Piezo-Sensor: Definition, Vorteile, wie sie funktionieren
Tausende Hersteller moderner Elektronik setzen täglich auf Piezo-Technologie in ihren Produkten – von Mobiltelefonen über musikalische Grußkarten bis hin zu Schwingungssensoren. Piezoelektrische Geräte sind seit vielen Jahren weitverbreitet, und die Ausbreitung des Industrial Internet of Things (IIoT) hat auch den Piezo-Sensor zu einem leistungsstarken Werkzeug für die Zustandsüberwachung gemacht.
Ein Piezo-Sensor wird an einer Maschine angebracht und misst unter anderem Schwingungen, Druck, Beschleunigung oder Temperatur. Mit einem solchen Sensor zur Zustandsüberwachung können Wartungsteams Maschinenfehler frühzeitig erkennen und Datenanalysen durchführen.
Was ist Piezoelektrizität?
Piezo-Sensoren arbeiten nach einem physikalischen Prinzip, dem sogenannten piezoelektrischen Effekt. Der Begriff „piezoelektrisch“ stammt vom griechischen Wort „piezein“, das „drücken“ oder „pressen“ bedeutet, sowie von „piezo“, dem griechischen Wort für „stoßen“. Die Piezoelektrizität, auch Piezo-Effekt genannt, lässt sich anschaulich anhand eines Flammenzünders erklären, der zum Anzünden eines Gas- oder Holzkohlegrills verwendet wird.
Wenn Sie den Abzug betätigen, hören Sie ein lautes Knacken. Dieses Geräusch entsteht durch einen federbelasteten Hammer, der auf einen Quarzkristall oder ein künstliches piezoelektrisches Material schlägt. Durch den auf den Kristall ausgeübten Druck entsteht eine elektrische Ladung, die einen Funken erzeugt, der wiederum das Gas entzündet und so die Flamme entstehen lässt.
Funktionsweise eines Piezo-Sensors
Ein Piezo-Sensor nutzt denselben piezoelektrischen Effekt wie der Flammenzünder, jedoch wird das elektrische Signal anschließend von einem Datenerfassungssystem verarbeitet. So übermitteln etwa die drahtlosen Schwingungssensoren Azima Accel 310™ Daten in das LIVE-Asset Portal, eine Art Leitstelle für die Zustandsüberwachung.
Im Allgemeinen nutzt ein Piezo-Sensor den piezoelektrischen Effekt, um Größen wie Schwingung, Druck, Beschleunigung, Temperatur, mechanische Spannung oder Kraftänderungen zu messen, indem diese in eine elektrische Ladung umgewandelt werden.
Die drahtlosen Schwingungssensoren Azima Accel 310™ kombinieren einen Hochfrequenz-Piezo-Sensor mit leistungsfähiger Softwareanalyse, sodass Instandhaltungsteams Schwingungsüberwachung an produktionskritischen Anlagen durchführen und Schwingungsmessungen kontinuierlich analysieren können.
Die drahtlosen Schwingungssensoren Azima Accel 310™ kombinieren einen Hochfrequenz-Piezo-Sensor und ermöglichen die Erfassung, Messung und Analyse der Daten. Alle Maschinen erzeugen Schwingungen und besitzen ein charakteristisches Schwingungsmuster, das konstant bleibt, solange kein Problem vorliegt. Mithilfe der Schwingungsanalyse werden die Schwingungspegel von Maschinen überwacht und die Muster in den Signalverläufen untersucht, um Probleme frühzeitig zu erkennen.
Die drahtlosen Schwingungssensoren der Serie Azima Accel 310™ erfassen Daten und unterstützen Instandhaltungsteams dabei, auf der Grundlage von Schwingungsanalysen Maschinenfehler zu erkennen, einschließlich der vier großen Maschinenfehler Unwucht, Fehlausrichtung, Lockerung und Lagerschäden. Dank dieser Frühwarnung erkennen Instandhaltungsteams den Schweregrad von Störungen und können schnell reagieren, um Maschinenausfälle und Ausfallzeiten zu vermeiden.
Kurz gesagt, die drahtlosen Schwingungssensoren Azima Accel 310™:
- überwachen den Zustand von Maschinen kontinuierlich in festgelegten Intervallen
- erkennen einen bestimmten Fehler und das fehlerverursachende Bauteil
- ermitteln das Ausmaß von Maschinenfehlern
- unterstützen eine Datenanalyse und schlagen weitere Schritte vor
Welche Branchen nutzen piezoelektrische Schwingungssensoren?
Es gibt verschiedene Arten von Schwingungssensoren. Viele Branchen setzen jedoch piezoelektrische Schwingungssensoren ein, darunter Luft- und Raumfahrt, Medizintechnik, Automobilindustrie sowie Lebensmittel- und Getränkeindustrie. Die folgenden Beispiele veranschaulichen, wie piezoelektrische Sensoren in verschiedenen Branchen eingesetzt werden.
Schwingungssensoren in der Fertigung
Hersteller sind darauf angewiesen, dass ihre Maschinen zuverlässig laufen, um qualitativ hochwertige Produkte zu produzieren. Piezo-Sensoren messen Schwingungen, die durch typische Maschinenprobleme wie Unwucht oder Lagerschäden verursacht werden. Bleiben diese Probleme bestehen, können sie zu Produktfehlern führen. Durch frühzeitige Fehlererkennung mit einem kontinuierlichen Schwingungsüberwachungssystem lassen sich Produktfehler vermeiden.
Schwingungssensoren in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie
Maschinen zur Verarbeitung von Lebensmitteln müssen häufig gereinigt werden, um mikrobielle Kontamination zu vermeiden und die Lebensmittelsicherheit zu gewährleisten. Piezo-Sensoren sind robust und widerstandsfähig gegen Korrosion, die durch den wiederholten Einsatz von Reinigungsmitteln bei der Maschinenreinigung entsteht.
Schwingungssensoren in der Luft- und Raumfahrt
Einige Unternehmen stellen Piezo-Sensoren her, die in die Tragflächen von Flugzeugen eingebaut werden können, um frühzeitig Schwingungsänderungen und mögliche Materialschäden an den Tragflächen zu erkennen, und zwar bereits während des Auftretens des Defekts. Die durch die Veränderung an der Tragfläche verursachten Schwingungsunterschiede lösen eine E-Mail-Benachrichtigung an einen Instandhaltungsexperten aus, der dann datengestützte Entscheidungen treffen und Sicherheitsbedenken sowie Probleme mit der Tragfläche umgehend beheben kann.
Schwingungssensoren in medizinischen Geräten
Dank ihrer Empfindlichkeit und des geringen Stromverbrauchs sind Piezo-Sensoren für verschiedene Hersteller im medizintechnischen Bereich besonders interessant. So setzen einige Unternehmen einen Piezo-Schwingungssensor in Herzschrittmachern ein, um das Ausmaß der körperlichen Aktivität einer Person zu überwachen und zu erfassen, damit sich der Herzschrittmacher an eine Zunahme oder Abnahme der Bewegung anpassen kann.
Schwingungssensoren in Fahrzeugen
Die Fahrzeuge sind mit zahlreichen Sensoren ausgestattet, darunter auch eine Vielzahl von piezoelektrischen Sensoren. Ein Beispiel für ihre Verwendung ist die Erkennung von Hindernissen bei elektrischen Fensterhebern oder Türen, etwa wenn sich eine Hand im Schließbereich befindet. Der Sensor erkennt die durch die Hand verursachte Belastung des automatischen Motors und schaltet den Fensterheber in die entgegengesetzte Richtung, um Verletzungen zu vermeiden.
Piezoschwingungssensor für den Hobbybereich
Heutzutage sind Piezo-Sensoren nicht mehr nur für Profis bestimmt. Dank diverser Open-Source-Elektronikplattformen lassen sich Piezo-Sensor-Projekte zum Selberbauen (DIY) realisieren. Ein Beispiel: Viele Studenten und Tüftler entwickeln Projekte mit Arduino-Schwingungssensoren. Eine weitere interessante Quelle für Projekte mit Schwingungssensoren ist Raspberry Pi, eine Stiftung, die jungen Menschen kostengünstige Computer und freie Software bereitstellt. Mit dieser Ausrüstung können sie Geräte bauen, die den piezoelektrischen Effekt nutzen, wie zum Beispiel ein Seismometer zur Erdbebenwarnung, einen Eichhörnchen-Detektor oder ein LEGO-Klavier.
Die Vorteile von Piezo-Sensoren bei der Instandhaltung
Im Bereich der Instandhaltung gehören piezoelektrische Sensoren zur Zustandsüberwachung aufgrund ihrer Robustheit und Vielseitigkeit – einschließlich ihrer Eignung für den Einsatz unter rauen Umgebungsbedingungen – zu den am häufigsten verwendeten Sensortypen.
Durch die kontinuierliche Zustandsüberwachung einer Anlage können Instandhaltungsteams manuelle Messwerte mit tragbaren Schwingungsmessgeräten reduzieren. Zudem können Techniker über mobile Geräte von jedem Ort aus auf Schwingungsmessdaten zugreifen.
Die frühzeitige Erkennung von Maschinenproblemen hilft Wartungsteams, ungeplante Ausfallzeiten zu vermeiden und die Betriebszeit zu erhöhen. Dank der Zustandsüberwachungssensoren können Instandhaltungsleiter Instandhaltungsmaßnahmen genauer planen und zeitlich abstimmen, die Verfügbarkeit von Ersatzteilen sicherstellen, die Produktivität steigern und die Lebensdauer der Maschinen verlängern.
Mehr Sicherheit durch Piezo-Sensoren
Der Azima Accel 310™-Piezo-Schwingungssensor ist klein und kann daher an schwer zugänglichen Stellen an Industriemaschinen angebracht werden. Techniker können Daten von einem Schwingungssensor mit WLAN-Verbindung aus der Ferne empfangen, wodurch sich die Anzahl der Kontrollgänge vor Ort verringert und sie sich nicht in gefährlichen Umgebungen aufhalten müssen. So bleibt mehr Zeit für andere wichtige Instandhaltungsarbeiten.
Piezo-Sensor für die Schwingungsüberwachung
Die drahtlosen Schwingungssensoren der Serie Azima Accel 310™ sind eines von vielen zuverlässigen drahtlosen Schwingungsüberwachungsgeräten von Fluke. Der Sensor lässt sich schnell einrichten. Es dauert nur wenige Minuten, Anlageninformationen einzugeben und mit dem Empfang von Schwingungsdaten in Echtzeit zu beginnen.
Die drahtlosen Schwingungssensoren der Serie Azima Accel 310™ übertragen Daten in das LIVE-Asset™-Portal. Die Software für das Asset Management stellt Trenddiagramme und aussagekräftige Ansichten aller Maschinen auf einem zentralen Dashboard bereit. Mit umfangreichen Schwingungsmessdaten kann Ihr Team datenbasierte Entscheidungen treffen.
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