Schwingungsmessgerät / Schwingungsmesser

Schwingungsmesser von PCE Instruments eignen sich für die regelmäßige Aufzeichnung von physikalischen Parametern wie dem Schwingweg, der Schwinggeschwindigkeit und der Schwingbeschleunigung. Einige Schwingungsmesser verfügen auch über weitere Messoptionen, wie einer Temperaturmessung, Drehzahlmessung oder einer Lagerkennwertermittlung. Mit einem Schwingungsmesser können sowohl Allgemeinzustand als auch der Zustand einzelner Komponenten (Wälzlager, Getriebe, etc.) einer Maschine kontrolliert werden. Trendentwicklungen dieser Parameter geben Aufschluss über sich anbahnende Schäden.

So können Wartungspläne bzw. Maschinenstillstände entsprechend dem Maschinenzustand geplant werden. Durch dieses Konzept wird mit einem Schwingungsmesser einerseits die Betriebssicherheit erhöht, gleichzeitig steigt auch die Maschineneffizienz aufgrund von optimierten Maschinenlaufzeiten u. verringerten Stillstandzeiten. Als mobile Geräte können Schwingungsmesser von PCE Instruments autark, auch an schwer zugänglichen Stellen eingesetzt werden, wobei je nach Schwingungsmesser Modell, Messdaten auch gespeichert und mittels Software nachträglich ausgewertet werden können.

Bei der Auswahl eines geeigneten Schwingungsmesser gilt es aufgrund der Vielzahl an Anwendungen auf verschiedene Aspekte zu achten. Dazu gehören Messbereich, Frequenzbereich, die Möglichkeit einer FFT-Analyse, Lagerkennwertermittlung, Speicherkapazität und weitere Messfunktionen. Eine häufige Anwendung stellt die Maschinenüberwachung und Maschinenbewertung nach DIN EN ISO 10816 dar. Diese Norm klassifiziert verschiedene Maschinengrößen nach Antriebsleistung und ordnet den einzelnen Klassen Grenzwerte zu, deren Einhaltung einen sicheren, störungsfreien Betrieb garantieren.

Die Norm definiert darüber hinaus einige Spezifikationen welche Schwingungsmesser einhalten müssen, um eine normkonforme Messung zu garantieren. Zum einen legt die Norm fest, dass die Schwinggeschwindigkeit in mm/s die maßgebliche Einheit zur Maschinenüberwachung ist. Außerdem ist der abzudeckende Frequenzbereich angegeben, welcher zwischen 10 Hz und 1 kHz liegt. D.h. ein geeigneter Schwingungsmesser sollte mit einem entsprechenden Frequenzfilter ausgestattet sein. Alle Schwingungsmesser von PCE Instruments verfügen über diese Frequenzfilter, in Abhängigkeit vom Schwingungsmesser Modell sind weitere nützliche Funktionen zur Maschinenüberwachung verfügbar.

Ein weiterer wichtiger Parameter bei der Schwingungsüberwachung ist die Drehzahl, da für vergleichbare Messungen und Trendermittlungen immer unter gleichen Betriebsbedingungen gemessen werden muss. Einige Schwingungsmesser verfügen daher über integrierte, kontaktierend bzw. kontaktlos messende Drehzahlsensoren, mit denen direkt vor Ort Drehzahl ermittelt werden können. Da schadhafte Bauteile oder Lager häufig erhöhte Reibungswerte während der Rotation erzeugen, kann auch die Oberflächentemperatur einer Maschine in der direkten Umgebung kritischer Bauteile wertvolle Hinweise zum Maschinenzustand geben.

Einige Messdatensammler verfügen daher auch über Temperatursensoren zur Ermittlung der Oberflächentemperatur. Eine weitere nützliche Funktion stellt die FFT-Analyse dar. Mit dieser Frequenzbewertung kann das Schwingungsverhalten einer Maschine in Bezug auf Schwingfrequenzen analysiert werden. Ein Schwingungsmesser mit entsprechender Funktion zeigt auf dem Display das Frequenzspektrum der Maschine an.

Frequenzspitzen innerhalb des Spektrums können auf Schäden in Wälzlagern hinweisen. Um Fehler genauer eingrenzen zu können benötigt man dafür Schadensfrequenzen der Bauteile bei gegebener Drehzahl. Schadensfrequenzen lassen sich über Formeln berechnen, häufig findet man dazu auch Angaben beim Bauteil- bzw. Komponenten Hersteller. Schwingungsmesser mit den oben beschriebenen Funktionen finden Sie bei PCE Instruments.

Externe Kalibrierung in einem Kalibrierlabor
Um sicherzustellen, dass ein Schwingungsmesser mit der in der Gerätespezifikation angegebenen Genauigkeit arbeitet, sollten die Geräte regelmäßig überprüft werden. Die Überprüfung der Messgenauigkeit nach festgelegten Regeln wird auch Kalibrierung genannt. Sie kann zum Beispiel in darauf spezialisierten externen Kalibrierlaboren erfolgen. Es gibt zwei unterschiedliche Standards für Kalibrierungen, die sich unter anderem im Aufwand und durch die Zahl der Messpunkte unterscheiden. Das sind die ISO-Kalibrierung nach den Anforderungen der DIN EN ISO 9001 und die anspruchsvollere DAkkS Kalibrierung nach DIN EN ISO 17025.

Zu den bei einem Schwingungsmessgerät kalibrierbaren Größen gehören die Schwingbeschleunigung, die Schwinggeschwindigkeit und der Schwingweg. Auch die Schwingfrequenz wird geprüft. Bei der Beauftragung der Kalibrierung ist darauf zu achten, dass die geprüften Sollwerte dem Bereich entsprechen, in dem die betrieblichen Messwerte liegen. Über die durchgeführte Kalibrierung wird ein Zertifikat ausgestellt, das alle wichtigen Angaben zum Ablauf und zu den Werten der Kalibrierung enthält. Viele Kalibrierlabore bieten auch an, die Schwingungsmesser bei Nichterreichen der Vorgaben für die Genauigkeit gegen gesonderte Berechnung zu justieren.

Kalibrierung vor Ort mit einem Schwingungskalibrator
Bei Kalibrierungen in externen Laboren steht das Schwingungsmessgerät oft für mehrere Wochen nicht für Messungen zur Verfügung. Deshalb sollten diese Kalibrierungen im Voraus geplant und organisiert werden. Eine Alternative dazu besteht darin, die Schwingungsmesser im eigenen Betrieb mit einem Schwingungskalibrator zu überprüfen. Dazu wird der Schwingungssensor an der Koppelfläche des Kalibrators befestigt und in definierte Schwingungen versetzt. Diese Sollwerte der vom Kalibrator erzeugten Schwingungen werden dann mit den Messwerten vom Schwingungsmessgerät verglichen.

Die Anschaffung eines Kalibrators kann besonders sinnvoll sein, wenn vor Ort regelmäßig mehrere Schwingungsmesser zu überprüfen sind. Wichtiges Kriterium für die Auswahl des Schwingungskalibrators sind die Werte der erzeugten Schwingungen. Neben Kalibratoren mit denen jeweils nur ein fester Wert für Frequenz, Beschleunigung, Geschwindigkeit und Weg erzeugt werden kann, gibt es auch solche, bei denen mehreren Schwingfrequenzen und Schwingamplituden einstellbar sind.

Mit einem Kalibrator, der in der Lage ist, sieben Schwingfrequenzen zwischen 15,92 Hertz und 1.280 Hertz und Schwingungsbeschleunigungen zwischen 1 m/s² und 20 m/s² zu erzeugen, können auch spezielle Schwingungsmesser für tief- oder hochfrequente Schwingungen an mehreren Messpunkten auf ihre Genauigkeit geprüft werden. Damit gewährleistet ist, dass die erzeugten Schwingungen dem definierten Bereich entsprechen, muss auch der Schwingungskalibrator in regelmäßigen Abständen kalibriert werden. Einige der Geräte haben eine interne Prüffunktion, die bei Abweichungen des eingestellten Wertes optisch und akustisch warnt.

Nutzung von Schwingungsmessungen zur Klassifizierung von Maschinenfehlern
Oft ist ein ungewöhnliches Schwingungsverhalten von Maschinen ein Hinweis auf ungleichmäßige Belastung oder Lagerung. Die Schwingungen können bei laufender Maschine mit einem Schwingungsmessgerät zerstörungsfrei gemessen werden. Durch regelmäßiges Messen und Auswerten ist es möglich, Unregelmäßigkeiten früh zu erkennen und Gegenmaßnahmen einzuleiten, bevor es zu größeren Schäden kommt. Viele der möglichen Fehler an Maschinen erzeugen charakteristische Schwingungsanteile, so dass die Suche bei Auffälligkeiten auf diese Bereiche eingegrenzt werden kann.

Die in der Regel als Gesamtschwingungen erfassten Werte ergeben sich aus mehreren überlagerten Schwingfrequenzen. Aus den Werten dieser Breitbandschwingungen können bereits Schlussfolgerungen auf Unwuchten, Ausrichtungsfehler und elektromagnetische Anteile gezogen werden. Oft geben die Hersteller von Maschinen auch Schwingungswerte vor, die nicht überschritten werden dürfen. Einige Schwingungsmesser bieten spezielle Auswertefunktionen zur Maschinenüberwachung, zum Beispiel zur Wälzlagerkontrolle, zur Bewertung der Maschinenvibrationen nach DIN ISO 10816 und zur FFT-Analyse.

Die FFT-Analyse als spezielle Funktion bei einem Schwingungsmesser
Das Kürzel FFT in FFT-Analyse steht für „fast Fourier transform“ – „schnelle Fourier Transformation“. Mit dieser Methode lassen sich Schwingungen in unterschiedliche Frequenzen zerlegen, die separat ausgewertet werden können. Die zeitabhängigen Messwerte werden dafür in Frequenzbereiche umgerechnet. Dazu muss eine bestimmte Anzahl an Messdaten mit konstanter Abtastrate aufgenommen werden. Aus diesen Werten wird dann ermittelt, wie stark die verschiedenen Frequenzen in der gemessenen Schwingung auftreten.

Die gewählte Abtastrate und die Messdauer sind entscheidend dafür, welcher Frequenzbereich abgebildet werden kann und in welcher Auflösung. Der Frequenzbereich einer FFT-Analyse beinhaltet die Frequenzen zwischen Null und der Hälfte des Wertes der Abtastrate. Eine Abtastrate von 800 Hertz bedeutet, dass nur die Frequenzen bis 400 Hertz dargestellt werden, bei 1.600 Hertz Abtastrate erhöht sich der Frequenzbereich auf Frequenzen bis 800 Hertz. Ein Schwingungsmessgerät für FFT-Analysen muss also auf hohe Abtastraten eingestellt sein. Die Messdauer bestimmt zusammen mit der Abtastrate über die Anzahl der Messwerte. Je höher die Anzahl der Messwerte, desto mehr Einzelfrequenzen können dargestellt werden. Aus 1.000 Messwerten werden beispielsweise 500 einzelne Frequenzen in dem durch die Abtastrate festgelegten Frequenzbereich.

Die Schwingungsmesser mit FFT-Funktion können unterschiedliche Funktionalitäten für die Auswertung der Einzelfrequenzen anbieten. In der Regel gehört zur FFT-Analyse immer die grafische Anzeige der erfassten Frequenzen in einem Diagramm. In dieser Grafik lassen sich sehr schnell die einzelnen Spitzenwerte von Beschleunigung oder Geschwindigkeit erkennen. Meist können direkt aus dieser Darstellung auch die Zahlenwerte für die einzelnen Frequenzen abgegriffen werden. Je nach Schwingungsmessgerät werden in einem solchen FFT-Diagramm 125 oder auch weit mehr Linien für die Zahlenwerte der Einzelfrequenzen angezeigt.