IoT Use Case

Vibrationssensoren für die Zustandsüberwachung von Maschinen

Vibrationssensoren, auch Schwingungssensoren genannt, messen Schwingungen von Maschinen als Beschleunigung oder Schwinggeschwindigkeit, meist über ein piezoelektrisches Element. Sie sind die wichtigste Datenquelle für Condition Monitoring an Lagern, Pumpen, Motoren und Getrieben. Über 4–20 mA, IO-Link oder Funk gelangen die Kennwerte in Steuerung, Plattform und IT.

  • Co-Founder & CTO/CPO, Greenlyte Carbon Technologies
  • Magna Exteriors (Meerane) GmbH, Leiter Automatisierung, Magna

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Vibrationssensoren im Praxiseinsatz

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Wofür es eingesetzt wird

Wofür und womit sie eingesetzt werden

Ausgewertet aus den Lösungsbeispielen dieser Hersteller: die häufigsten Use Cases und die Technologien, die ihre Lösungen sprechen.

Use Cases

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Was Vibrationssensoren messen

Vibrationssensoren, im Industriekontext oft Schwingungssensoren genannt, erfassen die mechanischen Schwingungen von Maschinen: Amplitude, Frequenz und Schwinggeschwindigkeit. Im Inneren arbeitet meist ein piezoelektrischer Beschleunigungsaufnehmer. Schwingt die Maschine, drückt eine kleine Masse auf einen Piezokristall. Die dabei entstehende elektrische Ladung rechnet die Elektronik in Beschleunigung (g) oder Schwinggeschwindigkeit (mm/s RMS) um. Viele Geräte liefern zusätzlich Kennwerte wie Spitzenwert oder Stoßimpuls sowie die Temperatur am Messpunkt.

Damit sind Vibrationssensoren die wichtigste Datenquelle für Condition Monitoring an rotierenden Maschinen. Lagerschäden, Unwucht, Fehlausrichtung oder lose Befestigungen zeigen sich in typischen Schwingungsmustern, lange bevor eine Maschine ausfällt.

Abgrenzung zu Beschleunigungssensoren

Beschleunigungssensoren messen Beschleunigung allgemein, etwa für Schock-, Stoß- oder Lageerkennung. Vibrationssensoren nutzen dasselbe Messprinzip, sind aber auf die Maschinenüberwachung zugeschnitten. Sie werten die Schwingung bereits im Gerät aus, geben genormte Kennwerte aus und lassen sich mit Grenzwerten für Vorwarnung und Alarm parametrieren. Die eigentliche Diagnose, also Trendanalyse und Frequenzauswertung über viele Maschinen hinweg, übernimmt eine Condition-Monitoring-Software auf der Funktionsebene.

Worauf es bei der Auswahl ankommt

Entscheidend sind Frequenzbereich, Messbereich und Montageart. Für die Lagerdiagnose braucht es einen breiten Frequenzbereich, für die Bewertung der Gesamtschwingung reicht oft der Bereich, den ISO 10816 beziehungsweise die Nachfolgereihe ISO 20816 abdeckt. Weitere Orientierung geben DIN ISO 13373 und VDI 3839. Bei den Ausgängen ist 4–20 mA verbreitet, wenn ein einzelner Kennwert in die Steuerung soll. IO-Link überträgt mehrere Kennwerte und Diagnosedaten, einige Geräte bieten zusätzlich OPC UA. Für schwer zugängliche Anlagen gibt es batteriebetriebene Funkvarianten, etwa mit LoRaWAN.

Für verlässliche Messwerte zählt eine starre Montage, am besten verschraubt, und eine Schutzart passend zur Umgebung. In explosionsgefährdeten Bereichen braucht es zugelassene Ex-Ausführungen. In der Praxis überwachen Vibrationssensoren Pumpen, Lüfter, Motoren, Getriebe und Spindeln, häufig als Nachrüstung an Bestandsanlagen. Über IO-Link-Master oder Funk-Gateways gelangen die Kennwerte parallel zur Steuerung in eine IoT-Plattform. Dort werden Trends über viele Maschinen hinweg sichtbar, und Wartungseinsätze lassen sich nach dem tatsächlichen Zustand statt nach festem Intervall planen.

Häufige Fragen zu Vibrationssensoren

Wie funktioniert ein piezoelektrischer Schwingungssensor?

Ein piezoelektrischer Schwingungssensor nutzt einen Kristall, der bei mechanischer Belastung eine elektrische Ladung erzeugt. Schwingt die Maschine, drückt eine kleine Masse im Sensor rhythmisch auf den Kristall. Die Elektronik verstärkt das Signal und rechnet es in Beschleunigung oder Schwinggeschwindigkeit um. Das Prinzip ist robust, verschleißfrei und erfasst auch hohe Frequenzen, wie sie bei Lagerschäden auftreten.

Welcher Schwingungssensor eignet sich zur Lagerüberwachung an Motoren?

Für die Lagerüberwachung an Motoren eignet sich ein Schwingungssensor mit breitem Frequenzbereich, der neben der Schwinggeschwindigkeit auch Beschleunigungs- oder Stoßimpulswerte liefert. Lagerschäden zeigen sich zuerst im höherfrequenten Bereich. Der Sensor sollte möglichst nah am Lager und starr verschraubt montiert werden. Eine Ausgabe per IO-Link oder Funk erleichtert es, mehrere Kennwerte gleichzeitig auszuwerten.

Schwingungssensor mit 4–20 mA oder IO-Link: was ist besser?

Das hängt davon ab, wie viele Informationen gebraucht werden. Ein 4–20-mA-Ausgang überträgt genau einen Kennwert, meist die Schwinggeschwindigkeit, und lässt sich an jede Steuerung anschließen. IO-Link liefert mehrere Kennwerte, Temperatur und Diagnosedaten über dasselbe Standardkabel und erlaubt die Parametrierung aus der Ferne. Für Condition Monitoring mit Datenanbindung an die IT ist IO-Link meist die flexiblere Wahl.

Was ist ein IEPE-Schwingungssensor?

Ein IEPE-Schwingungssensor ist ein piezoelektrischer Beschleunigungsaufnehmer mit eingebautem Verstärker, der über eine Konstantstromquelle versorgt wird. Er liefert das unverarbeitete Schwingungssignal und eignet sich für detaillierte Frequenzanalysen. Dafür braucht er ein Messgerät oder ein Datenerfassungsmodul, das das Signal auswertet. Sensoren mit integrierter Auswertung geben dagegen fertige Kennwerte per 4–20 mA oder IO-Link aus.

Gibt es Schwingungssensoren auch kabellos?

Ja, kabellose Schwingungssensoren arbeiten batteriebetrieben und senden ihre Kennwerte per Funk, etwa über LoRaWAN, Bluetooth Low Energy oder Mobilfunk. Sie eignen sich für schwer zugängliche, weit verteilte oder nachträglich zu überwachende Maschinen, bei denen eine Verkabelung aufwendig wäre. Weil sie in Intervallen messen, liefern sie vor allem Trendwerte. Für hochfrequente Detailanalysen sind kabelgebundene Sensoren besser geeignet.

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