Umfassender Analyse- und Anwendungsleitfaden für piezoelektrische Beschleunigungsmessersysteme mit Vibro-Meter

Einleitung: Die zentrale Rolle der Vibrationsüberwachung und der piezoelektrischen Sensortechnologie in der modernen Industrie

In modernen Industriesystemen sind Zustandsüberwachung und Fehlervorhersage mechanischer Geräte von entscheidender Bedeutung für die Gewährleistung der Produktionssicherheit und die Verbesserung der betrieblichen Effizienz. Insbesondere rotierende Maschinen wie Turbinen, Kompressoren und Generatoren weisen Vibrationseigenschaften auf, die direkt den Betriebszustand der Ausrüstung widerspiegeln. Die Vibrationsüberwachungstechnologie erkennt und analysiert mechanische Vibrationssignale, um frühe Anzeichen von Unwucht, Fehlausrichtung, Lagerverschleiß, Getriebefehlern und anderen Problemen zu erkennen und so katastrophale Ausfälle zu verhindern und eine vorausschauende Wartung zu ermöglichen.

Unter den verschiedenen Vibrationssensortechnologien sind piezoelektrische Beschleunigungsmesser aufgrund ihrer einzigartigen Leistungsvorteile zu den am häufigsten verwendeten Sensorgeräten in der industriellen Vibrationsüberwachung geworden. Vibro-Meter SA aus der Schweiz bietet als spezialisierter technischer Anbieter auf diesem Gebiet seine piezoelektrischen Beschleunigungsmessersysteme der Serien CA XXX und CE XXX an. Diese Systeme sind für ihre hohe Zuverlässigkeit, ihre Anpassungsfähigkeit an große Temperaturbereiche und ihre Eignung für den Einsatz in potenziell explosionsgefährdeten Bereichen bekannt und werden häufig in kritischen globalen Industrien wie Energie, Chemie, Luftfahrt und Schifffahrt eingesetzt.

Basierend auf der von Vibro-Meter herausgegebenen „Bedienungsanleitung für piezoelektrische Beschleunigungsmesser der CA XXX/CE Ziel ist es, Ingenieuren und technischem Personal umfassende und fundierte technische Referenzen zur Verfügung zu stellen und so das optimale Design und den zuverlässigen Betrieb von Vibrationsüberwachungssystemen für Industrieanlagen zu unterstützen.

Kapitel 1: Technische Prinzipien piezoelektrischer Beschleunigungsmesser und des Vibro-Meter-Produktsystems

1.1 Piezoelektrischer Effekt und Beschleunigungsmessprinzip

Die wichtigste physikalische Grundlage eines piezoelektrischen Beschleunigungsmessers ist der piezoelektrische Effekt – ein physikalisches Phänomen, bei dem bestimmte kristalline Materialien (wie Quarz oder Keramik) eine elektrische Ladung erzeugen, wenn sie mechanischer Belastung ausgesetzt werden. Vibro-Meter-Beschleunigungsmesser verwenden entweder Kompressions- oder Scherstrukturkonstruktionen und setzen piezoelektrische Kristallelemente präzise mit einer trägen Masse zusammen. Wenn der Sensor mit dem Messobjekt vibriert, übt die träge Masse eine periodische Belastung auf den piezoelektrischen Kristall aus und erzeugt ein Ladungssignal proportional zur Beschleunigung.

Wie in den manuellen Abbildungen 1-4 und 1-5 dargestellt, sind die Kristallzellen in der Struktur vom Kompressionstyp einer Druckkraft entlang der empfindlichen Achse ausgesetzt, während sie in der Struktur vom Schertyp einer Scherkraft ausgesetzt sind. Beide Strukturen haben ihre Vorteile: Kompressionsarten bieten typischerweise eine höhere Steifigkeit und Resonanzfrequenz und eignen sich für Hochfrequenzmessungen; Schertypen reagieren weniger empfindlich auf Grunddehnungen und Temperaturschwankungen und bieten so eine bessere Anpassungsfähigkeit an die Umgebung.

Der Frequenzgangbereich piezoelektrischer Beschleunigungsmesser liegt typischerweise zwischen 3 Hz und über 20 kHz und deckt damit die Vibrationsfrequenzeigenschaften der meisten rotierenden Industriemaschinen ab. Ihr Betriebstemperaturbereich kann zwischen -196 °C und +620 °C liegen. Diese Eigenschaft ermöglicht ihnen einen zuverlässigen Betrieb in Umgebungen mit extremen Temperaturen, beispielsweise in der Nähe von Wärmequellen in Gasturbinen oder auf kryogenen Pumpanlagen.

1.2 Produktklassifizierungssystem für Vibro-Meter-Beschleunigungsmesser

Vibro-Meter kategorisiert seine piezoelektrischen Beschleunigungsmessersysteme in drei Hauptklassen, basierend auf der Integrationsmethode der Signalaufbereitungselektronik mit dem Sensorkopf:

1.2.1 Beschleunigungsmesser mit separatem elektronischen Aufbereiter (CA-Serie)
Diese Beschleunigungsmesser (z. B. CA 134, CA 135, CA 136, CA 201, CA 216, CA 902, CA 905) enthalten nur das piezoelektrische Sensorelement und geben ein Ladungssignal proportional zur Beschleunigung aus (Empfindlichkeit wird normalerweise in pC/g ausgedrückt). Das Ladesignal wird über ein spezielles rauscharmes Kabel an einen separaten Ladewandler (z. B. IPC XXX-Serie) übertragen und dort in ein strommoduliertes Signal umgewandelt. Der Hauptvorteil dieses Designs besteht darin, dass der Sensorkopf Umgebungen mit sehr hohen oder sehr niedrigen Temperaturen (von -54 °C bis +620 °C, je nach Modell) standhalten kann und sich daher für Messpunkte in der Nähe von Wärme- oder Kältequellen eignet.

1.2.2 Beschleunigungsmesser mit angeschlossenem elektronischen Aufbereiter (Serie CE 134/136)
Bei diesen Beschleunigungsmessern ist der elektronische Aufbereiter als separates Modul am Ende des Sensorkopfkabels angebracht (nicht in dasselbe Gehäuse integriert). Das Ladesignal wird im angeschlossenen Aufbereiter in ein strommoduliertes Signal umgewandelt. Dieses Design vereint Temperaturanpassungsfähigkeit und Systemvereinfachung: Der Sensorkopf kann in Umgebungen von -70 °C bis +350 °C (CE 134) oder -54 °C bis +260 °C (CE 136) betrieben werden, während der elektronische Konditionierer zwischen -30 °C und +100 °C arbeitet.

1.2.3 Beschleunigungsmesser mit integriertem elektronischen Aufbereiter (Serie CE 310)
Bei diesen Beschleunigungsmessern ist der elektronische Aufbereitungsschaltkreis vollständig in das Gehäuse des Messkopfes integriert, wodurch ein strommoduliertes Signal direkt ausgegeben wird und kein externer Ladungswandler erforderlich ist. Sie bieten den kompaktesten Aufbau und die einfachste Installation, ihr Betriebstemperaturbereich ist jedoch durch die interne Elektronik begrenzt: -30 °C bis +150 °C für die Standardversion und -30 °C bis +100 °C für die explosionsgeschützte Version.

1.3 Leitfaden zur Modellauswahl: Ausbalancieren von Temperatur und Frequenz

Die Abbildungen 1-1 bis 1-3 im Handbuch bieten detaillierte Auswahlhilfen und zeigen die Betriebstemperaturbereiche und Frequenzgangeigenschaften verschiedener Modelle. Die Auswahl erfordert eine umfassende Berücksichtigung von:

1. Messpunkttemperatur: Der Temperaturwiderstand variiert erheblich zwischen den Modellen. Beispielsweise hält der CA 905 bis zu 620 °C stand, während der Standard CE 310 auf 150 °C begrenzt ist.

2. Vibrationsfrequenzbereich: Alle piezoelektrischen Beschleunigungsmesser decken den grundlegenden Bereich von 3 Hz bis 20 kHz ab, verschiedene Modelle weisen jedoch Unterschiede in der Resonanzfrequenz und den linearen Reaktionsintervallen auf.

3. Umgebungsbedingungen: Vorhandensein potenziell explosiver Atmosphären (Ex i-Versionen erforderlich), Feuchtigkeit, Korrosivität usw.

4. Einschränkungen beim Installationsraum: Der eingebaute Typ ist am kompaktesten; der separate Typ erfordert zusätzlichen Platz für den Ladungswandler.

5. Signalübertragungsentfernung: Strommodulierte Signale (basierend auf dem 4-20-mA-Prinzip) können über 1000 Meter ohne nennenswerte Verzerrung übertragen werden und sind daher ideal für große Industriestandorte.

Kapitel 2: Messkettensystemarchitektur und Signalübertragungstechnik

2.1 Aufbau eines vollständigen Schwingungsüberwachungssystems

Eine Vibro-Meter-Schwingungsmesskette ist ein komplettes System zur Signalerfassung, -aufbereitung, -übertragung und -verarbeitung, das typischerweise aus den folgenden Komponenten besteht:

1. Beschleunigungssensor-Sensorkopf: Wandelt mechanische Schwingungen in ein rohes Ladungssignal um.

2. Anschlusskabel: Rauscharmes Koaxialkabel; Einige Modelle sind zum mechanischen Schutz mit einem Edelstahlgeflechtmantel (BOA-Typ) ausgestattet.

3. Signalaufbereiter:

• Ladungswandler (IPC XXX): Wandelt das Ladungssignal in ein strommoduliertes Signal um.

• Oder integrierter/angeschlossener Konditionierungsschaltkreis: Führt die Signalumwandlung direkt durch.

4. Übertragungskabel: Zweiadriges geschirmtes Kabel (Serie K 2XX) zur Übertragung des strommodulierten Signals.

5. Galvanische Trenneinheit (GSI XXX): Eliminiert Erdschleifenstörungen, versorgt das Frontend mit sicherer Stromversorgung und wandelt das Stromsignal in ein Spannungssignal um.

6. Elektronisches Verarbeitungssystem: Wie die Überwachungssysteme MMS oder VM 600 von Vibro-Meter zur Signalanalyse, Alarmierung und Aufzeichnung.

2.2 Vorteile der Signalumwandlungs- und Übertragungstechnik

Der Rohausgang eines piezoelektrischen Beschleunigungsmessers ist ein hochohmiges Ladesignal, das sehr anfällig für Kabelkapazität, elektromagnetische Störungen und Erdschleifen ist. Das Vibro-Meter-System behebt diese Probleme durch eine zweistufige Konvertierung:

Erste Stufe: Umwandlung von Ladung in Strom

• Wird im Charge Converter (IPC) oder im eingebauten Conditioner durchgeführt.

• Nutzt die Strommodulationstechnologie (ähnlich dem 4-20-mA-Senderprinzip).

• Das Umwandlungsverhältnis beträgt typischerweise 4 mA entsprechend 0 g und 20 mA für die Vollbeschleunigung.

Zweite Stufe: Strom-Spannungs-Umwandlung

• Durchgeführt in der Galvanic Separation Unit (GSI).

• Bietet außerdem eine Zweidraht-Schleifenstromversorgung (typischerweise 24 VDC).

• Gibt ein Spannungssignal aus, das direkt an SPS, DCS oder spezielle Überwachungssysteme angeschlossen werden kann.

Vorteile dieser zweistufigen Konvertierungsarchitektur:

• Starke Störfestigkeit: Stromsignale sind unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen.

• Lange Übertragungsentfernung: Kann 1000 Meter ohne nennenswerte Signalverschlechterung überschreiten.

• Vereinfachte Verkabelung: Für Signal und Strom ist nur ein zweiadriges Kabel erforderlich.

• Eigensicherheit: Geeignet für potenziell explosive Atmosphären (bei Verwendung mit zertifizierten Barrieren).

2.3 Vier typische Messkettenkonfigurationen

Handbuch Kapitel 2 beschreibt vier typische Konfigurationen:

2.3.1 Beschleunigungsmesser mit Anschluss + separater elektronischer Konditionierung
Geeignet für Modelle wie CA 902, CA 905, CA 135 und bestimmte CA 134/136-Versionen. Der Beschleunigungsmesser verfügt über einen 7/16'-27 UNS-2A-Anschluss und erfordert ein spezielles Verbindungskabel. Der Ladewandler ist in einem wasserdichten Polyestergehäuse untergebracht, wobei Kabelverschraubungen die Schutzart gewährleisten.

2.3.2 Beschleunigungsmesser mit integriertem Kabel + separatem elektronischen Konditionierer
Geeignet für Modelle wie CA 201, CA 216 und bestimmte CA 134/136-Versionen. Der Beschleunigungsmesser wird werkseitig mit einem rauscharmen Kabel mit BOA-Ummantelung geliefert, das direkt an den Ladungswandler angeschlossen wird. Dies vereinfacht die Installation vor Ort und verringert das Risiko von Verbindungspunktausfällen.

2.3.3 Beschleunigungsmesser mit angeschlossenem elektronischen Aufbereiter
Geeignet für CE 134 und CE 136. Der Aufbereiter ist am Ende des Kabels befestigt und kann nicht vom Sensorkopf gelöst werden. Das Kabel ist mit beiden Gehäusen verschweißt, was mechanische Festigkeit und Abdichtung gewährleistet.

2.3.4 Beschleunigungsmesser mit integriertem elektronischen Konditionierer
Geeignet für CE 310. Der Konditionierungsschaltkreis ist vollständig in den Messkopf integriert und eine Anschlussdose (JB XXX) dient zum Anschluss des Übertragungskabels. Dies bietet den kompaktesten Aufbau und die einfachste Installation.

Kapitel 3: Installationstechniken und mechanische Überlegungen

3.1 Grundsätze zur Auswahl des Installationsortes

Um genaue Schwingungsdaten zu erhalten, ist die Wahl des richtigen Installationsortes von entscheidender Bedeutung. Handbuch Abbildung 4-1 zeigt die empfohlenen Montagepunkte:

1. So nah wie möglich an den Lagern: Lager sind der Verbindungspunkt zwischen Rotor und Stator und spiegeln den Vibrationszustand der Maschine am besten wider.

2. An starren Strukturteilen: Vermeiden Sie die Montage an Maschinengehäusen oder Strukturen mit unzureichender Steifigkeit, da diese lokale Resonanzen aufweisen können, die die tatsächlichen Vibrationen verstärken oder abschwächen.

3. Zugänglichkeit und Sicherheit: Bringen Sie Messanforderungen mit Wartungsfreundlichkeit in Einklang und sorgen Sie für eine sichere Installation und Entfernung.

4. Umweltfaktoren: Berücksichtigen Sie Temperatur, Korrosion, elektromagnetische Störungen usw.

3.2 Anforderungen an die Vorbereitung der Montagefläche

Die richtige Oberflächenvorbereitung ist entscheidend für die Messgenauigkeit:

1. Oberflächenebenheit: Innerhalb von 0,01 mm (Handbuchabbildungen 5-2, 6-2, 7-2).

2. Oberflächenrauheit: Klasse N7 oder besser.

3. Rechtwinkligkeit zur empfindlichen Achse: Die Montagefläche sollte senkrecht zur empfindlichen Achse des Beschleunigungsmessers sein.

4. Sauberkeit: Frei von Öl, Rost, Beschichtungen usw.

Konkrete Bearbeitungsschritte (am Beispiel CA 201):

• Markieren Sie die Positionen für vier Gewindelöcher an der gewählten Stelle.

• Bohren Sie vier Löcher: 4,8 mm Durchmesser, 20 mm tief.

• M6-Gewinde 14 mm tief einschneiden.

• Bereiten Sie M6 x 35 Innensechskantschrauben und Federringe vor.

• Tragen Sie den Sicherungskleber LOCTITE 241 auf die Schrauben auf.

• Mit einem Drehmomentschlüssel festziehen, nicht mehr als 15 Nm.

3.3 Einfluss der Montagemethode auf die Messgenauigkeit

Kapitel 3 des Handbuchs analysiert systematisch den Einfluss verschiedener Montagemethoden auf den Frequenzgang und bezieht sich dabei auf die Norm ISO 5348:

3.3.1 Gewindemontage (optimal)

• Verwenden Sie die vom Hersteller empfohlenen Drehmomentwerte (typischerweise 2–15 Nm, je nach Modell).

• Bietet den breitesten effektiven Frequenzbereich (bis zu 30 kHz).

• Minimale Phasenverzerrung.

3.3.2 Klebemontage

• Methylcyanacrylat-Zement: Maximal 80 °C, akzeptabler Frequenzgang.

• Doppelseitiges Klebeband: Maximal 95°C, eingeschränkter Frequenzgang, insbesondere bei dickem Klebeband.

• Bienenwachsfolie: Maximal 40°C, nur für temporäre Niederfrequenzmessungen geeignet.

3.3.3 Andere temporäre Montagemethoden

• Magnetfuß: Maximal 150°C, stark eingeschränkter Frequenzgang.

• Handsonde: Nur für grobe Prüfungen geeignet, Frequenzgang sinkt auf unter 2 kHz.

Abbildung 3-1 zeigt quantitativ den Amplitudenfehler und die Phasenverschiebung, die durch verschiedene Montagemethoden verursacht werden. Für präzise Messungen und den Vergleich von Daten mehrerer Punkte sind konsistente Montagemethoden unerlässlich.

3.4 Kabelführungsspezifikationen

Eine unsachgemäße Kabelführung kann zu Rauschen und Signalverzerrungen führen:

1. Mindestbiegeradius: Nicht weniger als 50 mm.

2. Befestigungsabstand: Alle 100–200 mm Clips verwenden.

3. Stress vermeiden: Das Kabel sollte aus der Vibrationsebene austreten, nicht direkt aus dem Sensor (Abbildung 3-8).

4. Von Störquellen fernhalten: Vermeiden Sie die Parallelverlegung zu Hochspannungskabeln oder Hochfrequenzübertragungsleitungen.

5. Mechanischer Schutz: Verwenden Sie in Bereichen, die anfällig für Beschädigungen sind, das flexible Edelstahlrohr KS 106.

3.5 Wichtige Punkte für die Installation elektronischer Einheiten

Ladungswandler (IPC):

• Sollte an einem Ort mit minimalen oder keinen Vibrationen installiert werden.

• Umgebungstemperaturbereich: -25 °C bis +70 °C.

• Typischer Einbau in ein ABA 160-Industriegehäuse mit Schutzart IP65.

Galvanische Trenneinheit (GSI):

• Umgebungstemperaturbereich: 0°C bis +55°C.

• Wird normalerweise auf einer DIN-Schiene in einem Schrank installiert.

• Ein spezielles Montageset ist erhältlich (Halterung, Positionierungsnase, M4-Befestigungsschraube).

Anschlussdose (JB):

• Umgebungstemperaturbereich: -20 °C bis +90 °C.

• Schutzart IP65.

• Wird als Kabelübergang für integrierte Beschleunigungsmesser wie den CE 310 verwendet.

Kapitel 4: Elektrische Anschlüsse und Erdungstechniken

4.1 Kabelverbindungstechniken

Korrekte elektrische Verbindungen sind der Schlüssel zur Gewährleistung der Signalqualität und Systemzuverlässigkeit:

4.1.1 Allgemeine Verbindungsschritte

1. Entfernen Sie die Kabelisolierung nach Bedarf (normalerweise 4–6 mm).

2. Kabel durch die Kabelverschraubung in das Gehäuse verlegen.

3. An die entsprechende Klemmleiste anschließen.

4. Installieren Sie den Ø8-Sicherungsring, um ein Verrutschen des Kabels zu verhindern.

5. Ziehen Sie die Kabelverschraubung fest, um eine Abdichtung zu gewährleisten.

4.1.2 Details zur Installation der Kabelverschraubung (Abbildungen 5-12, 7-11)

• Element 1 gegen den Uhrzeigersinn abschrauben (Element 5 nicht aus dem Gehäuse entfernen).

• Ziehen Sie die Elemente 2 und 3 heraus (diese passen sich an unterschiedliche Kabeldurchmesser an).

• Führen Sie das Kabel durch die Elemente.

• Montieren Sie die Stopfbuchskomponenten wieder und ziehen Sie sie fest.

• Überprüfen Sie, ob das Kabel sicher befestigt ist, um eine wasserdichte Abdichtung zu gewährleisten.

4.2 Abschirmungs- und Erdungsstrategien

Eine ordnungsgemäße Abschirmung und Erdung ist entscheidend für die Vermeidung elektromagnetischer Störungen:

1. Schirmanschluss am Sensorende:

• Der Kabelschirm sollte sensorseitig mit dem Sensorgehäuse verbunden werden.

• Bei isoliert montierten Sensoren muss ein kurzes Kabel zwischen dem Minuspol (-) und der Abschirmungsklemme im Anschlusskasten oder Stecker angeschlossen werden (Abbildungen 6-10, 7-10).

2. Behandlung der Übertragungskabelabschirmung:

• Die Abschirmung ist nicht angeschlossen. am Ende der Galvanic Separation Unit (GSI)

• Dadurch werden Erdschleifen vermieden.

3. Systemerdungsarchitektur:

• Befolgen Sie das Prinzip der Einzelpunkterdung.

• Die galvanische Trenneinheit sorgt für die Isolierung zwischen der Signalerde und der Schrankerde.

• Industriegehäuse sollten über ihre Befestigungsbolzen zuverlässig geerdet sein.

4.3 Spezifikationen der Steckverbinderbaugruppe

Bei Modellen mit Steckern (z. B. CG 134) erfordert die Montage besondere Aufmerksamkeit:

1. Demontieren Sie die Steckerbaugruppe.

2. Löten Sie die Kabeldrähte an die entsprechenden Pins (A, B, C) gemäß Abbildung 6-9.

3. Löten Sie einen Überbrückungsdraht zwischen den Pins B und C (um Leckströme und Erdschleifenstörungen zu vermeiden, wenn der Sensor korrekt geerdet ist).

4. Tragen Sie den Sicherungskleber LOCTITE 241 auf die Gewinde auf.

5. Montieren Sie den Stecker wieder und achten Sie darauf, dass das Kabel nicht verdreht ist.

6. In den Gegenstecker einstecken und mit einem Drehmoment von 7–11 Nm festziehen.

4.4 Anschlüsse der galvanischen Trenneinheit

1. Isolieren Sie die Drähte des Übertragungskabels ab und quetschen Sie die AMP Faston 6.3-Klemmen.

2. In die entsprechenden Klemmen am GSI einstecken (Abbildungen 5-13, 6-11, 7-12).

3. Schließen Sie das anlagenseitige Kabel mit ebenfalls gecrimpten Kabelschuhen an.

4. Beachten Sie die Polaritätsmarkierungen: typischerweise „+“ für positive Leistung, „-“ für negatives Signal/Leistung.

Kapitel 5: Anwendungsspezifikationen für explosionsgefährdete Bereiche

5.1 ATEX-Richtlinie und Explosionsschutzzertifizierung

Vibro-Meter-Produkte wurden einer strengen Zertifizierung für den Einsatz in potenziell explosiven Atmosphären unterzogen und entsprechen den Anforderungen der europäischen ATEX-Richtlinie 94/9/EG. Anhang B des Handbuchs enthält die vollständigen EG-Baumusterprüfbescheinigungen:

5.1.1 Eigensichere Schutzarten

• „ia“-Stufe: Geeignet für Zone 0 (wo eine explosionsfähige Atmosphäre ständig oder über längere Zeiträume vorhanden ist).

• „ib“-Stufe: Geeignet für Zone 1 (wo im Normalbetrieb gelegentlich eine explosionsfähige Atmosphäre auftritt).

5.1.2 Klassifizierung der Gasgruppen

• Gruppe IIC: Stellt die am leichtesten entzündlichen Gase dar (z. B. Wasserstoff, Acetylen).

• Gruppe IIB: Gase mit mittlerem Zündrisiko.

• Gruppe IIA: Gase mit allgemeiner Zündgefahr.

5.1.3 Temperaturklasse

• T1 bis T6: Gibt die maximale Oberflächentemperatur des Geräts an, wobei T6 die strengste ist (≤85 °C).

• Verschiedene Komponenten können je nach Standort und Betriebstemperatur unterschiedliche Temperaturklassen haben.

5.2 Identifizierung und Kennzeichnung explosionsgeschützter Produkte

Produkte, die für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen geeignet sind, tragen spezielle Kennzeichnungen, die der EG-Baumusterprüfbescheinigung entsprechen müssen:

Typisches Markierungsbeispiel:

• VIBRO-METER SA

• Typ: CA 134

• Seriennummer: ...

• Baujahr: ...

•  II 1G (Gerätegruppe: II=Nicht-Bergbau, 1=Kategorie 1)

• EEx ia IIC T6 bis T1 (Schutzart: ia Eigensicherheit, Gasgruppe IIC, Temperaturklasse T6 bis T1)

• LCIE 02 ATEX 6110 X (Zertifikatsnummer)

Die Markierung „X“ weist darauf hin, dass für die Ausrüstung besondere Bedingungen für die sichere Verwendung gelten, die im Abschnitt „Zeitplan“ des Zertifikats aufgeführt sind.

5.3 Anforderungen an den explosionssicheren Systemaufbau

Ein eigensicheres System besteht aus drei Teilen, und die gesamte Kombination muss als kompatibel zertifiziert sein:

1. Feldgerät: Sensoren, Wandler usw., die im Gefahrenbereich installiert sind.

2. Zugehörige Geräte: Galvanische Trenneinheiten usw., installiert im sicheren Bereich.

3. Verbindungskabel: Seine Parameter (Kapazität, Induktivität) müssen innerhalb der zulässigen Grenzen des Systems liegen.

Überprüfung der Systemkompatibilität:

• Feldgeräteparameter: Ui, Ii, Ci, Li.

• Zugehörige Geräteparameter: Uo, Io, Co, Lo.

• Kabelverteilte Parameter (Kapazität, Induktivität pro Längeneinheit).

• Muss erfüllen: Ui ≥ Uo, Ii ≥ Io, Ci + Ccable ≤ Co, Li + Lcable ≤ Lo.

5.4 Besondere Installationsanforderungen für explosionsgefährdete Bereiche

1. Geräteanpassung: Kann nur an zertifizierte eigensichere Geräte angeschlossen werden.

2. Kontrolle der Kabelparameter: Die verteilte Kapazität und Induktivität des Kabels muss in die Systemberechnungen einbezogen werden.

3. Erdung und Potenzialausgleich: Gehäuse müssen an ein Potenzialausgleichssystem angeschlossen werden.

4. Keine unbefugten Änderungen: Jede Änderung ohne die schriftliche Genehmigung des Herstellers führt zum Erlöschen der Zertifizierung und der Garantie.

5. Wartungseinschränkungen: Explosionsgeschützte Geräte dürfen nicht vor Ort repariert werden; Es muss an ein autorisiertes Servicecenter zurückgegeben werden.

Kapitel 6: Zubehör und zusätzliche Montagekomponenten

6.1 Montagebolzen

Wenn eine direkte Montage auf einer bearbeiteten Oberfläche nicht möglich ist, werden spezielle Montagebolzen verwendet:

Bolzen TA 102 (Abbildung 8-1):

• Für CA 201 und CE 310.

• Bietet eine Winkeleinstellung von 30°.

• Edelstahlmaterial, beständig gegen korrosive Umgebungen.

Bolzen TA 104 (Abbildung 8-2):

• Für CA 134, CA 135, CA 136, CE 134 und CE 136.

• 90° Montagewinkel.

• Verbessert die Montagequalität auf unebenen Oberflächen.

Bolzen TA 106 (Abbildung 8-3):

• Speziell für CA 216 entwickelt.

• 92° Montagewinkel.

• Kompaktes Design für Standorte mit begrenztem Platzangebot.

6.2 Isolierstützen

6.2.1 Elektrisch isolierende Stütze (TA 101) (Abbildung 8-4)

• Für CA 201 und CE 310.

• Inklusive Isolierbuchsen und Isolierplatte.

• Verhindert Erdschleifen und elektrische Störungen.

• Für die Installation sind isolierende Schrauben und Unterlegscheiben erforderlich.

6.2.2 Wärmedämmender Träger (TA 105) (Abbildung 8-5)

• Für CA 135, CA 136 und CE 136.

• Maximale Temperaturbeständigkeit: 300 °C.

• 5 mm dicke Isolierplatte mit drei gleichmäßig verteilten Bohrlöchern.

• Reduziert die Wärmeleitung von heißen Geräten zum Sensor.

6.3 Kabelschutzzubehör

Edelstahlgeflechtmantel (BOA):

• Bietet mechanischen Schutz und begrenzte Flexibilität.

• Hitze- und korrosionsbeständig.

• Bei Modellen mit integrierten Kabeln vorinstalliert.

Flexibles Rohr KS 106:

• Material aus verzinktem Stahl oder Edelstahl.

• Bietet zusätzlichen mechanischen Schutz für Übertragungskabel.

• Besonders nützlich in Bereichen, die Stößen oder Abrieb ausgesetzt sind.

Befestigungsclips:

• Für Kabel/Leitungen mit einem Durchmesser von ca. 8 mm.

• In Abständen von 100–200 mm befestigt.

• Verhindert Kabelvibrationen und Scheuern.

Kapitel 7: Wartung, Fehlerbehebung und technischer Support

7.1 Grundlegende Wartungsprinzipien

Die piezoelektrischen Beschleunigungssensorsysteme von Vibro-Meter sind als wartungsfreie Geräte konzipiert, entsprechende Inspektionen können jedoch die Lebensdauer verlängern:

7.1.1 Checkliste für regelmäßige Inspektionen

• Sichtprüfung: Auf physische Schäden und Korrosion prüfen.

• Kabelinspektion: Überprüfen Sie die Integrität der Ummantelung und die Verbindungssicherheit.

• Montageprüfung: Überprüfen Sie den festen Sitz der Schrauben und prüfen Sie, ob sich diese lockern.

• Signalprüfung: Überprüfen Sie das Grundrauschen und die Empfindlichkeitsänderungen.

7.1.2 Reinigungsempfehlungen

• Gehäuse mit einem weichen Tuch abwischen.

• Vermeiden Sie ätzende Reinigungsmittel.

• Verwenden Sie für Steckverbinder einen speziellen Reiniger für elektronische Kontakte.

7.1.3 Besondere Anforderungen an explosionsgeschützte Geräte

• Sämtliche Wartungsarbeiten müssen den Anforderungen der EG-Baumusterprüfbescheinigung entsprechen.

• Explosionsgeschützte Geräte dürfen vor Ort nicht verändert oder repariert werden.

• Es dürfen nur Original-Ersatzteile verwendet werden.

7.2 Leitfaden zur Fehlerbehebung

7.2.1 Häufige Fehlersymptome und mögliche Ursachen

7.2.2 Grundlegende Testmethoden

1. Widerstandsprüfung: Trennen und messen Sie den Widerstand zwischen den Sensoranschlüssen (typischerweise >1 MΩ).

2. Isolationsprüfung: Isolationswiderstand zwischen Sensor und Erde messen (sollte >100 MΩ sein).

3. Funktionstest: Sensor leicht antippen und Signalverhalten beobachten.

4. Ersatztest: Zum Testen durch einen bekanntermaßen funktionsfähigen Sensor ersetzen.

7.3 Kalibrierung und Re-Zertifizierung

7.3.1 Empfohlene Kalibrierungsintervalle

• Allgemeine Anwendungen: Alle 24 Monate.

• Kritische Anwendungen: Alle 12 Monate.

• Extreme Umgebungen: Alle 6 Monate oder weniger.

7.3.2 Kalibrierungselemente

• Empfindlichkeit (pC/g oder mV/g).

• Frequenzgang (Amplitude und Phase).

• Linearität.

• Querempfindlichkeit.

• Temperaturreaktion (optional).

7.3.3 Neuzertifizierung für explosionsgeschützte Geräte

• Erforderlich nach jeder Reparatur.

• Darf nur von autorisierten Servicezentren durchgeführt werden.

• Aktualisiert das Explosionsschutzzertifikat und die Kennzeichnungen.

Kapitel 8: Anwendungsfelder und Auswahlbeispiele

8.1 Typische industrielle Anwendungsbereiche

Abschnitt 1.2 des Handbuchs listet die breiten Anwendungsbereiche piezoelektrischer Beschleunigungsmesser auf:

8.1.1 Rotierende Maschinen / Antriebselemente

• Elektromotoren: Induktions-, Synchron- und Gleichstrommotoren.

• Verbrennungsmotoren: Diesel, Gasmotoren.

• Gasturbinen: Von Flugzeugen abgeleitete Hochleistungsindustrie.

• Dampfturbinen: Zur Stromerzeugung, Antriebe.

• Hydraulikturbinen: Francis-, Kaplan- und Pelton-Turbinen.

• Getriebe: Parallelwelle, Planetengetriebe, Schneckengetriebe.

8.1.2 Rotierende Maschinen / Angetriebene Elemente

• Ventilatoren: Zentrifugal, axial.

• Pumpen: Kreiselpumpen, Verdrängerpumpen, Kolbenpumpen.

• Kompressoren: Radial-, Axial-, Schrauben- und Kolbenkompressoren.

• Generatoren: Turbogeneratoren, Hydrogeneratoren, Dieselgeneratoren.

8.1.3 Andere Anwendungen

• Strukturelle Schwingungsüberwachung: Brücken, Gebäude, Türme.

• Überwachung loser Teile in rotierenden Maschinen: Erkennen von losen Messern, Bolzen usw.

• Überwachung von Prozessmaschinen: Extruder, Brecher, Siebe.

8.2 Auswahlbeispielanalyse

Beispiel 1: Vibrationsüberwachung in der Hochtemperaturzone einer Gasturbine

• Umwelteigenschaften: Hohe Temperatur (bis zu 600 °C), potenziell explosiv (Risiko von Kraftstofflecks).

• Auswahlempfehlung: CA 905 (beständig gegen 620 °C) oder CA 134 Ex i-Version (beständig gegen 450 °C).

• Konfiguration: Separater Ladungswandler, installiert in einem kühleren Bereich, mit mineralisolierten Kabeln.

• Zertifizierungsanforderungen: EEx ia IIC T1-T6, konform mit ATEX und IECEx.

Beispiel 2: Vibrationsüberwachung an einem Kältekompressor

• Umwelteigenschaften: Niedrige Temperatur (bis zu -50 °C), potenziell brennbares Kältemittel vorhanden.

• Auswahlempfehlung: Tieftemperaturversion CA 134 (beständig -200°C bis +450°C).

• Konfiguration: Integriertes Kabel zur Minimierung von Verbindungspunkten in der Kaltzone.

• Überlegungen: Verhindern Sie Kabelkondensation und Vereisung.

Beispiel 3: Pumpensatzüberwachung auf einer Offshore-Plattform

• Umwelteigenschaften: Hohe Korrosion, hohe Luftfeuchtigkeit, Platzmangel, Explosionsschutzanforderungen.

• Auswahlempfehlung: CE 310 Ex i-Ausführung (integrierte Klimaanlage, kompakte Bauweise).

• Konfiguration: Edelstahlgehäuse, Schutzart IP65, Anschluss über Anschlussdose.

• Montage: Zur einfacheren Montage auf unebenen Oberflächen verwenden Sie den Bolzen TA 102.

Beispiel 4: Online-Überwachung eines kritischen Getriebes

• Anforderungen: Hochfrequenzgang (zur Überwachung der Zahneingriffsfrequenzen), hohe Zuverlässigkeit.

• Auswahlempfehlung: CA 201 (Scherkonstruktion, unempfindlich gegen Grunddehnung).

• Montage: Gewindemontage für optimalen Frequenzgang.

• Signalverarbeitung: Ladungswandler mit Tiefpassfilter zur Unterdrückung hochfrequenter Störungen.

8.3 Umrechnung von Schwingungsparametern und Verwendung von Nomogrammen

Anhang A des Handbuchs enthält Beschleunigungs-Geschwindigkeits-Weg-Nomogramme für die Umrechnung von Schwingungsparametern:

Nomogramm L 1347 (Metrische Einheiten):

• X-Achse: Vibrationsfrequenz (Hz).

• Linke Y-Achse: Verschiebungsamplitude (Spitze-zu-Spitze, μm).

• Mittlere Y-Achse: Geschwindigkeitsamplitude (Spitze, mm/s).

• Rechte Y-Achse: Beschleunigungsamplitude (Spitze, g).

Anwendungsbeispiel:
Gegeben: Beschleunigung 1 g Spitze, Frequenz 157 Hz.
Aus dem Diagramm: Geschwindigkeit 10 mm/s Spitze, Verschiebung 20 μm Spitze-zu-Spitze.

Technische Bedeutung:

• Verschiebung: Spiegelt niederfrequente Schwingungen mit großer Masse wider und betrifft Lücken und Verformungen.

• Geschwindigkeit: International anerkannter Schwingstärkeindikator, der die Schwingungsenergie widerspiegelt.

• Beschleunigung: Reflektiert Stöße und hochfrequente Vibrationen, betrifft Ermüdung und Stoßbelastungen.

Kapitel 9: Normenkonformität und Zertifizierungssysteme

9.1 Einhaltung internationaler Standards

Vibro-Meter-Produkte entsprechen zahlreichen internationalen Standards:

9.1.1 Vibrationssensorstandards

• ISO 5348: Richtlinien für die Montage von Vibrationssensoren.

• ISO 10816: Allgemeine Richtlinien zur Bewertung von Maschinenvibrationen.

• API 670: Maschinenschutzsysteme (für die Erdöl- und Chemieindustrie).

9.1.2 Elektrische Sicherheitsstandards

• EN 61010-1: Sicherheitsanforderungen für elektrische Geräte zur Messung, Steuerung und Labornutzung.

• EN 50014: Elektrische Geräte für explosionsgefährdete Bereiche – Allgemeine Anforderungen.

• EN 50020: Elektrische Betriebsmittel für explosionsgefährdete Bereiche – Eigensicherheit „i“.

9.2 Übersicht über Zertifizierungssysteme

9.2.1 ATEX-Zertifizierung (Europa)

• Richtlinien: 94/9/EG (Geräterichtlinie), 1999/92/EG (Arbeitsplatzrichtlinie).

• Benannte Stellen: LCIE (Frankreich), KEMA (Niederlande).

• Beispielzertifikat: LCIE 02 ATEX 6110 X (für CA 134/136/160/201).

9.2.2 IECEx-Zertifizierung (International)

• Basierend auf den Normen der IEC 60079-Reihe.

• Internationale gegenseitige Anerkennung, Reduzierung doppelter Zertifizierungen.

9.2.3 cCSAus-Zertifizierung (Nordamerika)

• Kombiniert die Anforderungen von CSA (Kanada) und UL (USA).

• Zertifikatsbeispiel: 1636188 (für CA 134).

• Konforme Standards: CSA C22.2 Nr. 157, UL 913, UL 61010C-1.

9.2.4 Andere regionale Zertifizierungen

• INMETRO (Brasilien).

• NEPSI (China Explosionsschutz-Zertifizierung).

• TIIS (Japan).

• KOSHA (Korea).

9.3 Interpretation der Zertifikatsparameter

Am Beispiel des Zertifikats LCIE 02 ATEX 6110 X:

Geräteparameter:

• Modelle: CA 134/CA 136/CA 160/CA 201.

• Schutzart: Eigensicherheit „ia“.

• Gasgruppe: IIC (höchste Ebene).

• Temperaturklasse: T6 bis T1 (CA 134), T6 bis T2 (andere).

Elektrische Parameter (nur Sensor):

• Ci: Interne Kapazität (0,3 nF für CA 134, 8 nF für CA 136).

• Li: Interne Induktivität (0, vernachlässigbar).

Zugehörige Gerätebeschränkungen:

• Uo ≤ 28 V.

• Io ≤ 100 mA (lineare Versorgung) oder 25 mA (nichtlineare Versorgung).

• Po ≤ 0,7 W.

Kapitel 10: Technologietrends und Zukunftsaussichten

10.1 Entwicklung der piezoelektrischen Sensortechnologie

10.1.1 Fortschritte in der Materialwissenschaft

• Neue piezoelektrische Keramik: Höhere Empfindlichkeit, größere Temperaturbereiche.

• Einkristalline piezoelektrische Materialien: Verbesserte Linearität und Stabilität.

• Verbundwerkstoffe: Flexible piezoelektrische Sensoren für die Montage auf gekrümmten Oberflächen.

10.1.2 Integration mit MEMS-Technologie

• MEMS-Beschleunigungsmesser: Geringere Kosten, kleinere Größe.

• Hybridsysteme: Kombination von Piezoelektrizität und MEMS für ausgewogene Leistung und Kosten.

• Mehrachsige Integration: Dreiachsige Beschleunigungsmesser in einem einzigen Paket.

10.2 Trends in Richtung Intelligenz und Vernetzung

10.2.1 Merkmale intelligenter Sensoren

• Integrierte Diagnose: Selbsttest, Selbstkalibrierung, Fehlervorhersage.

• Digitaler Ausgang: Direkte digitale Schnittstellen (IEPE, digitale Busse).

• Parameterspeicher: Seriennummer, Kalibrierungsdaten, Konfigurationsparameter im Sensor gespeichert.

10.2.2 Integration mit Industrial IoT

• Drahtlose Übertragung: Batteriebetriebene drahtlose Sensornetzwerke.

• Edge Computing: Vorläufige Signalverarbeitung am Sensorknoten.

• Cloud-Plattform-Integration: Vibrationsdaten werden zur Big-Data-Analyse und zum maschinellen Lernen in die Cloud hochgeladen.

10.3 Entwicklung von Wartungsstrategien

10.3.1 Von der präventiven zur vorausschauenden Wartung

• Zustandsbasierte Wartung (CBM): Planung der Wartung basierend auf dem tatsächlichen Zustand.

• Predictive Maintenance (PdM): Basierend auf Trendanalyse und Fehlervorhersage.

• Prognostische Wartung (PM): Erkennung früher Fehlerindikatoren.

10.3.2 Anwendung der Digital-Twin-Technologie

• Virtuelles Modell: Erstellung eines digitalen Zwillings der Anlage.

• Echtzeitsynchronisierung: Sensordaten aktualisieren das digitale Modell in Echtzeit.

• Simulation und Vorhersage: Durchführung von Fehlersimulationen und Lebensdauervorhersagen am digitalen Modell.

10.4 Nachhaltigkeits- und Umweltaspekte

10.4.1 Long-Life-Design

• Erweiterte Kalibrierintervalle: Stabilere Sensordesigns.

• Reparierbarkeit: Modularer Aufbau für einfachere Reparatur und Upgrades.

• Materialauswahl: Umweltfreundliche, recycelbare Materialien.

10.4.2 Energieeffizienz

• Low-Power-Design: Verlängert die Batterielebensdauer für drahtlose Sensoren.

• Energy Harvesting: Gewinnung von Energie aus der Vibrationsumgebung zur Selbstversorgung.

10.4.3 Anpassungsfähigkeit an extreme Umgebungen

• Tiefer gelegene Unterwasseranwendungen: Höhere Druckstufen.

• Raumfahrtanwendungen: Strahlengehärtet, Ultrahochvakuum-kompatibel.

• Geothermische Anwendungen: Höhere Temperaturen, korrosive Umgebungen.

Fazit: Aufbau eines zuverlässigen industriellen Vibrationsüberwachungssystems

Die piezoelektrischen Beschleunigungssensorsysteme von Vibro-Meter stellen eine hochwertige Lösung im Bereich der industriellen Schwingungsüberwachung dar. Durch ein tiefes Verständnis ihrer technischen Prinzipien, die richtige Auswahl der Modelle, die Befolgung standardisierter Installations- und Wartungsverfahren und deren Kombination mit geeigneter Signalverarbeitung und Datenanalyse kann ein zuverlässiges und effizientes System zur Überwachung des Gerätezustands aufgebaut werden.

Die wichtigsten Elemente für die erfolgreiche Umsetzung eines Schwingungsüberwachungsprojekts lassen sich wie folgt zusammenfassen:

1. Systematische Planung: Beginnen Sie mit den Messzielen und berücksichtigen Sie umfassend Umwelt-, Technik-, Sicherheits- und Wirtschaftsfaktoren.

2. Richtige Auswahl: Wählen Sie den geeigneten Sensortyp basierend auf Temperatur, Frequenz, Umgebungsbedingungen und Zertifizierungsanforderungen.

3. Standardisierte Installation: Befolgen Sie strikt die manuellen Anforderungen für die Oberflächenvorbereitung, Montage und Kabelführung.

4. Strikte Einhaltung der Zertifizierungen: Stellen Sie die Einhaltung der gesamten Systemzertifizierung in potenziell explosionsgefährdeten Bereichen sicher.

5. Kontinuierliche Wartung: Richten Sie regelmäßige Inspektions-, Kalibrierungs- und Dokumentationsaktualisierungsverfahren ein.

6. Datenanalyse: Wandeln Sie Rohschwingungsdaten in umsetzbare Erkenntnisse über den Gerätezustand um.

7. Personalschulung: Stellen Sie sicher, dass Bediener und Wartungspersonal über die erforderlichen technischen und Sicherheitskenntnisse verfügen.

Mit der Entwicklung von Industrie 4.0 und intelligenter Fertigung entwickelt sich die Vibrationsüberwachungstechnologie von isolierten Schutzsystemen hin zu integrierten intelligenten Sensorknoten. Professionelle Hersteller wie Vibro-Meter treiben durch kontinuierliche technologische Innovation diesen Bereich in Richtung höherer Zuverlässigkeit, größerer Intelligenz und breiterer Anwendbarkeit voran und schaffen so eine solide Grundlage für den sicheren, effizienten und nachhaltigen Betrieb von Industrieanlagen weltweit.

Dieser Artikel basiert auf einer systematischen Analyse des technischen Handbuchs des Vibro-Meters und soll eine umfassende technische Referenz für Ingenieure und Techniker bieten. Beziehen Sie sich bei praktischen Anwendungen immer auf die neueste Version des Handbuchs, der Datenblätter und technischen Bulletins und konsultieren Sie den technischen Support des Herstellers, um die Optimierung und Sicherheit des Systemdesigns, der Installation und des Betriebs sicherzustellen.

---

Referenzhandbuch:  Vibro-Meter CAxxx/CExxx Piezoelektrischer Beschleunigungsmesser – Bedienungsanleitung