Vibratiemetingen met accelerometers

Vibratiemetingen met IEPE accelerometers (vibratiesensoren)

In dit artikel vertellen we u meer over IEPE en charge accelerometers (ook wel acceleratiemeter, versnellingsmeter of versnellingsopnemer genoemd) en hoe deze, in dit geval, worden ingezet voor vibratiemetingen op roterende machines.

Voor het meten van vibraties zijn er diverse meetmethodes, welke meestal worden gedaan via een piëzo-elektrische sensor, ofwel een accelerometer. Een accelerometer is een sensor die de dynamische trillingen van een fysiek object omzet naar een spanning. Accelerometers zijn daarmee full-contact transducers die direct op het element wordt bevestigd waar een vibratie verwacht kan worden. Voorbeelden hiervan zijn kogellagers, tandwiel overbrengingen. Deze veelzijdige sensor kan worden ingezet voor zowel hoge als laagfrequente vibratiemetingen. De voordelen van een accelerometer is het feit dat dit type sensor heel lineair is over een breed frequentiebereik en tevens een groot dynamisch bereik heeft.

Hoe werkt een accelerometer?

De meeste accelerometers maken gebruik van het piëzo-elektrische effect wat inhoud dat het kristal in de sensor onder invloed van druk een elektrische spanning afgeeft. De acceleratie van de behuizing wordt doorgegeven aan een geijkte massa (seismische massa) waarna een proportionele druk op het piëzo-elektrische kristal wordt uitgeoefend. De uitwendige spanning op het kristal genereert een elektrische weerstand met hoge impedantie evenredig met de uitgeoefende kracht en dus evenredig met de versnelling.

Hoe kies ik de juiste accelerometer?

Doordat accelerometers / versnellingsopnemers zo veelzijdig kunnen worden ingezet bestaan ze ook in diverse vormen, maten, meetbereiken en andere specifieke eigenschappen. Door een beeld te vormen van het signaal dat er verwacht wordt te meten in combinatie met eventuele omgevingsfactoren (zoals temperatuur en explosiegevoeligheid) kan er al snel naar specifieke modellen worden gekeken. Uiteraard mag u ons altijd bellen voor advies bij het kiezen van de juiste sensor, maar we zullen hieronder toelichten op welke punten gelet moet worden.

Vibratie amplitude

De maximale amplitude, oftewel het maximale bereik van de vibratie die u meet bepaalt het benodigde sensorbereik. Wanneer een trilling gemeten wordt met een sensor die niet past bij het bereik dan wordt de output een onbetrouwbaar signaal. Doorgaans hebben accelerometers die gebruikt worden voor het bewaken van hoogfrequente trillingen een lagere gevoeligheid en een lagere massa.

Gevoeligheid

De gevoeligheid is een belangrijke parameter bij het kiezen van de juiste accelerometer. De gevoeligheid is de correlatie tussen de trilling en spanning op een referentiefrequentie. De exacte gevoeligheid wordt bepaald door kalibratie en wordt meestal vermeld in het kalibratiecertificaat dat bij de sensor wordt meegeleverd. De gevoeligheid is ook afhankelijk van de (verwachte) frequentie. Uiteindelijk is een volledige kalibratie over het volledige bruikbare frequentiebereik vereist om te bepalen hoe de gevoeligheid correleert met de frequentie.

Over het algemeen wordt een accelerometer met lage gevoeligheid ingezet om signalen met hoge amplitude/ frequentie te meten en een accelerometer met hoge gevoeligheid om signalen met een lage amplitude/lage frequentie te meten. Een ander aspect is de eigen frequentie van de opnemer, er kan gesteld worden dat de maximale te meten frequentie altijd een factor twee onder de eigen frequentie van de opnemer moet liggen.

Aantal assen

Wat meetrichting betreft, er is keuze uit twee type accelerometers. De meest voorkomende accelerometer meet de trilling op één richting. Dit type wordt vaak gebruik om mechanische trillingsniveaus op installaties en machines te meten. Het tweede type is een triaxiale accelerometer. Deze accelerometer kan een 3D-weergave maken van de versnelling.

Gewicht

Accelerometers / versnellingsopnemers moeten aanzienlijk minder wegen dat de structuur die wordt gemonitord. Als de massa van het object waar de accelerometer op bevestigd is aanzienlijk wordt verzwaard door de sensor, kan dit invloed hebben op de trillingskenmerken. Hierdoor kunnen er onnauwkeurige meetgegevens ontstaan. Over het algemeen mag de massa van de accelerometer niet groter zijn dan 10% van het gewicht van het object. Voor elke toepassing is er wel een specifieke oplossing.

Montage

Een andere overweging bij het kiezen van de juiste accelerometer is hoe de sensor gemonteerd kan worden op het oppervlak. Er zijn vier soorten montage-mogelijkheden:

  • Met de hand
  • Magnetisch
  • Gelijmd
  • Schroefverbinding

Bevestiging middels schroefverbinding is veruit de beste bevestigingsmethode, maar het is hiervoor wel noodzakelijk om een gat in de machine te boren dit gebeurd uitsluitend wanneer er sprake moet zijn van een permanente installatie. Als alternatief kan de opnemer gelijmd worden. Dit geeft wel een minder goede overgangskarakteristiek dan de schroefverbinding.

De andere montagemethoden zijn voornamelijk bedoelt voor tijdelijke montage. Iedere bevestigingsmethode heeft een bepaalde vorm van invloed op de accelerometer. Over het algemeen geldt; hoe “losser” de montage, hoe lager het meetbare frequentielimiet. Door massa toe te voegen aan een accelerometer, zoals bij magnetisch montage, wordt de resonantiefrequentie verlaagt waardoor de nauwkeurigheid en limieten van het bruikbare frequentiebereik van de accelerometer kan worden beïnvloed.

Omgevingsfactoren

Bij het kiezen van een accelerometer dient er rekening gehouden te worden met omgevingsfactoren zoals maximale bedrijfstemperatuur, blootstelling aan schadelijke chemische stoffen en vochtigheid. De meeste accelerometers kunnen in gevaarlijke omgevingen wordt gebruikt vanwege hun robuuste en betrouwbare constructie. Voor extra bescherming kunnen industriële accelerometers worden gemaakt van roestvrijstaal waardoor deze bestand zijn tegen corrosie en chemicaliën.

Een charge accelerometer is geschikt voor extreme temperaturen. Doordat deze accelerometers geen ingebouwde elektronica bevatten wordt de maximale omgevingstemperatuur alleen beperkt door het sensorelement en de materialen die in de constructie worden gebruikt. Doordat deze geen ingebouwde conditionering en signaalversterker hebben zijn deze type accelerometers gevoelig voor storing van de omgeving en zijn low-noise bekabeling vereist. Als er teveel omgevingsruis is, dan moet er een inline-signaalomvormer of IEPE-sensor met ingebouwde signaalversterker worden gebruikt.

Vochtigheidsspecificaties worden bepaald door de type afdichting dat een accelerometer heeft. Veel gebruikte afdichtingen zijn van glas of epoxy. De meeste van deze afdichtingen zijn bestand tegen een hoog vochtigheidsgehalte en langdurige blootstelling aan te hoge luchtvochtigheid.

Kosten

Hoewel de prijzen van laadmodus en IEPE-versnellingsmeters vergelijkbaar zijn, hebben IEPE-accelerometers aanzienlijk lagere kosten als ze worden ingezet bij meerkanaalssystemen omdat ze geen speciale low-noise kabels en laadversterkers vereisen. Bovendien zijn IEPE-accelerometers eenvoudiger te gebruiken omdat ze makkelijker te onderhouden zijn.

Bekijk productbrochure van Wilcoxon »

Wilcoxon is wereldwijd een gerenommeerde fabrikant van accelerometers, vibratiesensoren en accessoires voor industriële ‘condition monitoring’ en ‘predictive maintenance’ toepassingen.

Proximity probe vs accelerometers

Een andere type sensor om machinevibraties te meten is met behulp van een proximity probe, oftewel een afstandssensor. In tegenstelling tot accelerometers, die de versnelling meet om een trilling te meten, zijn proximity probes contactloze sensoren die de afstand tot een object meten. Deze sensoren worden voornamelijk gebruikt voor het meten van as-trillingen bij met name grote en zware roterende machines. Een stoomturbine is één van de typische machines waar proximity probes worden ingezet voor het meten van as-trillingen. Er wordt dan met name gekeken naar de trillingen van de as binnen het glijlager. Vanwege de dempende werking van het oliefilm waar de as in ligt en de zware behuizing, kunnen as trillingen hoog oplopen zonder dat de huisvibraties significant toenemen. Daarom is het in dit soort situaties beter om proximity probes te gebruiken die direct de as-beweging meten. Vaak wordt er een combinatie gebruikt.

 


Kennis & cases

Op ons kennisblog plaatsen we informatieve artikelen en leerzame case-studies met betrekking tot procesinstrumentatie, condition monitoring, trillingsmetingen en machinebewaking.