Was müssen smarte Sensoren für Condition Monitoring können?

| Autor / Redakteur: Thomas Brand * / Kristin Rinortner

Anforderungen an die Vibrationssensoren

Um Vibrationssensoren zur Zustandsüberwachung einzusetzen, sind zwei Faktoren wichtig: Niedrige Kosten kombiniert mit kleiner Baugröße. Wo früher häufig piezoelektrische Sensoren eingesetzt wurden, wird heute vermehrt auf MEMS-Beschleunigungssensoren gesetzt.

Sie bieten im Vergleich höhere Auflösungen sowie ausgezeichnetes Drift- und Empfindlichkeitsverhalten, ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) und ermöglichen die Detektion von sehr niederfrequenten Schwingungen nahe dem DC-Bereich. Ferner überzeugen sie durch ihre extrem stromsparende Eigenschaften, weshalb sie sich auch gut für batteriebetriebene, drahtlose Überwachungssysteme eignen.

Ein weiterer Vorteil gegenüber Piezosensoren stellt die Möglichkeit dar, ganze Systeme in einem gemeinsamen Gehäuse zu integrieren (engl. System in Package, SiP). Diese sogenannten SiP-Lösungen wachsen zu intelligenten Systemen, indem sie weitere wichtige Funktionen beinhalten: A/D-Wandler, Mikrocontroller mit eingebetteter Firmware für applikationsspezifische Vorverarbeitung, Kommunikationsprotokolle, universelle Schnittstellen und diverse Schutzfunktionen.

Integrierte Schutzfunktionen sind wichtig, da zu hohe Krafteinwirkungen auf das Sensorelement oft zu Schäden oder zur Zerstörung des Sensors führen können. Die integrierte Erkennung einer möglichen Messbereichsüberschreitung liefert eine Warnmeldung bzw. deaktiviert das Sensorelement bei Gyroskopen, indem es dessen internen Takt abschaltet und somit das Sensorelement schützt. Wie eine SIP-Lösung aussehen kann ist in Bild 3 zu sehen.

Mit den steigenden Anforderungen bei der zustandsbasierten Überwachung nehmen auch die Ansprüche an die Sensoren zu. Für ein aussagekräftiges CbM liegt beispielsweise der Messbereich der Sensoren teilweise bei mehr als ±50 g. Da sich die Beschleunigung proportional zum Quadrat der Frequenz verhält gelangt man relativ schnell zu derartig hohen Beschleunigungskräften. Gleichung 1 beschreibt dies.

a = –4 * π² * ƒ² * d

Die Variable a steht für die Beschleunigung, f für die Frequenz und d für Amplitude der Schwingung. So ergibt sich beispielsweise für eine Vibration mit 1 kHz bereits bei einer Amplitude von 1 µm eine Beschleunigung von 39,5 g.

Das Rauschen sollte über einen möglichst breiten Frequenzbereich, von nahezu DC bis in den mittleren, zweistelligen kHz-Bereich, sehr gering ausfallen, damit auch Lagergeräusche bei bereits sehr geringen Drehzahlen jenseits anderer Artefakte erkennbar sind. Doch genau hierbei stehen die Hersteller von Vibrationssensoren derzeit noch vor einer großen Herausforderung, speziell bei mehrachsigen Sensoren.

Nur wenige Hersteller bieten adäquate, rauscharme Sensoren mit Bandbreiten über 2 kHz bei mehr als einer Achse. Analog Devices hat speziell für CbM-Anwendungen die dreiachsigen Sensorfamilie ADXL356/ADXL357 entwickelt. Sie bietet ein sehr gutes Rauschverhalten und eine hervorragende Temperaturstabilität. Trotz ihrer begrenzten Bandbreite von 1,5 kHz (Resonanzfrequenz = 5,5 kHz) liefern diese Beschleunigungssensoren wichtige Messwerte bei der Zustandsüberwachung von Geräten mit geringeren Drehzahlen, wie beispielsweise bei Windkraftanlagen.

Für höhere Bandbreiten eignen sich die einachsigen Sensoren der Familie ADXL100x. Sie bieten bei extrem geringen Rauschen Bandbreiten bis 24 kHz (Resonanzfrequenz = 45 kHz) und g-Bereiche bis zu ±100 g. Durch die hohe Bandbreite können mit dieser Sensorfamilie die Mehrzahl der bei rotierenden Maschinen vorkommenden Fehler detektiert werden (beschädigte Gleitlager, Unwucht, Reibung, Lockerung, Verzahnungsfehler, Lagerverschleiß und Kavitation).

Analyseansätze zur zustandsbasierten Überwachung

Die Analyse der Maschinenzustände bei der zustandsbasierten Überwachung kann mittels verschiedener Ansätze durchgeführt werden. Die wohl gängigsten Verfahren sind die Analyse im Zeitbereich, die Analyse im Frequenzbereich sowie ein Mix beider.

1. Zeitbasierte Analyse: Bei einer Schwingungsanalyse im Zeitbereich werden der Effektivwert (RMS), der Spitze-Spitze-Wert und die Amplitude der Vibration betrachtet (Bild 4). Der Spitze-Spitze-Wert spiegelt die maximale Auslenkung der Welle des Motors wieder und lässt somit Aussagen über deren maximale Beanspruchung zu.

Der Amplitudenwert beschreibt die Stärke der auftretenden Vibration und identifiziert ungewöhnliche Schockereignisse. Die Dauer bzw. die Energie während des Vibrationsereignisses, und damit das zerstörerische Potenzial, wird jedoch nicht berücksichtigt. Der Effektivwert ist somit in der Regel am aussagekräftigsten, da er sowohl die Zeithistorie als auch den Amplitudenwert der Vibrationen betrachtet. Durch die Abhängigkeit dieser Parameter von der Motordrehzahl kann eine statistische Schwelle für die RMS-Vibration korreliert werden.

Diese Analyse ist sehr einfach, da sie weder grundlegende Systemkenntnisse noch eine Spektralanalyse verlangt.

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