Produktionsleiter sind schon seit Langem in der Lage, Eingänge, Ausgänge und die Produktionsgeschwindigkeit zu steuern, um die Effizienz zu maximieren. Die Möglichkeit, Technologien zur Optimierung von Produktionsanlagen einzusetzen, ist allerdings eine recht neue Errungenschaft. Es ist nun möglich, Vibrationen in Anlagen kontinuierlich zu überwachen – für vorbeugende Wartung, Fehlervermeidung, geplante Upgrades und vieles mehr. In diesem Artikel erfahren Sie, wie Sie eine hochlineare, rauscharme, auf MEMS-Beschleunigungsmessern basierende Breitband-Vibrationsmessungslösung für Ihr nächstes zustandsbasiertes Überwachungsprojekt aufbauen können.
Die Zustandsüberwachung ist eine der zentralen Herausforderungen bei der Nutzung mechanischer Anlagen und technischer Systeme, in denen z. B. Motoren, Generatoren und Getriebe eingesetzt werden. Geplante Wartung wird immer wichtiger, um das Risiko von Produktionsausfällen zu minimieren – und zwar nicht nur in der Industrie, sondern überall dort, wo Maschinen zum Einsatz kommen. Dazu werden unter anderem die Vibrationsmuster der Maschinen analysiert. Die vom Getriebe verursachten Vibrationen werden in der Regel im Frequenzbereich als ein Vielfaches der Achsendrehzahl wahrgenommen. Unregelmäßigkeiten bei den verschiedenen Frequenzen deuten auf Verschleiß, Unwucht oder lose Teile hin. Auf mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) basierende Beschleunigungsmesser werden häufig zur Frequenzmessung eingesetzt. Im Vergleich zu piezoelektrischen Sensoren zeichnen sie sich durch eine höhere Auflösung, hervorragende Drift- und Empfindlichkeitseigenschaften sowie ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis aus. Sie ermöglichen auch die Erkennung von niederfrequenten Schwingungen nahe des Gleichstrombereichs.
In diesem Artikel wird eine hochlineare, rauscharme Breitband-Lösung zur Vibrationsmessung basierend auf dem MEMS-Beschleunigungsmesser ADXL1002 vorgestellt. Diese Lösung kann für eine Lageranalyse oder Motorüberwachung und alle Anwendungen eingesetzt werden, bei denen ein großer Dynamikbereich von bis zu ±50 g und ein Frequenzgang von dc bis 11 kHz erforderlich sind.
In Abbildung 1 ist ein Beispiel für eine Schaltung dargestellt. Das analoge Ausgangssignal des ADXL1002 wird über einen 2-poligen RC-Filter an den Analog-Digital-Wandler (SAR) AD4000 weitergeleitet, der das analoge Signal in einen digitalen Wert für die weitere Signalverarbeitung umwandelt.
Abbildung 1. Beispiel-Schaltung für den ADXL1002.
Der ADXL1002 ist ein MEMS-Hochfrequenz-Beschleunigungsmesser mit einer Achse, der einen Ausgangssignal-Durchlassbereich bietet, der über den Resonanzfrequenzbereich des Sensors hinausgeht. Dies ist so gedacht, damit auch Frequenzen außerhalb der 3-dB-Bandbreite überwacht werden können. Um dies zu ermöglichen, unterstützt der Ausgangsverstärker des ADXL1002 eine geringe Signalbandbreite von 70 kHz. Kapazitive Lasten von bis zu 100 pF können auch direkt mit dem Ausgangsverstärker des ADXL1002 betrieben werden. Bei Lasten von mehr als 100 pF sollte ein Reihenwiderstand von ≥ 8 kΩ verwendet werden.
Der externe Filter am Ausgang des ADXL1002 wird benötigt, um Aliasing-Rauschen vom Ausgangsverstärker und andere interne Rauschkomponenten des ADXL1002 zu eliminieren, die z. B. durch Einkopplung des internen 200-kHz-Taktsignals entstehen. Daher sollte die Filterbandbreite entsprechend gewählt werden. Mit der in Abbildung 1 dargestellten Dimensionierung (R1 = 16 kΩ, C1 = 300 pF, R2 = 32 kΩ und C2 = 300 pF) wird eine Dämpfung von etwa 84 dB bei 200 kHz erreicht. Außerdem sollte die gewählte ADC-Abtastrate höher sein als die Verstärkerbandbreite (z. B. 32 kHz).
Für den ADC sollte die Versorgungsspannung des ADXL1002 als Referenz gewählt werden, da der Ausgangsverstärker in einem ratiometrischen Verhältnis zur Versorgungsspannung steht. In diesem Fall verlaufen die Spannungsversorgungstoleranz und der Spannungstemperaturkoeffizient (die in der Regel an externe Regler angeschlossen sind) zwischen dem Beschleunigungsmesser und dem ADC, sodass der mit der Versorgungs- und Referenzspannung verbundene implizite Fehler aufgehoben wird.
Frequenzgang
Der Frequenzgang des Beschleunigungsmesser ist die wichtigste Eigenschaft des Systems und wird in Abbildung 2 dargestellt.. Die Verstärkung nimmt bei Frequenzen oberhalb von etwa 2 kHz bis 3 kHz zu. Bei der Resonanzfrequenz (11 kHz) ergibt sich ein Spitzenwert für die Verstärkung von etwa 12 dB (Faktor 4) in der Ausgangsspannung.
Abbildung 2. Frequenzgang des ADXL1002.
Mechanische Überlegungen zur Befestigung
Ein besonderes Augenmerk sollte auf die richtige Platzierung des Beschleunigungsmessers gelegt werden. Er sollte in der Nähe eines starren Befestigungspunktes auf der Platine montiert werden, um Vibrationen auf der Leiterplatine selbst und damit Messfehler durch ungedämpfte Leiterplatinenvibrationen zu vermeiden. Die Position stellt sicher, dass jede Leiterplatinenvibration auf dem Beschleunigungsmesser oberhalb der Resonanzfrequenz des mechanischen Sensors liegt und somit für den Beschleunigungsmesser praktisch unsichtbar ist. Mehrere Befestigungspunkte in der Nähe des Sensors und eine dickere Platine tragen ebenfalls dazu bei, die Auswirkungen von Systemresonanzen auf die Sensorleistung zu verringern.
Fazit
Mit der in Abbildung 1 gezeigten Schaltung kann eine MEMS-basierte Lösung zur Erfassung von Vibrationen im Gleichstrombereich bis 11 kHz, wie sie bei der Zustandsüberwachung von rotierenden Maschinen häufig benötigt wird, relativ einfach gebaut werden.
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