Was ist Vibration?
Vibrationen in einem rotierenden und/oder hin- und hergehenden Maschinensystem sind, einfach ausgedrückt, die Hin- und Herbewegung oder Schwingung der Maschinen und Komponenten, aus denen das System besteht. Während Vibrationen in Industrieanlagen oft ein normaler Bestandteil des Betriebs der Maschinen sind, können sie auch ein Anzeichen – oder die Ursache – für ein Problem sein. Wenn sie nicht behoben werden, können zunehmende Vibrationen zu einer fortschreitenden Verschlechterung des Zustands führen, was wiederum Schäden an den Komponenten der Anlage oder sogar zu einem katastrophalen Ausfall führen kann. Eine proaktive Schwingungsüberwachung ist die beste Maßnahme, um katastrophale Ausfälle zu verhindern, Ausfallzeiten zu reduzieren und Kosten für die Wartung zu senken. Ein Schwingungssensor ist das effektivste Mittel zur Schwingungsüberwachung.
Was ist ein Schwingungssensor?
Ein Schwingungssensor ist ein Gerät, das die Amplitude der Schwingungen innerhalb eines bestimmten Geräts über einen bestimmten Zeitraum misst.
Abbildung 1. Darstellung des Vibrationssignals eines Gaskompressors über einen Zeitraum von 0,4 Sekunden.
Das Vibrationssignal wird anschließend verarbeitet, um präzise Informationen (Frequenz vs. Amplitude) zu liefern, die zur Beurteilung des Zustands der wichtigsten Anlagen eines industriellen Systems verwendet werden. Es wird direkt an eine Maschine oder Komponente angeschlossen und kann nach der Installation je nach Sensor verschiedene Arten von Schwingungen erkennen. Die von Schwingungssensoren gelieferten Daten können dabei helfen, zukünftigen Bedarf an Wartung zu antizipieren, was zu einem optimierten und effizienteren Betriebsprozess führt und die Anlagen zuverlässiger und effizienter macht.
Vibration sensors, together with speed/phase reference sensors or other vibration sensors, collect three types of data: frequency, amplitude, and phase. The frequency part of the data indicates how often the vibration occurs (which is related to where the fault is occurring in the machine), while the amplitude part of the data reflects the level of vibration a piece of equipment is experiencing (which is related to the fault severity). Phase indicates where the vibration peak is occurring in relation to a single rotation of the shaft or rotor, which can be used for fault diagnostic purposes and rotor balancing.
Schwingungssensoren erfassen zusammen mit Drehzahl-/Phasenreferenzsensoren oder anderen Schwingungssensoren drei Arten von Daten: Frequenz, Amplitude und Phase. Der Frequenzanteil der Daten gibt an, wie oft die Schwingung auftritt (was mit dem Ort des Fehlers in der Maschine zusammenhängt), während der Amplitudenanteil der Daten den Schwingungsgrad eines Geräts widerspiegelt (was mit der Schwere des Fehlers zusammenhängt). Die Phase gibt an, wo der Schwingungsspitzenwert in Bezug auf eine einzelne Umdrehung der Welle oder des Rotors auftritt, was für die Fehlerdiagnose und das Auswuchten des Rotors verwendet werden kann.
Abbildung 2. Spektrumdiagramm, das aus dem in Abbildung 1 gezeigten Signal erstellt wurde. Hier sehen Sie die einzelnen Frequenzkomponenten zusammen mit ihrer Amplitude, aus denen sich das Signal zusammensetzt.
Abbildung 3. Das Orbit-Diagramm auf der linken Seite wurde aus den Signalen zweier Sensoren erstellt, die in einem Winkel von 90 Grad zueinander montiert sind, um die Wellenvibration zu überwachen, die auf der rechten Seite dargestellt ist. Beachten Sie die Phasendifferenz zwischen den beiden Sensorsignalen.
Warum ist die Schwingungsüberwachung für industrielle Anlagen wichtig?
Bei der Verwaltung und dem Betrieb einer industriellen Anlage ist die Zustandsüberwachung von entscheidender Bedeutung. Eine ordnungsgemäße Zustandsüberwachung, die die Betriebsfähigkeit der Anlagen maximiert und gleichzeitig das Risiko minimiert, verlängert die Lebensdauer der Anlagen, was wiederum zu weniger Ausfallzeiten, weniger Betriebsunterbrechungen, einer verbesserten Effizienz und letztlich zu geringeren Lebenszykluskosten führt. Bei Industrieanlagen ist die Schwingung eine der wichtigsten Variablen, für die eine proaktive Zustandsüberwachung unerlässlich ist.
Ursachenanalyse
Die Schwingungsüberwachung und -analyse kann bei der Ursachenanalyse helfen. Wenn eine Anlage beschädigt ist, kann die Ermittlung der Ursache der Schwingung zu einem Verständnis der Ursache des Schadens und zu Erkenntnissen darüber führen, wie eine Wiederholung vermieden werden kann.
Vorausschauende Wartung
Die Ursachenanalyse ist zwar ein wichtiger Vorteil, doch ist die Schwingungsüberwachung vielleicht am wertvollsten, wenn sie in der vorausschauenden Wartung eingesetzt wird – als Mittel, um Ausfälle von vornherein zu verhindern. Mit einem Schwingungssensor können Schwingungsdaten in Echtzeit verfolgt werden. Durch die frühzeitige Erkennung erhöhter Vibrationen in einem Gerät können Maßnahmen zur Wartung kostengünstig im Voraus geplant werden, wodurch Schäden verhindert werden.
Wer kann von Vibrationssensoren profitieren?
Jedes Unternehmen, das rotierende und/oder hin- und hergehende Maschinen betreibt, kann vom Einsatz von Vibrationssensoren profitieren. Dazu gehören:
- Öl und Gas
- Erneuerbare Energien
- Thermische Energie
- Verarbeitende Industrie
Überall dort, wo sich Komponenten in Bewegung befinden, treten Vibrationen auf, die überwacht werden können. Einige Beispiele aus der Praxis, in denen Vibrationssensoren erforderlich sind, umfassen eine Reihe kritischer Maschinen wie Kompressoren (Zentrifugal-, Axial-, Kolben- und Schraubenkompressoren) und Turbinen (Gas-, Dampf-, Hydraulik- und Windturbinen). Auch Maschinen der Anlagenperipherie werden überwacht, beispielsweise:
Ventilatoren – Ventilatoren werden in einer Reihe von Anwendungen eingesetzt. An den Flügeln können sich Ablagerungen ansammeln, die zu einem Effizienzverlust führen und die Lager und das Getriebe belasten können, sodass es zu einem vorzeitigen Ausfall kommt.
Motoren – Neben den rotierenden Teilen, die Zentrifugalkräfte erzeugen, entstehen bei Elektromotoren aufgrund ihres Betriebs auch elektromagnetische Kräfte. All diese Kräfte können zu einer Instabilität des Systems führen. In der Industrie werden Vibrationssensoren eingesetzt, um die Vibrationspegel im Motor zu überwachen, die durch gebrochene Rotorstangen, gebrochene Endringe, defekte Lager usw. verursacht werden können.
Pumpen – Pumpen befördern Flüssigkeiten zwischen zwei unterschiedlichen Höhen. Wie Motoren erzeugen auch Pumpen aufgrund ihrer Drehbewegung Zentrifugalkräfte. Mit Hilfe von Vibrationssensoren können Ingenieure oder Techniker die durch den Betrieb der Pumpen verursachten Vibrationsfrequenzen überwachen.
Kompressoren – Ein Kompressor ist ein mechanisches Gerät, das den Druck eines Gases durch Verringerung seines Volumens erhöht. Wie Motoren und Pumpen erzeugen Kompressoren aufgrund ihrer Drehbewegung Zentrifugalkraft. Mit Hilfe von Vibrationssensoren können Ingenieure oder Techniker die Vibrationsfrequenz überwachen, die von den Kompressorelementen, Lagern und Wellen ausgeht.
In allen Anwendungen ermöglicht die Messung und Überwachung von Maschinenvibrationen Managern und Bedienern, Ausfälle vorherzusagen, die besten Betriebsbedingungen zu ermitteln und Gefahren am Arbeitsplatz zu vermeiden.
Die wichtigsten Arten von Vibrationssensoren
Es gibt drei Haupttypen von Vibrationssensoren, die jeweils ihre eigenen Vor- und Nachteile haben:
- Beschleunigungssensoren – Messen die absolute Schwingungsbeschleunigung direkt
- Geschwindigkeitssensoren – Messen die absolute Schwingungsgeschwindigkeit direkt
- Wegsensoren (Näherungssensoren oder Wirbelstromsensoren) – Messen die relative Schwingung im Weg direkt (DC – statischer Weg / AC – variabler Weg)
Vor- und Nachteile verschiedener Arten von Schwingungssensoren
Beschleunigungsmesser
Beschleunigungsmesser eignen sich hervorragend zur Fehlererkennung bei Wälzlagern und Getrieben sowie für nahezu alle Fehler im mittleren bis hohen Messbereich – einschließlich kurzzeitiger Stöße. Sie eignen sich auch hervorragend zur Erkennung von Unwuchten, Fehlausrichtungen, verbogenen Wellen, losen oder gebrochenen Teilen, Komponentenresonanzen usw. Beschleunigungsmesser sind die am häufigsten verwendeten Sensoren in Schwingungsüberwachungsanwendungen. Sie bieten einen großen Messbereich und haben eine lange Lebensdauer (>20 Jahre). Sie sind in kleinen Größen, anwendungsspezifischen Ausführungen und als Hochtemperaturgeräte erhältlich.
Geschwindigkeitssensoren
Geschwindigkeitssensoren sind einfach zu installieren und eignen sich hervorragend für allgemeine Schwingungsmessungen und -überwachungen an rotierenden und hin- und hergehenden Maschinen. Sie sind unempfindlich gegenüber der Oberfläche, auf der sie montiert sind, werden für Messungen im mittleren Frequenzbereich verwendet und bieten einen guten Messbereich. Geschwindigkeitssensoren sind elektrodynamisch, d. h. sie erzeugen ihr Signal selbst und benötigen daher keine Stromversorgung.
Geschwindigkeitssensoren haben jedoch auch Nachteile. Sie sind teurer als die meisten Beschleunigungsmesser und haben Einschränkungen in ihrer Lebensdauer, da die Feder (Membran), an der der interne Magnet des Sensors aufgehängt ist, irgendwann verschleißt. Aufgrund der Resonanz der Feder/Masse haben sie eine obere Frequenzgrenze sowie eine untere Resonanzfrequenz, was ihren Messbereich einschränkt. Geschwindigkeitssensoren sind außerdem nicht für die frühzeitige Lagererkennung geeignet, reagieren empfindlich auf Magnetfelder, sind relativ groß und ihre Federn können sich mit der Zeit verformen.
Wegsensoren
Wegsensoren, auch als Näherungssonden oder Wirbelstromsonden bezeichnet, sind berührungslose Sensoren, die die Verschiebung direkt messen und zur Überwachung der Wellenbewegung und der inneren Spielräume verwendet werden. Sie sind die beste Option zur Überwachung von Maschinen mit Gleit- und Axiallagern und bieten eine gute Signalstärke bei niedrigen Frequenzen. Wegsensoren sind zuverlässig und eignen sich hervorragend zum Schutz und zur Überwachung von Turbomaschinen – unabhängig von der Drehzahl.
Wegsensoren haben jedoch auch Nachteile. Sie sind fest montierte Sensoren und teuer in der Installation. Wegsensoren reagieren sehr empfindlich auf die Zusammensetzung und den Zustand der Materialien und erfordern eine feste Kabellänge zwischen Wirbelstromsonde und Oszillator/Demodulator.
Welcher Sensor für Schwingungen sollte verwendet werden?
Bei der Auswahl eines Sensors für Schwingungen sind bestimmte Variablen zu berücksichtigen. Der Schwingungspegel, der Frequenzbereich, der Temperaturbereich und der Lagertyp (Wälzlager oder Gleitlager) sind allesamt wichtig. Die äußere Umgebung sowie das Vorhandensein elektromagnetischer Felder können die Sensorwerte möglicherweise beeinträchtigen und müssen daher berücksichtigt werden. Bei kleinen Anwendungen können auch die Größe und das Gewicht des Sensors selbst eine Rolle bei der Auswahl spielen.
Einrichtung eines Schwingungsüberwachungssystems
Bei der Schwingungsanalyse ist die Bewertung und Bestimmung des Montageorts eines einzelnen Sensors von entscheidender Bedeutung. Eine falsche Montage eines Schwingungssensors kann zu unzuverlässigen Ergebnissen führen, daher ist die korrekte Montage des Sensors für die Gewährleistung von Genauigkeit und Konsistenz unerlässlich. Eine erfolgreiche Installation eines Schwingungssensors kann durch das Verständnis der Anforderungen, Fähigkeiten und Einschränkungen dieses Sensors erreicht werden.
Sensoren sollten so nah wie möglich an der Schwingungsquelle und an einer glatten, unlackierten, ebenen Fläche angebracht werden, die frei von Öl und Fett ist und größer als die Basis des Sensors selbst ist. Um sicherzustellen, dass der Sensor Fehler in Maschinenkomponenten erkennt, sollte er an der richtigen Stelle und in der richtigen Ausrichtung montiert werden, damit die richtige Schwingungsrichtung effektiv überwacht werden kann (horizontale, vertikale und/oder axiale Bewegung).
Grundsätzlich besteht die Einrichtung eines Schwingungsüberwachungssystems aus drei Teilen:
Sensor-Montage
- Die korrekte Montage des Sensors am System ist entscheidend für genaue Messungen. Im Allgemeinen gilt: Je näher Sie den Schwingungssensor an den Wellenlagern (Lagern) platzieren, desto besser misst der Sensor Schwingungen – insbesondere hochfrequente Signale.
- Für Beschleunigungsmesser und Geschwindigkeitssensoren können verschiedene Montagen verwendet werden, z. B. Bolzen, Klebehalterungen, flache oder 2-polige Magnete oder Sondenspitzen. Die Montage beeinflusst den Messbereich des Sensors (Beschleunigungsmesser), was insbesondere bei hohen Frequenzen wichtig ist. Wegsensoren werden in der Regel durch das Gehäuse geschraubt, um die relative Schwingung der Welle mit dem für diesen Sensor geeigneten Abstand zu überwachen. Wegsensoren, die zur Schwingungs- und Drehzahl-/Phasenreferenzüberwachung verwendet werden, erfordern eine starre Montage, wenn der Sensor an der Maschine angebracht wird.
Verkabelung
- Eine gute Verkabelung ist ebenfalls ein wesentlicher Bestandteil eines effizienten Messsystems für Schwingungen. Bei der Verkabelung sind Kabellänge und Kapazität, Verlegung, Erdung und Verankerung die wichtigsten Faktoren. Es gibt eine maximale Länge für Beschleunigungsmesser, bevor der Signalgehalt abzunehmen beginnt. Die Kapazität eines Kabels nimmt mit der Länge zu, daher kombiniert die endgültige Ausgabe des Sensors seine eigene Kapazität mit der Kabelkapazität. Aus diesem Grund haben alle Sensoren Kabel mit fester Länge. Bei der Verlegung wird der Weg des Kabels vom Sensor zum Erfassungssystem festgelegt. Eine ordnungsgemäße Verlegung ist erforderlich, da elektromagnetische Störungen und elektrostatische Entladungen von anderen elektronischen Geräten, wenn diese in der Nähe des Kabels verlegt sind, die Messwerte des Sensors beeinträchtigen können. Instrumentenkabel sollten in dafür vorgesehenen Instrumentenkabelkanälen verlegt werden und niemals parallel zu Stromkabeln verlaufen. Außerdem ist es wichtig, Erdschleifen zu vermeiden. Abgesehen von diesen Punkten sollte die Verkabelung oder Verlegung mit ordnungsgemäß abgeschirmten Kabeln beginnen.
Einrichtung des Überwachungssystems
- Die Auswahl eines Überwachungssystems ist unkompliziert, da sie vom verwendeten Sensor und dessen Kabel abhängt. Bei der Einrichtung des Überwachungssystems geht es darum, Wiederholbarkeit und eine unterbrechungsfreie Verbindung sicherzustellen. Ein Überwachungssystem verfügt über zwei Schnittstellen. Die erste Schnittstelle befindet sich zwischen dem Sensor und der Datenerfassungs- und -verarbeitungseinheit. Die zweite Schnittstelle befindet sich zwischen dem Datenerfassungs- und -verarbeitungssystem und einem Netzwerk, in dem sich andere Systeme und Benutzer befinden. In der Regel stellt der Hersteller eine detaillierte Anleitung zur richtigen Konfiguration des Überwachungssystems zur Verfügung.
DwyerOmega | Blog | Was ist ein Manometer?
Verfasst von: Dan Schultz
Aktualisiert am: 30. Oktober 2025
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Written by: Dan Schultz
Updated on: March 30, 2026