OMSLAGVERHAAL  
Maintenance Magazine 155 – maart 2022

Waarom snelheid meten en hoe?

Met behulp van snelheidsmetingen kunnen roterende machines aangestuurd, gemonitord en bewaakt worden. De ideale snelheid van een machine verhoogt immers haar productiekwaliteit en efficiëntie. In drie artikels wijden we de nodige aandacht aan snelheidsmetingen en hoe ze kunnen bijdragen tot het in topconditie houden van uw assets. In dit eerste deel geven we u de basis mee. Wat kan je allemaal met snelheidsmetingen en welke sensoren heb je daarvoor nodig?

Door Valérie Couplez

Snelheid kan gedefinieerd worden als het tempo waartegen een voorwerp zijn positie verandert of als de verhouding van de afgelegde afstand binnen een bepaald tijdsbestek. Maar wanneer het op roterende machines aankomt spreken we eerder over rotatiesnelheid. Dat is de snelheid waarmee een object zich rond een vaste as beweegt en wordt uitgedrukt in aantal omwentelingen per minuut (tpm). In elke industrie is het essentieel om deze snelheid te bewaken.

Waarom snelheidsmetingen?

Snelheidsmetingen zijn cruciaal om roterende machines te beschermen en te controleren. De werking lijkt eenvoudig: de meetsystemen tellen de tijd tussen twee pulsen in plaats van het aantal pulsen per omwenteling te tellen. Wat het meten van rotatiesnelheid zo complex maakt dat is de gevoeligheid van deze hoogfrequente, dynamische metingen aan veranderingen. Maar wie het goed krijgt, heeft een instrument in handen om op basis van de geleverde inzichten het correct functioneren van een proces te monitoren, te optimaliseren en te beschermen. Monitoring is van belang voor quasi elke roterende machine, van de kleinste transportband, tot de grootste turbine. Controleren en optimaliseren gebeurt vooral bij turbines en compressoren. Die beschikken typisch over een eigen snelheidscontrolesysteem dat hen door de verschillende werkingsstadia begeleidt (opstart, werking, afstelling en regeling van de belasting). Tijdens het opstarten zal zo’n systeem de thermische uitzetting van de turbines binnen de ontwerpgrenzen bewaken en voorkomen dat de turbine op resonantiefrequenties draait. Machines zoals turbines kunnen door de aard van het proces in overtoeren (overspeed) geraken, wat tot gevaarlijke situaties kan leiden. Daarom moet er een bescherming tegen overtoeren aanwezig zijn die snel kan ingrepen wanneer de machine sneller draait of versnelt dan wat haar ontwerpspecificaties voorschrijven. Het gaat meestal om stand-alone beschermingssystemen om een onafhankelijke laag van bescherming te realiseren.

Bewaking van overtoeren

Roterende machines zoals turbines, pompen en compressoren zijn voortdurend onderhevig aan zware mechanische krachten. Aangezien het vaak om kritieke componenten gaat, verdienen ze extra aandacht. Men opteert daarom voor snelheids- of toerentalbewaking. Snelheidsbewaking moet dienen om overtoeren en acceleraties te vermijden. Er is sprake van overtoeren wanneer de as van de machine sneller draait dan haar constructie eigenlijk aankan. Omdat krachten exponentieel toenemen met de rotatiesnelheid bestaat dan het risico dat er onderdelen los raken met mogelijke catastrofale gevolgen voor mens, proces en milieu. Een overtoerenbewakingssysteem zal er voor zorgen dat het toerental binnen bepaalde grenzen blijft. Worden die voorgedefinieerde waarden overschreden, dan schakelt de machine meteen uit. Volgens de huidige machinerichtlijnen en industriepraktijken moeten deze beveiligingssysteem een responstijd van minder dan 40 ms hebben. Overmatige versnelling kan er op zijn beurt toe leiden dat een roterende machine in overtoerental gaat en een gevaarlijke situatie veroorzaken. Door de aanwezige aandrijfkracht, zal het enige tijd duren voor een versnelling weer verdwijnt. Daarom is het van essentieel belang een grondige kennis van uw machine te hebben en te weten welke acceleraties aanvaardbaar zijn bij welke snelheid. Tijdens de opstart van een roterende machine, moet de versnelling, afhankelijk van de beschikbare energie, een bewaakte parameter zijn. Anders dan bij overtoerenbewaking, kijkt de acceleratiebewaking niet alleen naar de rotatiesnelheid maar ook naar de toename van het toerental binnen een vooraf bepaald tijdsbestek. Wordt er een buitensporige versnelling gedetecteerd dan zal het bewakingssysteem de turbine uitschakelen.

Toerentalbewaking

Het kan gebeuren dat, door de druk van het proces, een compressor de verkeerde kant op draait. Dit komt vooral terwijl de turbine die de compressor aandrijft zich in de afbouwfase bevindt of niet operationeel is. Dit fenomeen staat te boek als omgekeerde rotatie (reversed rotation). Wanneer de turbine weer opstart als de compressor zich nog in deze toestand bevindt, kan dit leiden tot schade. De snelheid van de compressor en de turbine zullen elkaar immers tegenwerken, wat schadelijke gevolgen kan hebben voor bijvoorbeeld de koppeling. Voor het personeel is er geen direct gevaar. Een tweede aspect om te bewaken is kruip (creep). Een turbine moet al volledig tot stilstand gekomen zijn, alvorens men onderhoudsactiviteiten mag aanvangen. Om dit te controleren zijn er toerentalmetingen nodig over een langere periode dan normale snelheidsmetingen, omdat de turbine opereert aan een zeer laag toerental tijdens het uitschakelproces. Een derde element, ten slotte, is ondertoerental. Om een installatie draaiende te houden, moet er een minimaal toerental aangehouden worden. Ondertoeren is zeer ongewenst vanwege enerzijds de veiligheid en anderzijds de verstoring van het productieproces, zij het niet met zo een catastrofale gevolgen als overtoeren. Ook hier kunnen grenswaarden worden ingesteld om een alarm te laten afgaan en verder onheil te voorkomen.

Welke sensoren toepassen?

Metingen gebeuren met behulp van snelheidssensoren. Deze werken contactloos volgens bepaalde meetprincipes om de snelheid van een roterend object in kaart te brengen. Het kiezen van de juiste snelheidssensor voor de toepassing is van cruciaal belang voor een nauwkeurig en betrouwbaar resultaat. De belangrijkste zaken die overweging verdienen hebben te maken met de machine (verwachte minimale en maximale snelheid, specificaties van de te meten component, beperkingen in gewicht en formaat bij de montage, benodigde kabellengte) en de omgeving (verwachte omgevingstemperatuur, explosiegevaarlijke omgevingen, aanwezigheid elektromagnetische velden en corrosief karakter van het milieu). We zetten de drie voornaamste meetprincipes hieronder tegenover elkaar.

Sensoren met variabele reluctantie (VR sensoren)

Een VR sensor maakt gebruik van een magnetisch veld om veranderingen in de afstand tussen de sensortip en het doelobject te meten. De sensor bevat een spoel die om een magneet gewikkeld is, waardoor er een verandering optreedt in het magnetisch veld (flux) en de spoel als de tanden van een tandwiel de sensor passeren. Het bewegende tandwiel creëert een variërende flux die een spanning in de spoel induceert; de frequentie daarvan is gerelateerd aan de rotatiesnelheid. Het signaal is een sinusvormige golf waarvan de amplitude afhankelijk is van de grootte van het doel, de snelheid en afstand. Het voordeel van VR sensoren is hun toepasbaarheid bij hoge temperaturen (tot meer dan 300 °C). Bovendien zijn de makkelijk in gebruik en zeer betrouwbaar. Dankzij de tweedraadsaansluiting past deze sensor ook binnen verouderde infrastructuren. Het nadeel is dat de amplitude van het signaal afhankelijk is. Als de snelheid te laag is, de tandwieltand te klein of de afstand tot het doelmateriaal te groot, zal het signaal worden afgevlakt en onbruikbaar zijn. Is de snelheid daarentegen hoog, de tandwieltand groot of de afstand klein, dan zal het signaal hoge pulsen vertonen. De toepassing en positionering van VR sensoren vergt dan ook speciale aandacht en deskundigheid om goed te functioneren. Ze zijn niet geschikt voor de detectie van lage of nulsnelheid.

Sensoren met wervelstroom

Een wervelstroomsensor gebruikt een elektromagnetisch veld om veranderingen te meten in de afstand tot een voorwerp. Als een as langs de sensor beweegt, meet deze een variatie in afstand, dichtbij (tand) en veraf (inkeping). De rotatiesnelheid kan bepaald worden aan de hand van de tijd tussen beide. De grote troef van wervelstroomsensoren is dat het meetprincipe zowel de pulsen toont als de positie ten opzichte van de tanden. Dit geeft inzicht in de ingestelde afstand. Wervelstroomsensoren zijn ook verkrijgbaar met een dynamische stroomuitgang, waardoor lange bekabeling (tot 1.000 m) mogelijk is. Daardoor worden ze ook minder beïnvloed door kabelimpedantie dan Hall sensoren (zie verder) en VR sensoren. Het grote nadeel is dat wanneer er bij hoge snelheid een verzadiging optreedt, de signaalvorm steeds meer afvlakt. Wanneer de tandwieltanden aan hoge snelheid langs de sensor bewegen zal een wervelstroomsensor nauwelijks een verschil in afstand opmerken. Hoe hoger de frequentie, hoe minder effectief een wervelstrooommeter zal zijn voor snelheidsmetingen.

Hall-effect sensoren

Een Hall-effect of Hall sensor meet de veranderingen in het magnetisch veld van de magneet, veroorzaakt door het ferromagnetisch doelmateriaal. De ingebouwde signaal conditioners genereren een duidelijk blokgolfsignaal. In tegenstelling tot VR sensoren zijn Hall sensoren gevoelig aan de grootte van de magnetische flux, eerder dan aan de snelheid waaraan ze verandert. Hall snelheidssensoren hebben een breed meetbereik en kunnen zowel traag draaiende of stationaire componenten meten als aan hoge snelheid opererende. De sterkte van een Hall sensor is dat er direct een digitale uitgang wordt geleverd die gemakkelijk kan doorgestuurd en verwerkt worden. Verder zijn ze meestal uitgerust met interne signaalverwerking. Het signaal wordt op die manier gedigitaliseerd en versterkt waardoor het minder gevoelig is aan elektromagnetische storingen. Door die ingebouwde elektronica zijn ze daarentegen minder bestand tegen temperatuur (bereik van -40 °C tot 150 °C). Verder hebben ze een driedraadsverbinding nodig. Ten slotte is het drempelniveau voorgedefinieerd in de sensor en kan het niet meer gewijzigd worden.

Dit artikel kwam tot stand in samenwerking met Istec dat een boek over snelheidsmetingen op roterende machines heeft uitgebracht. In dit boek wordt dieper ingegaan op dit onderwerp aan de hand van informatieve kennisartikelen, casestudies en een uitgebreide best practices guide. Dit boek is kosteloos aan te vragen voor lezers van Maintenance Magazine via www.istec.com/mm-speed