Wellen, Vibrationen

Sich anbahnende Defekte können die erzeugten Vibrationen einer Maschine verändern. Diese Veränderungen lassen sich mit Vibrationssensoren messen und für Anwendungen wie Predictice Maintenance nutzen. (Bild: peterschreiber.media @ AdobeStock)

Die Digitalisierung verändert die Industrie nachhaltig. Der Einsatz von sensorbasierten digitalen Netzwerken, die Daten in Echtzeit erfassen, übertragen und interpretieren können, verschafft den Unternehmen einen besseren Überblick über ihre Anlagen als je zuvor, ganz gleich, ob es sich dabei um die Fertigungsindustrie, Versorgungsunternehmen, den Bergbau oder die Stahlindustrie handelt.

Durch diese smarten Funktionen ergeben sich Fortschritte in kritischen Bereichen. Die vorausschauende Wartung (Predictive Maintenance) ist ein Beispiel dafür. Durch die Analyse von Daten aus einer Vielzahl von Maschinen in der Fabrikhalle oder im Feld lassen sich Unregelmäßigkeiten ermitteln und Zuverlässigkeitsprobleme erkennen, noch bevor sie auftreten. Predictive-Maintenance-Systeme können solche Informationen sammeln und aufbereiten, wodurch sie im Laufe der Zeit eine immer präzisere Datenlage erhalten und einen effizienteren Betrieb gewährleisten, unerwartete Ausfallzeiten vermeiden und die Reparaturkosten senken können.

Effektive Strategien zur vorausschauenden Wartung verlangen jedoch ein reibungsloses Zusammenspiel zahlreicher mechanischer und elektrischer Technologien, um den Ingenieuren die benötigten Informationen zu liefern. Eine der wichtigsten Komponenten ist der Beschleunigungssensor. Das winzige Bauteil misst die Schwingungen einer Struktur in industriellen Umgebungen. Bisher haben Beschleunigungssensoren das Schwingungsverhalten von großen, hochwertigen Maschinen überwacht. Mit der zunehmenden Digitalisierung und Automatisierung werden sie jedoch im Rahmen intelligenter vorausschauender Wartungsstrategien immer häufiger auch bei kleineren Anlagen mit hohem Durchsatz eingesetzt wie beispielsweise bei Maschinenspindeln, Förderbändern, Sortiertischen und Werkzeugmaschinen.

Für Zuverlässigkeitsingenieure ist es daher wichtig, die technischen Eigenschaften der verschiedenen Typen von Beschleunigungssensoren gut zu kennen. Anhand dieser Informationen können sie die Vor- und Nachteile der verschiedenen Typen abwägen und so eine fundierte Entscheidung treffen, welches Gerät für eine Reihe von Vibrationsanwendungen einzusetzen ist.

Vibrationssensoren: kapazitiv oder piezoelektrisch?

Vibrationssensoren spielen eine entscheidende Rolle bei gängigen Strategien für die Zustandsüberwachung und vorausschauende Wartung. Bei solchen Systemen kommen vorranging piezoelektrische und kapazitive Sensoren zum Einsatz. TE Connectivity führte eine Studie durch und verglich die beiden Sensor-Technologien in mehreren Tests. Beide Technologien haben Vor- und Nachteile, aber auch klar definierte Einsatzgebiete.

Die unterschiedlichen Typen von Vibrationssensoren

Piezoelektrische und kapazitive Vibrationssensoren sind die am häufigsten verwendeten Beschleunigungssensoren, die im Bereich der Vibrationsmessung Verwendung finden. Beide Sensor-Technologien haben aber sowohl Vor- als auch Nachteile. Dies wurde in einer kürzlich von TE Connectivity veröffentlichten technischen Vergleichsstudie dargelegt.

Piezoelektrische (PE) Beschleunigungssensoren arbeiten mit piezoelektrischen Kristallen, die keine Hilfsenergie benötigen und ein Signal ausgeben, wenn sie einer Vibration ausgesetzt sind. Die meisten piezoelektrischen Sensoren enthalten Blei-Zirkonat-Titanat-Keramiken (PZT), die polarisiert sind, um die Dipole auszurichten und die Kristalle piezoelektrisch zu machen. PZT-Kristalle eignen sich gut für die Zustandsüberwachung. Sie können mit einem weiten Temperatur- und Dynamikbereich und mit einer Frequenzbandbreite von > 20kHz arbeiten.

Auf dem Markt sind im Wesentlichen zwei Arten von PE-Beschleunigungssensoren erhältlich: Sensoren mit Kompressionsmodus und solche mit Schermodus. Bei Sensoren mit Kompressionsmodus, bei denen der piezoelektrische Kristall durch Auflegen einer Masse und Anlegen einer Vorspannkraft belastet wird, ist die Leistungsfähigkeit eingeschränkt. Sie sind anfällig für die Verformung der Montagebasis und haben höhere thermische Drifts.

Auf der anderen Seite haben Schermodus-Designs einen ringförmigen Scherkristall und eine ringförmige Masse, die an einem Stützfuß befestigt sind. Dieses Design hat eine bessere Leistung als Kompressionsdesigns, da es basisisoliert und weit weniger anfällig für thermische Spannungen ist, was zu einer verbesserten Stabilität führt. Aufgrund dieser Eigenschaften hat sich das Schermodus-Design für Anwendungen zur Zustandsüberwachung durchgesetzt. Sensoren mit variabler Kapazität (VC) messen die Beschleunigung, indem sie die Kapazitätsänderung einer seismischen Masse erfassen, die zwischen zwei Kondensatorplatten übertragen wird. Die Kapazitätsänderung ist proportional zur einwirkenden Beschleunigung. VC-Beschleunigungssensoren benötigen einen IC, der mit dem Sensorelement gekoppelt ist, um die winzigen Kapazitätsänderungen in einen Spannungsausgang umzuwandeln. Dieser Umwandlungsprozess kann jedoch zu einem schlechten Signal-Rausch-Verhältnis und einem begrenzten Dynamikbereich führen. In der Regel werden VC-Sensoren aus Silizium-Wafern gefertigt und in Miniatur-MEMS-Chips integriert.

Vergleich des Restrauschens bei verschiedenen Bandbreiten.
Bild 1: Vergleich des Restrauschens bei verschiedenen Bandbreiten. (Bild: Mouser)

Vergleich von Testergebnissen

So funktionieren die beiden Technologien also im Wesentlichen. Aber wie schneiden sie ab, wenn sie in einem präzise kontrollierten Test miteinander verglichen werden? Die Studie von TE Connectivity hat versucht, einige Antworten auf diese wichtige Frage zu geben. Sie vergleicht kritische Vibrationsparameter für einen typischen piezoelektrischen Beschleunigungssensor zur Zustandsüberwachung und für einen MEMS-Beschleunigungssensor mit variabler Kapazität und großer Bandbreite – beide mit einem Messbereich von ±50 g.

Es wurde eine Reihe von Tests durchgeführt, einschließlich des Frequenzgangs, unter Verwendung eines Hochfrequenz-Kalibrierungsschwingers mit einem Bereich von 5 bis 20 kHz. Die Sensoren wurden sicher befestigt, um die Genauigkeit über den gesamten Testbereich zu gewährleisten. Als nutzbare Bandbreite wurde eine maximale Amplitudenabweichung von ±1 dB akzeptiert. Die Ergebnisse zeigten, dass der VC-MEMS-Sensor eine nutzbare Bandbreite von bis zu 3 kHz hatte, während der piezoelektrische Sensor eine nutzbare Bandbreite von >10 kHz hatte.

Die Prüflinge platzierten die Test-Ingenieure in einer schallisolierten Kammer und testeten die Bauteile mit Messgeräten, die eine Mikro-g-Auflösung erreichen. Anschließend führten die Entwickler zeitgleich mit den Bauteilen die Tests durch, um eventuelle Fehler durch äußere Umgebungseinflüsse auszuschließen. Die aufgezeichneten Ergebnisse für die vier verschiedenen Bandbreiteneinstellungen sowie das Restrauschen bei jeder Einstellung sind in Bild 1 dargestellt.

Die Messauflösung und der Dynamikbereich ermittelten die Entwickler auf Basis einer Bandbreite von 0,03 bis 10 kHz. Laut der TE-Studie war die Auflösung der PE-Sensoren etwa 9-mal besser als die der VC-MEMS-Sensoren. Dies resultierte in einem deutlich besseren Dynamikbereich, wodurch der Endanwender potenzielle Probleme wesentlich früher erkennen kann.

Vergleich von Stabilität und Drift. PE schneidet in diesem Bereich sehr gut ab, da sich piezoelektrische Kristalle im Laufe der Zeit als extrem stabil im industriellen Umfeld erwiesen haben. Die Parameter der Langzeitdrift hängen mit der verwendeten Kristallzusammensetzung zusammen. Daher war es eine Herausforderung, einen aktuellen Wert zu präsentieren. Die Studie stellte fest, dass PZT-Kristalle der am häufigsten verwendete Typ in PE-Beschleunigungssensoren sind und dass sie eine beliebte Wahl für eine Vielzahl von Anwendungen sind.

MEMS-Beschleunigungssensoren mit variabler Kapazität haben ebenfalls einen breiten Spezifikationsbereich für die Langzeitdrift, abhängig von der MEMS-Designstruktur. Ein mikromechanischer MEMS-Sensor in Bulk-Bauweise liefert in der Regel die beste Langzeitdrift, kann aber teurer sein und wird typischerweise nur in Trägheitsanwendungen eingesetzt.

Für die Zustandsüberwachung bieten MEMS-Hersteller oberflächenmikrobearbeitete VC-MEMS-Sensoren an. Diese sind zwar preiswerter, erreichen aber nicht die optimale Messauflösung und Langzeitstabilität. Der Bericht stellt fest, dass die MEMS-Struktur von „oberflächenmikrobearbeiteten“ Designs nicht so stabil ist wie bei MEMS-Sensoren mit Bulk-Mikrobearbeitung.

 Vergleich der Messauflösung.
Bild 2: Vergleich der Messauflösung. (Bild: Mouser)

Beim Vergleich der Betriebstemperaturbereiche schneiden sowohl PE- als auch VC-MEMS-Beschleunigungssensoren in Anwendungen für die Zustandsüberwachung (im Bereich von -40 °C bis +125 °C) gut ab. Bei bestimmten extremen Anwendungen kann es sein, dass bei einer höheren Temperatur ein Sensor mit einem größeren Bereich erforderlich ist. In solchen Fällen gilt ein piezoelektrischer Sensor mit Ladungsmodus als empfehlenswert.

Je nach den spezifischen Anforderungen der Anwendung und der zu bewältigenden Aufgabe können unterschiedliche Sensorausgangssignale erforderlich sein. Die meisten vorausschauenden Wartungsinstallationen verlangen ein analoges Signal vom Sensor, damit der Endanwender auswählen kann, welche Parameter für welche Maschinentypen überwacht werden sollen. In den meisten Fällen gibt die DAQ- oder SPS-Schnittstelle den Signalausgang vor. Hier ist ein analoger Ausgang die häufigste Wahl.

Für Anwendungen mit langen Kabelwegen sind jedoch auch schleifengespeiste 4-20 mA-Sensoren gängig. In intelligenten Fabriken, in denen digitale Industrie 4.0-Strategien umgesetzt werden, kommen zunehmend digitale Ausgangssignale zum Einsatz, ebenso wie intelligente Sensoren mit integrierten Mikroprozessoren. Diese können unmittelbare Wartungsentscheidungen für den Endanwender treffen. Laut der Studie sollten diese Ausgangssignaloptionen sowohl in PE- als auch in VC-MEMS-Sensoren verfügbar sein, so dass beide Technologien in der Lage sind, diese Funktionalität bereitzustellen.

Piezoelektrische Sensoren erfüllen alle Anforderungen

Zusammenfassend hat die TE-Studie gezeigt, dass MEMS- und PE-Beschleunigungssensoren im Hinblick auf Betriebstemperatur, Gehäuseflexibilität, Sensorausgangsoptionen und Installationsfreundlichkeit ähnliche Eigenschaften aufweisen. Aufgrund ihrer spezifischen Besonderheiten sind piezoelektrische Sensoren jedoch die zuverlässigere Wahl für Langzeitstabilität. Mit einem umfassenden Frequenzgang erwiesen sich eingebettete PE-Beschleunigungssensoren als ideal für Maschinen mit niedrigen bis hohen Geschwindigkeiten und bieten gleichzeitig eine präzisere Signalauflösung für eine frühere Fehlererkennung. In der industriellen Zustandsüberwachung und der vorausschauenden Wartung erwiesen sich piezoelektrische Sensoren daher als die Technologie der Wahl. Mouser vertreibt beide Sensorarchitekturen von verschiedenen Herstellern. (prm)

Kostenlose Registrierung

Bleiben Sie stets zu allen wichtigen Themen und Trends informiert.
Das Passwort muss mindestens acht Zeichen lang sein.
*

Ich habe die AGB, die Hinweise zum Widerrufsrecht und zum Datenschutz gelesen und akzeptiere diese.

*) Pflichtfeld

Sie sind bereits registriert?