschiedenen Arten von Betriebstechniken, einschließlich der gebräuchlichsten, die auf Beschleunigungsmessern basieren. Andere Schwingungssensoren arbeiten mit Dehnungsmessstreifen, Mikrofonen oder Drucksensoren oder anderen Arten von Messtechniken.

Wie funktionieren Vibrationssensoren? Das Herzstück des gebräuchlichsten Vibrationssensortyps ist ein Beschleunigungsmesser. Alle Beschleunigungsmesser messen die Beschleunigung, die eine Kraft ist. Im Wesentlichen misst es den Bewegungsgrad eines Objekts. In gewissem Sinne ist es also keine Vibration, die direkt gemessen wird, sondern eine Kraft, die detektiert wird und als Vibration identifiziert wird.

Eine der häufigsten Arten von Vibrationssensoren verwendet einen keramischen piezoelektrischen Sensor oder Beschleunigungsmesser. Der Beschleunigungsmesser misst die dynamische Beschleunigung eines physikalischen Objekts unter Verwendung der durch den piezoelektrischen Effekt erzeugten Spannung. Grundsätzlich weisen einige Materialien die Fähigkeit auf, als Reaktion auf eine mechanische Beanspruchung eine Spannung zu erzeugen. Diese Materialien oder Kristalle bilden den zentralen Teil von Beschleunigungsmessern, die in Vibrationssensoren verwendet werden. So wird eine Beschleunigung auf eine Masse innerhalb des Beschleunigungsmessers übertragen, die dann eine proportionale Kraft auf den piezoelektrischen Kristall erzeugt. Diese Kraft auf den Kristall erzeugt eine elektrische Ladung, die proportional zur Kraft ist, die die Beschleunigung ist.

Piezoelektrische Beschleunigungsmesser bieten eine Reihe von Vorteilen. Zum einen helfen ihr hoher Frequenzgang, ihre Linearität über einen weiten Frequenzbereich und ihre große Bandbreite bei der Messung hochfrequenter Schwingungen. Gerade in industriellen Anwendungen verfügen Vibrationssensoren in der Regel über wenige Merkmale, die einen langfristig zuverlässigen Betrieb gewährleisten. Dazu gehören ein großer Betriebstemperaturbereich, verschiedene Verpackungsoptionen und Langzeitstabilität.

Die Auswahl des richtigen Schwingungssensors beginnt mit dem Verständnis der zu erwartenden Signalcharakteristik und der zu berücksichtigenden Umgebungsfaktoren wie Temperaturbereich oder gefährliche Umgebungen. Daraus kann man den von einem Sensor benötigten Empfindlichkeitsbereich und Frequenzbereich ableiten. Der Empfindlichkeitsbereich hängt von der Kenntnis der erwarteten Schwingungsamplitude ab, auf die der Sensor wahrscheinlich stoßen wird. Ebenso kann der Frequenzbereich auch aus vergangenen Frequenzdaten der zu überwachenden Maschine oder Komponente abgeschätzt oder bekannt sein.