Industrielle Vibrationsmessung: Technische Spezifikationen, Auswahl und Anwendung für die Maschinenzuverlässigkeit

1. Einführung

Die Überwachung des Maschinenzustands ist für die industrielle Zuverlässigkeit von entscheidender Bedeutung. Die Vibrationsanalyse ermöglicht die frühzeitige Erkennung mechanischer Schäden und verhindert so katastrophale Ausfälle. Die Auswahl der geeigneten Sensortechnologie für bestimmte Anlagen – wie Kreiselpumpen, Kompressoren, Turbinen oder Getriebe – erfordert ein umfassendes Verständnis der Wandlerphysik, des Frequenzgangs und der Umgebungsbedingungen. Eine falsche Sensorauswahl ist eine der Hauptursachen für ungenaue Daten und das Versäumnis, sich entwickelnde mechanische Probleme zu erkennen.

2. Grundprinzipien

Vibrationssensoren wandeln mechanische Bewegungen (Verschiebung, Geschwindigkeit oder Beschleunigung) in messbare elektrische Signale um. Die Auswahl hängt von der Frequenz und Amplitude der überwachten Bewegung ab.

2.1 IEPE-Beschleunigungsmesser

Piezoelektrische (IEPE) Sensoren mit integrierter Elektronik verwenden einen piezoelektrischen Kristall – typischerweise Keramik oder Quarz – der eine Ladung erzeugt, wenn er mechanischer Belastung ausgesetzt wird. Ein interner Mikroschaltkreis (JFET) wandelt diese hochohmige Ladung in ein niederohmiges Spannungssignal um und ermöglicht so die Übertragung über lange Kabel ohne nennenswerte Signaldämpfung oder Rauschanfälligkeit. Sie sind der Standard für Hochfrequenzmessungen, beispielsweise zur Lagerdefekterkennung.

2.2 Geschwindigkeitswandler

Geschwindigkeitsaufnehmer messen direkt die Geschwindigkeit vibrierender Maschinen. Sie reagieren von Natur aus empfindlich auf niedrigere Frequenzen und werden häufig bei Geräten verwendet, die auf das Gleichgewicht empfindlich reagieren. Moderne Festkörpersensoren simulieren die herkömmliche Geschwindigkeitsreaktion zwischen Spule und Magnet mithilfe integrierter Schaltkreise in Verbindung mit einem Beschleunigungsmesser und eliminieren so die beweglichen mechanischen Teile, die bei herkömmlichen Sensoren mit beweglicher Spule normalerweise versagen.

2.3 Näherungssonden

Näherungssensoren arbeiten nach dem Wirbelstromprinzip. Ein hochfrequentes Trägersignal von einem externen Oszillator/Demodulator (Proximator) erzeugt an der Sondenspitze ein Magnetfeld. Wenn sich ein leitendes Material (z. B. eine Maschinenwelle) in dieses Feld bewegt, werden Wirbelströme induziert, die die Impedanz der Spule verändern. Diese Sonden messen die relative Verschiebung und sind für die Überwachung der Gleitlagerdynamik, der Wellenumlaufbahnen und der axialen Position in großen rotierenden Geräten unerlässlich.

3. Technische Spezifikationen und Standards

Design und Anwendung dieser Sensoren müssen den etablierten internationalen Standards entsprechen, um Zuverlässigkeit und Datenintegrität zu gewährleisten:

• ISO 10816 / ISO 20816: Bietet Richtlinien für die Bewertung von Maschinenvibrationen durch Messungen an nicht rotierenden Teilen (z. B. Gehäuse).
• API 670: Der Industriestandard für Maschinenschutzsysteme, der die Anforderungen für Näherungsmesssysteme detailliert beschreibt, einschließlich Linearität, Frequenzbereich und Umwelttests.
• IEC 61010: Regelt Sicherheitsanforderungen für elektrische Geräte zur Messung, Steuerung und Labornutzung.

Zu den wichtigsten Spezifikationen gehören Empfindlichkeit (z. B. 100 mV/g für IEPE), Frequenzgang (typischerweise ±5 % oder ±3 dB-Bereiche), Dynamikbereich (maximale Amplitude vor Sättigung) und Betriebstemperaturgrenzen.

4. Leitfaden zur Auswahl und Größenbestimmung

5. Best Practices für Installation und Inbetriebnahme

Die Montage des Sensors hat direkten Einfluss auf den nutzbaren Frequenzbereich. Die Bolzenmontage bietet die steifste Verbindung und ermöglicht eine Hochfrequenz-Datenerfassung (bis zu 15–20 kHz). Eine Klebemontage ist akzeptabel, wenn eine hochsteife, dünnschichtige Epoxidharzschicht verwendet wird. Es reduziert jedoch den Hochfrequenzgang. Die Magnetbefestigung eignet sich für periodische, niederfrequente Diagnosemessungen, ist jedoch für die permanente Überwachung oder Hochfrequenzanalyse ungeeignet.

Die Installation des Näherungssensors erfordert eine sorgfältige Kalibrierung der Spaltspannung gemäß dem angegebenen linearen Bereich (typischerweise -10 V bis -2 V). Falsche Spalteinstellungen führen dazu, dass der Sensor in einem nichtlinearen Bereich arbeitet, was zu erheblichen Messfehlern bei den Wellenpositionsdaten führt.

6. Fehlermodi und Ursachenanalyse

Sensorausfälle sind oft auf Umgebungs- oder Installationsprobleme zurückzuführen:

• Kabelermüdung: Wiederholte Maschinenbewegungen beanspruchen die Kabel und führen zu zeitweiligem Signalverlust. Verwenden Sie flexible, abgeschirmte Leitungen und eine geeignete Zugentlastung.
• Sättigung: Hochfrequente Stöße (z. B. Stöße auf das Getriebe) können den Dynamikbereich des Sensors überschreiten und zu Verstärkersättigung und Clipping führen.
• Eindringen von Feuchtigkeit: Ein Versagen der Umgebungsabdichtung (Kompromiss IP67/IP68-Einstufung) führt zu einem Zusammenbruch des Isolationswiderstands und einer Signaldrift.
• Erdschleifen: Eine unsachgemäße Erdung der Signalabschirmung verursacht 50/60-Hz-Störungen. Verwenden Sie bei Bedarf isolierte Sensoren.

7. Vorausschauende Wartung und Zustandsüberwachung

Die Zustandsüberwachung basiert auf fortschrittlicher Signalverarbeitung:

• FFT (Fast Fourier Transform): Wird verwendet, um Zeitbereichssignale in Frequenzspektren zu zerlegen, um diskrete Fehlerfrequenzen (z. B. Ungleichgewicht, Fehlausrichtung) zu identifizieren.
• Hüllkurvenanalyse: Extrahiert hochfrequente Stöße von Lagern und ermöglicht so die Erkennung von Abplatzungen oder Lochfraß im Frühstadium.
• Trending: Überwachung des gesamten Vibrationsniveaus (z. B. Geschwindigkeits-RMS) anhand von ISO 20816-Standards, um den Schweregrad und die Notwendigkeit eines Eingriffs zu bestimmen.

8. Vergleichsmatrix

Zusammenfassung

Zuverlässige Schwingungsüberwachung beginnt mit der Auswahl geeigneter Sensoren, abgestimmt auf die physikalischen und diagnostischen Anforderungen des mechanischen Systems. IEPE-Beschleunigungsmesser sind für die Hochfrequenz-Lageranalyse unerlässlich, während Näherungssonden für die Überwachung von Gleitlagerwellen von entscheidender Bedeutung sind. Um die Datengenauigkeit sicherzustellen, ist neben korrekten Installationstechniken auch die Einhaltung von API- und ISO-Standards erforderlich. Eine umfassende Palette zertifizierter Vibrationssensoren in Industriequalität, die für Ihre MRO-Anforderungen geeignet sind, finden Sie in unseren verfügbaren Lösungen im UNITEC-D E-Katalog.

10. Referenzen

1. ISO 20816-1:2016, Mechanische Vibration – Messung und Bewertung von Maschinenvibrationen.
2. API-Standard 670, Maschinenschutzsysteme, 5. Auflage.
3. IEC 61010-1, Sicherheitsanforderungen für elektrische Geräte zur Messung, Steuerung und Labornutzung.
4. Mobley, R.K., Vibration Fundamentals, Butterworth-Heinemann.