Wie misst man Vibrationen?
Die Messung und Überwachung von Vibrationen ist ein wichtiger Bestandteil der Maschinenwartung. Vibrationsmessungen ermöglichen es, den Zustand einer Maschine zu überwachen und aufzuzeichnen sowie Fehler und Ausfälle frühzeitig zu erkennen. Das präzise Messen von Vibrationen ist jedoch nicht so einfach, wie es scheint. Aufgrund der vielen Komponenten einer Vibration ist das Messverfahren recht komplex. Zusätzlich variiert der Messvorgang je nach Art des Schwingungssensors.
Was sind Vibrationen und wie lassen sie sich quantifizieren?
Kurz gesagt: Vibrationen sind periodische mechanische Schwingungen von Körpern um einen Gleichgewichtspunkt. Diese Schwingungen (und damit die Vibrationen selbst) werden durch ihre Beschleunigung, Geschwindigkeit, Auslenkung und Frequenz quantifiziert. Um diese Komponenten zu bestimmen, analysieren wir die Schwingungsfrequenz und -amplitude, üblicherweise in Form von Spitze-Spitze-, Spitzenpegel-, Durchschnittspegel- oder RMS- (Effektivwert) Messungen.
Abbildung 1: Analysemethoden für das Schwingungssignal einer schwingenden Stimmgabel.
Betrachten wir zum Beispiel eine Stimmgabel: Wenn man die Gabel anschlägt, beginnt sie zu vibrieren bzw. zu schwingen. Die Amplitude der entstehenden Welle entspricht dann der physikalischen Verschiebung der Gabelenden gegenüber ihrer Ruhelage. Darüber hinaus ist es auch möglich, die Verschiebung der Gabel in Form von Beschleunigung und Geschwindigkeit zu beschreiben, da diese Komponenten durch eine Funktion der Zeit (oder der Frequenz) miteinander verknüpft sind.
Abbildung 2: Schwingungssignale einer Stimmgabel als Funktion der Zeit, dargestellt als örtliche Verschiebung, Geschwindigkeit und Beschleunigung.
Welche Arten von Vibrationssensoren gibt es?
Vibrationssensoren gibt es je nach Einsatz und industrieller Anwendung in verschiedenen Formen: Dehnungsmessstreifen, Mikrofonsensoren, Laser-Wegsensoren, Wirbelstromsensoren und viele mehr.
Beschleunigungsmesser
Der bei weitem gebräuchlichste Typ von Schwingungssensoren ist jedoch der piezoelektrische Beschleunigungssensor. Wie der Name schon sagt, messen diese Sensoren die Schwingungsbeschleunigung eines Objekts unter Ausnutzung des piezoelektrischen Effekts.
Exkurs: Piezoelektrischer Effekt
Der piezoelektrische Effekt beschreibt die Fähigkeit eines Materials, durch eine mechanische Belastung ein messbares elektrisches Feld zu erzeugen. Das bedeutet, dass ein piezoelektrisches Material bei jeder Art von mechanischer Belastung eine elektrische Ladung erzeugt, die proportional zu der aufgebrachten Kraft ist.
Aufbau und Funktionsprinzip
Ein Beschleunigungssensor besteht aus einer seismischen Masse, einer Feder, einem piezoelektrischen Material, einer integrierten Mikroelektronik und einem Sockel zur Befestigung des Sensors. Abbildung 3 zeigt einen typischen ICP-Beschleunigungsmesser, während Abbildung 4 einen vereinfachten Aufbau und das Funktionsprinzip zeigt. Bei jeder einzelnen Schwingung wird der Sensor beschleunigt. Die seismische Masse wird also verschoben und übt eine Kraft auf das piezoelektrische Material gemäß dem zweiten Newtonschen Bewegungsgesetz (Kraft = Masse x Beschleunigung) aus. Dies führt zu einer Änderung der elektrostatischen Kraft oder Spannung des Materials, die gemessen werden kann. Im Allgemeinen wird das messbare Signal bereits vor dem Auslesen mit einem integrierten IC-Verstärker verstärkt. Für die Messung selbst ist jedoch noch ein externes Gerät wie ein Voltmeter oder ein DAQ-Gerät (Datenerfassungsgerät) erforderlich.
Abbildung 3: Klassisches Design eines ICP-Beschleunigungssensors. (© PCB electronics).
|
 Abbildung 4: Vereinfachtes Funktionsprinzip eines Beschleunigungssensors. |
Wie funktioniert die Vibrationsmessung bei DEWETRON?
DEWETRON ist ein Spezialist auf dem Gebiet der Messtechnik und bietet eine große Auswahl an Messgeräten an. Insbesondere unsere 1620-ACC-, 2402-dACC- und MULTI-Karten sind für Schwingungsmessungen optimiert und speziell für Beschleunigungssensoren ausgelegt. Diese Messkarten verfügen bereits über eine eingebaute Spannungsversorgung, die von der integrierten Elektronik des Sensors benötigt wird und die ein einfacher Spannungseingang nicht hat.
Je nach Serie können unsere Karten entweder in ein DEWE2- oder DEWE3-Messsystem eingebaut werden. Dazu gehören unsere klassischen Mainframe-Systeme für Prüfstände, unsere TRIONet-Frontend-Erweiterung sowie unsere tragbaren All-in-One-Messsysteme. In Kombination mit unserem MSI-BR-ACC-Adapter ist es außerdem möglich, Beschleunigungssensoren mit PUREC zu betreiben – unserem tragbaren, erweiterbaren und einfach zu bedienenden Datenrekorder.
Interesse an unseren Produkten? – Klicken Sie hier!
| DAQ Systeme | Messkarten | PUREC |
Langer Rede kurzer Sinn
Die Überwachung von Vibrationen (und somit Schwingungen) ist für jedes Unternehmen mit Schwermaschinen und Geräten unerlässlich. Das Messverfahren selbst ist recht komplex und hängt stark von der Art des verwendeten Sensors ab, wobei der Beschleunigungssensor am häufigsten verwendet wird. Zusätzlich zu den meisten Sensoren wird ein DAQ-System zum Auslesen und Darstellen der Daten benötigt. Zu diesem Zweck bietet DEWETRON eine Vielzahl von Optionen an, darunter kundenspezifische Messkarten und verschiedene DAQ-Systeme.
