Schwingungen mit Beschleunigungsmessern messen

Was ist Schwingung? 

Schwingung ist die Bewegung oder mechanische Schwingung um eine Gleichgewichtsposition einer Maschine oder eines Bauelements. Sie kann periodisch (z. B. die Bewegung eines Pendels) oder zufällig (z. B. die Bewegung eines Reifens auf einer Schotterstraße) sein. Schwingungen können in metrischen Einheiten (m/s²) oder in Einheiten der Gravitationskonstanten g ausgedrückt werden, wobei für 1 g = 9,81 m/s² gilt. Ein Objekt kann auf zwei Arten schwingen: freie Schwingung und erzwungene Schwingung.

Eine freie Schwingung tritt auf, wenn ein Objekt oder eine Struktur verschoben oder angeschlagen wird und dann auf natürliche Weise schwingen kann. Wenn Sie z. B. eine Stimmgabel anklicken, klingelt sie und dann wird der Schall abgeschwächt. Natürliche Frequenz bezieht sich oft auf die Frequenz, mit der eine Struktur nach einem Aufprall oder einer Verschiebung „schwingen“ soll. Die Resonanz ist die Tendenz, dass ein System bei manchen Frequenzen heftiger schwingt als bei anderen. Durch erzwungene Schwingungen bei oder in der Nähe der natürlichen Frequenz eines Objekts entsteht in der Struktur Energie. Im Laufe der Zeit kann die Schwingung sehr groß werden, selbst wenn die Eingangs-Erzwingung sehr klein ist. Wenn eine Struktur natürliche Frequenzen hat, die normalen Umgebungsvibrationen entsprechen, vibriert die Struktur heftiger und versagt vorzeitig.

Erzwungene Schwingung tritt auf, wenn eine Struktur aufgrund einer veränderlichen Kraft vibriert. Durch rotierende oder wechselnde Bewegungen kann ein Objekt mit unnatürlichen Frequenzen vibrieren. Ein Beispiel für diese Bewegung ist das Ungleichgewicht in einer Waschmaschine, bei dem die Maschine mit einer Frequenz schüttelt, die der Drehung des Drehstücks entspricht. Bei der Zustandsüberwachung können Sie Schwingungsmessungen verwenden, um den Zustand rotierender Maschinen wie Kompressoren, Turbinen oder Pumpen anzuzeigen. Diese Maschinen bestehen aus einer Vielzahl von Teilen, und jedes Teil trägt durch ein einzigartiges Schwingungsmuster oder eine einzigartige Signatur bei. Durch die Ermittlung unterschiedlicher Schwingungssignaturen im Zeitverlauf können Sie den Ausfall einer Maschine vorhersagen und die Wartung richtig planen, um die Sicherheit zu erhöhen und die Kosten zu senken.

Schwingungsmessung 

Schwingungen werden am häufigsten mit einem piezoelektrischen Keramiksensor oder Beschleunigungsmesser gemessen. Die meisten Beschleunigungsmesser setzen auf die Verwendung des piezoelektrischen Effekts, der auftritt, wenn eine Spannung über bestimmte Arten von Kristallen während der Beanspruchung erzeugt wird. Die Beschleunigung der zu prüfenden Struktur wird auf eine seismische Masse im Beschleunigungsmesser übertragen, wodurch eine proportionale Kraft auf den piezoelektrischen Kristall erzeugt wird. Diese externe Beanspruchung des Kristalls erzeugt dann eine elektrische Ladung mit hoher Impedanz, die proportional zur aufgebrachten Kraft und somit proportional zur Beschleunigung ist. 

Auswählen des richtigen Beschleunigungsmessers

Da Beschleunigungsmesser so vielseitig sind, können Sie aus einer Vielzahl von Ausführungen, Größen und Messbereichen wählen. Wenn Sie die Eigenschaften des zu messenden Signals und die Umgebungsbedingungen kennen, können Sie die verschiedenen elektrischen und physikalischen Spezifikationen für Beschleunigungsmesser durchschauen.

Schwingungsamplitude

Die maximale Amplitude oder der maximale Bereich der gemessenen Schwingung bestimmt den Sensorbereich, den Sie verwenden können. Wenn Sie versuchen, Vibrationen außerhalb des Sensorbereichs zu messen, wird die Reaktion verzerrt oder abgeschnitten. In der Regel würden Sie mit einem Beschleunigungsmesser hohe Schwingungspegel mit geringerer Empfindlichkeit und geringerer Masse überwachen.

Empfindlichkeit

Die Empfindlichkeit ist einer der wichtigsten Parameter für Beschleunigungsmesser. Sie beschreibt die Umwandlung von Schwingung und Spannung bei einer Bezugsfrequenz, z. B. 160 Hz. Die Empfindlichkeit wird in mV pro G angegeben. Wenn die typische Empfindlichkeit des Beschleunigungsmessers 100 mV/G beträgt und Sie ein 10-G-Signal messen, erwarten Sie einen Ausgang von 1000 mV oder 1 V. Die genaue Empfindlichkeit wird durch die Kalibrierung ermittelt und ist in der Regel im Kalibrierzertifikat aufgeführt, das dem Sensor beiliegt. Die Empfindlichkeit ist ebenfalls frequenzabhängig. Um festzustellen, wie die Empfindlichkeit mit der Frequenz variiert, ist eine vollständige Kalibrierung über den verwendbaren Frequenzbereich erforderlich. In Abbildung 4 sind die typischen Frequenzgangcharakteristiken eines Beschleunigungsmessers dargestellt. Im Allgemeinen sollten Sie einen Beschleunigungsmesser mit niedriger Empfindlichkeit zum Messen von Signalen mit hoher Amplitude und einen Beschleunigungsmesser mit hoher Empfindlichkeit zum Messen von Signalen mit niedriger Amplitude verwenden.

Achsenanzahl

Sie können zwischen zwei axialen Beschleunigungsmessern wählen. Mit dem am häufigsten verwendeten Typ kann die Beschleunigung entlang einer Achse gemessen werden. Mit diesem Typ von Sensor werden häufig mechanische Schwingungen gemessen. Der zweite Typ ist ein dreiachsiger Beschleunigungsmesser. Mit ihm kann ein dreidimensionaler Beschleunigungsvektor in der Form orthogonaler Komponenten erzeugt werden. Verwenden Sie diesen Typ, wenn Sie die Art der Schwingung (z. B. seitlich, quer oder rotierend) bestimmen müssen.

Gewicht

Beschleunigungsmesser sollten deutlich weniger wiegen als die zu überwachende Struktur. Das Hinzufügen von Masse an die Struktur kann die Schwingungseigenschaften der Struktur verändern und möglicherweise zu ungenauen Daten und Analysen führen. Das Gewicht des Beschleunigungsmessers sollte in der Regel nicht größer als 10 Prozent des Gewichts der Prüfstruktur sein.

Montageoptionen

Eine weitere Überlegung bei Schwingungsmessungen betrifft das Befestigen des Beschleunigungssensors auf der gewünschten Oberfläche. Sie können zwischen vier typischen Montageverfahren wählen:

• Tragbare oder Sonden-Spitzen
• Magnetisch
• Klebstoff
• Bolzenbefestigung (Stud)

Die Bolzenbefestigung ist bei weitem die beste Montagetechnik, erfordert jedoch ein Bohren in das Zielmaterial und ist im Allgemeinen der dauerhaften Installation des Sensors vorbehalten. Die anderen Methoden sind für das temporäre Befestigen gedacht. Die verschiedenen Befestigungsmethoden wirken sich allesamt auf die messbare Frequenz des Beschleunigungssensors aus. Allgemein lässt sich sagen: je lockerer die Verbindung, desto niedriger die messbare Frequenzgrenze. Wenn dem Beschleunigungsmesser eine beliebige Masse hinzugefügt wird (z. B. eine klebende oder magnetische Befestigungsunterlage), verringert sich die Resonanzfrequenz, was sich auf die Genauigkeit und die Grenzen des nutzbaren Frequenzbereichs des Beschleunigungsmessers auswirken kann. Sehen Sie sich die Beschleunigungsmesser-Spezifikationen an, um zu ermitteln, wie sich unterschiedliche Montageverfahren auf die Frequenzmessgrenzen auswirken. Tabelle 1 zeigt typische Grenzfrequenzen für einen 100-mV/G-Beschleunigungsmesser.

Einschränkungen durch die Umgebung

Beachten Sie bei der Auswahl eines Beschleunigungsmessers kritische Umgebungsparameter wie die maximale Betriebstemperatur, die Einwirkung schädlicher Chemikalien und die Luftfeuchtigkeit. Die meisten Beschleunigungsmesser sind aufgrund ihrer robusten und zuverlässigen Bauweise in gefährlichen Umgebungen einsetzbar. Für einen zusätzlichen Schutz können industrielle Beschleunigungsmesser aus Edelstahl die Sensoren vor Korrosion und Chemikalien schützen.

Verwenden Sie einen Beschleunigungssensor im Ladungsmodus, wenn das System bei extremen Temperaturen betrieben werden muss. Da diese Beschleunigungsmesser keine integrierte Elektronik enthalten, wird die Betriebstemperatur nur durch das Sensorelement und die verwendeten Materialien begrenzt. Da sie jedoch nicht über eine integrierte Konditionierung und Ladungsverstärkung verfügen, reagieren Beschleunigungsmesser im Ladungsmodus empfindlich auf Umgebungseinflüsse und erfordern eine rauscharme Verkabelung. Wenn die Umgebung laut ist, verwenden Sie einen Inline-Ladungswandler oder einen IEPE-Sensor mit integriertem Ladungsverstärker.

Die Feuchtigkeitsspezifikationen werden durch die Dichtungsart des Beschleunigungsmessers festgelegt. Zu den gängigen Dichtungen gehören hermetische, Epoxid- oder Umweltdichtungen. Die meisten dieser Dichtungen halten hohen Feuchtigkeitsgraden stand. NI empfiehlt jedoch eine hermetische Dichtung, wenn sie in Flüssigkeiten eingetaucht und lange Zeit übermäßiger Feuchtigkeit ausgesetzt wird.

Kosten

Obwohl Ladungsmodus- und IEPE-Beschleunigungsmesser ähnliche Kosten haben, sind die Kosten für IEPE-Beschleunigungsmesser für größere Mehrkanalsysteme erheblich geringer, da keine speziellen rauscharmen Kabel und Ladungsverstärker erforderlich sind. Darüber hinaus sind IEPE-Beschleunigungsmesser einfacher zu bedienen, da ihre Bedienung und Wartung weniger Pflege, Aufmerksamkeit und Aufwand erfordert.

Signalaufbereitung für Beschleunigungsmesser

Wenn Sie einen Beschleunigungsmesser für die korrekte Messung durch ein DAQ-Gerät vorbereiten, müssen Sie folgende Faktoren beachten, um sicherzustellen, dass alle Anforderungen an die Signalaufbereitung erfüllt werden:

• Verstärkung zur Erhöhung der Messauflösung und Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses
• Erregerstrom zur Versorgung des Ladungsverstärkers in IEPE-Sensoren
• AC-Kopplung zum Entfernen des Gleichspannungsanteils, um die Auflösung zu erhöhen und den vollen Bereich des Eingangsgeräts auszunutzen
• Filterung zum Entfernen externer Hochfrequenzrauschen
• Korrekte Erdung zur Eliminierung von Störungen durch den Stromfluss zwischen verschiedenen Massepotentialen
• Dynamikbereich zur Messung des gesamten Amplitudenbereichs des Beschleunigungsmessers

Weitere Informationen zum Aufbereiten, Erfassen, Analysieren und Anzeigen von Beschleunigungsmessermessungen finden Sie im Ingenieursleitfaden zu genauen Sensormessungen.

Anschließen von Beschleunigungsmessern an Hardware von NI

Nachdem Sie Ihre Sensor- oder Testanforderungen kennen, ist die Entscheidung für die Hardware, mit der diese Daten erfasst werden, der nächste wichtige Schritt. Die Qualität der Erfassungshardware bestimmt die Qualität der erfassten Daten.

NI bietet verschiedene Hardware zur Erfassung von Schwingungen und Schwingungen an, die mit einer Vielzahl von IEPE-Sensoren kompatibel ist.

Informationen zur Kompatibilität von Schall und Schwingung von NI mit IEPE-Sensoren, Beschleunigungsmessern usw. finden Sie unter Erregung und Quellenspannung für IEPE-Sensoren in Karten von NI. Wenn ein Vorverstärker verwendet wird, funktioniert die Schall- und Schwingungshardware von NI zwar weiterhin, aber die Signaleigenschaften können sich ändern. Vergewissern Sie sich, dass der Ausgang des Vorverstärkers innerhalb des Eingangsbereichs der Schall- und Schwingungshardware liegt. Bei Nicht-IEPE-Sensoren müssen Sie sicherstellen, dass der Sensorausgang mit den Eingangsfunktionen des Geräts kompatibel ist.