Digitaler Beschleunigungssensor oder IEPE-Sensor mit Wandler: Welche Lösung passt zur Schwingungsüberwachung?

Bei der Digitalisierung von Schwingungsmessungen stehen technische Produktentwickler, Testingenieure und Projektleiter häufig vor einer grundlegenden Entscheidung: Soll die Schwingung direkt mit einem digitalen Beschleunigungssensor erfasst werden, oder ist ein klassischer IEPE-Beschleunigungssensor mit nachgeschaltetem Digitalwandler die bessere Lösung?

Beide Ansätze liefern digitale Messdaten. Trotzdem unterscheiden sie sich deutlich bei Messqualität, Frequenzbereich, Integrationsaufwand, Umgebungsbeständigkeit und Investitionskosten. Die richtige Wahl hängt deshalb nicht allein von der Schnittstelle ab, sondern von der gesamten Messaufgabe.

Digitale Beschleunigungssensoren bieten Vorteile bei einfacher Integration und skalierbaren Monitoring-Anwendungen. IEPE-Sensoren mit externem Wandler kommen besonders dann infrage, wenn hohe diagnostische Anforderungen, schwierige Einsatzbedingungen oder bestehende Messinfrastrukturen berücksichtigt werden müssen.

Zwei Wege zu digitalen Schwingungsdaten

Digitale Beschleunigungssensoren basieren häufig auf MEMS-Technologie. Der Sensor erfasst die mechanische Bewegung, verarbeitet das analoge Signal intern und stellt die Messwerte direkt über eine digitale Schnittstelle bereit. Typische Schnittstellen sind beispielsweise IO-Link, Modbus, proprietäre Protokolle oder drahtlose Kommunikationslösungen.

Die Signalwandlung erfolgt direkt im Sensorgehäuse. Dadurch kann die Installation vereinfacht werden, weil kein separater Wandler unmittelbar am Sensor erforderlich ist.

IEPE-Beschleunigungssensoren arbeiten in der Regel auf piezoelektrischer Basis. Sie erzeugen ein analoges, intern verstärktes Signal, das über ein Kabel zu einem externen Messsystem oder Digitalwandler übertragen wird. Die Digitalisierung findet damit nicht im Sensor, sondern an einer separaten Stelle statt, beispielsweise in einem Schaltschrank, einem dezentralen Messmodul oder einem Condition-Monitoring-System.

Bei dieser Architektur sind Sensor und Digitalisierung voneinander getrennt. Das analoge Sensorsignal wird erst in einem externen Messmodul oder Wandler digitalisiert.

Warum die gesamte Messkette zählt

Ein digitales Ausgangssignal beschreibt zunächst nur das Datenformat. Die tatsächliche Messqualität wird bereits vorher durch Sensorkonstruktion, mechanische Ankopplung, Rauschen, Frequenzbereich, Signalaufbereitung und Umgebungsbedingungen bestimmt. Auch eine hochwertige Digitalisierung kann ein unzureichend erfasstes Sensorsignal nicht nachträglich verbessern.

Wichtige Faktoren sind:

• Sensorkonstruktion und mechanische Ankopplung 
• Rauschen, Frequenz- und Dynamikbereich 
• Filterung und Signalaufbereitung 
• Umgebungsbedingungen 
• Abtastrate und Auflösung der Digitalisierung

Auch die Montage ist Teil der Messkette. Eine magnetische Befestigung kann die Installation vereinfachen, aber den nutzbaren Frequenzbereich begrenzen oder zusätzliche Resonanzen verursachen. Für hochwertige Diagnosemessungen werden Sensoren daher häufig verschraubt oder über eine entsprechend vorbereitete Montagefläche befestigt. Eine starre Montage verbessert in der Regel die mechanische Kopplung, Wiederholbarkeit und Hochfrequenzübertragung.

Für die Auswahl sollte deshalb nicht zuerst gefragt werden: „Welche digitale Schnittstelle benötigen wir?“ Die wichtigere Frage lautet: Welche Schwingungsinformationen müssen zuverlässig erfasst werden, um die gewünschte Diagnose oder Prüfung durchführen zu können?

Messleistung: Frequenzbereich, Rauschen und Diagnosefähigkeit

Digitale MEMS-Sensoren eignen sich häufig gut für allgemeine Maschinenüberwachung, Trendmessungen, Gesamtschwingwerte, Zustandsindikatoren und einfache Alarmfunktionen. Auch bei großflächigen Monitoring-Installationen können sie durch ihre kompakte Bauweise und direkte Kommunikation Vorteile bieten.

Für digitale Beschleunigungssensoren von Wilcoxon gilt ein typischer, nutzbarer Bereich bis etwa 5 kHz. (Diese Angabe bezieht sich auf Wilcoxon-Lösungen und sollte nicht als allgemeingültige Grenze für alle digitalen MEMS-Sensoren verstanden werden.)

IEPE-Sensoren können Vorteile bieten, wenn hohe Frequenzen für die Diagnose relevant sind. Das betrifft beispielsweise:

• Wälzlager- und Schmierungsdiagnose 
• Zahnflankeneingriffe und Getriebefehler 
• Kavitations- und Stoßimpulsereignisse 
• hochfrequente Resonanzen schnell laufender Komponenten

IEPE-Sensoren mit Wandlern von Wilcoxon bieten typische Messbereiche von 10 bis über 20 kHz. Einige piezoelektrische Sensoren können je nach Bauart auch darüber hinaus eingesetzt werden.  Der tatsächlich nutzbare Frequenzbereich hängt vom Sensor, von der Montage, vom Kabel, vom Wandler, von der Abtastrate und von der Filterung des Gesamtsystems ab.

Niedrige Frequenzen und kleine Signale

Bei langsam laufenden Maschinen oder sehr kleinen Schwingungsamplituden spielt das Eigenrauschen des Sensors eine entscheidende Rolle. MEMS-Sensoren können bei niedrigen Frequenzen ein höheres Rauschen aufweisen als spezialisierte piezoelektrische Sensoren. Dadurch können schwache Signale schwerer erkennbar sein.

Das betrifft beispielsweise:

• langsam laufende Motoren, Getriebe und Ventilatoren 
• Öfen und Drehrohre 
• strukturelle Schwingungen an Maschinen, Bauwerken und Tragstrukturen

Piezoelektrische IEPE-Sensoren können für rauscharme Messungen und bestimmte Niederfrequenzanwendungen ausgelegt werden. Spezialisierte Wilcoxon-Lösungen bieten Messmöglichkeiten bis etwa 0,05 Hz. (Aber: nicht jeder IEPE-Sensor eignet sich für Messungen bis 0,05 Hz. Diese Leistung ist nur mit entsprechend ausgelegten Spezialmodellen erreichbar.)

Für die Auswahl sind deshalb konkrete Datenblattwerte der Sensoren relevant:

• untere Grenzfrequenz
• spektrale Rauschdichte beziehungsweise Breitbandrauschen
• Empfindlichkeit und Messbereich
• Temperaturdrift und Langzeitstabilität

Einsatzbedingungen, Schutzarten und Zulassungen

Die Umgebungsbedingungen können die Auswahl stärker bestimmen als die Schnittstelle. Digitale Beschleunigungssensoren sind häufig eine gute Lösung für geschützte Produktionsbereiche, normale Maschinenräume, moderate Temperaturen und trockene oder kontrollierte Industrieumgebungen, beispielsweise bei Betriebstemperatur von etwa −20 bis +70 °C, Aluminium oder Edelstahl 303, Schutzart IP67.

Für raue Umgebungen steht bei Althen eine große Auswahl spezialisierter piezoelektrischer Sensoren zur Verfügung. Typische Anwendungen sind hohe oder tiefe Temperaturen, Unterwasserinstallationen, Washdown-Bereiche, aggressive Chemikalien, Außeninstallationen, hohe Feuchtigkeit oder Strahlungsumgebungen. 

Integration in bestehende Systeme

Eine digitale Sensorschnittstelle bedeutet noch keine durchgängige Integration bis in übergeordnete IT-Systeme. Digitale Sensoren können gut geeignet sein, wenn bereits eine passende Infrastruktur vorhanden ist, etwa ein IO-Link-Master, ein Modbus-Netzwerk, ein Edge-Gateway oder ein herstellerspezifisches Monitoring-System. In solchen Fällen kann die Inbetriebnahme vergleichsweise schnell erfolgen.

Allerdings müssen häufig zusätzlich berücksichtigt werden:

• Gerätebeschreibung, Register und Skalierung 
• Kommunikationsparameter, Datenraten und Synchronisation 
• Anbindung an Datenbanken, Edge-, MES- oder Cloud-Systeme

Eine direkte digitale Verbindung zum Sensor bedeutet deshalb nicht zwangsläufig, dass die Daten ohne weitere Konfiguration in MES-, ERP- oder Cloud-Systemen verfügbar sind.

Bei IEPE-Sensoren ist die Kommunikation vom Sensor entkoppelt. Der Sensor kann über unterschiedliche Wandler an verschiedene Systeme angebunden werden. Dadurch sind beispielsweise Modbus, OPC UA, MQTT, klassische Datenerfassung, lokale Diagnose oder Cloud-Weiterleitung möglich. Diese Architektur kann mehr Komponenten erfordern, bietet dafür aber häufig größere Flexibilität bei Systemerweiterungen oder späteren Schnittstellenänderungen.

Bestehende IEPE-Messtechnik mit externen Wandlern digitalisieren

Bei bestehenden Anlagen ist die bereits installierte Messtechnik ein wichtiger wirtschaftlicher und technischer Faktor. Sensoren, Montagepunkte, Kabelwege, Messkanäle und historische Referenzdaten bilden gemeinsam eine gewachsene Messinfrastruktur.

Ein vollständiger Wechsel auf digitale Sensoren kann daher mehr bedeuten als den Austausch einzelner Komponenten. Je nach System können erforderlich sein:

• Austausch der vorhandenen Sensoren 
• neue oder angepasste Verkabelung 
• neue Halterungen und Montagearbeiten 
• Aufbau einer digitalen Kommunikationsinfrastruktur 
• erneute Inbetriebnahme und Systemkonfiguration 
• Anpassung von Alarm-, Referenz- und Grenzwerten 
• Neuaufbau oder Überleitung historischer Vergleichsdaten 

Beim Wandlerkonzept bleiben die vorhandenen IEPE-Sensoren an der Maschine. Ihre analogen Signale werden über die bestehenden Kabel zu einem externen Messmodul geführt, dort digitalisiert und anschließend an das übergeordnete Monitoring- oder Automatisierungssystem übertragen. Je nach Ausführung übernimmt das Modul zusätzlich Signalaufbereitung, Filterung, Kennwertbildung oder Alarmierung.

Ein solches Konzept kann besonders sinnvoll sein, wenn die bestehenden IEPE-Sensoren technisch weiterhin geeignet sind und vor allem die Datenerfassung oder Kommunikation modernisiert werden soll. Montagepunkte, Verkabelung und Sensorik können dann häufig weiterverwendet werden, während die digitale Verarbeitung schrittweise ergänzt wird.

Dadurch lässt sich nicht nur ein Teil der vorhandenen Hardware erhalten. Auch über Jahre aufgebaute Referenzwerte, Trendverläufe und Grenzwerte können unter Umständen weiter genutzt werden. Das reduziert den Umstellungsaufwand und kann das Risiko verringern, dass die Vergleichbarkeit mit früheren Messungen verloren geht.

Kosten, Projektaufwand und Investitionsschutz

Digitale Beschleunigungssensoren können insbesondere bei neuen Installationen Kostenvorteile bieten. Typische Vorteile sind:

• weniger externe Elektronik 
• einfachere Verkabelung 
• niedrigerer Installationsaufwand 
• wirtschaftliche triaxiale Messung 
• einfache Erweiterung 
• gute Skalierbarkeit 

IEPE-Systeme verursachen häufig höhere Anfangskosten durch separate Wandler, geschirmte Signalkabel, zusätzliche Messhardware und eine aufwendigere Montage. Bei Bestandsanlagen kann sich das Kostenbild zugunsten eines externen Wandlerkonzepts verschieben. Für Projektleiter ist deshalb eine Total-Cost-of-Ownership-Betrachtung wichtiger als ein reiner Vergleich der Sensorpreise.

Zusätzlich sollten folgende Kosten berücksichtigt werden:

• Engineering, Installation und Inbetriebnahme
• Wartung, Kalibrierung und Ersatzteilhaltung 
• Software, Datenintegration und Schulung 
• Batteriewechsel bei drahtlosen Systemen 
• Produktions- oder Anlagenstillstand während der Umrüstung

Auswahl in sechs Schritten

1. Diagnoseziel definieren

Zunächst sollte geklärt werden, ob Trendüberwachung, Alarmierung, Fehlerdiagnose oder Ursachenanalyse im Vordergrund stehen.

2. Relevanten Frequenzbereich bestimmen

Nicht der maximal mögliche Frequenzbereich ist entscheidend, sondern der Bereich, in dem die erwarteten Fehlermerkmale auftreten.

3. Signalstärke und Rauschanforderungen bewerten

Bei niedrigen Amplituden und langsamen Drehzahlen sollte das Rauschverhalten besonders genau geprüft werden.

4. Umgebung und Zulassungen festlegen

Temperatur, Feuchtigkeit, Chemikalien, Strahlung, Schutzart und Ex-Zonen müssen vor der Produktauswahl bekannt sein.

5. Bestehende Infrastruktur analysieren

Vorhandene Sensoren, Kabel, Datenerfassung, SPS, Netzwerke und historische Messreihen sollten in die Entscheidung einbezogen werden.

6. Gesamtkosten vergleichen

Neben dem Sensorpreis sollten Installation, Engineering, Betrieb, Wartung und spätere Erweiterungen berücksichtigt werden.

Fazit

Digitale Beschleunigungssensoren eignen sich vor allem für neue, skalierbare Monitoring-Systeme, bei denen einfache Integration, moderate Frequenzanforderungen und niedriger Installationsaufwand im Vordergrund stehen. IEPE-Sensoren mit externem Wandler bieten Vorteile bei anspruchsvollen Diagnosen, kleinen Signalen, rauen Umgebungen und der Modernisierung vorhandener Messinfrastrukturen.

Entscheidend ist nicht allein, wo die Digitalisierung stattfindet, sondern ob die gesamte Messkette zum Diagnoseziel, zur Umgebung, zur vorhandenen Infrastruktur und zum verfügbaren Budget passt.

So wird nicht nur ein Sensor ausgewählt, sondern eine Messkette, die langfristig belastbare Schwingungsdaten liefert.