Zu den typischen Aufgaben von Embedded-Systemen gehört es, Daten aus ihrer Umgebung zu messen und mit anderen Systemen zu kommunizieren. Ein Beispiel für eine derartige Anwendung ist ein System, das Risse und Brüche in Maschinen und Anlagen detektiert, lange bevor die Geräte tatsächlich ausfallen, und bei Bedarf Alarm schlägt. Grundsätzlich läuft dieses unter dem Begriff vorausschauende Wartung, die zum Ziel hat, Ausfälle und Stillstände zu verhindern. Im folgenden Beispiel geht es um Wälzlager, also die zentralen Bauteile von Rotationsmaschinen. Zur frühzeitigen Identifizierung von Wälzlagerschäden nutzt das System eine Schallemissionsprüfung auf Basis einer Hochgeschwindigkeits-Datenerfassung.

Auf einen Blick

Wartungskosten senken: Um schon früh mögliche Schäden an Maschinen zu detektieren, führt ein Embedded-System eine Schallemissionsprüfung durch, die auf Hochgeschwindigkeits-Datenerfassung basiert.

Aus kleinen Mängeln an Maschinen und Bauteilen resultieren häufig schwere Schäden und dadurch entstehen erhöhte Kosten. Das Ziel der vorausschauenden Wartung von Wälzlagern ist daher, ihre stabile und verlässliche Funktion dauerhaft zu sichern. Zu den häufigsten Mängeln an diesen Lagern gehören Oberflächenfehler und Brüche, die zu Vibrationen führen. In der Frühphase der Entstehung dieser Ermüdungsschäden sind die Vibrationssignale der Wälzlager noch sehr schwach. Sie mischen sich mit den Vibrationssignalen anderer Maschinenkomponenten und mit Störgeräuschen, was die frühe Identifizierung von Schäden deutlich erschwert.

Statt direkt die Vibration zu messen, kann man auch die akustischen Emissionen erfassen und damit Risswachstum identifizieren, das durch Ermüdungsschäden verursacht wird. Dieser Ansatz bietet einen großen Vorteil für die frühzeitige Vorhersage und Diagnose von Wälzlager-Schäden.

Die Wellen akustischer Emissionssignale erfassen

Ein System zur Analyse von Schallemissionen besteht aus einem Schallsensor, einem Vorverstärker und einer Hochgeschwindigkeits-Datenerfassung. Die Schallemissionssignale haben breite Spektren und weisen Frequenzen von wenigen kHz bis in den 10-MHz-Bereich auf. Deshalb ist zur Datenerfassung ein Digitizer erforderlich, der eine Abtastrate von 20 MSample/s oder höher aufweist. Darüber hinaus sind die Schallemissionssignale sehr schwach. Originäre Schallemissionssignale liegen meistens auf dem µV-Niveau und erreichen auch nach der Vorverstärkung nur einige mV. Außerdem weisen sie einen großen Wellenform-Amplitudenbereich auf. Daraus resultieren hohe Ansprüche an die Abtastgenauigkeit und den Dynamikbereich der Messinstrumente.

Bild 1: Der Digitizer PCI-9846 von Adlink.

Bild 1: Der Digitizer PCI-9846 von Adlink.Adlink

Schallemissionen erfassen

Der Hochgeschwindigkeits-Digitizer PCI-9846 von Adlink (Bild 1) ist mit einem Treiber für Labview ausgestattet. Nach dem Installieren des DAQ-Pilot-Treibers ist die Werkzeugsammlung DAQ-Pilot in der Labview-Datenbank verfügbar. Dieses Werkzeug bietet die Kontrollfunktionen für die Datenerfassung. Sowohl die Kontrollfunktionen als auch die Aufrufmethoden entsprechen der Treibersoftware DAQ-Max von National Instruments. Zum Beispiel bilden die vier Elemente in Bild 2 (PLT Create Virtual Channel, PLT Timing, PLT Read und PLT Clear Task) eine Funktion zur kontinuierlichen Datenerfassung. Darüber hinaus versieht die Werkzeugsammlung DAQ-Pilot auch Beispielprogramme von Labview mit Funktionen wie Ein- und Ausgängen von analogen und digitalen Signalen. Anhand der Beispiele können sich Entwickler schnell die erforderlichen Kompetenzen aneignen.

Bild 2: Kontinuierliche Datenerfassung mit dem Hochgeschwindigkeits-Digitizer PCI-9846.

Bild 2: Kontinuierliche Datenerfassung mit dem Hochgeschwindigkeits-Digitizer PCI-9846.Acceed

Das Signalerfassungsmodul, das die Grundlage für das entwickelte Testsystem zur Schallemissionsprüfung bildet, basiert auf der Abtastprozedur in Bild 2. Nachdem die Festlegung des Eingangskanals, die Verstärkung des Vorverstärkers, der Filter und weiterer Parameter erfolgt ist, kann der Anwender die kontinuierliche Datenerfassung starten. Wenn das Original-Signal dem Vergrößerungsfaktor entsprechend reduziert wurde und die digitale Filterung durchlaufen ist, entfernt das System das Rauschen und die überflüssigen Frequenzbänder. Das gefilterte kontinuierliche Signal lässt sich im Binärformat oder als Text speichern. Bild 3 zeigt das Schallemissionssignal eines Wälzlagers im Betrieb. Die Abtastrate beträgt 2 MSample/s; der Filter ist ein Butterworth-Tiefpass vierter Ordnung und die Grenzfrequenz liegt bei 50 kHz.

Bild 3: Ein kontinuierlich erfasstes Schallemissionssignal.

Bild 3: Ein kontinuierlich erfasstes Schallemissionssignal.Acceed

Parameteranalyse einer Schallemission

Nach dem Filtern ist der nächste Schritt die Übertragung des kontinuierlich erfassten Signals an einen Amplituden-Detektor. Abhängig von der definierten Schwelle der Amplitude und der festgelegten Zeitdauer lassen sich aus dem kontinuierlich erfassten Signal die Wellenform-Daten der plötzlich einsetzenden Schallemission abfangen (Bild 4). Danach werden für jeden Wellenform-Wert charakteristische Parameter wie Ring-Down-Count, Amplitude, Frequenz, Energie, Anstiegszeit und Dauer berechnet und in eine Schallemissions-Parametertabelle gespeichert, so dass sie sich direkt betrachten lassen und für die weitergehende Systemanalyse zur Verfügung stehen. Die erfassten Daten der wellenförmigen Schallemission kann der Anwender als Text speichern. Dabei erfolgt die Speicherung dieser Wellenform-Daten unabhängig von der kontinuierlichen Datenspeicherung.

Bild 4: Die Wellenform des plötzlich einsetzenden Schallemissionssignals eines Wälzlagers.

Bild 4: Die Wellenform des plötzlich einsetzenden Schallemissionssignals eines Wälzlagers.Acceed

Die PCI-9846-Karte bietet reichlich Trigger-Abtast-Modi, für steigende oder fallende Flanken, Window, Referenz und andere analoge Trigger-Modi. Die Hardware kann wellenförmige Schallemissionssignale direkt abtasten. Das senkt die Rechenlast und spart Ressourcen, die damit für die Extraktionsalgorithmen der Software zur Verfügung stehen. Durch Versuchsanordnungen wurde herausgefunden, dass Schallemissionen sich leicht durch Faktoren wie externe elektromagnetische Felder stören lassen. Deshalb müssen die Signale vor dem Erfassen der Wellenform die Filterung durchlaufen. Allerdings verfügt der Digitizer PCI-9846 nicht über programmierbare Filter. Diese könnte der Betreiber in zukünftigen Systemerweiterungen in das Frontend des PCI-9846 integrieren, so dass man die Trigger-Möglichkeiten der Hardware voll ausschöpfen kann.

Die Leistungsfähigkeit des Testsystems überprüfen

Um die Leistungsfähigkeit des Testsystems zur Schallemissionsprüfung zu ermitteln, führten die Entwickler einen Vergleichstest durch. Mit einem Rotationsmaschinen-Testsystem QPZZ-II simulierten sie die Schallemissionen und Vibrationen eines Wälzlagers mit mangelhaften Wälzkörpern. Testobjekt war ein Wälzlager vom Typ NU205 mit einem Teilkreisdurchmesser von 39 mm, 12 Wälzkörpern mit einem Wälzkörper-Durchmesser von 7,5 mm und einem Kontaktwinkel von 0°. Auf der Oberfläche der Wälzkörper fügten die Tester durch geradlinige Schnitte kleine Spalten ein, um die Schäden zu simulieren, die durch Abschälen der Oberfläche infolge von Ermüdung auftreten. Die Rotationsgeschwindigkeit betrug 570 U/min, mit einer spezifischen Rotationsfrequenz von 9,5 Hz. Der Berechnung zufolge betrug die Durchlauffrequenz der Wälzkörper 18,3 Hz.

Bild 5: Der Vergleich von Schallemissions- und Vibrationssignalen eines beschädigten Wälzlagers.

Bild 5: Der Vergleich von Schallemissions- und Vibrationssignalen eines beschädigten Wälzlagers.Acceed

An der Wälzlageraufnahme war in vertikaler Position der Achse entsprechend ein Beschleunigungssensor angebracht. Neben diesem Sensor bestand das Vibrations-Testsystem aus einem Schwingungsmessgerät zum Erfassen der dynamischen Signale. Die Vibrationsdaten wurden zur Analyse in eine Matlab-Umgebung importiert. Bei unveränderter Rotationsgeschwindigkeit tauschten die Tester den Beschleunigungssensor gegen einen akustischen Sensor. Das hier beschriebene Testsystem zur Schallemissionsprüfung diente der Datenerfassung; die Datenanalyse erfolgte über die Matlab-Umgebung. Bild 5 dokumentiert die Ergebnisse des Vergleichs zwischen dem Signal der Schallemission und dem Signal der Schwingungsbeschleunigung. Es ist erkennbar, dass das Signal-Rausch-Verhältnis der Schallemission, die durch den Oberflächenschaden des Wälzkörpers hervorgerufen wird, viel höher ist als das Signal-Rausch-Verhältnis der Schwingungsbeschleunigung.

Bild 6: Der Vergleich der Hüllkurven-Spektren des Schallemissionssignals und des Signals der Schwingungsbeschleunigung eines beschädigten Wälzlagers.

Bild 6: Der Vergleich der Hüllkurven-Spektren des Schallemissionssignals und des Signals der Schwingungsbeschleunigung eines beschädigten Wälzlagers.Acceed

Bild 6 zeigt den Verlauf eines Hüllkurven-Spektrums der beiden Signale nach schmalbandiger Filterung. Wie aus der Abbildung ersichtlich ist, hat das Hüllkurvenspektrum des Schallemissionssignals eine einfachere Linienstruktur. Aus dieser ist die charakteristische Frequenz des Schadens leichter zu ermitteln.

Der gute Ton

Das Testsystem zur Schallemissionsprüfung kombiniert laut Acceed das Preis-Leistungs-Verhältnis des Hochgeschwindigkeits-Digitizers PCI-9846 mit einer einfachen Handhabung durch die Software. Damit entstehen geringe Kosten, eine komfortable Entwicklungsumgebung und hohes Ausbaupotenzial. Das Testsystem fand Verwendung beim Auswerten des Schallemissionssignals, das ein Wälzlager mit Oberflächenschaden am Wälzkörper im Betrieb erzeugt. Der Vergleich mit den Ergebnissen eines konventionellen Vibrationstests ergab, dass die Schallemission ein größeres Signal-Rausch-Verhältnis hat. Darin liegt das hohe Potenzial der Schallemissionsprüfung für die Früherkennung und Diagnose von Wälzlager-Schäden.