Sensortechnologien für die Erkennung geringer Änderungen in Maschinenzuständen

Überblick

Zustandsüberwachungssysteme überwachen Verschleiß und Leistungsminderung von technischer Ausstattung. Meist wird die Relevanz und die Zuverlässigkeit einer Maschine bestimmt, um wichtige Ausstattung sowie gängige Fehlermodi zu identifizieren. Mit diesen Informationen lassen sich Sensoren für die Überwachung spezifischer Komponenten der Ausstattung aussuchen, sodass Leistungsminderungen erkannt und die entsprechenden Fehlerbehebungsmaßnahmen eingeleitet werden können.

Inhaltsverzeichnis

  1. Messtechnologien und -sensoren für Zustandsüberwachungsanwendungen
  2. Auswahl von Hardware für Ihre Sensoranforderungen
  3. Nächste Schritte

Messtechnologien und -sensoren für Zustandsüberwachungsanwendungen

Viele Sensoren können Änderungen an Maschinenkomponenten erkennen. Bei der Überwachung rotierender Maschinenteile kommen Schwingungssensoren am häufigsten zum Einsatz. Ihnen wird oft zugeschrieben, mechanische Leistungsminderungen von Ausrüstungsbestandteilen bis zu zwei Monate vor dem tatsächlichen Defekt zu erkennen (siehe Abbildung 1).

 

Abb. 1: Leistungsminderung bei rotierenden Komponenten

 

Andere Sensortechnologien, die in der Zustandsüberwachung zum Einsatz kommen, umfassen Sensoren für Motorstrom, Ölanalyse, Thermografie, dynamischen Druck und den Betriebszustand, etwa die Geschwindigkeit (siehe Abbildung 2).

 

 

 

Abb. 2: Sensortechnologien in der Zustandsüberwachung

 

Tabelle 1 zeigt Sensoren und Hersteller auf, die in der Zustandsüberwachung häufig zum Einsatz kommen.

Messung Sensor Frequenzbereich Mögliche Anforderungen an die Signalkonditionierung Hersteller
Schwingungen Beschleunigungssensor > 100 Hz

IEPE

AC/DC-Kopplung

Eingang für ±24 V oder AC-Kopplung

Antialiasing-Filter

IMI Sensors

Connection Technology Corporation

Endevco/Wilcoxon

Schwingungen Geschwindigkeit > 20 Hz bis < 2 kHz

IEPE

AC/DC-Kopplung

Eingang für ±24 V oder AC-Kopplung

Antialiasing-Filter

IMI Sensors

Connection Technology Corporation

Endevco/Wilcoxon

Schwingungen Näherungssensor (Wegmessung) < 300 Hz

Modulator/Demodulator Antialiasing-Filter

Eingangsbereich von ±30 V

Connection Technology Corporation
Geschwindigkeit Näherungssensor < 300 Hz

Modulator/Demodulator Antialiasing-Filter

Eingangsbereich von ±30 V

Connection Technology Corporation
Geschwindigkeit Nulldrehzahlfunktion Bis 15 kHz

24 V Gleichstrom

±20 V

Honeywell

SPECTEC

Motorstrom

Stromshunt

Strommesszange

Bis 50 kHz ±333 mV oder ±5 V Magnelab
Temperatur

RTD

Thermoelement

Bis 10 Hz Rauschunterdrückung, Erregungsspannung, Kaltstellenkompensation NI
Temperatur Infrarotkamera Mehrere Frames pro Sekunde Power-over-Ethernet für GigE Vision FLIR Systems
Druck Dynamischer Druck > 100 Hz

AC/DC-Kopplung

IEPE (einige Modelle)

±24 V oder AC-Kopplung

Antialiasing-Filter

Endevco

PCB

Kulite

Kistler

Ölqualität

Aerosole in Öl

Viskosität

Verunreinigung

Aerosole

Bis 10 Hz

mA-Stromeingang

Eingang für ±10 V

Rauschunterdrückung 50/60 Hz

Kittiwake

Honeywell

HYDAC

Poseidon Systems

Rauschen im Hochfrequenzbereich Ultraschall > 20 kHz

AC/DC-Kopplung

Eingangsbereich von ±24 V

Antialiasing-Filter

UE Systems

 

Tab. 1: Messung, Sensor, Frequenz, Signalkonditionierung und Hersteller

 

Abbildung 3 zeigt einen typischen Sensor und einen Beispielfehlermodus der Sensorüberwachung.

 

 

Abb. 3: Illustration von Sensoren

 

Mit jedem Sensor lässt sich die Leistungsminderung mechanischer und elektrischer Komponenten in rotierenden Anlagen überwachen.

  1. Schwingungssensoren erkennen Verschleiß an Kugellagern und Getrieben, Verschiebungen von Wellen, Unwuchten sowie mechanische Lockerungen.
  2. Geschwindigkeitssensoren zusammen mit Schwingungssensoren korrelieren Schwingungen zur Rotationsgeschwindigkeit und zur Winkelposition der Welle.
  3. Motorstromsensoren werden meist im Motorsteuerzentrum platziert. Sie erkennen exzentrische Rotoren, gelockerte Wicklungen, Leistungsminderungen des Rotorstabs sowie Unregelmäßigkeiten bei der Stromversorgung.
  4. Dynamische Drucksensoren kommen im Zusammenhang mit Verbrennungsdynamik, Strömungsturbulenzen und Hohlsog (Kavitation) zum Einsatz.
  5. Temperatursensoren werden meist für die Erkennung von Reibungswärme verwendet. Oft werden sie zusammen mit Schwingungssensoren eingesetzt, um Leistungsminderung aufgrund von Vibrationen ausfindig zu machen.
  6. Mit Wärmebildern lassen sich hunderte verschiedener Temperaturen innerhalb des Blickfelds der Kamera darstellen.
  7. Ultraschallsensoren können elektrische Störungen wie Koronaentladungen, Störlichtbogen und Kriechstrombildung erkennen. Außerdem spüren sie frühe Anzeichen von Verschleiß bei Kugellagern auf.
  8. Ölsensoren können Abrieb von Lagern und Zahnrädern erfassen. Darüber hinaus erkennen sie Verschmutzungen im Öl, die dessen Schmiereigenschaften beeinträchtigen.

 

Nach der Identifizierung von Ausstattung, Fehlermodi und Sensoren ist der nächste Schritt die Auswahl der Messhardware zur Digitalisierung der Sensoren. Welche Messhardware Sie wählen, hängt von den Charakteristika Ihrer Sensoren ab, z. B. Frequenzbereich, Spannungsbereich sowie Anforderungen an die Signalkonditionierung.

 

In Bezug auf den Frequenzbereich stehen zwei Arten von Sensoren zur Verfügung: statische und dynamische. Dynamische Sensoren messen Frequenzbereiche über 2 Hz. So weist ein typischer Beschleunigungsmesser einen Frequenzbereich von 1 oder 2 Hz bis 15 oder 20 kHz auf. Der Frequenzbereich von Ultraschallsensoren reicht bis zu 100 kHz oder mehr. Die heterodyne Ausgabe liegt im Bereich von wenigen hundert Hertz bis 40 kHz. Statische Sensoren hingegen wandeln die erfassten physikalischen Eigenschaften mit einer Rate von 1 Hz bis 10 oder 20 Hz in elektrische Signale um.

 

Die anderen beiden Sensorcharakteristika sind der Spannungsbereich und die Anforderungen an die Signalkonditionierung. Manche Sensoren erzeugen Spannungen von bis zu 30 V, andere dagegen nur wenige Millivolt. Einige Sensoren benötigen eine Stromversorgung, etwa durch IEPE, während bei anderen eine Kaltstellenkompensation notwendig ist. In Tabelle 1 sind die gängigen Anforderungen an die Signalkonditionierung für jede Messung und jeden Sensor aufgeführt.

 

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Auswahl von Hardware für Ihre Sensoranforderungen

Mit dem System NI InsightCM™ Enterprise kommt das universelle dynamische Eingangsmodul NI 9232 für die dynamischen Eingänge zum Einsatz (siehe Tabelle 2). Das Modul NI 9232 dient zum Digitalisieren von Ausgängen von Beschleunigungs-, Geschwindigkeits-, Wegmess- oder Drehzahlsensoren, Strommesszangen sowie dynamischem Druck und heterodynen Ausgängen von Ultraschallsensoren. Das NI 9232 bildet das Hauptmodul in Zustandsüberwachungssystemen von NI.

 

Auflösung: Delta-Sigma-A/D-Wandler mit 24 bit
Spannungsbereich: ±30 V
Sensorstatus (Kurzschluss/Leerlauf/OK)
3 Kanäle
Maximale Sample-Rate: 102,4 kHz  

IEPE-Erregung: 4 mA, 24 VCOMPLIANCE

Ein/Aus

 

Grenzfrequenz der AC-Kopplung: 0,1 Hz

Ein/Aus

Schraubklemmenanschluss

(drei 2-polige COMBICON-Anschlüsse)

Bankweise Isolierung

60 Veff Kanal-zu-Masse-Isolierung CAT II

 

Tab. 2: Eigenschaften des Messmoduls NI 9232

 

Im Zustandsüberwachungssystem CMS-9068 stehen mehrere Module des Typs NI 9232 zur Verfügung, sodass bis zu 24 Kanäle mit einem einzigen Chassis abgedeckt werden können. Abbildung 4 zeigt das CMS-9068 mit sechs NI-9232-Modulen.

 

 

Abb. 4: CMS-9068 mit sechs NI-9232-Modulen

 

Viele statische Messungen können von Sensoren mit Ausgängen von 0 bis 10 V oder 4 bis 20 mA durchgeführt werden. Diese Ausgänge sind für die Kommunikation mit gängigen Steuer- und Regelsystemen konzipiert. Diese „Prozess“-Sensorausgänge kommen häufig in industriellen Prozessanwendungen vor, etwa im Bereich Erdöl und Erdgas, chemische Verfahrenstechnik sowie Stromerzeugung. Das Modul NI 9207 bietet je acht Eingänge für ±10 V und -21 bis 20 mA und umfasst Optionen für die 50/60-Hz-Rauschunterdrückung. Das Modul NI 9205 besitzt 16 Differenzialeingänge für ±10 V und NI 9208 umfasst 16 Eingänge für ±21 mA. Die Eingangsmodule für Volt und Milliampere bieten Eingänge für das CMS-9068 mit vielfältigen Prozesssensoren, einschießlich der in Tabelle 1 aufgeführten. In Tabelle 3 sehen Sie alle für das CMS-9068 verfügbaren Module.

 

Module zur Messung von dynamischer Beschleunigung, Geschwindigkeit, Abstand
und Spannungssignalen

NI 9232

DSA mit 3 Kanälen, ±30 V

Module zur Messung statischer Spannung

NI 9205

16 differenzielle Eingangskanäle

NI 9207

8 Spannungs-/8 Stromkanäle

NI 9229

Hoch isoliertes Analogeingangsmodul mit 4 Kanälen, ±60 V

NI 9239

Hoch isoliertes Analogeingangsmodul mit 4 Kanälen, ±10 V

Strommessmodule

NI 9207

8 Spannungs-/8 Stromkanäle

NI 9208

16 Kanäle, 4 mA bis 2 mA

Temperaturmessmodule

NI 9211

Thermoelement mit 4 Kanälen

NI 9213

Thermoelement mit 16 Kanälen

NI 9214

Hochpräzises Thermoelement mit 16 Kanälen

NI 9217

RTD mit 4 Kanälen

Digitaleingangsmodule

NI 9425

Digitaleingang mit 32 Kanälen, stromziehend (Kontaktschluss)

NI 9426

Digitaleingang mit 32 Kanälen, stromliefernd (Kontaktschluss)

Universelles Eingangsmodul

NI 9219

Universelle Unterstützung für diverse Sensoren (V, mA, Ω, offener Kontakt, DI-Kanal, Thermoelement, RTD) mit 4 Kanälen

 

Tab. 3: NI-Messmodule für das CMS-9068

 

Darüber hinaus sind in Tabelle 3 Module für Thermoelemente, RTD, isolierte Spannungseingänge und Überwachung von Kontaktschlüssen aufgeführt. Die Thermoelementmodule ermöglichen die Kaltstellenkompensation sowie optionale Rauschunterdrückung. Die RTD-Module bieten Sensorerregung und optionale Rauschunterdrückung. Die Digitaleingangsmodule überwachen Kontaktschlüsse, wie sie bei der Maschinen- oder Prozesssteuerung verwendet werden. Das Modul 9219 schließlich besitzt unabhängige Kanalkonfigurationen für eine große Vielfalt statischer Eingangsmodule. Konfigurieren Sie Ihr System CMS-9068 auf den entsprechenden Konfigurationsseiten.

 

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