Systeme zur vorausschauenden Instandhaltung nutzen zunehmend akustische Signale, um abnormale Betriebszustände zu erkennen, bevor es zu einem Ausfall der Anlagen kommt. Bei rotierenden und pneumatischen Anlagen wie Ventilatoren, Pumpen, Luftkompressoren und Getrieben können niederfrequente akustische Merkmale nützliche Informationen über Veränderungen des Betriebszustands liefern.
Bei dieser Art der Überwachung ist das Mikrofon nicht einfach nur ein Audio-Eingabegerät. Es fungiert als Sensor, der über lange Betriebszeiten hinweg stabile und wiederholbare akustische Messwerte liefern muss. Daher ist die Auswahl der Mikrofonkapsel bei industriellen akustischen Überwachungsgeräten von besonderer Bedeutung.
Warum der Tieftonbereich bei der Geräteüberwachung eine wichtige Rolle spielt
Viele Industriemaschinen erzeugen Schall- und Schwingungssignale, die vor allem im unteren Frequenzbereich liegen. Rotierende Bauteile, Luftstromsysteme, Motoren, Lager und Getriebe können charakteristische Veränderungen der niederfrequenten Schallenergie hervorrufen, wenn sich ihre Betriebsbedingungen ändern.
Für akustische Überwachungssysteme, die auf diese Eigenschaften ausgelegt sind, ist eine Mikrofonkapsel erforderlich, die für etwa 20–500 Hz kann besser geeignet sein als eine Kapsel, die in erster Linie für Sprach- oder allgemeine Audioaufnahmen konzipiert ist.
Das Ziel besteht nicht unbedingt darin, das gesamte hörbare Spektrum wiederzugeben. Vielmehr soll die Kapsel im vom Überwachungsalgorithmus genutzten Frequenzbereich ein vorhersehbares Ansprechverhalten aufweisen, damit das System die akustischen Daten über einen längeren Zeitraum hinweg konsistent vergleichen kann.
Wichtige ECM-Anforderungen an Systeme zur vorausschauenden Instandhaltung
1. Optimierter Frequenzgang von 20–500 Hz
Bei einer akustischen Überwachungsanwendung im Niederfrequenzbereich muss die Mikrofonkapsel innerhalb des angestrebten Messbereichs einen brauchbaren und vorhersehbaren Frequenzgang aufweisen.
Die ECM-Spezifikationen können auf das tatsächliche Frequenzband der Anwendung optimiert werden, anstatt einem universellen Audio-Design zu folgen. Dieser Ansatz kann Geräteherstellern dabei helfen, akustische Sensoren zu entwickeln, die besser auf die von ihren Diagnosealgorithmen verwendeten Signale abgestimmt sind.
2. Langfristige Empfindlichkeitsstabilität
Systeme zur vorausschauenden Instandhaltung können über längere Zeiträume hinweg ununterbrochen in Betrieb sein. Wenn sich die Empfindlichkeit des Mikrofons im Laufe der Zeit erheblich verändert, kann es schwieriger werden, die daraus resultierenden akustischen Daten mit früheren Messwerten zu vergleichen.
Die langfristige Stabilität der Empfindlichkeit ist daher ein wichtiger Aspekt bei der Auswahl einer ECM-Kapsel für industrielle Überwachungsgeräte. Die Kapsel sollte während ihrer gesamten vorgesehenen Lebensdauer unter den spezifizierten Umgebungsbedingungen gleichbleibende akustische Eigenschaften aufweisen.
3. Geringe Schwankungen der Empfindlichkeit zwischen den Chargen
Industrielle Überwachungsgeräte werden häufig in mehreren Chargen hergestellt und in verschiedenen Maschinen oder Anlagen eingesetzt. Zu große Schwankungen in der Empfindlichkeit zwischen den Mikrofonkapseln können zu Abweichungen in den erfassten akustischen Daten führen.
Durch die Kontrolle der gleichbleibenden Empfindlichkeit der Kapseln können Hersteller Abweichungen auf Komponentenebene reduzieren und die Anforderungen an die Kalibrierung oder Signalverarbeitung während der Produktion vereinfachen.
4. Betriebstemperatur im industriellen Einsatz
Bei Geräten, die in Fabriken, Technikräumen, Maschinengehäusen oder anderen industriellen Umgebungen installiert sind, kann die Mikrofonkapsel während des Dauerbetriebs Temperaturschwankungen ausgesetzt sein.
Für die hier beschriebene Anwendung beträgt der Betriebsbereich etwa -20 °C bis 70 °C bietet einen praktischen Anhaltspunkt für die Kapsel-Spezifikation. Die endgültige Temperaturanforderung sollte entsprechend dem Aufstellungsort und der Gehäusekonstruktion festgelegt werden.
5. Grundlegender Staubschutz
Ventilatoren, Pumpen, Kompressoren und Getriebe werden häufig in Umgebungen installiert, in denen Staub in der Luft und industrielle Verunreinigungen auftreten können.
Ein grundlegender Staubschutz kann die Eignung einer ECM-Kapsel für den Einbau in einen industriellen Akustiksensor verbessern. Der erforderliche Schutzgrad hängt vom Gehäuse des Geräts und der Einbauumgebung ab.
6. Grundlegende Störfestigkeit gegen elektromagnetische Störungen
Industrieanlagen können Motoren, Wechselrichter, Schaltnetzteile, Steuerkreise und andere potenzielle Quellen elektromagnetischer Störungen enthalten.
Bei akustischen Überwachungsgeräten, die in der Nähe von Maschinen installiert sind, sollten die Mikrofonkapsel und die zugehörige Schaltung daher als Teil der gesamten EMI-resistenten Signalkette betrachtet werden. Die Bauweise der Kapsel, das Layout der Leiterplatte, die Erdung, die Abschirmung und die Filterung auf Systemebene können alle zum Endergebnis beitragen.
7. Geringer Stromverbrauch
Ein geringer Stromverbrauch ist besonders dann von Bedeutung, wenn der akustische Überwachungssensor im Dauerbetrieb arbeitet oder in dezentrale Überwachungsknoten integriert ist.
Eine geeignete ECM-Kapsel kann Geräteherstellern dabei helfen, die akustische Leistung mit den Leistungsanforderungen des gesamten Sensorsystems in Einklang zu bringen, insbesondere wenn der Sensor für ferngesteuerte oder im Dauerbetrieb arbeitende Überwachungsgeräte ausgelegt ist.
Typische industrielle Anwendungen
Fans
Ventilatoren und Lüftungsanlagen können charakteristische akustische Muster erzeugen, die mit rotierenden Bauteilen, Luftströmen, Unwuchten oder Änderungen der Betriebsbedingungen zusammenhängen. Ein niederfrequentes ECM kann in akustische Überwachungsknoten integriert werden, die in der Nähe der Anlagen positioniert sind.
Pumpen
Pumpen können bei veränderten Betriebsbedingungen Schwankungen in der Schallleistung verursachen. Die akustische Messung lässt sich mit anderen Parametern wie Schwingung, Temperatur, Druck oder Strom kombinieren, um ein umfassenderes Bild vom Zustand der Anlage zu erhalten.
Luftkompressoren
Luftkompressoren erzeugen kontinuierlich mechanische und pneumatische Geräusche. Die Überwachung von Veränderungen im relevanten niederfrequenten Schallbereich kann ein zusätzliches Signal für Zustandsüberwachungssysteme liefern.
Getriebe
Getriebe enthalten zahlreiche rotierende und ineinandergreifende Bauteile, die charakteristische Geräuschmuster erzeugen können. Eine stabile Mikrofonkapsel kann ein gleichbleibendes Eingangssignal für Systeme liefern, die Veränderungen im akustischen Verhalten der Maschine im Zeitverlauf erfassen.
Die Auswahl der ECM-Kapseln sollte sich nach dem Überwachungssystem richten
Es gibt keine einheitliche Mikrofonspezifikation, die für jede Anwendung im Bereich der vorausschauenden Instandhaltung geeignet ist. Die Wahl der geeigneten Kapsel hängt von der zu überwachenden Anlage, dem Installationsabstand, der Gehäuseausführung, den Hintergrundgeräuschen, dem Verfahren zur Signalverarbeitung, der Betriebstemperatur und dem erforderlichen Messbereich ab.
Aus diesem Grund sollte die Auswahl eines Mikrofons von den tatsächlichen Anforderungen an die akustische Überwachung ausgehen und nicht einfach bei der Wahl eines Standard-Audiomikrofons enden.
Beispielsweise können in einem OEM-Projekt Anforderungen wie die folgenden definiert werden:
- Zielfrequenzbereich: 20–500 Hz
- Stabile Empfindlichkeit im Langzeitbetrieb
- Geringe Schwankungen der Empfindlichkeit zwischen den Produktionschargen
- Betriebstemperatur: -20 °C bis 70 °C
- Grundlegender Staubschutz
- Grundlegende Störfestigkeit gegen elektromagnetische Störungen
- Geringer Stromverbrauch
Diese Parameter können dann zusammen mit den mechanischen Abmessungen, der elektrischen Konfiguration, der Empfindlichkeit, der Impedanz, dem Signalpegel, der Einbauart und der akustischen Umgebung des endgültigen Überwachungsgeräts ausgewertet werden.
ECMIC-Unterstützung für OEM-Projekte im Bereich der industriellen Akustiküberwachung
ECMIC liefert Elektret-Kondensatormikrofon-Kapseln (ECM) für OEM- und ODM-Anwendungen. Bei Projekten zur industriellen Akustiküberwachung können die Spezifikationen der Kapseln unter Berücksichtigung des Zielfrequenzbereichs, der Empfindlichkeitsanforderungen, der Umgebungsbedingungen, der mechanischen Einschränkungen und der Produktionsanforderungen bewertet werden.
Bei Projekten im Zusammenhang mit Sensoren für die vorausschauende Instandhaltung, der Überwachung von Industrieanlagen oder anderen Anwendungen mit kontinuierlicher akustischer Erfassung sollte die Mikrofonkapsel als Teil des gesamten Sensordesigns spezifiziert und nicht als generische Audiokomponente betrachtet werden.
Wenn Sie ein akustisches Überwachungsgerät für Ventilatoren, Pumpen, Luftkompressoren, Getriebe oder andere Industrieanlagen entwickeln, ECMIC kann die Anforderungen an die Mikrofonkapseln auf der Grundlage Ihrer Anwendung und Ihrer Zielspezifikationen bewerten.
