Ratgeber
Mechanische Schwingungen können sich positiv auswirken, zum Beispiel bei Instrumenten oder Lautsprecherboxen. Es gibt allerdings auch Schwingungen mit eher negativen Auswirkungen.
Bei rappelnden Motoren oder klappernden Anlagen beispielsweise. Solche unerwünschten Vibrationen in unterschiedlichen Frequenzbereichen deuten in der Regel auf einen Fehler In der Mechanik hin. Mit Schwingungsmessern lässt sich häufig die Ursache messen und analysieren.
Lesen Sie hier, welche Typen und Bauformen es gibt und wie die einzelnen Ausführungen funktionieren.
Inhalt
Ein Schwingungsmesser, bekannt auch als Vibrationsmesser oder Schwingungsanalysator, dient der Erfassung und Analyse von Vibrationen und Schwingungen.
Mit Schwingungsmessgeräten lässt sich der Zustand von Maschinen und Anlagen überprüfen, da ungewöhnliche Vibrationen oft Hinweise auf Fehlfunktionen geben können.
Dazu zählen beispielsweise Unwuchten, Lagerfehler oder Getriebeschäden. Aber auch im Bau- und Ingenieurwesen sind diese Instrumente wichtig, um die strukturelle Integrität von Gebäuden, Brücken und anderen Bauwerken zu untersuchen.
Zu den bekanntesten Herstellern von Schwingungsmessgeräten gehören die Unternehmen PCE Instruments, Fluke, Extech und Voltcraft.
Wie kann ich Schwingungen messen?
Die gebräuchlichsten Methoden zur Schwingungsmessung basieren auf Sensoren, die mechanische Schwingungen in elektrische Signale umwandeln. So nutzen Beschleunigungssensoren oder Accelerometer typischerweise eine piezoelektrischen Komponente. Sie erzeugt bei mechanischer Belastung elektrische Ladungen proportional zur Beschleunigung.
Geschwindigkeitssensoren oder Velocimeter messen die Geschwindigkeit der Schwingung. Sie sind besonders nützlich in Bereichen mit niedrigen Schwingungsfrequenzen. Wegsensoren wiederum messen die Verschiebung oder den Abstand, den ein Objekt während der Schwingung zurücklegt. Induktive, kapazitive oder laserbasierte Sensoren sind dafür typische Beispiele.
Online-Überwachung vs. Offline-Überwachung
Die Wahl zwischen Online- und Offline-Überwachung hängt von den spezifischen Anforderungen und Ressourcen ab. Kritische Maschinen, bei denen Ausfälle erhebliche Auswirkungen haben könnten, profitieren eher von der Online-Überwachung. Weniger kritische Anwendungen, bei denen regelmäßige Wartungen ausreichend sind, lassen sich durch die kostengünstigere Offline-Methode effektiv überwachen.
| Merkmal | Online-Überwachung | Offline-Überwachung |
|---|---|---|
| Datenverfügbarkeit | Kontinuierlich, Echtzeit | Periodisch, nicht in Echtzeit |
| Erkennung von Problemen | Sofortige Erkennung und Alarme | Verzögerte Erkennung, abhängig von Messintervallen |
| Kosten | Höher (Einrichtung und Betrieb) | Geringer |
| Komplexität | Höher, erfordert spezialisiertes Wissen | Einfacher |
| Nutzung | Ideal für kritische Maschinen und Anlagen | Geeignet für weniger kritische Anwendungen |
| Trendanalysen | Detaillierte Langzeit-Trends möglich | Eingeschränkte Trendanalysen |
Anwendungen in der Industrie
Schwingungsmesser sind in vielen Branchen unverzichtbare Werkzeuge zur Überwachung und Analyse von Maschinen und Strukturen. Sie helfen, Probleme frühzeitig zu erkennen, Wartungsmaßnahmen zu planen und die Betriebseffizienz zu erhöhen. Die spezifischen Einsätze variieren je nach Branche und den zu überwachenden Maschinen oder Strukturen, aber das grundlegende Ziel bleibt immer gleich: verbessern der Zuverlässigkeit und Leistung.
Hier eine Übersicht über die wichtigsten industriellen Einsatzbereiche für Schwingungsmesser:
Maschinenüberwachung und vorbeugende Wartung
Dazu zählt die Kontrolle rotierender Maschinen wie Motoren, Pumpen, Kompressoren, Lüftern und Turbinen auf Unwucht, Ausrichtungsfehler und Lagerprobleme. Bei Getrieben lassen sich Zahnradschäden und Schmierungsprobleme erkennen, bei Kugel- und Wälzlagern Anzeichen von Verschleiß, Korrosion und Ermüdung.
Stromerzeugung
Im Bereich von Windkraftanlagen lassen sich durch Schwingungsmessgeräte die Effizienz maximieren und Ausfälle minimieren. Typische Überwachungsobjeke sind Rotorblätter, Getriebe und Generatoren. Ähnliches gilt für konventionelle Kraftwerke, hier stehen Turbinen, Generatoren und anderen kritischen Anlagenkomponenten im Fokus.
Automobilindustrie
Schwingungsmessgeräte überwachen Motoren, Getriebe, Aufhängungssysteme und andere Fahrzeugteile während der Entwicklung und Produktion. Bei Testfahren werden Schwingungen zur Bewertung des Komforts und der Fahrdynamik aufgezeichnet.
Luft- und Raumfahrt
Hier geht es die Überwachung von Flugzeugtriebwerken auf Anzeichen von Unwucht, Schaufelbruch und Lagerproblemen. Wichtig ist zudem die Kontrolle der Flugzeugstruktur während des Flugs und bei Belastungstests.
Bau- und Ingenieurwesen
Im Mittelpunkt stehen Hochhäuser, Brücken und ähnliche Strukturen. Zu hohe Schwingungen können auf eine strukturelle Schädigung hinweisen. Bei der Erdbeobachtung sind mitunter Bodenmessungen erforderlich, zum Beispiel bei oder nach Erdbeben oder Bauarbeiten.
Fertigungsindustrie
Werkzeugmaschinen, Pressen, Extruder und anderen Fertigungsanlagen neigen manchmal zu unerwünschten Schwingungen. Sie gefährden die Produktqualität und können zu Ausfällen führen. In einigen Fällen dienen die Testgeräte auch zur Prüfung von gefertigten Produkten. Das soll sicherstellen, dass sie den Spezifikationen entsprechen.
Beschleunigungsmesser oder Accelerometer sind Sensoren zur Messung von Beschleunigungskräften. Diese Kräfte können statisch oder dynamisch sein. Beschleunigungsmesser sind in einer Vielzahl von Anwendungen im Einsatz, von der Automobilindustrie bis hin zur Consumer-Elektronik und industriellen Überwachung. Es gibt verschiedene Typen von Beschleunigungsmessern, die auf unterschiedlichen physikalischen Prinzipien basieren.
Piezoelektrische Ausführungen nutzen das piezoelektrische Phänomen, bei dem bestimmte Kristalle elektrische Ladungen erzeugen, wenn sie mechanisch belastet werden. Bei einer Beschleunigung übt die interne Masse des Sensors eine Kraft auf den Kristall aus, der daraufhin eine proportionale elektrische Spannung erzeugt.
Kapazitive Beschleunigungsmesser basieren auf der Veränderung der Kapazität zwischen zwei Platten, wenn die interne Masse sich relativ zum Gehäuse bewegt. Die Bewegung der Masse ändert die Kapazität, die in ein elektrisches Signal umgewandelt wird.
Resistive Accelerometer verwenden Dehnungsmessstreifen. Sie ändern ihren elektrischen Widerstand beim Strecken oder Zusammendrücken. Die Änderung wird in ein elektrisches Signal umgewandelt, proportional zur Beschleunigung.
Piezo-resistive Beschleunigungsmesser funktionieren ähnlich wie piezoelektrische Sensoren. Sie verwenden allerdings Halbleitermaterialien, die ihren Widerstand unter mechanischer Belastung ändern. Diese Widerstandsänderung wird in ein elektrisches Signal umgewandelt.
Geschwindigkeitsmesser
Geschwindigkeitsmesser oder Velocimeter messen die Geschwindigkeit von Schwingungen, Bewegungen oder Strömungen. Mechanische Geschwindigkeitsmesser, bekannt als Tachometer, messen zwar keine Schwingungen, sie sind aber häufig in Fahrzeugen zu finden. Hier messen sie die Rotationsgeschwindigkeit der Motorwelle. Sie bestehen typischerweise aus einem Magneten, der sich innerhalb einer Spule dreht. Die Rotationsgeschwindigkeit des Magneten erzeugt ein Magnetfeld, das eine Spannung in der Spule induziert. Diese Spannung wird dann in eine Drehzahl umgerechnet und auf einem analogen oder digitalen Display angezeigt.
Laser-Doppler-Velocimeter nutzen den Doppler-Effekt, um die Geschwindigkeit eines bewegten Objekts zu messen: Ein Laserstrahl wird auf das Objekt gerichtet, und das reflektierte Licht wird analysiert. Wenn sich das Objekt bewegt, ändert sich die Frequenz des reflektierten Lichts proportional zur Geschwindigkeit des Objekts. Diese Frequenzverschiebung wird gemessen und zur Bestimmung der Geschwindigkeit verwendet.
Ultraschall-Doppler-Velocimeter arbeiten ähnlich wie Laser-Doppler-Velocimeter, nutzen jedoch Ultraschallwellen anstelle von Licht. Ein Ultraschallsignal wird ausgesendet und das reflektierte Signal von einem sich bewegenden Objekt analysiert. Die Frequenzverschiebung des reflektierten Signals gibt Aufschluss über die Geschwindigkeit des Objekts.
Optische-Geschwindigkeitsmesser verwenden ebenfalls Lichtstrahlen – häufig aus Lasern – und optische Sensoren, um die Bewegung eines Objekts zu messen. Ein bekanntes Beispiel ist der Lichtvorhang, bei dem ein Objekt die Lichtstrahlen unterbricht und die Zeitintervalle dieser Unterbrechungen zur Berechnung der Geschwindigkeit verwendet werden.
Magnetische-Geschwindigkeitsmesser nutzen die elektromagnetische Induktion. Wenn ein Magnet an einem bewegten Objekt vorbeigeführt wird, induziert er eine Spannung in einer nahegelegenen Spule. Die Frequenz der induzierten Spannung ist proportional zur Geschwindigkeit des Objekts.
Radar-Geschwindigkeitsmesser senden Radiowellen aus, die von einem sich bewegenden Objekt reflektiert werden. Die Frequenzänderung der reflektierten Radiowellen durch den Doppler-Effekt wird gemessen und zur Berechnung der Geschwindigkeit des Objekts verwendet.
Verschiebungsmesser
Verschiebungsmesser wie Wegsensoren oder Positionssensoren messen die lineare oder Winkelverschiebung eines Objekts. Diese Messungen sind in vielen Bereichen von entscheidender Bedeutung, von der Maschinenüberwachung bis hin zu wissenschaftlichen Experimenten.
Induktive Wegsensoren bestehen aus einer primären Spule und zwei sekundären Spulen, die um einen beweglichen ferromagnetischen Kern angeordnet sind.
Wenn der Kern sich bewegt, ändert sich die Induktivität zwischen der primären und den sekundären Spulen. Diese Induktivitätsänderung wird in eine proportionale Spannung entsprechend der Verschiebung umgewandelt.Kapazitive Sensoren erfassen die Änderung der Kapazität zwischen zwei Platten, verursacht durch die Verschiebung des zu messenden Objekts innerhalb der Platten. Die Kapazitätsänderung ist proportional zur Verschiebung.
Potentiometrische Wegsensoren verwenden einen wischenden Kontakt, der sich entlang eines resistiven Elements bewegt. Die Position des Kontakts ändert den Widerstand und somit die Ausgangsspannung proportional zur Verschiebung.
Optische Wegsensoren nutzen eine Lichtquelle zur Bestimmung der Objektposition. Üblicherweise wird ein Laserstrahl wird auf das Objekt gerichtet und die Reflexion von einem optischen Detektor erfasst.
Aus der Veränderung der Reflexion oder das Interferenzmuster lässt sich die Verschiebung berechnen.Laser-Doppler-Wegsensoren und magnetische Wegsensoren ähneln in ihrer Funktion den Geschwindigkeitsmessern. Gemessen wird aber nicht die Geschwindigkeit, sondern der Verschiebung eines Objekts.
Warum ist die Überwachung von Vibrationen wichtig?
Die Überwachung von Schwingungen ist ein unverzichtbares Werkzeug für die Instandhaltung und den sicheren Betrieb von Maschinen und Anlagen. Sie trägt dazu bei, Ausfallzeiten zu minimieren, die Betriebssicherheit zu erhöhen, die Maschinenleistung zu optimieren und die Gesamtkosten zu senken. Durch den Einsatz moderner Vibrationsüberwachungstechnologien können Unternehmen ihre Effizienz steigern und gleichzeitig ihre Betriebssicherheit und Produktqualität verbessern.
In welchen Einheiten werden Schwingungen gemessen?
Die Wahl der Einheit und des Messparameters hängt von der spezifischen Anwendung und dem Ziel der Schwingungsanalyse ab. Beispielsweise wird die Beschleunigung häufig zur Erkennung hochfrequenter Schwingungen verwendet, während die Verschiebung bei der Analyse langsamer, großamplitudiger Bewegungen wichtiger ist. Geschwindigkeit ist besonders nützlich, um die Energie der Schwingungen zu bewerten. Bei der Beschleunigung wird in Meter pro Quadratsekunde (m/s2) oder in der G-Kraft (g) gemessen, für Geschwindigkeiten gelten Millimeter pro Sekunde (mm/s) oder Meter pro Sekunde (m/s), für Verschiebungen Mikrometer (µm), Millimeter (mm), oder Meter (m). Frequenzen werden in Hertz (Hz) angegeben, also in Schwingungen pro Sekunde.
Welche Norm ist für Schwingungsmessgeräte wichtig?
Verwiesen wird häufig auf die Beurteilung von Maschinenschwingungen in Anlehnung an die DIN ISO 10816-3. Der Anwendungsbereich erstreckt sich von Dampfturbinen bis 50 Megawatt über Elektromotoren bis hin zu Gebläsen und Lüftern.