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Einstieg in die Zustandsüberwachung mittels Vibrationsmessung

In der Vergangenheit wurden Beschleunigungsmesser in der Zustandsüberwachung hauptsächlich für schwere high-end-Maschinen wie Windkraftanlagen, Industriepumpen, Kompressoren und HLK-Systeme eingesetzt. Aufgrund der zunehmenden Automatisierung steigt die Nachfrage nach Lösungen in Form kleinerer, massentauglicher Systemen; dabei geht es dann z.B. um die Überwachung von Maschinenspindeln, Förderbändern, Sortiertischen oder Werkzeugmaschinen, die druchaus eine vorausschauende Wartung erfordern. Hier setzt die rasante digitale Transformation die Maßstäbe. Denn Maschinenstillstandszeiten in allen diesen Anwendungen sind ein entscheidender Faktor für das Kundenerlebnis und die Rentabilität.



In diesem Beitrag werden verschiedene Technologien von Beschleunigungsmessern für die industrielle Zustandsüberwachung miteinander verglichen.


KRITISCHE FAKTOREN

Für industrielle Zustandsüberwachungs- und vorausschauende Wartungsanwendungen werden die folgenden Parameter zur Schwingungsspezifikation / -analyse als kritisch angesehen, um eine langfristige, zuverlässige, stabile und genaue Leistung der Systemlösung sicherzustellen.

  • Breiter Frequenzgang

  • Messauflösung und Dynamikbereich

  • Langzeitstabilität bei minimalem Drift

  • Betriebstemperaturbereich

  • Verpackungsoptionen und einfache Installation

  • Sensor Ausgabeoptionen

Breiter Frequenzgang

Um alle möglichen Ausfallarten von Maschinen zu erkennen, sollte der Frequenzgang des Beschleunigungsmessers das 40- bis 50-fache der Wellendrehzahl (Umdrehungen pro Minute) für die Lagerüberwachung betragen. Bei Lüftern und Getrieben sollte die Mindestobergrenze des Beschleunigungsmessers das 4- bis 5-fache der Blattdurchgangsfrequenz betragen. Die untere Frequenzgrenze ist je nach Maschine weniger kritisch. selten ist eine Frequenz <2 Hz erforderlich.


Messauflösung und Dynamikbereich

Die Messauflösung des Beschleunigungsmessers ist eine Funktion der Amplitude des Ausgangssignals zum Breitbandrauschen der Bordelektronik. Ein Beschleunigungsmesser mit überlegener Signalausgabe ermöglicht die Messung kleinerer Vibrationspegel in der Maschine. Die Fähigkeit, eine niedrigere Schwingungsamplitude zu messen, ermöglicht es dem Endbenutzer, einen Fehler viel früher vorherzusagen als ein Sensor mit einem niedrigeren Dynamikbereich.


Es gibt andere Faktoren, die die Messauflösung beeinflussen, z. B. Umgebungsbedingungen, EMI / RFI-Interferenz (elektromagnetische und Hochfrequenz), DAQ-Schnittstelle (Define Data Acquisition) und Kabellänge. Daher müssen alle Faktoren für die ausgewählte Installation berücksichtigt werden.

In der Regel sollte das Ausgangssignal 10x höher sein als der Rauschpegel des Sensors, damit der Ausgang eine zuverlässige Messung darstellt.


Eine einfache Gleichung für die Messauflösung lautet wie folgt:


Auflösung (g) = Bandbreite des Rauschens (V) / Sensorempfindlichkeit (V / g)


Langzeitstabilität

Langzeitdrift ist eine Verschiebung der Empfindlichkeits- und / oder Nullausgangsmessung (Nullausgangsdrift gilt nur für MEMS-Sensoren). Eine Verschiebung der Empfindlichkeit des Beschleunigungsmessers kann im Laufe der Zeit in der Anwendung einen Fehlalarm auslösen. Eine Verschiebung der Nullausgangsmessung hat auch den gleichen Effekt, dass möglicherweise eine Fehlalarm Anzeige ausgelöst wird. Da piezoelektrische Sensoren keine DC-Ansprechen haben, sind sie nicht anfällig für eine Drift von Null, sondern nur für eine Drift der Empfindlichkeit. Der MEMS VC-Sensor kann im Laufe der Zeit sowohl eine Null- als auch eine Empfindlichkeitsdrift aufweisen. Im folgenden Abschnitt werden zwei verschiedene Arten von Technologien vorgestellt, die für Anwendungen für die Zustandsüberwachung eingesetzt werden.


PIEZOELEKTRISCHE VIBRATIONSSENSOREN

Piezoelektrische (PE) Beschleunigungsmesser enthalten piezoelektrische Kristalle, die durch elastische Verformung ein Signal liefern; dies kann zum Beispiel durch äußere Anregung wie einer Vibrationsmaschinen geschehen. Die meisten piezoelektrischen Sensoren basieren auf Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik (PZT), mit dem Vorteil, dass sie einen sehr hohen piezoelektrischer Koeffizienten besitzen. PZT-Kristalle sind daher ideal für den Einsatz in Anwendungen zur Zustandsüberwachung. Sie bieten einen weiten Temperaturbereich, einen breiten Dynamikbereich und eine große Frequenzbandbreite (verwendbar bis> 20 kHz).


Grundsätzlich stehen zwei Haupttypen von PE-Beschleunigungsmessern zur Verfügung: Kompressionsmodus und Schermodus (der Biegemodus ist eine selten verwendete Alternative).


Bei Konstruktionen für den Kompressionsmodus wird der piezoelektrische Kristall unter Kompression belastet wird, indem eine Masse auf den Kristall geladen und so eine Vorspannkraft ausgeübt wird. Diese Designs sind veraltet und werden aufgrund von Leistungsbeschränkungen immer weniger beliebt. Die Konstruktionen sind anfällig für während der Montage, der steigen Grundbelastung und sie weisen eine höhere thermische Abweichungen auf.


Konstruktionen für den Schermodus weisen typischerweise einen ringförmigen Scherkristall und eine ringförmige Masse auf, die an einem Stützpfosten befestigt sind. Dieses Auslegung weist im Vergleich zu Kompressionsmodus-Designs eine überlegene Leistung auf, da es basenisoliert und viel weniger anfällig für thermische Beanspruchungen ist. Dies verbessert die Stabilität in der Anwendung deutlich. Die meisten heute angebotenen Beschleunigungsmesser zur Zustandsüberwachung sind im Schermodus Design ausgelegt und sind somit für die meisten Anwendungen zur Zustandsüberwachung die geeignete Wahl.


VARIABEL KAPAZITIVE VIBRATIONSSENSOREN

VC-Sensoren (Variable Capacitance) leiten die Beschleunigungsmessung aus einer Kapazitätsänderung einer seismischen Masse ab, die sich zwischen zwei parallelen Kondensatorplatten bewegt. Die Kapazitätsänderung ist direkt proportional zur angelegten Beschleunigung. VC-Beschleunigungsmesser erfordern, dass ein IC eng mit dem Sensorelement gekoppelt ist, um die sehr kleinen Kapazitätsänderungen in einen Spannungsausgang umzuwandeln. Dieser Umwandlungsprozess führt häufig zu einem schlechten Signal-Rausch-Verhältnis und einem begrenzten Dynamikbereich.


Die VC-Sensoren werden typischerweise aus Siliziumwafern hergestellt und zu Miniatur-MEMS-Chips (Micro-Electro-Mechanical-Systems) verarbeitet.


TECHNOLOGIE-VERGLEICH

Für die industrielle Zustandsüberwachung und der vorausschauenden Wartung werden die folgenden Parameter zur Schwingungsspezifikation als kritisch angesehen, um eine langfristig zuverlässige, stabile und genaue Leistung sicherzustellen.

  • Breiter Frequenzbereich

  • Messauflösung und Dynamikbereich

  • Langzeitstabilität bei minimaler Drift

  • Betriebstemperaturbereich

  • Verpackungsoptionen und einfache Installation

  • Sensorausgabeoptionen


In den folgenden Abschnitten wurden diese kritischen Leistungsspezifikationen für einen typischen Beschleunigungsmesser zur piezoelektrischen Zustandsüberwachung und einen MEMS-Beschleunigungsmesser mit variabler Kapazität und großer Bandbreite verglichen. Beide Beschleunigungsmesser hatten einen FS-Bereich (Full Scale) von ± 50 g.


Frequenzbereich

Der Frequenzbereich der beiden Beschleunigungsmesser wurde mit einem Hochfrequenz-Kalibrierschüttler SPEKTRA GmbH CS18 HF mit einem Bereich von 5 Hz bis 20 kHz getestet. Die Sensoren wurden sicher montiert, um genaue Ergebnisse über den gesamten Test sicherzustellen. Drei Sensoren jeder Technologie, PE und MEMS VC, wurden getestet, um sicherzustellen, dass die Ergebnisse konsistent waren.


Die Testergebnisse sind hier dargestellt. Als nutzbare Bandbreite wird eine maximale Amplitudenabweichung von ± 1 dB angenommen, obwohl häufig eine engere Abweichung von ± 5% für die Bandbreitentoleranz verwendet wird.


Die Daten zeigen, dass der VC-MEMS-Sensor eine nutzbare Bandbreite von bis zu 3 kHz hat, während der piezoelektrische Sensor eine nutzbare Bandbreite von> 10 kHz hat (dieser spezielle PE-Sensor lag innerhalb der Spezifikation von bis zu 14 kHz). Es ist anzumerken, dass die Niederfrequenzabschaltung für den PE-Sensor bei 2 Hz lag, während der MEMS-Sensor eine Antwort bis zu 0 Hz hat, da es sich um ein DC-Response-Gerät handelt.


Messauflösung und Dynamikbereich

Um die Messauflösung und den Dynamikbereich der piezoelektrischen und VC-MEMS-Sensoren zu bestimmen, wurden die Proben in einer geräuschisolierten Kammer mit modernsten Messgeräten getestet, die eine Mikro-G-Messauflösung ermöglichen. Die Einheiten wurden in derselben Kammer installiert und gleichzeitig getestet, um Fehler durch Störungen der Außenumgebung zu vermeiden.


Die Messungen wurden bei vier verschiedenen Bandbreiteneinstellungen durchgeführt und das Restrauschen wurde bei jeder Einstellung gemessen. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.



Die Messauflösung und der Dynamikbereich wurden basierend auf einer Bandbreite von 0,03 bis 10 kHz berechnet und sind nachstehend aufgeführt. Die Auflösung der PE-Sensoren ist etwa 9x besser als die der VC-MEMS-Sensoren. Dies führt zu einem deutlich besseren Dynamikbereich, der es dem Endbenutzer ermöglicht, potenzielle Probleme viel früher zu erkennen.



Langzeitstabilität bei minimaler Drift

Die Langzeitstabilität von PE-Sensoren ist bei Feld-Installationen seit über 30 Jahre bekannt. Piezoelektrische Kristalle sind von Natur aus stabil und haben über die Zeit eine ausgezeichnete Stabilität. Die Langzeitdrift-Parameter hängen auch von der verwendeten Kristall Zusammensetzung ab, so dass es schwierig wäre, dies in einem tatsächlichen Wert darzustellen. Quarz hat die beste Langzeitstabilität aller PE-Beschleunigungsmesser, wird jedoch aufgrund der begrenzten Leistung und Kosten nur selten in Anwendungen zur Zustandsüberwachung eingesetzt. PZT-Kristalle (Blei-Zirkonat-Titanat) sind die am häufigsten in PE-Beschleunigungsmessern verwendeten Kristalle und werden für die meisten Anwendungen eingesetzt.


MEMS-Beschleunigungsmesser mit variabler Kapazität haben abhängig von der MEMS-Konstruktionsstruktur auch breite Spezifikationsgrenzen für die Langzeitdrift. Ein mikrobearbeiteter Bulk-MEMS-Sensor weist die beste Langzeitdrift auf, ist jedoch auch erheblich teurer und wird normalerweise nur in Trägheitsanwendungen verwendet. Für die Zustandsüberwachung bieten MEMS-Anbieter oberflächenmikrobearbeitete VC-MEMS-Sensoren an, die viel billiger sind; aber als Nachteil muss der Endbenutzer die Qualität in der Messauflösung und der Langzeitstabilität opfern. Die MEMS-Struktur von mikrobearbeiteten Oberflächenkonstruktionen ist weniger stabil als die mikrobearbeiteten Bulk-MEMS-Sensoren.


Betriebstemperaturbereich

Der Betriebstemperaturbereich von PE- und VC-MEMS-Beschleunigungsmessern ist vergleichbar und beide eignen sich für die typische Umgebung von Anwendungen zur Zustandsüberwachung, die von -40 ° C bis + 125 ° C reichen würden. In bestimmten extremen Installationen kann ein Sensor mit höherem Temperaturbereich erforderlich sein, wenn ein piezoelektrischer Lademodus Sensor die empfohlene Wahl wäre. Lademodus-PE-Beschleunigungsmesser, die die integrierte Ladungswandlerschaltung nicht enthalten, können bei Temperaturen über + 700 ° C verwendet werden.


Verpackungsoptionen und einfache Installation

Bei eingebetteten Installationen zur Zustandsüberwachung in z.B. kleineren Maschinen, können die Größe und die Montagemöglichkeiten ein wichtiger Faktor bei der Auswahl eines Beschleunigungsmessers sein. Bei größeren Maschinen wird normalerweise ein externer Beschleunigungsmesser mit TO-5-Bolzen verwendet. Bei Maschinen mit kleineren Lagern und rotierenden Wellen muss jedoch ein eingebetteter oder Miniatur-Beschleunigungsmesser verwendet werden.


Die meisten VC MEMS-Beschleunigungsmesser werden in einem SMT-Montagepaket angeboten, das sich ideal für die PCBA-Montage mit hohem Volumen eignet. Die VC MEMS-Sensoren werden auch in sehr kleinen Paketen angeboten, was mehr Verpackungsoptionen ermöglicht. PE-Beschleunigungsmesser gibt es in verschiedenen Konfigurationen. Die SMT-Mount-Version ist verfügbar, ähnlich wie bei VC MEMS, aber die Größe des SMT-Pakets ist normalerweise größer als bei VC MEMS-Designs.


PE-Beschleunigungsmesser werden auch in robusten TO-5-Dosenpaketen mit Edelstahlgehäuse angeboten. Diese Konstruktionen ermöglichen die direkte Montage an Lagergehäusen oder für eine eingebettete Installation. Die folgenden Bilder zeigen einige Optionen für PE-Sensoren.



Optionen zur Sensorausgabe

Je nach Installation und Anwendung kann eine Auswahl von Ausgangssignaloptionen erforderlich sein. Die meisten Installationen in der vorausschauenden Wartung erfordern ein analoges Signal vom Sensor, damit der Endbenutzer entscheiden kann, welche Parameter für bestimmte Maschinen überwacht werden sollen. In der Regel wird der Signalausgang über die DAQ- oder SPS-Schnittstelle angesteuert; ein Analogausgang (± 2 V oder ± 5 V) ist die häufigste Wahl.


Bei Installationen mit langen Kabellängen sind jedoch auch 4-20-mA-Sensoren mit einem Loop-Powered Trennverstärker üblich. Für zukünftige digitale Fabriken und Industrie 4.0 wird der Bedarf an digitalen Ausgangssignalen ebenso zunehmen wie für intelligente Sensoren mit integrierten Mikroprozessoren, die eine sofortige Entscheidung zur Wartung für den Endbenutzer treffen können.


Diese Ausgangssignaloptionen sind sowohl für PE- als auch für VC-MEMS-Sensoren verfügbar. Beide Technologien können diese Funktionen bereitstellen.


Zusammenfassende Vergleichstabelle

Alle oder einige der in den vorherigen Absätzen beschriebenen Leistungsparameter helfen dem Kunden, eine intelligente Entscheidung über die für die Installation der Zustandsüberwachung ausgewählte Technologie zu treffen. Die folgende Tabelle enthält eine kurze Zusammenfassung.



FAZIT

Wir haben verschiedene technologische Merkmale gesehen, die MEMS- und PE-Beschleunigungsmesser unterscheiden. Beide Technologien sind je nach Endanwendung vorteilhaft. In unserem Fall, für industrielle Zustandsüberwachung und vorausschauende Wartung, sind piezoelektrische Sensoren die offensichtliche Wahl, da sie dank ihrer bewährten Technologie und aufgrund ihrer Langzeitstabilität zuverlässige Messergebnisse liefern.


Mit ihrem breiten Frequenzbereich sind die eingebetteten PE-Beschleunigungsmesser ideal für Maschinen mit niedriger bis hoher Geschwindigkeit. Sie bieten auch eine bessere Signalauflösung für die frühe Fehlererkennung.


Vielen Dank in diesem Zusammenhang auch an unseren Partner TE Connectivity, der uns diesbezüglich mit Expertenwissen und Anwendungslösungen unterstützt.



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