Schwingungsmessung; Vibrationssensoren; Vibration präzise messen

ANWENDUNGSHINWEIS LA05-0020

Anwendungshinweis zur allgemeinen Erfassung LA05-0020

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Zusammenfassung:

Vibration ist eine komplexe Messung, die viele verschiedene Parameter enthält. Unterschiedliche Messtechniken haben je nach den endgültigen Zielen der Schwingungsmessung Vor- und Nachteile. Diese Application Note befasst sich mit all diesen Bereichen.

Schwingungsmessung

Vibration ist eine zeitbasierte (periodische / zyklische) Verschiebung eines Objekts um eine zentrale statische Position. Die folgenden Faktoren haben einen komplexen Zusammenhang mit der Stärke und Geschwindigkeit der Vibration:

  • Eigenfrequenzen und Steifheit des Objekts
  • Die Amplitude und die Frequenzen aller externen Energiequellen, die die Vibration auslösen
  • Der Kopplungsmechanismus zwischen Schwingungsenergiequelle und dem Objekt von Interesse.

Schwingungsmessung ist aufgrund seiner vielen Komponenten - Verschiebung, Geschwindigkeit, Beschleunigung und Frequenzen - komplex. Jede dieser Komponenten kann auch auf verschiedene Arten gemessen werden - Spitze-Spitze, Spitze, Durchschnitt, Effektivwert; Jedes davon kann im Zeitbereich (Echtzeit-, Sofortmessungen mit einem Oszilloskop oder Datenerfassungssystem) oder im Frequenzbereich (Schwingungsgröße bei verschiedenen Frequenzen über ein Frequenzspektrum) oder nur als einzelne Zahl für „Gesamtschwingung“ gemessen werden. "

Vibrationsdiagramm

Das Betrachten von Vibrationen im Zeitbereich zeigt den augenblicklichen Ort der vibrierenden Oberfläche zu verschiedenen Zeitpunkten.

Vibrationen anzeigen

Das Betrachten von Schwingungen im Frequenzbereich zeigt die Stärke der Schwingungen bei verschiedenen Frequenzen.

MM190 Messmodul

"Total Vibration" kann mit der TIR-Funktion auf dem MM190-Messmodul angezeigt werden.

Die Schwingungsmessung wird manchmal als indirekte Messung eines anderen Wertes verwendet. Das endgültige Messziel bestimmt die Annäherung an die Schwingungsmessung. Häufig, Zustandsüberwachung- Vorhersage oder Überwachung von Verschleiß, Ermüdung und Versagen - erfordert Vibrationsmessungen, um die kinetische Energie und die auf ein Objekt einwirkenden Kräfte zu bestimmen. Dies wird oft als Trägheitsschwingung bezeichnet. Ein Beispiel ist die Überwachung von Maschinenmotoren (insbesondere der Lager) in kritischen Anwendungen. In diesen Fällen ermöglicht die Messung der Beschleunigung eine einfache Umrechnung in Krafteinheiten unter der Annahme, dass die Masse des Objekts bekannt ist.

Andere Anwendungen befassen sich mit der Verschiebung des interessierenden Objekts, da unbeabsichtigte Verschiebungen die Leistung eines Systems beeinträchtigen. Festplattenlaufwerke und Werkzeugmaschinen sind Beispiele für diese Art der Schwingungsmessung, die manchmal als bezeichnet werden Positionsschwingung or relative Vibration.

Impuls- und kontinuierliche Schwingungsmessung

Zwei weitere Szenarien für Vibrationen sind kontinuierliche und Impulsvibrationsmessungen. Kontinuierliche Vibrationsmessungen werden zur Zustandsüberwachung und Funktionsprüfung verwendet. Es misst direkt, was unter realen Betriebsbedingungen mit dem interessierenden Objekt passiert.

Bei einer Impulsschwingungsmessung wird auf das Objekt geschlagen, häufig mit einem „kalibrierten Hammer“, der die Aufprallkraft misst, und anschließend die resultierende Schwingung des Objekts gemessen. Diese Art von Test deckt Resonanzen im Objekt auf, um das Verhalten unter Betriebsbedingungen vorherzusagen. Dies führt häufig zu Konstruktionsüberlegungen, um Resonanzfrequenzen je nach Anwendung entweder zu vermeiden oder zu verstärken.

Schwingungsmessgeräte und Schwingungssensorik

Vibration wird als Beschleunigung, Geschwindigkeit oder Verschiebung gemessen. Jede hat Vor- und Nachteile, und jede Vibrationsmesseinheit kann auf die anderen umgerechnet werden, obwohl dies möglicherweise nachteilige Folgen hat. Beschleunigung und Verschiebung sind die gebräuchlichsten Methoden zur Schwingungsmessung.

Messung der Vibration mit Beschleunigungsmessern

Beschleunigungsmesser sind kleine Geräte, die direkt auf der Oberfläche (oder innerhalb) des vibrierenden Objekts installiert werden. Sie enthalten eine kleine Masse, die an flexiblen Teilen aufgehängt ist, die wie Federn wirken. Wenn der Beschleunigungsmesser bewegt wird, wird die kleine Masse proportional zur Beschleunigungsrate ausgelenkt. Eine Vielzahl von Erfassungstechniken kann verwendet werden, um das Ausmaß der Durchbiegung der Masse zu messen. Da die Masse und die Federkräfte bekannt sind, wird der Auslenkungsbetrag leicht in einen Beschleunigungswert umgewandelt. Beschleunigungsmesser können Beschleunigungsinformationen in einer oder mehreren Achsen bereitstellen.

Inertialschwingungsmessungen, bei denen die auf das Objekt einwirkenden Kräfte der kritische Faktor sind, werden von Beschleunigungsmessern gut bedient, Beschleunigungsmesser sind jedoch frequenzempfindlich. Schwingungen bei höheren Frequenzen haben größere Beschleunigungen als solche bei niedrigeren Frequenzen. Aus diesem Grund erzeugen Beschleunigungsmesser sehr niedrige Signalpegel für niederfrequente Vibrationen und können ein schlechtes Signal-Rausch-Verhältnis aufweisen. Durch die Verwendung der Integration zur Ableitung der Geschwindigkeit oder der doppelten Integration zur Ableitung der Verschiebungswerte werden auch die Hochfrequenzsignale reduziert.

Das Anbringen von Beschleunigungsmessern an dem interessierenden Objekt ändert die Masse des Objekts, wodurch sich seine Eigenresonanzfrequenzen ändern. Wenn die Masse des Objekts erheblich größer ist als die Masse des Beschleunigungsmessers, wie dies häufig der Fall ist, ist der Effekt vernachlässigbar. Dies schränkt jedoch die Verwendung von Beschleunigungsmessern für kleinere Objekte ein.

Beschleunigungsmesser sind eine gute Wahl für größere Objekte, die bei höheren Frequenzen vibrieren und bei denen die auf das Objekt einwirkenden Trägheitskräfte gemessen werden müssen.

Vibrationsmessung mit berührungslosen Wegsensoren

Kapazitive berührungslose Wegsensoren

Berührungslose Wegsensoren werden mit einem kleinen Abstand zwischen dem Sensor (Sonde) und einer Oberfläche des vibrierenden Objekts montiert. Kapazitive und Wirbelstrom-Wegsensoren sind die beste Wahl für hochauflösende Hochgeschwindigkeitsmessungen. Da es sich bei ihren Ausgängen um Verschiebungsmessungen handelt, eignen sie sich perfekt für Relativschwingungsmessungen (Positionsschwingungsmessungen). Diese Messungen werden durchgeführt, wenn der physische Standort der Oberfläche des vibrierenden Objekts zu einem beliebigen Zeitpunkt ein kritischer Faktor ist.

Mit einem Frequenzgang von über 10 kHz und bis zu 80 kHz und Auflösungen von nur Nanometern zeigen diese Sensoren die genaue momentane Position des Objekts an, selbst wenn es sich mit hoher Geschwindigkeit bewegt.

Berührungslose Wirbelstrom-Wegsensoren

Da die Sensoren nicht am Objekt angebracht sind, ändern sie weder die Masse des Objekts noch dessen Resonanzeigenschaften. Diese Sensoren haben einen flachen Frequenzgang von Gleichstrom bis in die Nähe ihres Nennfrequenzgangs. Da die Ausgabe nicht von der Frequenz der Vibration beeinflusst wird, sind die Messungen im gesamten Frequenzspektrum genauer.

Verschiebungsdaten von diesen Sensoren können differenziert werden, um Geschwindigkeitsinformationen bereitzustellen, und ein zweites Mal differenziert werden, um Beschleunigungsinformationen zu erhalten. Der Differenzierungsprozess begrenzt niederfrequente Signale und hebt höherfrequente Signale hervor. Dies führt zu niedrigeren Signal-Rausch-Verhältnissen bei den höheren Frequenzen.

Momentane und totale Vibration

"Total Vibration" kann mit TIR-Erfassungen (Spitze-Spitze) des Vibrationssignals gemessen werden.

Wegsensoren erzeugen Ausgaben, die in Echtzeit auf einem Oszilloskop oder mit einem Datenerfassungssystem beobachtet werden können. Diese Echtzeit-Sofortdaten liefern präzise Schwingungsdaten, mit denen die Leistung einer Maschine als Funktion der Zeit oder des Winkels eines rotierenden Teils bestimmt werden kann.

Bei anderen Anwendungen ist eine einfache "Gesamtschwingungszahl" erforderlich. Um eine solche Zahl zu erhalten, muss die Sensorausgabe verarbeitet werden. Wenn Sie kapazitive Wegsensoren der Elite-Serie verwenden, kann das MM190-Signalverarbeitungs- und Messmodul eine Gesamtschwingungsmessung ableiten. Zu den Funktionen zur Erfassung von Spitzenwerten gehört eine TIR-Option (Total Indicator Reading), mit der die Differenz zwischen den negativsten und den positivsten Messungen angezeigt wird. Eine Reset-Taste löscht diese erfassten Werte, damit neue Werte erfasst werden können. Diese einzelne Messung von Spitze zu Spitze (Spitze zu Tal) ist ein Hinweis auf die Gesamtschwingung.

Die Änderung der „Gesamtschwingung“ kann mit der Option Tracking TIR des MM190-Moduls gemessen werden.

Wenn sich der Vibrationswert im Laufe der Zeit ändern soll, beispielsweise während einer Anpassung des mechanischen Systems, kann die Option Tracking TIR verwendet werden. Tracking TIR zeigt den Spitze-zu-Spitze-Wert an, die Spitzenwerte dürfen jedoch langsam in Richtung Null abfallen. Auf diese Weise zeigt die Anzeige nach einigen Sekunden den aktuellen TIR-Wert an, auch wenn der Wert gesunken ist. Diese Funktion erleichtert das Experimentieren mit der Umgebung des Objekts, um festzustellen, was die Gesamtvibration verringern kann, ohne dass die Spitzenwerte manuell zurückgesetzt werden müssen.

Montage der Wegsensorsonde

Bei der Messung von Vibrationen ist es wahrscheinlich, dass die Wegsensoren auch Vibrationen ausgesetzt sind. Um die Auswirkungen von Vibrationen auf die Sensoren selbst zu minimieren, müssen diese fest montiert sein. Sonden mit Gewindekörpern, die in einer starren Halterung festgezogen sind, sollten die zur Minimierung von Vibrationseffekten erforderliche Steifigkeit aufweisen.

Die Feststellschraube verriegelt die Sonde entlang der Sondenachse, es kann jedoch zu Bewegungen in den anderen beiden Achsen kommen, insbesondere auf Mikro- und Nanoebene.

Eine Klemmhalterung ist stabiler als eine Stellschraubenhalterung. Aber auf Mikro- und Nanoebene können Formfehler nur zu einer Zweipunktklemme führen, ähnlich wie bei einer Madenschraube.

Eine Dreipunkt-Klemmhalterung ist von Natur aus stabil und wird nicht durch kleine Formfehler in der Rundheit beeinträchtigt.

Glatte, zylindrische Sonden, die an einer Klemme befestigt sind, müssen sorgfältig geprüft werden, da sie mit größerer Wahrscheinlichkeit von einer vibrierenden Umgebung beeinflusst werden. Es gibt verschiedene Befestigungsmethoden für zylinderförmige Sonden. Einige sind besser als andere. Bei Messungen mit hohen Auflösungen spielt das Montagedesign eine wichtige Rolle für die Messqualität.

Eine übliche Montagemethode ist ein Durchgangsloch mit einer Stellschraube zur Befestigung der Sonde. Für Messungen in einer stabilen, vibrationsfreien Umgebung, die nicht im Submikronbereich liegt, ist diese Methode häufig ausreichend. Dieses System sichert die Sonde jedoch nur an zwei Punkten (der Stellschraube und dem Punkt gegenüber der Stellschraube), wodurch sie sich in mindestens einer Achse frei bewegen kann. Für hochauflösende Messungen in einer vibrierenden Umgebung ist ein besseres System erforderlich.

Eine Klemmhalterung, in der ein Durchgangsloch an der zylindrischen Sonde festgezogen ist, ist eine bessere Lösung. Die Klemme mit vollem Umfang greift mehr in die Oberfläche der Sonde ein und sorgt für eine stabilere Befestigung. Jede Unrundheit der Sonde oder des Durchgangslochs kann jedoch beginnen, wie die Zweipunktklemme einer Stellschraube zu funktionieren.

Die stabilste Klemmmethode ist eine Quetschklemme, mit der die Sonde an drei oder vier Punkten anstatt am gesamten Umfang festgeklemmt wird. Dieses Verfahren bleibt trotz Rundheitsfehlern des Sondenkörpers oder des Durchgangslochs der Klemme stabil.

Zusätzliche Überlegungen zur Montage des kapazitiven Wegsensors

Kapazitive Wegsensoren haben eine Messfleckgröße von ungefähr 130% des Durchmessers des Erfassungsbereichs der Sonde. Wenn der Messzielbereich kleiner als dieser ist, ist er fehleranfällig und erfordert möglicherweise eine spezielle Kalibrierung.

Mehrere kapazitive Sonden

Wenn mehrere kapazitive Sonden mit demselben Ziel verwendet werden, muss deren Antriebselektronik synchronisiert werden. Bei mehrkanaligen kapazitiven Lion Precision-Sensorsystemen (Elite Series und CPL230) wird eine synchronisierte Elektronik verwendet. Kapazitive Sensoren erfordern keinen Mindestabstand zwischen benachbarten Sonden.

Umgebungsbedingungen für kapazitive Sensoren

Kapazitive Sensoren erfordern eine saubere, trockene Umgebung. Jede Änderung des Materials zwischen Sonde und Ziel wirkt sich auf die Messung aus.

Alle Sensoren sind temperaturempfindlich, kapazitive Lion Precision-Sensorsysteme können jedoch Temperaturänderungen zwischen 20 ° C und 35 ° C mit einer Abweichung von weniger als 0.04% FS / ° C ausgleichen.

Normale Änderungen der Luftfeuchtigkeit haben keinen Einfluss auf kapazitive Verschiebungsmessungen. Luftfeuchtigkeit im Bereich von 90% kann die Messung beeinträchtigen. Kondensation im Messbereich macht die Messung ungültig.

Zusätzliche Überlegungen zur Montage des Wirbelstrom-Wegsensors

Wirbelstrom-Wegsensoren verwenden ein Magnetfeld, das das Ende der Sonde umgibt. Infolgedessen beträgt die „Punktgröße“ von Wirbelstrom-Wegsensoren etwa 300% des Sondendurchmessers. Dies bedeutet, dass alle metallischen Objekte innerhalb von drei Sondendurchmessern von der Sonde den Sensorausgang beeinflussen.

Dieses Magnetfeld erstreckt sich auch entlang der Sondenachse zur Rückseite der Sonde. Aus diesem Grund muss der Abstand zwischen der Abtastfläche der Sonde und dem Montagesystem mindestens das 1.5-fache des Sondendurchmessers betragen. Wirbelstrom-Wegsensoren können nicht bündig mit der Montagefläche montiert werden, es sei denn, um die Sonde herum ist eine ordnungsgemäß ausgebildete Senkbohrung vorhanden.

Die Montage der Wirbelstromsonde muss mindestens das Dreifache des Sondendurchmessers an der Spitze frei von Metall sein. Die Unterputzmontage erfordert eine Senkbohrung.

Wenn störende Objekte in der Nähe der Sonde unvermeidbar sind, muss eine spezielle Kalibrierung durchgeführt werden, die im Idealfall mit der Sonde in der Halterung durchgeführt wird.

Mehrere Wirbelstromsonden

Wenn mehrere Sonden mit demselben Ziel verwendet werden, müssen sie durch mindestens drei Sondendurchmesser voneinander getrennt sein, um Interferenzen zwischen den Kanälen zu vermeiden. Ist dies nicht zu vermeiden, sind spezielle Werkskalibrierungen möglich, um Störungen zu minimieren.

Umgebungsbedingungen für Wirbelstromsensoren

Lineare Wegmessungen mit Wirbelstromsensoren sind immun gegen Fremdkörper im Messbereich. Der große Vorteil von berührungslosen Wirbelstromsensoren besteht darin, dass sie in eher rauen Umgebungen eingesetzt werden können. Alle nicht leitenden Materialien sind für Wirbelstromsensoren unsichtbar. Selbst metallische Werkstoffe wie Späne aus einem Bearbeitungsprozess sind zu klein, um mit den Sensoren in erheblichem Maße interagieren zu können.

Wirbelstromsensoren haben eine gewisse Temperaturempfindlichkeit, die Systeme gleichen jedoch Temperaturänderungen zwischen 15 ° C und 65 ° C mit einer Abweichung von weniger als 0.01% FS / ° C aus.

Änderungen der Luftfeuchtigkeit haben keinen Einfluss auf die Messung der Wirbelstromverlagerung.

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