Mikrosystemtechnik Maschinenschäden frühzeitig erkennen

Ein kompaktes Messmodul, das einen Drei-Achsen-Beschleunigungs-Sensor und einen Signalprozessor enthält, ermittelt aus den aufgenommenen Schwingungen mittels schneller Fouriertransformation deren spektrale Zusammensetzung. Wenn sich diese bei einer Maschine oder Anlage infolge von Schäden oder Verschleiß ändert, kann - bei Überschreitung von programmierten Limits - ein Alarm ausgelöst werden.

Eine Methode für die Überwachung der Funktion einer Maschine ist die Analyse von Schwingungen im laufenden Betrieb. Ist die Maschine in Ordnung, dann haben diese eine ganz bestimmte Form und spektrale Zusammensetzung. Bei Defekt oder Verschleiß zeigt sich in vielen Fällen eine Veränderung. Für eine Spektrumanalyse mittels FFT im Audiobereich müssen an der zu überwachenden Maschine geeignete Beschleunigungs-Sensoren angebracht werden. Häufig aber verursachen starke elektrische und magnetische Felder Signalstörungen. Daher ist die engste räumliche Anbindung der Auswerteelektronik an die Sensor-Elemente unabdingbar. Gerade solche für Beschleunigung haben einen sehr hohen Innenwiderstand und geben nur schwache Signale ab. Deswegen setzt man den Vorverstärker meist mit in dasselbe Gehäuse. Ist die Elektronik dann implementiert, liegt es nahe, auch gleich noch Signalverarbeitung und -auswertung mit einzubauen.

Diesen Weg ist jetzt Analog Devices (www.analog.com) gegangen. Der Baustein AD16228, auch „iSensor“ genannt, ist einschließlich Montageflansche nur 15 × 24 × 15 mm³ groß (Bild 1). Er enthält einen mikromechanischen Beschleunigungsaufnehmer für x-, y- und z-Richtung (nach dem verbreiteten kapazitiven Prinzip mit MEMS-Kammstrukturen) und einen hochintegrierten Signalverarbeitungsbaustein. Der wegen der Eigenresonanz der MEMS-Sensoren bei 5,5 kHz zunächst krumme Frequenzgang wird elektronisch begradigt, wodurch die nutzbare Bandbreite auf 5 kHz steigt. Der interne A/D-Umsetzer tastet alle drei Raumachsen mit 20,48 kHz im Zeitmultiplex ab und bildet jeweils Datensätze von 3 × 512 Messpunkten. Der Signalprozessor führt in jeder Achse separat mit einem solchen Datensatz eine FFT-Analyse mit 256 Frequenzen durch, wobei verschiedene Fenster wählbar sind. Durch Mittelung und Reduzierung der Daten im Zeitbereich kann die Aufnahme auf geringere Bandbreiten beschränkt werden, was eine feinere Frequenzauflösung und höheren Rauschabstand bringt. Der Messbereich ist auf 0 bis 1 g, 5 g, 10 g oder 20 g einstellbar. Das Grundrauschen von 248 µg/√Hz erlaubt die Erfassung sehr schwacher Vibrationen.

Der Anwender kann in bis zu sechs Spektralbereichen zwei Triggerschwellen definieren (Bild 2): eine Vorwarnstufe (sozusagen „gelbe Karte“) und eine Störungsstufe („rote Karte“). Bei Überschreitung gibt der Prozessor entsprechende Signale aus. Zur Vermeidung von Falschalarmen, z.B. bei einzelnen Stößen, ist für jede Messachse eine Ansprechverzögerung einstellbar. Die Messdaten und die daraus gewonnenen Ergebnisse lassen sich intern zusammen mit der Uhrzeit nichtflüchtig abspeichern, zugänglich für externen Zugriff. Dabei ist auch eine Programmierung in dem Sinne möglich, dass Daten nur bei Überschreitung einer vorher definierten Alarmschwelle gespeichert werden. Der Speicher reicht für 14 Aufnahmen. Weil sich manche Vibrationen ändern können, wenn die Temperatur in der Maschine im Laufe der Betriebszeit ansteigt, ist ein Temperatur-Sensor mit eingebaut, mit dem sich dies erfassen lässt.

Der Messwürfel hat einen SPI-kompatiblen Anschluss mit vier Leitungen für serielle Vollduplex-Kommunikation: Chip Select (CS), Serial Clock (SCLK), Eingang für Befehle (DIN), Ausgang für Daten (DOUT). Versorgt wird er mit 3,0 bis 3,6 V und 40 mA, einsetzbar ist er zwischen -40 °C und +125 °C.