In vielen Bereichen der physikalischen und auch elektrischen Messtechnik einsetzbar ist der daumengrosse Mini-Datenlogger MSR165, mit dem man 3-Achsen-Beschleunigungen, Luftdruck, Feuchte, Temperatur, Licht und weitere beliebige elektrische Spannungswerte aufzeichnen kann. Hier ein Anwendungsbeispiel aus der Industrie, das zeigt, wie nützlich diese kleinen Messdaten-Recorder sein können.

Die Firma Fresenius Medical Care produziert an ihrem Standort St. Wendel Peritoneal-Dialysesysteme, mit denen eine sehr schonende Blutwäsche bei Patienten durchgeführt werden kann. Für diese hochkomplexen medizinelektronischen Geräte sind spezielle Kunststoffventile erforderlich, die entsprechend den geltenden Vorschriften in einem Reinraum gefertigt und montiert werden müssen. In dem für die Montagearbeiten verwendeten Produktionsautomaten werden diese Ventile auf Werkstückträgern transportiert, die aus Polyethylenterephthalat- (PET-) Vollmaterial gefräst sind. An den Werkstückträgern sind jedoch durch die permanenten mechanischen Beanspruchungen Verschleisserscheinungen aufgetreten, so dass man sich entschlossen hat, eine neue und widerstandsfähigere Konstruktion zu entwickeln.

Dynamische mechanische Belastungen präzise erfassen

Basis für die Entwicklung einer neuen Variante der Werkstückträger war zunächst eine umfassende Messreihe, die von Daniel Klein, einem Studenten am Lehrstuhl für Polymerwerkstoffe der Universität des Saarlandes, im Rahmen seiner Bachelor-Arbeit durchgeführt wurde. Zunächst dienten als Grundlage für die Analyse und Bewertung der bestehenden Lösung Werkstattdaten und Belastungsmessungen. Diese wurden ausgewertet und mittels der Finite-Elemente-Methode (FEM) in Dehnungs-Beanspruchungen umgerechnet. Auf diese Weise erhielt man Aufschluss über die Eignung der aktuellen Werkstückträger bezüglich ihrer Anforderungen im Betrieb und bekam so Basisdaten, um eine weiter optimierte Lösung zu entwickeln. Wichtig in diesem Zusammenhang war auch die Messung der dynamischen mechanischen Belastungen, denen die Werkstückträger unterliegen. Hierzu wurde in den Messreihen ein Beschleunigungs-Datenlogger MSR165 des Schweizer Herstellers MSR Electronics auf einen Werkstückträger geschraubt und – wie die anderen Werkstückträger mit den Ventilen auch – in den realen Fertigungsablauf der Automaten eingefügt.

1600 mal pro Sekunde die Beschleunigung erfassen

Der Beschleunigungs-Datenlogger der Typenreihe MSR165 ist ein autark im Langzeit-Betrieb arbeitendes und auf microSD-Speicherkarten aufzeichnendes Datenerfassungs-/speichersystem, das in der aktuellen Version mit einem hochauflösenden und sehr empfindlichen 3-Achsen-Digital-Accelerometer ausgestattet ist. Durch das kleine Format (39 x 23 x 72 mm, Masse ca. 64 g) und die Möglichkeit, in drei Achsen Beschleunigungen aufzuzeichnen, eignet sich der Logger sehr gut für die bei Fresenius Medical Care gegebene Aufgabenstellung.

Eingebaut ist die Sensorik in ein eloxiertes, wasserdichtes Aluminium-Gehäuse. Der robuste Logger ist letztlich in der Lage, bis 1600-mal pro Sekunde Beschleunigungen (Stösse, Vibrationen) in allen drei Achsen zu messen, das Ganze mit einer Digital-Messwert-Auflösung von 13 bit. Zeitgleich lassen sich Temperatur, Feuchte, Druck und Licht erfassen. Die Speicherkapazität des Loggers liegt bei über 2 Mio. Messwerten, was zur Aufzeichnung von über 10 000 Stössen ausreicht. Der MSR165 realisiert damit die Forderung vieler Ingenieure nach einer Messfrequenz von über 1 kHz im Bereich der Schockmessungen, die im Übrigen bis zu Maximalbeschleunigungen von +/-15 g möglich sind – ein bei Anwendern sehr oft benötigter Messbereich. Und da es bei einer g-Analyse vielfach notwendig ist, auch die Vorgeschichte des „Schocks“ zu erfahren, kann der Logger bereits 32 Messwerte vor dem eigentlichen Ereignis festhalten. Der Anwender weiss dann nicht nur, dass ein harter Stoss erfolgte, sondern erkennt auch den genauen Verlauf des Stosses in den drei Raumachsen.

Durch den Lithium-Polymer-Akku mit 900 mAh Kapazität liesse sich letztlich bei entsprechend angepasster Messrate bis sechs Monate lang die Beschleunigungs-Überwachung durchführen, was im konkreten Fall freilich ebenso wenig notwendig war wie die Erfassung von Temperatur, Feuchte, Druck, Licht oder von analogen Eingangsspannungen. Wer einen grösseren Speicher benötigt, kann die Kapazität des MSR-Loggers zudem mit einer microSD-Karte(≥4GB) auf über 1 Mia. Messwerte erhöhen.

Aufgedeckt: Abnutzung durch stossartige Beschleunigungen

Da die dehnungsbezogene Auslegung von Kunststoffbauteilen prinzipiell unabhängig von Belastungsart und Dauer ist, genügte es in diesem Fall bei der Untersuchung der Werkstückträger, die maximalen (Stoss-) Belastungen mit dem Logger auszuwerten. Während der Messreihen konnte auf diese Weise der Beschleunigungsverlauf beim ruckartigen Vorschieben der Werkstückträger im Bearbeitungsautomaten identifiziert werden. Die Beschleunigungen hier liegen meist im Bereich +/-2 g. Vibrationen und Stösse, die durch Kameraaufnahmen vorher unbeachtet blieben, wurden so detektiert.

Letztlich ermöglichte es erst der Beschleunigungs-Datenlogger, die dynamischen Lasten im Betrieb exakt zu quantifizieren. Auf diese Weise wurden Betriebsprobleme durch Verschleisserscheinungen aufgrund der Form und der Masse der Werkstückträger entdeckt. Sie lassen sich in Zukunft ebenso vermeiden wie aus den Verschleisserscheinungen resultierende Wartungsarbeiten, indem bei neuen Werkstückträgern in Zukunft ein optimiertes physisches Design zur Anwendung kommt.

Daniel Klein / Gabriela Zumkehr

Fertigungs-, Bearbeitungs- oder Transport-Maschinen aller Art nutzen heute eine aufwändig geregelte Antriebstechnik, um Linear-Bewegungen in drei Raumachsen bzw. Rotations-Bewegungen präzise und mit hohem Wirkungsgrad zu erzeugen. Die bei allen mechanischen Bewegungen entstehenden, charakteristischen Schwingungs- oder Vibrationsmuster lassen sich in diesem Zusammenhang nutzen, um die gesamte Antriebstechnik bezüglich der mechanisch-elektrischen Parameter zu überwachen und zu optimieren. MSR Schock- und Vibrations-Datenlogger können dabei eine wesentliche und vor allem zeit- und kostensparende Hilfestellung leisten.

Seit langer Zeit versucht man schon, auf zeitsparende, kostengünstige und einfach anzuwendende Art die charakteristischen Schwingungs-, Stoss- und Vibrations-Parameter von Maschinen und Antrieben aller Art zu erfassen, zu speichern und auszuwerten. Dies hilft dabei, den Wirkungsgrad der mechanischen Antriebsstränge zu optimieren und geeignete Soll- bzw. Mittelwerte für diese Parameter festzulegen. Dies dient einerseits der Qualitäts-Dokumentation und der Darstellung der Leistungs-Parameter, andererseits lassen sich bei Abweichungen von als „gut“ bekannten Vibrations- und Schwingungsmustern auch anbahnende Schäden frühzeitig erkennen.

Erfassen von Schwingungen kann kann dabei helfen, teure Ausfallzeiten zu vermeiden.

Ein derartiger „mechanischer Schwingungs-Fingerabdruck“ dient sehr gut als idealer Vergleichswert in einem sich anbahnenden Fehlerfall, wenn zum Beispiel ein Kugellager in einem Getriebe fehlerhaft ist und dadurch zu einer Abweichung der normalen Schwingungs-Amplituden oder -Frequenzen führt. Das Erfassen mechanischer Fehler über charakteristische Schwingungsmuster trägt – in einem möglichst frühen Stadium realisiert – in jedem Fall dazu bei, teure Ausfallzeiten „im Feld“ oder Produktions-Stillstände zu vermeiden. Das Erfassen charakteristischer Schwingungs-Parameter an allen bewegten Maschinenelementen und Antriebssystemen ist letztlich heutzutage ein absolutes „Muss“.

Die charakteristischen Schwingungs- bzw. Vibrations- oder Stoss-Parameter werden idealerweise ohne relevante mechanische Zusatz-Belastung erfasst. Das bedeutet, dass der Sensor bzw. das die mechanischen Parameter aufzeichnende und speichernde Element sehr klein und leicht sein sollte, um eine Verfälschung der erfassten Schwingungen (so genannte Artefakte) zu vermeiden. Gleichermassen bedeutsam ist aber auch eine entsprechende Auswerte-Software, die rasch und übersichtlich dem Fachmann die gewünschten Fehlerdiagnosen liefert und damit die Grundlage für eine präzise und zeitgerechte Korrektur von Problemen darstellt

Mini-Datenlogger als Langzeit-Messlabor

Seit längerer Zeit schon haben sich in vielen Anwendungsbereichen der Automatisierungs- und Maschinenbau-Branche sowie in der Elektrotechnik, in der Transport-, Automobil- und Fahrzeugindustrie oder in der Luft- und Raumfahrt-Branche in diesem Zusammenhang die Miniatur-Datenlogger MSR165 der Seuzacher Technologiefirma MSR Electronics GmbH bewährt. Auf Anwendungen in der Schwingungs-, Stoss- und Vibrations-Erfassung ist dabei der gerade einmal daumengrosse Logger MSR165 spezialisiert. Sein Sensorik-Kernelement ist ein hochauflösendes 3-Achsen-Digital-Accelerometer. Mit diesem und der nachgeschalteten Auswerteelektronik ist der robuste Datenlogger in der Lage, bis zu fünf Jahre lang 1600 Stoss- und Vibrations-Messungen pro Sekunde in allen drei Raum-Achsen (x, y, z) durchzuführen. Parallel dazu lassen sich Temperatur, Feuchte, Druck und Lichtstärke messen und aufzeichnen.

Die Speicherkapazität dieses kleinen Sensor- und Aufzeichnungsmoduls liegt bei entsprechender Ausrüstung mit einer Speicherkarte bei über 1 Milliarde Messwerten. Die Auswertung erfolgt an einem PC mit einer unkompliziert zu bedienenden aber dennoch detaillierte Analysen liefernden Software. Um die optimale Nutzung von teuren Produktionsmaschinen sicher zu stellen, können mit dem MSR165 beispielsweise Vibrationen von Servo-Achsen überwacht oder Schwingungen an einem Werkzeugrevolver einer Fertigungsmaschine gemessen werden. Durch diese Aufzeichnungen kann der Anwender Rückschlüsse darüber gewinnen, ob ein Werkzeug defekt ist, eine Maschine überlastet wird, der Antrieb nicht optimal läuft, ein Service nötig ist oder ob sich Schwingungen auf andere Maschinenelemente übertragen. Letzteres ist zum Beispiel für industrielle Werkzeuge von höchster Relevanz, denn durch das Eliminieren von Vibrationen aller Art lässt sich die Standzeit massiv erhöhen.

Mit seinen Sensorik-Elementen ausgestattet ist dieser Logger in der Lage, in den drei Raumachsen Schockbelastungen bzw. Vibrationen von ±15 g zu erfassen, verfügbar ist aber auch ein erweiterter Messbereich von ±200 g (g = Erdbeschleunigung 9,81 m/s²). Letztgenannter Messbereich ist immer dann von Nutzen, wenn es darum geht, Belastungen aufzuzeichnen, in denen plötzlich sehr grosse Kräfte auftreten. Auch die charakteristischen „guten“ Schwingungsmuster lassen sich natürlich aufzeichnen und zum Vergleich im Fehlerfall heranziehen.

Die Datenaufzeichnung des digitalen 3-Achsen-Beschleunigungssensors beginnt wahlweise dann, wenn ein Beschleunigungs-Schwellwert überschritten wird oder zu einem vom Anwender bestimmten Zeitpunkt. Bereits vor dem Schockereignis werden schon 32 Messdatensätze aufgezeichnet, damit bei einer g-Analyse auch die Vorgeschichte des Schocks betrachtet werden kann. Der Anwender weiss also nicht nur, dass ein harter Stoss erfolgte, sondern er erkennt auch den genauen Verlauf und die Ursache dieser mechanischen Schad-Einwirkung.

Monatelang Daten aufzeichnen

Der autark im Langzeit-Betrieb arbeitende Datenlogger MSR165 weist durch den leistungsfähigen 3-Achsen-Beschleunigungssensor (150 Mikroampere Stromaufnahme, 13 bit Messwert-Auflösung) einen sehr geringen Stromverbrauch auf. Durch den wieder aufladbaren Lithium-Polymer-Akku mit 900 mAh Kapazität lassen sich standardmässig bereits bis zu sechs Monate Schocküberwachungen durchführen. Um die Nachfrage nach einer noch längeren Aufzeichnungsdauer zu befriedigen, bietet die MSR Electronics GmbH zusätzlich auch zwei Optionen zur Langzeit-Stromversorgung des Datenloggers an: Für eine längere Aufzeichnungsdauer lässt sich der MSR165 mit wechselbaren Batterien (3.6 V, 2 x 7700 mAh, Li-SOCl₂) ausstatten. Untergebracht sind die Batterien in einem industrietauglichen, wasserdichten Aluminiumgehäuse. Eine andere Möglichkeit, die Aufzeichnungsdauer des MSR165 bis zu sechs Mal zu verlängern, besteht darin, das „MSR Powerpack“ einzusetzen. Dabei handelt es sich um eine autonome Ladestation mit einer Kapazität von 5000 mAh, welche den internen Akku des Datenloggers während des Betriebs nachladen kann. Das Lade-Intervall des Gerätes ist individuell einstellbar: 24 Stunden, 7 Tage oder 30 Tage.

Fazit: Durch gezielten Einsatz von Miniatur-Datenloggern lassen sich in allen Bereichen der Maschinenbau-Branche alle Arten von Schwingungen oder Vibrationen bzw. Schockbelastungen ohne Artefakt-Wirkung erkennen und aufzeichnen. Eine Auswertung der aufgezeichneten Parameter lässt dann auf rasche und kostengünstige Weise die Fehlerdiagnose und daraus folgend eine mechanische oder elektromechanische Optimierung zu. Letztlich lassen sich erhebliche Zeit- und Kostenvorteile und nicht zuletzt Pluspunkte bezüglich Qualität und Zuverlässigkeit von Maschinen und Antrieben aller Art erzielen.