"Anstatt Feuerwehr und Großreparatur"
Eine mögliche Technologie zur Zustandsüberwachung von Maschinen und Anlagen, die die schwingungsbasierten Prüfverfahren ergänzt, ist die ultraschallbasierte Diagnose. In unserer fortlaufenden Serie stellen wir die Grundlagen der Ultraschallmessung und -analyse sowie die Anwendbarkeit dieser Technologie für Maschinendiagnose, Lagerzustandsüberwachung und Dichtigkeitsprüfaufgaben vor.
Bevor wir uns näher mit der ultraschallbasierten Diagnose befassen, werden die grundlegenden Begriffe und Zusammenhänge dieser Technologie überprüft. Schallwellen sind longitudinale (längsgerichtete) Wellen, die sich durch Anregung der Moleküle des Übertragungsmediums ausbreiten. Jedes Molekül gibt die erhaltene Anregung (Energie) unter geringfügiger Dämpfung an das nächste Molekül weiter. In unserer Atmosphäre bezieht sich dies natürlich auf Luftmoleküle, wobei die Übertragung mit Schallgeschwindigkeit (bei 20 °C 343 m/s) erfolgt. In anderen Medien breiten sich Schallwellen ebenfalls aus, jedoch mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten (bezeichnet als v, Einheit m/s) und Dämpfungen. Einige Beispiele für verschiedene Ausbreitungsgeschwindigkeiten sind: für Stahl oder Aluminium 5100 m/s, für Beton 3800 m/s, für Gummi 40 m/s, unter der Annahme eines Wassermediums 1460 m/s.
Allgemein kann gesagt werden, dass Schallwellen in Festkörpern (mit Ausnahme von Gummi) und Flüssigkeiten schneller als in Gasen propagieren. In Gasen hängt die Schallausbreitung jedoch vom Druck und der Temperatur ab: Je höher der Druck oder die Temperatur, desto schneller breitet sich die Welle aus. Die Ausbreitung in einem Medium erfolgt geradlinig, ohne Änderung der Richtung.
Die Eigenschaften von Schallwellen werden durch die Frequenz (bezeichnet als f, Einheit Hz) oder die Wellenlänge (bezeichnet als λ, Einheit m), sowie durch die Amplitude und spezifisch durch den Schalldruck (Pa) oder die Schallintensität (dB) ausgedrückt. Die Frequenz gibt an, wie viele Perioden in einer Sekunde stattfinden (1 Hz=1/s). Bei bekannter Frequenz und Ausbreitungsgeschwindigkeit kann die Wellenlänge leicht berechnet werden, die das Verhältnis von Ausbreitungsgeschwindigkeit und Frequenz ist (λ=v/f). Daher reicht es in einem gegebenen Medium aus, die Frequenz oder die Wellenlänge anzugeben, da eine aus der anderen berechnet werden kann. Nach dieser Beziehung hat eine höhere Frequenz eine offensichtlich kürzere Wellenlänge.
Verhalten von Schallwellen
Das Verhalten von Schallwellen entspricht mehreren physikalischen Gesetzmäßigkeiten. In Bezug auf Messungen sind insbesondere die Gesetzmäßigkeiten der Reflexion (Rückstrahlung), Modulation (Veränderung einer charakteristischen Eigenschaft wie Amplitude oder Frequenz durch äußere Einwirkung) und Interferenz (Überlagerung von Wellen) zu erwähnen. Die Reflexion auf der Oberfläche von Festkörpern und Flüssigkeiten erfolgt gemäß den allgemein bekannten optischen Gesetzmäßigkeiten: Die Reflexion des Schalls erfolgt mit einem Reflektionswinkel, der dem Einfallswinkel entspricht. Dabei ändert sich weder die Frequenz (Wellenlänge) noch – abgesehen von minimalen Verlusten – die Amplitude der Welle. Zu beachten ist, dass die Reflexion nicht nur zwischen Luft und Festkörper oder Flüssigkeit, sondern auch an jeder Grenzfläche zwischen Medien mit unterschiedlichen Schallausbreitungsgeschwindigkeiten stattfindet. Interferenz tritt auf, wenn mehrere Schallwellen (mindestens zwei) aufeinandertreffen. Wenn zwei Schallwellen die gleiche Frequenz haben, hängt es von ihrem Phasenunterschied (die Verschiebung der Wellenperioden zueinander, zwischen 0 und 360 Grad) ab, ob sie sich verstärken, abschwächen oder sogar gegenseitig auslöschen. Bei einem Phasenunterschied von weniger als 90 Grad oder größer als 270 Grad tritt Verstärkung auf, bei einer Abweichung zwischen 90 und 270 Grad Schwächung, und bei genau 180 Grad führt der Phasenunterschied zur vollständigen Auslöschung gemäß der vektoriellen Addition. (Daher stammt auch die Idee der Geräuschreduzierung durch Gegenschall.) Bei der Begegnung von zwei Schallwellen mit unterschiedlichen Frequenzen entsteht eine resultierende Schallwelle, deren Frequenz die Summe der Quellwellenfrequenzen ist, während die Amplitude im Vergleich zum Original zunehmen oder abnehmen kann (abhängig vom Phasenwinkelunterschied und dem Amplitudenverhältnis). Bei Schallwellen mit deutlich unterschiedlichen Frequenzen tritt Modulation auf. Die Lautstärke (Schallintensität) wird in der Regel in dB (Dezibel) gemessen. dB ist im Wesentlichen eine logarithmische Skalierung, die die Lautstärke als den zehnbasierten Logarithmus der Schallenergie P ausdrückt. Das menschliche Ohr (abhängig von erblichen Faktoren, Alter und Gesundheitszustand) kann Töne zwischen 20 und 20,000 Hz wahrnehmen. Da nicht alle Frequenzen vom Gehör gleich empfunden werden (bestimmte Frequenzen werden stärker wahrgenommen als andere), wird die Lautstärkemessung entsprechend dem menschlichen Hörempfinden mit einer A-bewerteten Filterung durchgeführt, die technisch mit einem A-bewerteten Frequenzcharakteristikfilter erfolgt. Die gemessene Lautstärke unter Berücksichtigung der menschlichen Frequenzempfindlichkeit wird üblicherweise mit dB(A) skaliert.Der leiseste - noch hörbare - Ton beträgt 0 dB(A), die lauteste (noch erträgliche für unser Ohr) Lautstärke beträgt 120 dB(A).
Geräte für die Ultraschallmessung
Der Frequenzbereich über 20 kHz wird vom menschlichen Ohr nicht mehr wahrgenommen (von Hunden jedoch schon), daher hören wir die durch verschiedene physikalische Prozesse erzeugten Ultraschalltöne nicht. Daher benötigen wir Geräte, die die Messung dieser Töne ermöglichen, ihre Stärke anzeigen (zum Beispiel in Form eines Diagramms oder digitalen Werts) und sie durch Transformation und Verstärkung in den hörbaren Frequenzbereich umwandeln. Mit der Ultraschallmessung können der Zustand und die Funktionsweise zahlreicher Geräte und Anlagen überprüft werden. Zum Beispiel arbeiten Lager je nach ihrem Zustand und ihrer Schmierung mit so hohen Frequenzschwingungen, deren Frequenzbereich in den Ultraschallbereich fällt, wenn Fehler auftreten oder die Schmierung unzureichend ist. Daher können durch die Ultraschallmessung - sei es durch berührungslose Messung mit einem sogenannten Körperschallsensor oder durch Messung von Luftschall mit einem Mikrofon - frühe Lagerfehler oder unzureichende Schmierung festgestellt werden. Wenn das verwendete Ultraschallmessgerät auch zur Transformation von Ultraschall fähig ist, kann die Art und der Umfang des Lagerausfalls sogar hörbar gemacht werden. Als praktische Anwendung kann die Lagerungsschmierung neben der Ultraschallüberwachung genannt werden: Schmiermittel muss in das Lager gegeben werden, bis sein Klang angemessen wird. Mit dieser Methode kann eine übermäßige Schmierung vermieden werden, deren nachteilige Folge die durch den mechanischen Widerstand des Fettes verursachte Erwärmung und die daraus resultierende unerwünschte Verringerung des Lagerluftspiels (Lagerklemmung) sein kann.
Ultraschallanwendungen
Die Ultraschallmessung eignet sich auch zur Überprüfung der Lager von Förderbändern (Aussortierung defekter Lager). Während mit Schwingungsmessgeräten jede Lager berührungslos gemessen und analysiert werden müsste, kann Ultraschall auch beim Vorbeigehen am Förderband beobachtet werden. Starke Ultraschallquellen deuten auf beschädigte oder extrem schlecht geschmierte Lager hin. (Natürlich können defekte Lager von Förderbändern noch genauer und schneller durch die mit Thermografie erfassbare Erwärmung erkannt werden, aber die Investitionskosten für eine Wärmebildkamera sind um Größenordnungen höher als die Anschaffungskosten für Ultraschallmessgeräte.)
(Untenstehende Bilder: gutes Lager, defektes Lager, unzureichende Schmierung)
Auch die Dichtheit von Gas- und Dampfsystemen kann überprüft werden, da Turbulenzen im austretenden Gas durch enge Spalten (Löcher) Ultraschall erzeugen, der nicht nur lokalisiert, sondern auch in Stärke und Charakter untersucht werden kann. Dadurch wird auch die ordnungsgemäße Funktion von Ventilen, Dampffallen, Kondensatoren und Druckminderern überprüfbar. Zur weiteren Unterstützung werden in die modernsten Geräte mehrere Frequenzbänder, an verschiedenen Stellen nacheinander durchgeführte, verschiedene Parameter messende Auswertungen - möglicherweise auch Expertenverfahren - integriert, anhand derer eindeutig festgestellt werden kann, ob das geprüfte Gerät in Ordnung oder fehlerhaft ist.
Es ist jedoch wichtig zu erwähnen, dass die Intensität des abgegebenen Ultraschalls nicht im Verhältnis zur Größe des Spalts oder Lochs steht. Auf kleineren und engeren Spalten entsteht nämlich eine größere Turbulenz und damit ein stärkerer Ton als bei größeren und weiteren Löchern. Darüber hinaus beeinflusst der Druckunterschied zwischen dem austretenden und dem externen Medium die Messbarkeit der Undichtigkeit. Je größer der Druckunterschied ist, desto stärkerer Ultraschall ist zu erwarten.
Bei wärmeisolierten oder mehrschichtigen (verkleideten) Gas- und Dampfleitungen muss auch berücksichtigt werden, dass der Ultraschall dort auf der messbaren Oberfläche erscheint, wo er durch die oberen Schichten "durchsickern" kann. Oftmals sind diese äußeren Spalten mehr oder weniger weit von der Stelle der Undichtigkeit des druckführenden Rohrs, des Anschlusses oder des Tanks entfernt, sodass der Ultraschall dort gemessen wird, wo sich tatsächlich der Fehler befindet.
Zu den diagnostischen Möglichkeiten gehört auch die Überprüfung elektrischer Anlagen. Es kommt nämlich vor, dass aufgrund lockerer Elemente in Transformatoren, Verteilern oder Spannungswandlern Hochfrequenzvibrationen auftreten, fehlerhafte Anschlüsse oder Isolatoren zu Spannungsüberschlägen sowie Leckströme führen. Diese Phänomene (in Nieder-, Mittel- oder Hochspannungsnetzen) treten in den meisten Fällen begleitet von Ultraschall auf. Es ist auch charakteristisch, dass mit verkürztem Funkenweg die begleitende Ultraschallfrequenz immer höher wird.
Auswertung der Ergebnisse
Die modernsten Ultraschallmess- und -analysegeräte machen den gemessenen Ultraschall hörbar und zeigen ihn numerisch (in dB) an. Sie sind auch in der Lage, die Ergebnisse verschiedener Bewertungen für digital gefilterte Frequenzbereiche anzuzeigen - Mittelwert, absoluter Spitzenwert, kontinuierlicher Spitzenwert, Spitzenamplitudenwert usw. Darüber hinaus bieten sie die Möglichkeit zur weiteren Signalverarbeitung (wie z. B. das CSi SonicScan 7000-Gerät), da sie digital erzeugte sogenannte Hüllkurvenzeit für tragbare Datenerfassungs- und -analysegeräte oder andere Signalverarbeitungsgeräte ausgeben können, wie z. B. Oszilloskope. Die Identifizierung des Fehlerorts wird in der Regel durch Ultraschall-Trichter oder -Parabolantennen erleichtert. Zur besseren Abgrenzung verschiedener Phänomene voneinander können verschiedene Sensoren verwendet werden: Nadel- oder Magnetbefestigungskörperschallsensoren, Ultraschallmikrofone. Wenn beispielsweise die Dichtheit von Behältern geprüft werden soll und es nicht möglich ist, sie unter Druck zu setzen, können Ultraschallquellen verwendet werden, die mit den Geräten verfügbar sind. Dabei wird der Ultraschall im Inneren des Behälters angeregt und dann gemessen, wo er den Behälter verlässt. Aus den genannten Gründen ist ersichtlich, dass die Ultraschallmessung die Schwingungsdiagnose, die Thermografie und verschiedene Materialprüfungen bei der Zustandsüberwachung von Maschinen und Anlagen hervorragend ergänzt. Die häufigsten Anwendungsbereiche werden zusammengefasst.
Typische Anwendungen der Ultraschallmessung
Mechanische Prüfungen mit trendfähigen Daten
Auffinden von Lecks und Undichtigkeiten
Rahne Eric (PIM Kft.) pim-kft.hu, gepszakerto.hu
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