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Mit Mikrofonen lassen sich die von Lagern ausgehenden Schallwellen berührungslos messen.
Mit Mikrofonen lassen sich die von Lagern ausgehenden Schallwellen berührungslos messen.

In Pressen und Trocknern sowie in Zwischenaggregaten einer Papier- oder Verpackungsmaschine gehört es zum Stand der Technik, dass 200 bis 300 Vibrationssensoren wichtige Lager überwachen. Denn vom Personal ausgeführte Messungen während des laufenden Betriebs bringen große Gefahren für die Wartungstechniker mit sich. Außerdem schwankt die Zuverlässigkeit der erfassten Werte, da die Mitarbeiter sehr viele Messpunkte gleichzeitig bearbeiten müssen. Ein ebenfalls wichtiger Grund für die Permanent-Lösung ist die längere Vorwarnzeit bei drohenden Ausfällen, da diese sofort und nicht erst beim nächsten Durchgang festgestellt werden. Für den Einsatz in Papier- und Verpackungs­maschinen, insbesondere wegen der vielen kleinen Lager, eignen sich preisgünstige Schwingungssensoren, wie das Modell 602D01 des Sensoranbieters Synotech. Deren Durchgangsbohrung ermöglicht das Ausrichten des Steckers vor dem Befestigen an der Maschine. In Verbindung mit der vergleichsweise geringen Bauhöhe von 21,5 mm ermöglicht das eine einfache Montage und Kabelführung auch bei engen Platzverhältnissen.

Beim Überwachen der Lager in der Trockenpartie einer Papiermaschine sind die Schwingungssensoren Temperaturen von bis zu 150 °C ausgesetzt. Bisher erforderte das den Einsatz relativ teurer Sensoren mit an diese Bedingungen angepasster Elektronik – was aber aufgrund der großen Anzahl von Messstellen die Kosten des gesamten Überwachungssystems in die Höhe trieb. Mit den Hochtemperatur-Beschleunigungsaufnehmer HT602D01 und HT628F01 existieren preisgünstigere Alternativen, die Temperaturen bis 163 °C widerstehen. Die Sensoren enthalten sogenannte piezoelektrische Shear-Elemente: Treten Beschleunigungen auf, so werden diese auf Scherung beansprucht und generieren ein Ladungssignal. Ein interner Verstärker wandelt diese Ladung in ein niederohmiges Ausgangssignal um. Solche Sensoren verfügen über bei einen Messbereich von ±50 g und eine Empfindlichkeit von 100 mV/g. Ihr Frequenzbereich von 0,5 bis 8.000 Hz ermöglicht so das Überwachen von Walzen mit Umdrehungszahlen zwischen 30 und 480.000 min-1. Während beim Modell HT602D01 Durchgangsbohrung und Anschlussstecker seitlich sitzen, befindet sich letzterer beim Modell HT628F01 an der Oberseite.

Der Schwingungssensor ist für Hochtemperatur-Anwendungen bis 163 °C geeignet.

Der Schwingungssensor ist für Hochtemperatur-Anwendungen bis 163 °C geeignet.Varel

Ohren auf!

Wird durch die Auswertung der Vibrationssignale eine Veränderung in einem Wälzlager festgestellt, will der Betreiber für dieses spezifische Lager nähere Informationen über die Ursache. Hierzu müsste das Wartungspersonal im laufenden Betrieb zusätzliche Schwingungssensoren an der Maschine anbringen, was aus ­Sicherheitsgründen nicht erwünscht ist. Eine Alternative: Mikrofone. Sie erfassen die vom Lager ausgehenden Schallwellen berührungslos. Da diese Wellen vom Körperschall der Maschine ausgehen, ist ihr Frequenzinhalt identisch zu den von Vibrationssensoren generierten Signalen. Aufgrund dieser Übereinstimmung im ­gesamten nutzbaren Frequenzbereich ergänzt die Schallmessung die weit verbreitete Schwingungsmessung sinnvoll. Die auf der ICP-Technik (Integrated Circuit Piezoelectric) basierenden Mikrofone 130E20 von Synotech arbeiten mit der gleichen Signalart wie die Vibrationssensoren. Somit kann die Auswertung der Signale ebenfalls durch das zentrale ­Erfassungs- und Überwachungssystem erfolgen. Zu den weiteren Eigenschaften der ¼“-Mikrofone gehören eine Empfindlichkeit von 45 mV/Pa und ein Frequenzbereich von 20 bis 10.000 Hz (±2 dB). Dadurch erfassen sie die Lagerfrequenz und ihre Harmonischen auch bei schnell laufenden Maschinen.

Vibrationssensor mit Swiveler-Montage zur freien Ausrichtung des Kabelabgangs

Vibrationssensor mit Swiveler-Montage zur freien Ausrichtung des KabelabgangsVarel

Der frühe Vogel fängt den Wurm

Installiert der Anlagenbetreiber die Vibrationssensoren und das Überwachungssystem während der Montage ergeben sich weitere Vorteile. Denn dieses Vorgehen ermöglicht das Dokumentieren aller Parameter ab der Inbetriebnahme. Durch die Analyse dieser Daten in der Anlaufphase lassen sich kritische Zustände beim Hochfahren vermeiden und gleichzeitig Grenzwerte bestimmen. Diese Informa­tionen können Betreiber und Hersteller nutzen, um Verbesserungspotenziale zu identifizieren und umzusetzen.

Technik im Detail

Condition Monitoring mittels Vibrationssensoren

In Condition-Monitoring-Systemen, die komplexe Maschinen überwachen, kommen üblicherweise piezoelektrische Vibrationssensoren mit internem Verstärker zum Einsatz, die mit der IEPE- (Integrated Electronics Piezo Electric) oder ICP-Technik (Integrated Circuit Piezoelectric) arbeiten. Bei diesem quasi standardisiertem Verfahren versorgt das Monitoring-System die Sensoren, die ein niederohmiges Spannungssignal proportional zur gemessenen Schwingung erzeugen, mit einem Konstantstrom. Sowohl Versorgungsstrom als auch Signal werden über eine zweiadrige Leitung übertragen. Durch die niedrige Quellimpedanz sind die Signale störunempfindlich, sodass sich Installationen mit längeren Leitungen problemlos umsetzen lassen. Zudem beeinflussen die elektrischen und magnetischen Felder benachbarter Aggregate die Spannungssignale trotz preisgünstiger Messleitungen nur wenig.

Was die Vibrationssensoren angeht, verfügen qualitativ hochwertige Modelle über ein doppelwandiges, verschweißtes Edelstahlgehäuse. Dabei wirkt dieses sowohl als Schutz vor Flüssigkeiten, wie in der Nasspartie einer Druckmaschine, als auch als faradayscher Käfig, um EMV-Störungen zu vermeiden. Die elektrische Trennung des Sensorelements und der nachfolgenden Messkette vom Aufnehmergehäuse verhindert Erdschleifen und Rauschen – ein messtechnisches Problem, das häufig an Maschinen mit großen elektrischen Leistungen auftritt.