Einführung in piezoelektrische industrielle Beschleunigungssensoren

In den letzten zehn Jahren hat sich die Erfassung von Schwingungsparametern zur meistgenutzten Technologie für die Überwachung des Maschinenzustands entwickelt. Industrielle Beschleunigungssensoren sind das Arbeitspferd auf dem Markt für vorbeugende Instandhaltung geworden. Diese Sensoren sind extrem robust, bieten einen großen dynamischen Bereich und sind in einer Vielzahl von Konfigurationen erhältlich, um individuellen Installationsanforderungen gerecht zu werden.

Bei der Auswahl des richtigen Beschleunigungssensors für eine bestimmte Anwendung kommt es oft zu Verwirrung. Es gibt viele gute Allzweck-Beschleunigungsaufnehmer, die 80 % der Anwendungen abdecken können. Für die restlichen 20 % sind spezielle Schwingungssensoren erforderlich. Zu diesen Anwendungen gehören z. B. die Überwachung sehr hoher Frequenzen, Messungen sehr niedriger Frequenzen, sehr niedriger Amplituden, Installationen bei hohen Temperaturen und viele andere.

In diesem Vortrag werden die grundlegenden Konstruktionsmerkmale von Beschleunigungsaufnehmern erläutert. Besonderes Augenmerk wird auf die Beschreibung der Kriterien gelegt, die spezielle Sensoren wie z. B. Niederfrequenz-Beschleunigungsmesser ausmachen. Es werden Anwendungshinweise zum Einbau von Beschleunigungsmessern, zu Montagetechniken und zur Verkabelung gegeben.

Auswahl des Materials

Beschleunigungssensoren sind piezoelektrische Geräte, d. h. das primäre Sensorelement ist ein piezoelektrisches Element, das so konstruiert ist, dass bei Belastung durch Schwingungskräfte ein proportionales elektrisches Signal erzeugt wird. Es gibt Materialien, die von Natur aus piezoelektrisch sind. Quarz ist ein natürliches Material, das häufig in Beschleunigungsaufnehmern verwendet wird und eine unübertroffene Langzeitstabilität aufweist. Polykristalline keramische Materialien können so hergestellt werden, dass sie piezoelektrische Eigenschaften aufweisen. Blei-Zirkonat-Titinat (PZT) ist ein gängiges Material, das in Beschleunigungsaufnehmern verwendet wird, nachdem sie "polarisiert" wurden. Bei der Abfrage von PZT wird die Keramik sehr hohen Gleichspannungen bei hohen Temperaturen ausgesetzt, um die Domänen entlang der Abfrageachse auszurichten. PZT zeigt mit der Zeit einen natürlichen Leistungsabfall und muss häufig neu kalibriert werden. Besondere Anstrengungen bei der künstlichen Alterung der Einheiten verringern diesen Zustand. Starke Erschütterungen oder hohe Temperaturen können ebenfalls Verschiebungen in der Ausgabe von PZT-basierten Sensoren verursachen.

Im Allgemeinen werden sowohl Quarz als auch PZT für die Herstellung von Beschleunigungsaufnehmern verwendet. Jedes Material hat bestimmte Vor- und Nachteile. Wie bereits erwähnt, weist Quarz eine hervorragende Temperaturstabilität auf, hat keine Alterungseffekte und ist daher im Laufe der Zeit äußerst stabil. Quarzsensoren haben eine hohe Spannungsempfindlichkeit und benötigen Spannungsverstärker zur Aufbereitung des Signals. Spannungsverstärker mit großen Widerständen sind in der Regel von Natur aus lauter und begrenzen das minimal messbare Signal, ermöglichen aber die Überwachung sehr hoher Schwingungspegel. PZT-basierte Sensoren bieten eine hohe Ladungsabgabe und eine hohe Kapazität. Es werden "leisere" mikroelektronische Ladungsverstärker verwendet, die es ermöglichen, auch geringe Schwingungen zu messen.

Bei der Konstruktion von Beschleunigungsaufnehmern sind auch das Gehäusematerial, die Wahl des Steckers und die Art der Abdichtung zu berücksichtigen. Industrielle Beschleunigungsaufnehmer müssen unter sehr ungünstigen Umweltbedingungen arbeiten. Häufig sind aggressive Chemikalien vorhanden, die den Sensor korrosiven und letztlich schädlichen Bedingungen aussetzen. Gehäuse aus korrosionsbeständigem 316L-Edelstahl sind in rauen Industrieumgebungen erforderlich, um die Überlebensfähigkeit des Sensors zu gewährleisten. 316L-Edelstahl wird auch wegen seiner unmagnetischen Eigenschaften verwendet, was in der Nähe großer Motoren wichtig ist. Eloxierte Aluminiumgehäuse halten den extremen Bedingungen nicht stand. Es gibt einige neuere Sensoren, deren Gehäuse aus Verbundwerkstoffen bestehen. Einige Verbundwerkstoffe weisen eine ähnliche Korrosionsbeständigkeit auf wie rostfreier Stahl. Auch die Steckverbinder sollten ebenso robust sein. Edelstahlstecker mit hermetischen Dichtungen sind auch in rauen Umgebungen erforderlich. Nicht hermetische Steckverbinder wie BNCs sind zwar praktisch, halten aber den industriellen Bedingungen nicht stand. BNC-Steckverbinder neigen bei wiederholtem Gebrauch und starken Vibrationen zur Abnutzung. Verunreinigungen können durch Epoxiddichtungen in den Sensor eindringen und ihn dauerhaft beschädigen. Hermetische Steckverbinder und hermetische Laser- oder Elektronenstrahlschweißungen gewährleisten, dass der Sensor gegen Verunreinigungen von außen abgedichtet ist.

Mechanisch

Bei der Herstellung von industriellen Beschleunigungsaufnehmern werden drei grundlegende Konstruktionsarten verwendet. Es handelt sich um die Biege-, Druck- und Scherkonstruktion. Alle drei Konstruktionen enthalten die Grundkomponenten Piezoelement, seismische Masse, Sockel und Gehäuse.

Bei der Biegeausführung ist das piezoelektrische Element an der seismischen Masse in Form eines doppelten Kragbalkens befestigt. Abbildung 1 zeigt das System Sensorelement/Masse, das am Drehpunkt oder an der Basis angetrieben wird. Biegebalkenkonstruktionen haben eine niedrigere Resonanzfrequenz und sind im Allgemeinen nicht gut für die Überwachung von Maschinen geeignet. Aufgrund ihrer sehr hohen Ausgangsleistung (bis zu 100 V/g) eignen sich Biegeelemente hervorragend für seismische Anwendungen mit niedrigen Pegeln und niedrigen Frequenzen. Das Biegeelement ist häufig epoxidiert, was seine Anwendung in Umgebungen mit starken Erschütterungen einschränkt.

Die Kompressionsausführung ist im Allgemeinen am einfachsten und am leichtesten zu verstehen. Der Quarz- oder Keramikkristall wird zwischen der seismischen Masse und der Basis mit einem elastischen Vorspannbolzen eingeklemmt. Durch die Bewegung (Vibration) in der Basis wird der Kristall zusammengedrückt und ein Ausgang erzeugt. Kompressionskonstruktionen eignen sich aufgrund ihrer hohen Resonanz und ihrer robusteren Bauweise viel besser für die Überwachung von Industriemaschinen als Biegebaukonstruktionen. Kompressionsdesigns haben im Allgemeinen dicke Basen und sollten wegen der Empfindlichkeit gegenüber Basisdehnungen und thermischen Transienten an dickwandigen Strukturen verwendet werden.

Bei der Scherausführung wird das Sensorelement einer Scherbeanspruchung ausgesetzt. Das piezoelektrische Sensorelement und die seismische Masse sind über einen Haltering an einem aufrecht stehenden Mittelpfosten/Sockel befestigt, wie in Abbildung 3 dargestellt. Diese Vorspannung führt zu einer steifen Struktur mit gutem Frequenzgang und größerer mechanischer Integrität. Da die empfindliche Achse nicht in einer Linie mit der Montagefläche liegt, führen ungünstige Umgebungsbedingungen, wie z. B. die Belastung der Basis und thermische Transienten, nicht zu falschen Signalen wie bei den anderen Ausführungen.

Bei der Auswahl von Beschleunigungsaufnehmern muss der Schwingungsexperte drei Hauptbereiche berücksichtigen: Amplitudenbereich, Frequenzbereich und Umweltaspekte

Amplitudenbereich

Bei Beschleunigungssensoren, die in der vorbeugenden Instandhaltung eingesetzt werden, handelt es sich um ICP®-Sensoren mit interner Verstärkung. Diese Sensoren werden mit einer Konstantstrom-Gleichstromversorgung betrieben. Die Versorgungsspannung wird zwischen 18 und 28 Volt DC geregelt und der Strom über eine Konstantstromdiode zwischen 2 und 20 mA begrenzt. Der Signalausgang der ICP®-Sensoren ist ein gleichstromvorgespanntes Wechselstromsignal. Das Schwingungssignal, typischerweise 100 mV/g AC, wird der DC-Vorspannung überlagert. Diese Gleichstromvorspannung wird normalerweise durch einen Entkopplungskondensator blockiert, so dass das Auslesegerät wechselstromgekoppelt werden kann. Wenn ein normaler Vorspannungspegel von 12 VDC mit einer 18-Volt-Gleichstromversorgung verwendet wird und das Beschleunigungsaufnehmersignal 100 mV/g beträgt, würde das maximal messbare Signal 50 g oder 5 VAC betragen. Dieser Höchstwert kann entweder durch Erhöhung der Versorgungsspannung oder durch Verringerung der Empfindlichkeit des Beschleunigungsaufnehmers erhöht werden. Bei Verwendung eines 10 mV/g-Beschleunigungssensors mit demselben maximalen Ausgangssignal von 5 V AC erhöht sich der Grenzwert für Vibrationen auf 500 g.

Ein weiteres Kriterium, das bei der Überprüfung des Amplitudenbereichs zu berücksichtigen ist, ist der niedrigste messbare Vibrationspegel. Dieser wird entweder als Grundrauschen oder als Auflösung des Sensors angegeben. Die Auflösung des Sensors wird durch zwei Faktoren bestimmt: das elektrische Rauschen des internen Verstärkers und die mechanische Verstärkung des Masse/Piezoelektrischen Systems. Je größer die seismische Masse ist, desto größer ist der Ausgang des Sensors vor der Verstärkung. Diese hohe mechanische Verstärkung verbessert die Messungen bei niedrigen Pegeln, da sie ohne Verstärkung erhebliche elektrische Signale erzeugt. Keramische Sensorelemente bieten in der Regel ein größeres Signal-Rausch-Verhältnis, so dass kleine Schwingungspegel gemessen werden können, ohne dass elektrisches Rauschen die Analyse stört.

Frequenzgang

Der Frequenzgang eines intern verstärkten ICP®-Beschleunigungssensors wird als der Frequenzbereich beschrieben, in dem der Sensor eine lineare Reaktion zeigt. Das obere Ende des Frequenzgangs wird durch die mechanische Steifigkeit und die Größe der seismischen Masse im Sensorelement bestimmt, während der niedrige Frequenzbereich durch den Verstärker-Rolloff und die Entladungszeitkonstante gesteuert wird. Abbildung 4 zeigt einen typischen Frequenzgang.

Frequenzgang am oberen Ende

Der Frequenzgang am oberen Ende wird durch die Formel w=Ök/m bestimmt, wobei w die Resonanzfrequenz (2pf), k die Steifigkeit der Sensorstruktur und m die Größe der seismischen Masse ist. Bei einer gegebenen Steifigkeit wird ein Sensor mit einer großen seismischen Masse eine niedrige Resonanz haben. Eine große seismische Masse führt auch zu einer höheren mechanischen Verstärkung und damit zu einem rauschärmeren Beschleunigungssensor mit höherer Empfindlichkeit. Eine kleinere seismische Masse erzeugt ein geringeres Signal, führt aber zu einem Sensor mit einer höheren Resonanzfrequenz. Das Ausgangssignal kann bei einer kleineren seismischen Masse geringer sein, aber der Frequenzbereich ist breiter, so dass Messungen bei höheren Frequenzen möglich sind.

Die Steifigkeit, die zweite Variable in der Gleichung w=Ök/m, ist abhängig von der Sensorstruktur. Wie bereits erwähnt, bieten biegsame Konstruktionen einen erheblichen mechanischen Gewinn, aber die Steifigkeit ist sehr gering. Biegebeschleunigungsaufnehmer haben in der Regel eine hohe Leistung, eine geringe Resonanz und eine begrenzte Stoßfestigkeit. Kompressions-Beschleunigungssensoren weisen aufgrund der vorgespannten Kompressionsschraube eine höhere Steifigkeit auf als Biegeelemente und haben daher eine höhere Resonanz und einen breiteren Frequenzbereich. Wie bereits erwähnt, können andere Umgebungsfaktoren wie Grundbelastung und thermische Transienten ihre Verwendung einschränken. Schermodus-Sensoren weisen, wenn sie mechanisch befestigt sind, eine hohe Steifigkeit und damit eine hohe Resonanz auf. Aufgrund ihrer Unempfindlichkeit gegenüber Umgebungsfaktoren wie Dehnung und thermische Veränderungen steht die Scherkonstruktion an der Spitze der Liste.

Frequenzgang im unteren Bereich

Der Tieftonbereich wird elektrisch durch einen kapazitiven Widerstandskreis gesteuert, der die Entladezeitkonstante (t=R*C) bestimmt. Je höher die DTC, desto langsamer wird das Signal entladen und desto besser ist der Frequenzgang im unteren Bereich (siehe Tabelle 1). Die DTC kann mit einem Trichter verglichen werden. Je kleiner die Öffnung am Boden des Trichters (oder je höher die Zeitkonstante), desto weniger Wasser (Signal) fließt ab. Ein Sensor mit einem höheren DTC bedeutet einen besseren Frequenzgang im unteren Bereich. Eine niederfrequente Anwendung ist ohne einen Sensor mit dem richtigen DTC oft nicht zu bewältigen. Der DTC bestimmt jedoch nicht nur den Frequenzgang im unteren Bereich, sondern ist auch ein wichtiger Faktor bei der Bestimmung der Einschwingzeit. Je höher der DTC ist, desto länger ist die Einschwingzeit. (Hinweis: Eine konservative Faustregel besagt, dass bei einer Einschwingzeit von 10 mal der Entladungszeitkonstante das Signal bis auf 1% der Ausgangsspannung abklingt). Eine Einschwingzeit von einigen Sekunden oder mehr mag für jemanden, der in einer Laborumgebung mit einem oder zwei Messpunkten arbeitet, nicht von Bedeutung sein, aber eine Person, die Punkt-zu-Punkt-Daten im Feld aufnimmt, wird sicherlich anders denken. Daher muss oft ein Kompromiss zwischen Niederfrequenzgang und Einschwingzeit gefunden werden.

Werkstoff

Industrielle Beschleunigungsaufnehmer sind für die dauerhafte Installation in sehr rauen Umgebungen vorgesehen. Die bereits erwähnten Überlegungen zur Materialauswahl wirken sich direkt auf die Fähigkeit des Sensors aus, in rauen Umgebungen zu bestehen. Die Sensoren sollten aus rostfreiem Stahl 316L hergestellt werden, und die Anschlüsse sollten hermetische Militärstecker sein. Auch die Außengehäuse sollten hermetisch abgedichtet sein. Beschleunigungssensoren in Aluminiumgehäusen überstehen die raue industrielle Installation nicht. BNC-Stecker und 10-32-Koaxialstecker halten in industriellen Anwendungen nicht lange. Die interne Kristallstruktur sollte mechanisch gesichert und nicht zusammengeklebt sein.

Auch die Kabelbaugruppen müssen so robust sein wie der Sensor. Die Gegenstecker sollten abgedichtet werden, wenn Verunreinigungen zu erwarten sind. Auch die Materialien des Kabelmantels sollten untersucht werden, um sicherzustellen, dass die Chemikalien oder Temperaturbereiche den Nutzbereich des Kabels nicht überschreiten. Allzu oft werden Installationen gefährdet, weil den Steckern und Kabeln nicht genug Aufmerksamkeit geschenkt wird. Der Sensor mag industriell robust sein, aber die Kabel und Steckverbinder sind es nicht.

Montage

Eine weitere Umgebungsbedingung, die es zu berücksichtigen gilt, ist die Befestigungsmethode der Schwingungssensoren. Für die Befestigung von Sensoren an Überwachungsstellen in der vorbeugenden Instandhaltung werden hauptsächlich vier Methoden verwendet. Es gibt die Bolzenmontage, die Klebemontage, die magnetische Montage und die Verwendung von Sondenspitzen oder Stingern. Jede Methode wirkt sich auf den Hochfrequenzgang des Beschleunigungssensors aus. Die Bolzenmontage bietet den breitesten Frequenzgang und die sicherste und zuverlässigste Befestigung. Abbildung 5 zeigt die ideale Oberflächenvorbereitung für die Bolzenmontage von Sensoren.

Alle anderen genannten Methoden reduzieren den oberen Frequenzbereich des Sensors. Wenn man den Sensor aus dem engen Kontakt mit dem Messpunkt herausnimmt und alternative Befestigungselemente wie Klebepads, Magnete oder Sondenspitzen einsetzt, entsteht eine Resonanz. Diese eingebaute Resonanz ist niedriger als die Eigenresonanz des Sensors und verringert den oberen Frequenzbereich. Je weiter der Sensor vom Messpunkt entfernt ist, desto niedriger ist die Eigenresonanz und desto geringer ist der nutzbare Frequenzbereich. Abbildung 6 veranschaulicht diese Änderung der eingebauten Resonanz.

Ein letzter erwähnenswerter Punkt in Bezug auf die Montage betrifft die Oberflächenvorbereitung. Die Oberflächen müssen nicht nur möglichst eben, sauber und frei von Verunreinigungen sein und die Montagebohrungen müssen senkrecht zueinander stehen, sondern die Montageflächen sollten auch leicht mit einem Schmiermittel bestrichen sein. Diese Beschichtung trägt dazu bei, dass höherfrequente Schwingungen besser übertragen werden können und die Sensoren besser auf hohe Frequenzen reagieren. Üblicherweise werden Silikon-Vakuumfett, schweres Maschinenöl oder Bienenwachs verwendet.

Verkabelung

Wie bereits erwähnt, hat die Auswahl von Steckern und Kabeln einen direkten Einfluss auf die Robustheit und Zuverlässigkeit der Sensorinstallation. Eine weitere Überlegung bei der Verkabelung ist die Art und Weise, wie die Kabelleiter abgeschlossen werden. ICP®-Beschleunigungsaufnehmer sind intern verstärkte Zweileiter-Beschleunigungsaufnehmer. Für den Anschluss an den Sensor sind zwei Leitungen erforderlich, eine für die Stromversorgung und das Signal und die andere für die gemeinsame Leitung und die Signalrückleitung. Häufig werden Koaxialkabel verwendet, da nur zwei Adern benötigt werden und Koaxialkabel preiswerter sind. Bei der Verwendung von Koaxialkabeln können durch Erdschleifen oder elektromagnetische bzw. Hochfrequenzstörungen (EMI oder RFI) fehlerhafte Signale in Sensorsysteme induziert werden. Um Masseschleifen zu vermeiden, sollte es im System nur eine Masse geben.

Feste Installationen erfordern abgeschirmte Kabel mit zwei Leitern, um eine saubere Übertragung der Vibrationssignale zu gewährleisten. Zwei abgeschirmte Kabel ermöglichen eine vollständige Abschirmung des Signals und der Signalrückleitung (gemeinsam) vom Sensor zum Auslesegerät. Um die bestmögliche Abschirmung gegen EMI und RFI zu gewährleisten und um sicherzustellen, dass keine Erdschleifensignale induziert werden, sollte die Abschirmung nur an einem Ende abgeschlossen werden. In der Regel wird die Abschirmung eines zweiadrigen abgeschirmten Kabels auf der Sensorseite offen gelassen oder nicht angeschlossen und auf der Messgeräteseite mit der Erdung verbunden.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass industrielle Beschleunigungssensoren das Arbeitspferd eines Programms zur vorausschauenden Wartung und Schwingungsüberwachung sind. Es ist unbedingt erforderlich, dass der verwendete Sensor die Anforderungen der Anwendung erfüllt. Der Schwingungsanalytiker muss die Anwendung unter Berücksichtigung der Sensorauswahlkriterien prüfen, um dem Anwendungstechniker bei der Auswahl des richtigen Sensors zu helfen. Die drei wichtigsten zu berücksichtigenden Kriterien sind die innere Konstruktion, die äußere Konstruktion und die Installation. Intern sind das Material und die Struktur des Sensorelements wichtig für die Betrachtung des dynamischen Bereichs. Die äußere Konstruktion ist wichtig für die Zuverlässigkeit und langfristige Überlebensfähigkeit. Und schließlich ist die Installation wichtig, um sicherzustellen, dass die nachteiligen Auswirkungen der Montage und der Verkabelung reduziert werden.