Der vorliegende Artikel beabsichtigt, die Grundlagen der Ultraschallmessung und -analyse sowie die Anwendbarkeit dieser Technologie für Maschinendiagnose, Lagerzustandsüberwachung und Leckageortung vorzustellen.
Bevor wir uns näher mit der ultraschallbasierten Diagnose beschäftigen, werden wir die grundlegenden Begriffe und Zusammenhänge dieser Technologie überprüfen. Schallwellen sind longitudinale (längsgerichtete) Wellen, die sich durch Anregung der Moleküle des Übertragungsmediums ausbreiten. Jedes Molekül gibt die erhaltene Anregung (Energie) - mit etwas 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. Im Allgemeinen lässt sich sagen, dass Schallwellen in Feststoffen (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 bzw. die Temperatur, desto schneller breitet sich die Welle aus. Die Ausbreitung in einem Medium erfolgt geradlinig, ohne Änderung der Richtung.
Abbildung: Wellenkurve mit den Hauptmerkmalen [Quelle: PIM]
Die Eigenschaften von Schallwellen werden durch die Frequenz (bezeichnet als f, Einheit Hz) oder die Wellenlänge (bezeichnet als *l*, Einheit m), sowie durch die Amplitude, spezifisch z. B. durch den Schalldruck (Pa) oder die Schallintensität (dB) ausgedrückt. Die Frequenz gibt an, wie viele Perioden pro 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 (h=v/f). Daher reicht es in einem bestimmten Übertragungsmedium aus, die Frequenz oder die Wellenlänge anzugeben, da eine aus der anderen berechnet werden kann. Nach dieser Beziehung ist offensichtlich, dass Wellen mit höherer Frequenz eine kürzere Wellenlänge haben.
Das Verhalten von Schallwellen entspricht mehreren physikalischen Gesetzmäßigkeiten. In Bezug auf Messungen sind insbesondere die Gesetzmäßigkeiten der Reflexion (Rückstrahlung), Modulation (Veränderung einer Eigenschaft durch äußeren Einfluss) und Interferenz (Überlagerung von Wellen) wichtig zu erwähnen. Die Reflexion an der Oberfläche von Feststoffen und Flüssigkeiten erfolgt gemäß den allgemein bekannten optischen Gesetzmäßigkeiten: Die Reflexion des Schalls erfolgt mit einem Reflexionswinkel, der dem Einfallswinkel entspricht. Dabei ändert sich weder die Frequenz (Wellenlänge) noch - abgesehen von minimalen Verlusten - die Amplitude der Welle. Es ist anzumerken, dass die Reflexion nicht nur zwischen Luft und Feststoff oder Flüssigkeit stattfindet, sondern auch an Grenzflächen zwischen Medien mit unterschiedlichen Schallausbreitungsgeschwindigkeiten.
Interferenz tritt auf, wenn sich mehrere Schallwellen (mindestens zwei) treffen. Wenn zwei Schallwellen die gleiche Frequenz haben, hängt es von ihrem Phasenunterschied (die Verschiebung der Wellenperioden zueinander, zwischen 0 und 360°) ab, ob sie sich verstärken oder abschwächen oder sich sogar gegenseitig auslöschen. Bei einem Phasenunterschied von weniger als 90° oder mehr als 270° tritt Verstärkung auf, bei einer Abweichung zwischen 90° und 270° tritt Abschwächung auf, und bei genau 180° führt der vollständige Auslöschung zur Vektoraddition entsprechend. (Übrigens stammt die Idee zur Geräuschreduzierung durch Gegenklang von hier.) Wenn sich Schallwellen mit unterschiedlichen Frequenzen treffen, entsteht eine resultierende Schallwelle, deren Frequenz die Summe der Frequenzen der Ausgangswellen ist, während die Amplitude zunehmen oder abnehmen kann. (Dies hängt vom Phasenwinkelunterschied und dem Amplitudenverhältnis ab.) Bei Schallwellen mit deutlich unterschiedlichen Frequenzen tritt Modulation auf. Zur Darstellung der Lautstärke (Schallintensität) wird häufig die Einheit dB (Dezibel) verwendet. dB ist im Wesentlichen eine logarithmische Skalierung, die die Lautstärke als den zehnerlogarithmus der Schallenergie P ausdrückt. Das menschliche Ohr (abhängig von vererbten Fähigkeiten, Alter und Gesundheitszustand) ist in der Lage, Töne zwischen 20 und 20.000 Hz wahrzunehmen. Da nicht alle Tonfrequenzen mit der gleichen Empfindlichkeit gehört werden (bestimmte Frequenzen werden stärker wahrgenommen als andere), wird die Lautstärkemessung entsprechend dem menschlichen Hörempfinden mit einer A-bewerteten Messung durchgeführt, technisch mit einem A-bewerteten Frequenzcharakteristikfilter. Die gemessene Lautstärke unter Berücksichtigung der menschlichen Frequenzempfindlichkeit wird üblicherweise in dB(A) skaliert. Der leiseste - noch hörbare - Ton beträgt 0 dB(A), die lauteste (noch vom Ohr tolerierbare) Lautstärke beträgt 120 dB(A).
Der Frequenzbereich über 20 kHz wird vom menschlichen Ohr nicht wahrgenommen (jedoch von Hunden), daher hören wir die von verschiedenen physikalischen Prozessen erzeugten Ultraschalltöne nicht. Daher benötigen wir Geräte, die die Messung dieser Töne ermöglichen, ihre Intensität anzeigen (zum Beispiel in Form eines Diagramms oder digitalen Werts) und sie durch Transformation und Verstärkung in den für uns hörbaren Frequenzbereich umwandeln. Mit der Ultraschallmessung kann der Zustand und die Funktionsweise vieler Geräte und Anlagen untersucht werden. Zum Beispiel arbeiten Lager je nach Zustand und Schmierung mit so hohen Frequenzschwingungen, dass ihr Frequenzbereich in den Ultraschallbereich fällt, wenn Fehler auftreten oder die Schmierung unzureichend ist. Somit können durch Ultraschallmessungen - sei es durch berührungslose Schallempfindungssensoren oder durch Mikrofone, die Schallwellen durch die Luft übertragen - frühzeitige Lagerfehler oder unzureichende Schmierung festgestellt werden. Wenn das verwendete Ultraschallmessgerät auch zur Umwandlung von Ultraschall fähig ist, kann sogar das Ausmaß eines Lagerausfalls hörbar gemacht werden. Als praktische Anwendung kann die Lagerung von Lagern während der Ultraschallüberwachung erwähnt werden: Schmiermittel müssen in das Lager gebracht werden, bis sein Klang angemessen wird. Auf diese Weise kann übermäßiges Fetten vermieden werden, was aufgrund des durch das Fett verursachten mechanischen Widerstands zu einer Erwärmung und infolgedessen zu einer unerwünschten Verringerung des Lagerspiels (Lagerverklemmung) führen kann.|
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| Abbildung: Ultraschall-Zeitdiagramm und Spektrum bei gutem und schlechtem Lager [Quelle: CSI] |
Ultraschallanwendungen
Die Ultraschallmessung eignet sich auch zur Überprüfung von Lagern an Förderbändern (Aussortierung defekter Lager). Während mit Schwingungsmessgeräten jede einzelne Lager berührungslos gemessen und analysiert werden müsste, kann der Ultraschall beim Vorbeigehen am Förderband beobachtet werden. Starke Ultraschallquellen deuten auf beschädigte oder extrem schlecht geschmierte Lager hin. (Natürlich können defekte Lager an Förderbändern noch genauer und schneller durch die aus der Thermografie abgeleitete Erwärmung erkannt werden, aber die Investitionskosten für eine Wärmebildkamera sind um Größenordnungen höher als die Anschaffungskosten für Ultraschallmessgeräte.)
Abbildung: Ultraschall-Zeitdiagramm bei unzureichender Schmierung [Quelle: CSI]
Auch die Dichtheit von Gas- und Dampfsystemen kann in Betracht gezogen werden, da Turbulenzen, die durch enge Spalten (Löcher) strömende Gase erzeugen, Ultraschall erzeugen, der nicht nur lokalisiert, sondern auch in Stärke und Charakter untersucht werden kann. Dadurch wird auch die ordnungsgemäße Funktion von Ventilen, Dampffallen, Kondensatabscheidern und Druckminderern überprüfbar. Zur weiteren Unterstützung werden in modernsten Geräten verschiedene Parametermessungen in mehreren Frequenzbändern an mehreren Stellen hintereinander durchgeführt und in Auswertungsverfahren - möglicherweise von Experten - integriert, anhand derer eindeutig festgestellt werden kann, ob das geprüfte Gerät in Ordnung ist oder Fehler aufweist.
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| Abbildung: CSI SonicScan: Mehrfrequenz-Ultraschall-Sensor und -Analyse [Quelle: CSI] |
Es ist jedoch wichtig zu erwähnen, dass die Intensität des abgestrahlten Ultraschalls nicht proportional zur Größe des Spalts oder Lochs steht. In kleineren und engeren Spalten entsteht nämlich ein stärkerer Ton als bei größeren und weiteren Löchern. Darüber hinaus beeinflusst der Druckunterschied zwischen dem austretenden und dem externen Medium die Messbarkeit des Lecks. Je größer der Druckunterschied ist, desto stärkerer Ultraschall ist zu erwarten.
Bei wärmeisolierten oder mehrschichtigen (ummantelten) Gas- und Dampfleitungen muss berücksichtigt werden, dass der Ultraschall auf der messbaren Oberfläche erscheint, wo er durch die oberen Schichten "durchsickern" kann. Oft sind diese äußeren Spalten mehr oder weniger weit von der Stelle entfernt, an der der Druckrohr, der Anschluss oder der Leckageort tatsächlich gemessen werden sollte.
Abbildung: Entdeckung von Leckagen mit Ultraschallmessung [Quelle: CSI]
Zu den diagnostischen Möglichkeiten gehört auch die Überprüfung elektrischer Geräte. Es kommt vor, dass aufgrund lockerer Elemente in Transformatoren, Verteilern oder Spannungswandlern Hochfrequenzvibrationen auftreten, fehlerhafte Verbindungen oder Isolatoren zu Spannungsüberschlägen und Leckströmen führen. Diese Phänomene (in Nieder-, Mittel- oder Hochspannungsnetzen) treten in den meisten Fällen mit Ultraschall auf. Es ist auch charakteristisch, dass mit verkürztem Funkenabstand die Begleitultraschallfrequenz immer höher wird.
Auswertung der erhaltenen 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 Auswertungen für digital gefilterte Frequenzbereiche anzuzeigen - Durchschnittswert, absoluter Spitzenwert, kontinuierlicher Spitzenwert, Spitzenfaktor usw. Darüber hinaus bieten sie Möglichkeiten für weitere Signalverarbeitung (wie das CSi SonicScan 7000-Gerät), da sie digital erstellte Enveloppe-Zeitmarken für die Maschinenanalysatoren oder andere Signalverarbeitungsgeräte wie Oszilloskope ausgeben können. Die Identifizierung des Fehlers wird in der Regel durch Trichter oder Parabolantennen erleichtert. Zur besseren Unterscheidung verschiedener Phänomene können verschiedene Sensoren verwendet werden: Tastnadel- oder magnetbefestigte Körperschallsensoren, Ultraschallmikrofone. Wenn beispielsweise Tanks auf Undichtigkeiten untersucht werden sollen und keine Möglichkeit besteht, sie unter Druck zu setzen, können Ultraschallquellen verwendet werden, die mit den Geräten verfügbar sind. Dabei wird der Ultraschall im Inneren des Tanks angeregt und dann gemessen, wo er aus dem Tank austritt. Basierend auf dem Gesagten ist ersichtlich, dass die Ultraschallmessung die Schwingungsdiagnose, die Thermografie und verschiedene Materialprüfungen bei der Zustandsüberwachung von Maschinen und Anlagen hervorragend ergänzt. Die häufigsten Anwendungsbereiche sind in unserer Tabelle zusammengefasst.
Abbildung: Pumpe mit beschädigtem Flügel (Ultraschallzeitmarke und -spektrum) [Quelle: CSI]
Rahne Eric (PIM Kft.) pim-kft.hu, gepszakerto.hu
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