Der Sondenmontageadapter PA150 mit Näherungsmesskette ist ein komplettes, eigenständiges berührungsloses Wegmesssystem aus der VM-Produktlinie. Dieses integrierte System kombiniert einen TQ912-Wirbelstrom-Näherungssensor und einen IQS900-Signalaufbereiter in einem robusten, versiegelten Gehäuse, das speziell für raue Industrieumgebungen und Gefahrenbereiche (potenziell explosive Atmosphären) entwickelt wurde. Seine Hauptfunktion besteht darin, die relative Wellenvibration und die axiale Position in rotierenden Maschinen (wie Dampfturbinen, Gasturbinen, Wasserturbinen, Generatoren, Turbokompressoren und Pumpen) genau zu messen. Es wird häufig für den Maschinenschutz, die Zustandsüberwachung, Übergeschwindigkeitserkennungssysteme (ODS) und sicherheitsrelevante Anwendungen eingesetzt und entspricht vollständig den API 670-Standards der 5. Ausgabe.
Ein wesentlicher Vorteil des PA150 ist sein hochintegriertes und modulares Design. Es vereint den Sensor, ein 1 Meter langes integriertes Kabel und den Signalaufbereiter in einer einzigen Einheit, sodass kein separates EA902-Verlängerungskabel erforderlich ist. Sein einzigartiges abnehmbares Gehäuse mit U-förmiger Halterung ermöglicht eine außergewöhnlich einfache Sondeninstallation und Spalteinstellung, auch bei laufender Maschine. Die verstellbare Edelstahlstange (erhältlich in Längen von 50 bis 800 mm) und verschiedene Adaptergewinde- und Längenoptionen bieten eine enorme Installationsflexibilität zur Anpassung an komplexe Maschinenstrukturen und räumliche Einschränkungen.
Das System bietet entweder einen Spannungs- (3-Leiter) oder einen Stromausgang (2-Leiter) und verfügt über einen Kurzschlussschutz. Sein Frequenzgang reicht von DC bis 20 kHz und ermöglicht die Erfassung subtiler Vibrationsdetails in rotierenden Maschinen mit hoher Geschwindigkeit. Das Sensorende bietet einen extrem großen Betriebstemperaturbereich (-40 °C bis +180 °C), sodass es auch Umgebungen mit hohen Temperaturen bewältigen kann. Darüber hinaus ist der PA150 in Standardversionen und explosionsgeschützten (Ex) Versionen erhältlich, die nach verschiedenen internationalen Standards (ATEX, IECEx, CSA, KGS, UKEX, EAC usw.) zertifiziert sind und die Sicherheitsanforderungen für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen weltweit erfüllen. Der integrierte IQS900-Signalaufbereiter unterstützt außerdem die optionale integrierte Selbsttestfunktion (BIST), die Rohsignalausgabe und die Testsignaleingabe, wodurch die Systeminbetriebnahme, Feldtests und Fehlerbehebungsprozesse erheblich vereinfacht werden.
Funktionsprinzip
Das PA150-System arbeitet nach dem Wirbelstromprinzip, um eine hochpräzise, berührungslose Wegmessung zu erreichen. Sein Funktionsprinzip ist ein komplexer und präziser Prozess, der elektromagnetische Induktion, Hochfrequenzsignalmodulation und -demodulation, Signallinearisierung, Temperaturkompensation und integrierte Diagnose umfasst. Der Prozess wird im Folgenden Schritt für Schritt erläutert.
1. Wirbelstrominduktion und Signalerzeugung
Das Herzstück des Systems ist der Näherungssensor TQ912. Sein Kopf enthält eine Sonde, die aus einer präzisionsgewickelten Spule besteht, die in Hochleistungs-Thermoplast PPS (Polyphenylensulfid) eingekapselt und in ein Gehäuse aus Edelstahl (AISI 316L) eingepresst ist. Ein Hochfrequenzoszillator im Signalaufbereiter IQS900 erzeugt ein Wechselstromsignal im MHz-Bereich, das über ein Koaxialkabel mit 70 Ohm Wellenwiderstand an die Sensorsondenspule übertragen wird.
Wenn hochfrequenter Strom durch die Spule fließt, erzeugt sie an ihrem vorderen Ende ein elektromagnetisches Wechselfeld. Wenn sich dieses Feld einem leitfähigen Metallziel (normalerweise der Welle der Maschine) nähert, werden gemäß dem Faradayschen Gesetz der elektromagnetischen Induktion Wirbelströme auf der Zieloberfläche induziert. Diese Wirbelströme erzeugen selbst ein neues Magnetfeld, das dem ursprünglichen Feld entgegengesetzt ist (Lenzsches Gesetz), was zu einer Änderung der effektiven Impedanz der Sensorspule führt. Diese Impedanzänderung steht in einem spezifischen funktionalen Zusammenhang (typischerweise ungefähr eine negative Exponentialbeziehung) mit dem Spaltabstand zwischen der Sondenspitze und der Zieloberfläche und wird außerdem von den elektromagnetischen Eigenschaften (Leitfähigkeit, Permeabilität) des Zielmaterials und der Umgebungstemperatur beeinflusst.
2. Signalmodulation, -übertragung und -demodulation
Durch die Änderung der Impedanz der Sensorspule wird das Hochfrequenz-Trägersignal vom Konditionierer amplitudenmoduliert. Das heißt, die Amplitude des Rücksignals (das die Abstandsinformationen trägt) enthält die Lückeninformationen. Dieses modulierte Hochfrequenzsignal wird über das Koaxialkabel zurück zum Signalaufbereiter IQS900 übertragen.
Im IQS900 wird das Rücksignal zunächst vorverstärkt. Anschließend ist ein präziser Demodulationsschaltkreis (häufig mit phasenempfindlicher Detektionstechnologie) dafür verantwortlich, den Hochfrequenzträger zu entfernen und ein Niederfrequenzspannungssignal zu extrahieren, das proportional zur Änderung der Spulenimpedanz ist. Dieser Prozess ist entscheidend; Es muss die wahre Amplitude der Impedanzänderung genau wiederherstellen und gleichzeitig Rauschen wirksam unterdrücken, das durch Schwankungen der Stromversorgung, Schwankungen der Kabelkapazität und externe elektromagnetische Störungen (EMI) entsteht, um Signalreinheit und Zuverlässigkeit sicherzustellen.
3. Linearisierung, Verstärkung und Ausgangskonvertierung
Das Rohspannungssignal vom Demodulator hat eine nichtlineare Beziehung zum Spaltabstand. Die interne Verarbeitungsschaltung des IQS900 umfasst ein spezielles Linearisierungsmodul. Dieses Modul verarbeitet das Rohsignal durch komplexe Algorithmen (z. B. Polynomanpassung oder stückweise lineare Kompensation), um es in ein Standardsignal umzuwandeln, das eine hochgradig lineare proportionale Beziehung zum mechanischen Spalt aufweist.
Anschließend wird das linearisierte Signal zur Skalierung und Vorspannungsanpassung an eine Präzisionsverstärkerschaltung gesendet, um es genau an den Ausgangsbereich und die Empfindlichkeit anzupassen, die der Benutzer über die Bestelloptionen ausgewählt hat:
Spannungsausgangsmodus (3-Draht): Bietet ein lineares Spannungssignal von -1,6 V (entspricht minimaler Lücke) bis -17,6 V (entspricht maximaler Lücke). Es verfügt über eine niedrige Ausgangsimpedanz (<100 Ω), einen Dynamikbereich von 16 V und ist für die Übertragung über kurze Entfernungen zu Datenerfassungskarten oder SPS geeignet und bietet eine starke Entstörungsfähigkeit.
Stromausgangsmodus (2-Draht): Bietet ein Stromsignal von -15,5 mA (min. Lücke) bis -20,5 mA (max. Lücke). Der Dynamikbereich beträgt 5 mA. Der Stromausgang ist immun gegen Spannungsabfälle und Rauschen über große Entfernungen, was ihn ideal für die Übertragung über große Entfernungen zu Kontrollräumen oder DCS-Systemen macht und von Natur aus eine Drahtbrucherkennung bietet.
Beide Ausgänge sind mit Kurzschlussschutz und Überspannungsschutz ausgestattet.
4. Temperaturkompensation und Systemkalibrierung
Temperaturschwankungen beeinflussen den Spulenwiderstand, die Kabeleigenschaften und die elektromagnetischen Eigenschaften des Zielmaterials. Das PA150-System verfügt über ein umfassendes Temperaturkompensationsdesign. Ein interner Temperatursensor überwacht die Umgebungstemperatur und Algorithmen passen die Amplitude des Anregungssignals oder die Parameter der Demodulationsschaltung dynamisch an, um die Stabilität und Genauigkeit des Ausgangssignals über den angegebenen weiten Temperaturbereich (Sensor: -40 °C bis +180 °C; Konditionierer: -40 °C bis +85 °C) aufrechtzuerhalten und die Messdrift zu minimieren (<5 % bei -30 bis 150 °C).
Die gesamte Messkette (Sensor + Konditionierer) ist werkseitig mit einem Standardtarget aus VCL 140-Stahl (1.7225) bei 23 °C ±5 °C kalibriert, um eine vollständige Austauschbarkeit der Komponenten zu gewährleisten. Dies bedeutet, dass der Sensor oder der Konditionierer im System einzeln ausgetauscht werden kann, ohne dass das gesamte System neu kalibriert werden muss, was die Wartung vor Ort erheblich vereinfacht und die Lagerkosten für Ersatzteile senkt.
5. Integrierte Diagnose- und Testfunktionen (BIST)
Ein herausragendes Merkmal ist die optionale Diagnosefunktionalität des Signalkonditionierers IQS900. Es unterstützt den integrierten Selbsttest (BIST), der den Zustand der Messkette (einschließlich Sensor, Kabel und Konditionierer selbst) kontinuierlich oder bei Bedarf automatisch überwachen kann. Wenn ein Fehler erkannt wird (z. B. Sensorunterbrechung, Kurzschluss, Kabelschaden oder interner Klimaanlagenfehler), erfolgt eine Fernwarnung, indem der Ausgang auf einen Wert außerhalb des normalen Betriebsbereichs (< -20,5 mA oder > -15,5 mA; < -17,6 V oder > -1,6 V) gesteuert wird, was eine vorausschauende Wartung ermöglicht.
Darüber hinaus bietet das IQS900 eine einzigartige In-situ-Testunterstützung:
Rohausgang (RAW/COM): Stellt ein „rohes“ Spannungssignal (-0,8 bis -8,8 V) bereit, das direkt das vom Konditionierer empfangene interne Signal vor der endgültigen Skalierungsverarbeitung widerspiegelt. Dies ist auch dann verfügbar, wenn das System für die Stromausgabe konfiguriert ist. Diese Funktion wird verwendet, um den Zustand der Verbindung vom Sensor zum Front-End des Signalaufbereiters zu überprüfen.
Testeingang (TEST/COM): Ermöglicht die Einspeisung eines AC-Testspannungssignals in den Eingang des Conditioners. Der Conditioner verarbeitet dieses Testsignal so, als käme es vom echten Sensor und leitet es an den Hauptausgang weiter. Damit wird die Integrität des gesamten Signalpfads vom Signalaufbereiter bis zum nachfolgenden Überwachungssystem (einschließlich Isolationsbarrieren und Verkabelung) überprüft.
Zusammen ermöglichen diese Funktionen eine effiziente Inbetriebnahme und Fehlerbehebung vor Ort, ohne Kabel zu trennen oder die Maschine anzuhalten.
Hauptmerkmale und Vorteile
Hohe Integration und einfache Installation: Integriert Sensor, Kabel und Konditionierer in einer Einheit, wodurch externe Verlängerungskabel entfallen. Das abnehmbare Gehäuse und die U-förmige Halterung ermöglichen eine außergewöhnlich einfache Sondeninstallation und Spalteinstellung und unterstützen Online-Anpassungen bei laufender Maschine.
Hervorragendes mechanisches Design und Anpassungsfähigkeit: Verfügt über eine verstellbare Edelstahlstange (50–800 mm), verschiedene Adaptergewinde (M24, 7/8'-14UNF, 3/4'NPT, G3/4', 1'NPT) und Längen sowie mehrere Kabelbefestigungsoptionen (Option F), die nahezu alle Anforderungen an Installationsraum und mechanische Schnittstellen erfüllen.
Umfassende Umwelt- und Sicherheitszertifizierungen: Sensor mit Schutzart IP68, Gesamtgehäuse mit Schutzart IP65. Erhältlich in explosionsgeschützten (Ex) Versionen, zertifiziert nach ATEX, IECEx, CSA, KGS, UKEX, EAC usw., für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen der Zone 0/1/2 (Gas) und Zone 20/21/22 (Staub). Entspricht API 670 5. Edition und den funktionalen Sicherheitsstandards SIL 2 (IEC 61508) / Cat 1 PL c (ISO 13849-1).
Hochleistungsmesskern: Basiert auf der bewährten TQ912- und IQS900-Messkette und bietet einen linearen Messbereich von 2 mm oder 4 mm mit einer wählbaren Empfindlichkeit von 8 mV/μm, 4 mV/μm, 2,5 μA/μm oder 1,25 μA/μm. Der breite Frequenzgang (DC bis 20 kHz) gewährleistet die Erfassung aller relevanten Schwingungskomponenten.
Erweiterte Diagnose- und Testfunktionen: Optionaler integrierter Selbsttest (BIST) zur Echtzeitüberwachung des Systemzustands. Rohausgangs- und Testeingangsschnittstellen unterstützen eine umfassende Inbetriebnahme und Fehlerdiagnose vor Ort und reduzieren so Ausfallzeiten.
Robuste Umgebungstoleranz: Der Sensor widersteht Betriebstemperaturen von -40 °C bis +180 °C, Druckunterschieden bis zu 6 bar, Vibrationen bis zu 5 g und Stößen bis zu 15 g. Das abgedichtete Aluminiumgehäuse (mit Viton-O-Ringen und NBR-Dichtung) gewährleistet den Schutz des Klimageräts in rauen Industrieumgebungen.
Flexibler elektrischer Ausgang und Stromversorgung: Unterstützt Spannungs- und Stromausgang, kompatibel mit den meisten Überwachungssystemen. Großer Stromversorgungsbereich (-18 bis -30 VDC), kann vom Überwachungssystem oder einer externen Sicherheitsstromversorgung gespeist werden.
Anwendungen
Maschinenschutzsysteme: Zur Wellenrelativvibration und Überwachung der axialen Position in großen rotierenden Maschinen wie Dampfturbinen, Gasturbinen, Wasserturbinen, Kompressoren, Pumpen und Generatoren, um katastrophale Ausfälle zu verhindern.
Zustandsüberwachung und vorausschauende Wartung: Bietet hochpräzise Schwingungsdaten für die Analyse des Maschinenzustands und die Fehlerdiagnose.
Übergeschwindigkeitserkennungssysteme (ODS): Dient als Geschwindigkeitssensor (Keyphasor) für kritische Übergeschwindigkeitsschutzfunktionen.
Sicherheitsrelevante Anwendungen: Dank der SIL 2-Zertifizierung kann es in Maschinenschutzkreisen eingesetzt werden, die funktionale Sicherheit erfordern.
API 670-Anwendungen: Vollständig konform mit der 5. Ausgabe des American Petroleum Institute-Standards für Maschinenschutzsysteme, wodurch es ideal für die Öl-, Gas- und petrochemische Industrie ist.
Anwendungen in explosionsgefährdeten Bereichen: Explosionsgeschützte Versionen ermöglichen den Einsatz in Umgebungen mit explosiven Gasen oder Staub, beispielsweise in der Öl- und Gasindustrie sowie in der chemischen und pharmazeutischen Industrie.
