Vibrationssensorprodukte und -technologien

Was ist ein Vibrationssensor?

Ein Vibrationssensor ist ein Gerät, das Vibrationen an Maschinen wie Motoren und Pumpen misst. Durch die Analyse dieser Vibrationen können Wartungsingenieure erkennen, ob das Gerät ordnungsgemäß funktioniert. Wenn ungewöhnliche Vibrationen auftreten, kann dies auf einen Fehler hinweisen, der eine vorbeugende Wartung erfordern kann, um einen Ausfall zu vermeiden. Es gibt viele verschiedene Arten von Vibrationssensoren, die jeweils für bestimmte Anwendungen geeignet sind.

Wo werden Vibrationssensoren eingesetzt?

Vibrationssensoren werden am häufigsten an rotierenden Geräten wie Motoren, Pumpen, Verdichtern, Getrieben und Gasturbinen eingesetzt.

Eine breite Palette von Branchen, einschließlich Kfz-Branche und Luft- und Raumfahrt, Lebensmittel und Getränke, Zellstoff und Papier, Öl und Gas, Bergbau und Metallverarbeitung, stützen sich auf rotierende Geräte, um Anwendungen wie Fördersysteme, Öfen und Brennöfen, Windkraftanlagen, Trockner und Walzwerke zu ermöglichen.

Eine wachsende Zahl von Industrien verwendet die Vibrationsüberwachung von rotierenden Maschinen, um die Gesundheit ihrer Produktions- und Prozessanlage zu gewährleisten. Es ist normal, dass Systeme wie Motoren und Pumpen vibrieren, aber jedes ungewöhnliche Verhalten kann auf Fehler hinweisen, die durch Probleme wie verschlissene Lager oder falsch ausgerichtete Antriebswellen verursacht werden.

Zum Beispiel sind Lüfter und Verdichter entscheidend für den ordnungsgemäßen Betrieb von HLK-Systemen Die Vibrationsüberwachung in diesen Systemen stellt sicher, dass die Luft richtig strömt und den Raum oder die Maschine auf der erforderlichen Temperatur hält. In der chemischen Industrie sind viele Stoffe korrosiv für Rohrleitungen und andere Behälter und müssen daher in Bewegung gehalten werden. Dafür sind Pumpen und Motoren erforderlich, die zuverlässig sind und ohne Unterbrechung arbeiten. Die Vibrationsüberwachung stellt sicher, dass Probleme frühzeitig erkannt und Maßnahmen ergriffen werden können, um die Verfügbarkeit der Ausrüstung aufrechtzuerhalten, wodurch Schäden an Anlagenbehältern und möglicherweise teure und riskante Reinigungsprozesse vermieden werden.

Wie funktioniert ein Vibrationssensor?

Vibrationssensoren wandeln Bewegung mit einem Wandler in elektrische Energie um. Es gibt mehrere physikalische Phänomene, die verwendet werden können, um diese Umwandlung zu erreichen. Eines der gebräuchlichsten Verfahren ist der piezoelektrische Effekt, bei dem ein mechanischer Druck auf ein kristallines Material eine entsprechende elektrische Ausgabe bewirkt, die analysiert und zur Darstellung der Werte der ursprünglichen Vibrationen verwendet werden kann.

Andere Verfahren sind MEMS-Geräte (mikro-elektromechanische Systeme), die eine Chip-basierte Technologie ist. Kapazitive MEMS-Geräte messen Vibrationen, indem sie ihre Kapazität als Reaktion auf eine Beschleunigung ändern. Eine andere Technik verwendet Wirbelströme, die im Messobjekt durch eine Spule induziert werden. Die Abstandsänderung zwischen Spule und Zielobjekt erzeugt ein proportionales Ausgangssignal.

Auch Mikrofonsensoren werden verwendet. Diese wandeln das durch Vibrationen erzeugte Geräusch in elektrische Signale um.

Was ist ein Erschütterungssensor?

Ein Erschütterungssensor ähnelt einem Vibrationssensor, reagiert jedoch auf plötzliche Stoßbelastungen, anstatt kontinuierliche Vibrationen zu messen. Einige Erschütterungssensoren basieren auf dem piezoelektrischen Prinzip und erzeugen eine Ausgabe als Reaktion auf eine Biegebeanspruchung.

Ein alternatives Verfahren sind magneto-dynamische Erschütterungssensoren. Diese verwenden einen Magneten, der auf einer Feder montiert ist, um einen Strom in einer Spule zu induzieren, wenn eine Erschütterung den Magneten bewegt.

Erschütterungssensoren erzeugen eine geringe Ausgabe, wenn sie eine langsame Beschleunigung erfahren, z. B. wenn sie von einem Standort zu einem anderen bewegt werden. Wenn sie jedoch einer schnellen Erschütterung ausgesetzt sind, beispielsweise fallen gelassen werden, erzeugen sie eine Ausgabe, die der Geschwindigkeit und Größe der erfassten Kraft entspricht. Sie können auch dazu verwendet werden, die Richtung der Erschütterungskraft anzuzeigen, indem eine Plus- oder Minus-Ausgabe erzeugt wird.

Zu den Anwendungen von Erschütterungssensoren gehört die Vermeidung von Lese- und Schreibfehlern in Festplattenlaufwerken, welche durch einen Sturz verursacht werden könnten. Sie können auch eingesetzt werden, um die Reifendrehzahl zu messen und Reifendrucküberwachungssysteme zur Erhaltung der Batterielaufzeit zu aktivieren.

Typen von Vibrationssensoren

• Dehnungsmesser

Ein gängiger Typ von Vibrationssensoren ist der Dehnungsmesser. Diese können entweder durch den piezoresistiven Effekt oder den piezoelektrischen Effekt wirken.

Piezoresistive Dehnungsmesser haben die Form einer Folie. Diese enthält ein elektrisch leitfähiges Gitter, das verformt wird, wenn das zu prüfende Bauelement, beispielsweise ein Motor, Vibrationen aufweist. Diese Verformungen verändern den elektrischen Widerstand des Gitters und durch Ablesen der Zeit, die ein elektrischer Strom benötigt, um dadurch zu strömen, kann die Vibration des Objekts beurteilt werden.

Eine typische Anordnung ist ein Piezofoliensensor, der aus einem rechteckigen Abschnitt aus piezoelektrischer Folie besteht, welcher direkt auf die Oberfläche des Bauelements geklebt ist.

Der andere Haupttyp eines Dehnungsmessers ist ein piezoelektrischer Sensor, bei dem eine auf bestimmte Materialien ausgeübte mechanische Kraft eine Ladung über das Material erzeugt. Diese Kraft kann als Spannung proportional zum Druck gemessen werden.

Die Ladung über dem Sensor wird im Laufe der Zeit aufgrund von Faktoren wie unvollkommene Isolierung und Innenwiderstand des Sensors verschwinden. Damit sind sie für die Messung des statischen Drucks ungeeignet. Sie reagieren jedoch empfindlich auf dynamische Druckänderungen über einen weiten Frequenz- und Druckbereich und eignen sich daher ideal für den Einsatz als Vibrationssensoren.

Dehnungsmesser können oft im freien Raum angebracht werden. Wenn die Baugruppe durch direkten Kontakt abgelenkt wird, wirkt das Gerät wie ein flexibler „Schalter“, der eine Ausgabe erzeugt. Wenn die Baugruppe von ihren Kontakten getragen wird und im freien Raum frei vibrieren kann, verhält sich das Gerät wie ein Beschleunigungsmesser oder ein Vibrationssensor.

• Beschleunigungsmesser

Die mit Abstand gebräuchlichsten Vibrationssensoren sind Beschleunigungsmesser. Sie funktionieren, indem sie Änderungen in der Geschwindigkeit des Bauelements messen. Diese Geschwindigkeitsänderungen werden durch Vibrationen angezeigt, die den Beschleunigungsmesser dazu veranlassen, ein elektrisches Signal zu erzeugen. Diese Signale können zu brauchbaren Vibrationsdaten verarbeitet werden.

Ein Beschleunigungsmesser arbeitet mit einem elektromechanischen Sensor, der entweder statische oder dynamische Beschleunigung misst. Die statische Beschleunigung ist die konstante Kraft, die auf einen Körper wirkt, wie Schwerkraft oder Reibung. Dynamische Beschleunigungskräfte sind ungleichförmig, wobei die besten Beispiele dafür Vibrationen oder Erschütterungen sind.

Piezoelektrische Beschleunigungsmesser sind der am weitesten verbreitete Typ, der bei den meisten Frequenzen ein starkes, klares Signal erzeugt, obwohl auch piezoresistive Beschleunigungsmesser zunehmend verbreitet sind. Diese sind in der Lage, hohe und niedrige Frequenzen zu erfassen, sind jedoch wesentlich teurer als der piezoelektrische Typ.

Ein- und Mehr-Achsen-Beschleunigungsmesser können sowohl die Größe als auch die Richtung der richtigen Beschleunigung, die sie erfahren, erfassen. Sie wird als Vektorgröße ausgedrückt und kann dazu verwendet werden, Vibrationen, die Orientierung des Sensors, die Koordinatenbeschleunigung, die Erschütterung und das Fallen in einem resistiven Medium zu erfassen.

Ein-Achsen-Beschleunigungsmesser weisen einen einzigen Kristall auf und reagieren somit auf Vibrationen in einer Ebene. Drei-Achsen-Beschleunigungsmesser messen die Vibration auf drei Achsen, X, Y und Z, mit drei Kristallen, die jeweils so positioniert sind, dass sie auf einer anderen Ebene wirkende Kräfte reagieren. Die Ausgabe des Beschleunigungsmessers weist drei Signale auf, die jeweils die Vibration auf einer der Achsen repräsentieren.

MEMS-Beschleunigungsmesser sind ebenfalls erhältlich und werden in zwei Haupttypen angeboten – piezoelektrische und kapazitive Beschleunigungsmesser. Ein piezoelektrischer MEMS-Beschleunigungsmesser kombiniert einen starren Körper und eine physikalische Masse, die an einem piezoelektrischen Kristall angebracht ist. Wenn eine Bewegung auftritt, erzeugt die Masse eine Spannung, die das piezoelektrische Material dehnt und eine Ladung erzeugt, die proportional zur Beschleunigung ist. Er wird meist zur Messung von Vibration und Erschütterung verwendet.

Bei einem kapazitiven MEMS-Beschleunigungsmesser treibt die Änderung der Beschleunigung die Bewegung der Prüfmasse an, wodurch der Abstand zwischen zwei Polen des parallelen Plattenkondensators verringert wird. Die Beschleunigung wird dann durch die Messung der Kapazitätsänderung berechnet. Er ist für seine Genauigkeit bekannt und die am häufigsten verwendete Art von Beschleunigungsmesser.

Im Vergleich zu üblichen piezoelektrischen Beschleunigungsmessern bieten die MEMS-Beschleunigungsmesser eine Reihe von Vorteilen. Neben einer relativ kompakten Größe im Vergleich zu Standardgeräten können MEMS-Beschleunigungsmesser bis zu DC messen, was sie sehr nützlich für die Bewertung von sich langsam bewegenden Maschinen macht. Dieses Merkmal findet Anwendung bei der Messung von Vibrationen in Windkraftanlagen und in langsam rotierenden Geräten, die in Branchen wie der Metallverarbeitung und der Lebensmittel- und Getränkeindustrie eingesetzt werden, in denen Drehzahlen von weniger als 60 U/min üblich sind.

MEMS-Sensoren können sich auch schneller von Stoßbelastungen erholen als übliche piezoelektrische Beschleunigungsmesser, sodass sie sowohl Aufprallereignisse als auch nachfolgende Vibrationsmessungen zuverlässig erfassen können.

• Mikrofonvibrationssensoren

Eine weitere Option sind Mikrofonsensoren. Vibrationen erzeugen Schall, der zum Teil aus hohen Frequenzen besteht, die vom Menschen nicht wahrzunehmen sind. Mikrofonsensoren können Änderungen bei diesen hochfrequenten Tönen erfassen und sind eine kostengünstige Methode, einige grundlegende Informationen bereitzustellen.

Mit ihrem weiten Frequenzbereich können Mikrofone eine klare und genaue Darstellung der im Vibrationsmuster einer Maschine vorhandenen Frequenzen liefern. Sie können zwar Frequenzänderungen erkennen, aber keine absoluten Werte liefern.

Aus diesem Grund werden sie häufig neben Beschleunigungsmessern eingesetzt.
Ein typisches Produkt ist das Kontaktmikrofon CM-01B von TE Connectivity. Dabei kommt eine empfindliche und dennoch robuste PVDF-Piezofolie zum Einsatz, die mit einem rauscharmen elektronischen Vorverstärker kombiniert wird. Das Design minimiert externe akustische Geräusche und bietet gleichzeitig eine äußerst hohe Empfindlichkeit gegenüber Vibrationen. Zu den Eigenschaften gehören eine große Bandbreite, hohe Empfindlichkeit, hohe Stoßfestigkeit, geringes Gewicht und niedrige Kosten.

• Andere Typen von Vibrationssensoren

Verschiedene andere Typen von Vibrationssensoren sind verfügbar.

Ein Wirbelstromsensor ist eine Art berührungsloser Sensor. Er funktioniert, indem er Wirbelströme im Messobjekt mittels einer Spule induziert. Wenn der Sensor befestigt ist und das Objekt Vibrationen aufweist, wird diese Bewegung im Magnetfeld registriert. Die Abstandsänderung zwischen Spule und Zielobjekt erzeugt ein proportionales Ausgangssignal.

Da Wirbelstromsensoren die Bewegung relativ zur Sensorposition messen, müssen sie befestigt werden. Die Tatsache, dass sie keinen Kontakt mit dem Objekt herstellen müssen, macht sie ideal für empfindliche Anlagen oder Einrichtungen.

Eine andere berührungslose Technik, die Laserabstandsmessung, verwendet einen Laserstrahl, der auf das Objekt gerichtet ist. Der Strahl wird zurück zu einem Detektor reflektiert. Positionsänderungen des Objekts führen dazu, dass der Strahl auf einen anderen Teil des Detektors trifft, was als Messung der Bewegung des Objekts interpretiert wird.

Gyroskope sind eine Kontakttechnik, welche die Winkelgeschwindigkeit misst – wie schnell sich etwas dreht oder rotiert. Sie verwenden die MEMS-Technologie, um eine genaue Messung dazu zu erhalten, um wie viele Grad sich ein Objekt pro Sekunde dreht. Gyroskope werden in der Regel nicht alleine verwendet, sondern ergänzen die Daten eines Beschleunigungsmessers um Orientierungsdaten.

Auswahl eines Vibrationssensors

Bei der Auswahl der richtigen Vibrationssensoren für eine Anwendung müssen mehrere Überlegungen angestellt werden.

Eine davon ist die zu verwendende Technologie. Vielleicht benötigen Sie eine berührungsbasierte oder berührungslose Technologie, möchten sehr niederfrequente oder sehr hochfrequente Vibrationen messen, müssen Vibrationen auf mehr als einer Ebene messen oder benötigen ein sehr kompaktes Gerät. Diese Anforderungen können die einsetzbaren Vibrationserfassungstechnologien einschränken.

Empfindlichkeit ist ein weiterer Aspekt. Beispielsweise liegt die Empfindlichkeit industrieller Beschleunigungsmesser zwischen 10 und 100 mV/g. Die Auswahl der richtigen Empfindlichkeit für eine Anwendung erfordert die Kenntnis des Bereichs des Vibrationsamplitudenpegels, denen der Sensor während der Messungen ausgesetzt sein wird.

Wenn die Maschine am Messpunkt Vibrationen mit hoher Amplitude (größer als 10 g rms) erzeugt, ist ein Sensor mit niedriger Empfindlichkeit (10 mV/g) vorzuziehen. Beträgt die Vibration dagegen weniger als 10 g rms, sollte ein 100 mV/g-Sensor gewählt werden. Keineswegs darf der Spitzenpegel g den Beschleunigungsbereich des Sensors überschreiten.

Um den Frequenzbereich auszuwählen, müssen wir die Frequenzanforderungen der Anwendung bestimmen. Der Hochfrequenzbereich des Sensors wird durch die Empfindlichkeit bei Annäherung an die Resonanz eingeschränkt. Viele Sensorverstärker filtern auch den oberen Teil des Frequenzbereichs, um die Amplitude der Resonanz abzuschwächen.

Die meisten Vibrationen von Industriemaschinen enthalten Frequenzen unter 1000 Hz, aber es kann auch Bauelemente mit höheren Frequenzen geben, die von Interesse sind. Beispielsweise könnte bei einer Welle die höchste Frequenz von Interesse eine harmonische Schwingung sein, die ein Produkt aus der Laufgeschwindigkeit und der Anzahl der Lager auf der Welle ist.

Noch ein weiterer Faktor ist die Temperatur, wobei Sensoren die Temperaturbereiche in der vorgeschlagenen Anwendung unterstützen müssen. Dies ist wichtig, da die thermische Ausdehnung des Metallgehäuses des Sensors oder anderer metallischer Bauelemente zu fehlerhaften Ausgaben führen kann.

Es gibt viele verschiedene Sensoren und es ist wichtig, den richtigen Vibrationssensor für die Anwendung zu finden. Eine genaue Messung der Vibration ist unerlässlich, wenn die zustandsbasierte Überwachung von rotierenden Maschinen das gesamte Nutzungspotenzial ausschöpfen soll.