Einleitung

Bei Motoren, Lüftern, Wellen, Riemenscheiben und anderen rotierenden Maschinen gehört die Drehzahl zu den wichtigsten Betriebsgrößen. Bei hohen Drehzahlen, heißen Oberflächen, schwer zugänglichen Einbausituationen oder Bauteilen, die nicht sicher berührt werden können, ist eine Kontaktmessung häufig ungeeignet. Hier bietet sich ein berührungsloser Drehzahlmesser an.

Berührungslose Drehzahlmesser arbeiten üblicherweise mit Laser- oder photoelektrischer Erfassung. Sie erkennen ein periodisches optisches Signal am rotierenden Objekt und berechnen daraus die Drehzahl in Umdrehungen pro Minute.

Das Verständnis dieses Messprinzips erleichtert die richtige Positionierung der Reflexmarke, die Wahl von Messabstand und Ausrichtung sowie die Vermeidung instabiler Messwerte durch Umgebungslicht oder ungünstige Oberflächen.

Das Wichtigste im Überblick

● Die Drehzahl wird optisch und ohne mechanischen Kontakt zum rotierenden Bauteil erfasst.
● Auf dem Messobjekt wird häufig eine deutlich erkennbare Reflexmarke angebracht.
● Bei jedem Vorbeilauf der Reflexmarke erkennt das Gerät eine periodische Änderung des reflektierten Lichts.
● Ein photoelektrischer Sensor wandelt diese Lichtänderung in ein elektrisches Signal um.
● Bei einer Reflexmarke pro Umdrehung entspricht ein gültiger Impuls normalerweise einer vollständigen Umdrehung.
● Aus der Impulsfrequenz berechnet das Gerät die Drehzahl und zeigt sie digital an.
● Reflexmarke, Messabstand, Winkel, Umgebungslicht und Oberflächenbeschaffenheit beeinflussen die Signalqualität.

Was bedeutet berührungslose Drehzahlmessung?

Bei der berührungslosen Drehzahlmessung wird die Rotationsgeschwindigkeit einer Welle, Scheibe, Riemenscheibe oder eines anderen rotierenden Bauteils bestimmt, ohne dass das Messgerät das Objekt mechanisch berührt.

Handgehaltene berührungslose Drehzahlmesser arbeiten meist nach einem photoelektrischen Prinzip. Das Gerät richtet einen Lichtstrahl auf das rotierende Objekt und überwacht die Änderung des reflektierten Lichts. Eine aufgebrachte Reflexmarke passiert den Messbereich einmal pro Umdrehung und erzeugt dadurch ein wiederkehrendes optisches Signal.

Durch Erkennen und Zählen dieser periodischen Signale kann das Gerät bestimmen, wie viele Umdrehungen das Objekt innerhalb eines bestimmten Zeitraums ausführt.

Da kein Messkopf oder Messrad auf das rotierende Teil gedrückt werden muss, entsteht keine zusätzliche mechanische Belastung. Das Verfahren eignet sich deshalb besonders für schnell rotierende, kleine oder schwer zugängliche Komponenten.

Grundlegender Ablauf der berührungslosen Drehzahlmessung

Der Messvorgang lässt sich vereinfacht wie folgt darstellen:

Lichtaussendung → Reflexion am Messobjekt → optische Erfassung → Signalumwandlung → Impulserkennung → Drehzahlberechnung → digitale Anzeige

Die interne Schaltung und die Signalverarbeitung können je nach Gerät unterschiedlich ausgeführt sein. Das Grundprinzip ist bei den meisten optischen und laserbasierten Drehzahlmessern jedoch vergleichbar.

Während der Messung wird das Gerät auf die Reflexmarke des rotierenden Bauteils ausgerichtet. Sobald die Markierung den Erfassungsbereich durchläuft, verändert sich die Intensität des zurückgeworfenen Lichts deutlich. Der photoelektrische Sensor erfasst diese Änderung und wandelt sie in ein elektrisches Signal um.

Anschließend werden gültige Impulse erkannt, deren Frequenz bestimmt und daraus die Drehzahl berechnet.

Erster Schritt: Aussenden des Messlichts

Zu Beginn der Messung sendet der Drehzahlmesser einen Lichtstrahl auf das rotierende Bauteil.

Je nach Ausführung wird sichtbares rotes Licht oder ein Laser eingesetzt. Ein sichtbarer Lichtpunkt erleichtert gleichzeitig die genaue Ausrichtung des Messgeräts auf die Reflexmarke.

Beim Auftreffen des Lichts auf die Oberfläche wird ein Teil absorbiert und ein Teil reflektiert.

Da Materialien, Farben und Oberflächenstrukturen unterschiedlich stark reflektieren, wird in vielen Anwendungen bewusst eine gut erkennbare Reflexfläche geschaffen.

Zweiter Schritt: Deutlichen Reflexionskontrast mit Reflexfolie erzeugen

Bei vielen berührungslosen Drehzahlmessungen wird ein kleines Stück Reflexfolie auf das rotierende Bauteil geklebt.

Die Reflexfolie berechnet die Drehzahl nicht selbst. Ihre Aufgabe besteht darin, einen deutlichen optischen Unterschied zwischen markiertem und unmarkiertem Bereich zu erzeugen.

Wird beispielsweise auf einer dunklen Welle eine Reflexmarke angebracht, reflektiert die normale Oberfläche vergleichsweise wenig Licht, während die Reflexfolie ein wesentlich stärkeres Signal zurückwirft.

Dadurch entsteht beim Drehen ein periodischer Signalverlauf:

● Normale Oberfläche im Messbereich: schwächeres Reflexionssignal.
● Reflexmarke im Messbereich: stärkeres Reflexionssignal.
● Reflexmarke verlässt den Bereich: Signal wird wieder schwächer.
● Bei der nächsten Umdrehung erscheint die Markierung erneut.

Ist nur eine Reflexmarke vorhanden, kann jeder vollständige gültige Signalzyklus normalerweise einer Umdrehung zugeordnet werden.

Dritter Schritt: Erfassung des reflektierten Lichts

Das zurückkehrende Licht wird von einem photoelektrischen Sensor im Drehzahlmesser erfasst.

Dieser Sensor erkennt Änderungen der Lichtintensität und wandelt sie in elektrische Signale um. Wenn Reflexmarke und normale Oberfläche abwechselnd den Erfassungsbereich passieren, ändert sich entsprechend auch das elektrische Ausgangssignal.

In der Praxis ist das optische Signal jedoch nicht vollkommen störungsfrei.

Umgebungslicht, glänzende Oberflächen, Vibrationen, wechselnder Messabstand oder Reflexionen benachbarter Bauteile können zusätzliche Signale verursachen. Deshalb darf nicht jede Helligkeitsänderung automatisch als vollständige Umdrehung interpretiert werden.

Die interne Elektronik verstärkt, filtert und formt das Sensorsignal, damit die tatsächlich durch die Rotation erzeugten periodischen Signale zuverlässig erkannt werden können.

Vierter Schritt: Umwandlung in elektrische Impulse

Nach der Signalaufbereitung wird der optische Signalverlauf in elektrische Impulse umgewandelt, die elektronisch gezählt werden können.

Vereinfacht kann man sagen: Jedes Mal, wenn die Reflexmarke den Messbereich passiert, registriert das Gerät einen gültigen Impuls.

Bei einer Welle mit einer Reflexmarke gilt beispielsweise:

● Erste Umdrehung: 1 Impuls.
● Zweite Umdrehung: 1 weiterer Impuls.
● Dritte Umdrehung: 1 weiterer Impuls.

Bei einer Markierung pro Umdrehung entspricht die Impulszahl somit unmittelbar der Anzahl der Umdrehungen.

Die Drehzahl wird also nicht direkt aus dem Laserstrahl berechnet, sondern aus den periodischen elektrischen Impulsen, die nach optischer Erfassung und Signalaufbereitung entstehen.

Fünfter Schritt: Berechnung der Drehzahl aus der Impulsfrequenz

Sobald ein stabiles periodisches Impulssignal vorliegt, kann das Gerät die Drehzahl berechnen.

Die Drehzahl wird üblicherweise in Umdrehungen pro Minute (U/min) angegeben.

Erzeugt das rotierende Objekt genau einen gültigen Impuls pro Umdrehung und beträgt die gemessene Frequenz (f), gilt:

Drehzahl [U/min] = 60 × f

Dabei ist:

● Drehzahl = Umdrehungen pro Minute.
● f = Anzahl der gültigen Impulse pro Sekunde.

Erfasst das Gerät beispielsweise 20 gültige Impulse pro Sekunde:

Drehzahl = 60 × 20 = 1200 U/min

Das Bauteil dreht sich somit mit etwa 1.200 Umdrehungen pro Minute.

Werden mehrere Reflexmarken pro Umdrehung erkannt, muss deren Anzahl bei der Berechnung berücksichtigt werden. Ein einzelner Impuls entspricht dann nicht mehr automatisch einer vollständigen Umdrehung.

Warum wird normalerweise nur eine Reflexmarke verwendet?

Bei handgehaltenen berührungslosen Drehzahlmessern liefert eine einzelne, klar erkennbare Reflexmarke in der Regel die zuverlässigsten Ergebnisse.

Befinden sich zwei ähnlich stark reflektierende Bereiche auf dem Objekt und werden beide als gültige Markierungen erkannt, können pro realer Umdrehung zwei Impulse entstehen.

Geht das Gerät von einem Impuls pro Umdrehung aus, kann der angezeigte Wert dadurch ungefähr doppelt so hoch sein wie die tatsächliche Drehzahl.

Daher sollte darauf geachtet werden:

● Pro Umdrehung nur eine eindeutige Hauptreflexmarke zu verwenden.
● Weitere stark reflektierende Stellen im unmittelbaren Bereich zu vermeiden.
● Sicherzustellen, dass Schrauben, blanke Metallflächen oder andere Reflexionen nicht als zusätzliche Markierung erkannt werden.

Anzahl und Position der Reflexmarken haben somit direkten Einfluss auf das Messergebnis.

Welche Aufgabe hat der Laser?

Der Laser-Drehzahlmesser ist eine häufig verwendete Bauform des berührungslosen Drehzahlmessers.

Ein Laser oder eine andere gerichtete Lichtquelle definiert den Erfassungsbereich und erleichtert die Ausrichtung auf die Reflexmarke. Der sichtbare Lichtpunkt zeigt dem Anwender, welcher Bereich tatsächlich gemessen wird.

Die eigentliche Drehzahlermittlung erfolgt jedoch weiterhin über die optische Erfassung und elektronische Signalverarbeitung.

Ein typisches System umfasst daher:

● Messlichtquelle.
● Reflexmarke oder Reflexfolie.
● Photoelektrischen Empfänger.
● Verstärkungs- und Filterschaltung.
● Impulserkennung.
● Mikroprozessor oder Auswerteelektronik.
● LCD oder andere digitale Anzeige.

Gemeinsam wandeln diese Komponenten die mechanische Drehbewegung in einen digitalen Drehzahlwert um.

Warum eignet sich die berührungslose Messung für hohe Drehzahlen?

Der wesentliche Vorteil liegt darin, dass zwischen Messgerät und rotierendem Bauteil kein mechanischer Kontakt erforderlich ist.

Bei einem Kontakt-Drehzahlmesser muss ein Messkopf oder Messrad direkt an der rotierenden Welle oder Oberfläche anliegen. Bei hohen Drehzahlen müssen dabei Kontaktstabilität, Schlupf, mechanische Belastung und Arbeitssicherheit besonders berücksichtigt werden.

Die berührungslose Messung arbeitet dagegen überwiegend mit optischen Signalen und übt keine nennenswerte mechanische Last auf das Messobjekt aus.

Typische Anwendungen sind:

● Motorwellen.
● Lüfter und Gebläse.
● Riemenscheiben.
● Werkzeugmaschinenspindeln.
● Pumpen und rotierende Maschinen.
● Ausgewählte schnell laufende Anlagen.

Berührungslos bedeutet jedoch nicht gefahrlos. Bei schnell rotierenden Maschinen bestehen weiterhin Risiken durch Einziehen, herausgeschleuderte Teile oder Bauteilversagen. Ein sicherer Abstand ist deshalb erforderlich.

Welche Faktoren beeinflussen die Messung?

Da die Messung von einem stabilen periodischen optischen Signal abhängt, können alle Faktoren, die Aussendung, Reflexion oder Empfang des Lichts beeinflussen, auch die Messstabilität beeinträchtigen.

● Zu geringer Reflexionskontrast: Die Markierung hebt sich nicht deutlich genug von der Umgebung ab.
● Mehrere reflektierende Bereiche: Schrauben oder glänzende Metallflächen können zusätzliche Impulse verursachen.
● Ungeeigneter Messabstand: Außerhalb des vorgesehenen Bereichs kann das Rücksignal zu schwach sein.
● Ungünstige Ausrichtung: Der Lichtstrahl trifft die Reflexmarke nicht zuverlässig.
● Starkes Umgebungslicht: Intensive Beleuchtung oder Sonnenlicht kann das Signal-Rausch-Verhältnis verschlechtern.
● Starke Vibrationen: Der Zielbereich bewegt sich zeitweise aus dem Erfassungsbereich.
● Ungeeignete Größe der Reflexmarke: Eine zu kleine Markierung kann schwer erkennbar sein, eine übermäßig große kann die Signalflanken bei hohen Drehzahlen beeinflussen.
● Stark glänzende Oberfläche: Ungewollte Reflexionen können den Kontrast zur eigentlichen Markierung verringern.

Die Zuverlässigkeit hängt deshalb sowohl vom Messgerät als auch von der Vorbereitung des Messobjekts und den Umgebungsbedingungen ab.

Wie lassen sich stabilere Messwerte erzielen?

Vor der Messung sollte die Oberfläche geprüft und eine geeignete Stelle für die Reflexmarke ausgewählt werden.

● Klebefläche reinigen und Öl oder Staub entfernen.
● Normalerweise nur eine deutlich erkennbare Reflexmarke verwenden.
● Messlicht auf die Bahn ausrichten, auf der die Markierung vorbeiläuft.
● Den spezifizierten Messabstand einhalten.
● Das Gerät während der Messung möglichst ruhig halten.
● Messwert erst nach Stabilisierung ablesen.
● Bei deutlich zu hohen, zu niedrigen oder stark schwankenden Werten nach zusätzlichen Reflexstellen, gelöster Reflexfolie oder falscher Ausrichtung suchen.

Für wiederkehrende Messungen empfiehlt es sich, Messposition, Abstand und Winkel möglichst konstant zu halten.

Wie unterscheidet sich ein berührungsloser von einem Kontakt-Drehzahlmesser?

Der grundlegende Unterschied besteht darin, wie die Rotationsbewegung erfasst wird.

Ein berührungsloser Drehzahlmesser erkennt optische oder laserbasierte periodische Signale, ohne das rotierende Objekt zu berühren.

Ein Kontakt-Drehzahlmesser verwendet dagegen einen Kontaktadapter, eine Messspitze oder ein Messrad, das direkt an der Welle oder Oberfläche anliegt. Die mechanische Bewegung wird auf das Messsystem übertragen und anschließend in einen Drehzahl- oder Geschwindigkeitswert umgerechnet.

Grundsätzlich gilt:

● Berührungslose Geräte eignen sich besonders für hohe Drehzahlen, schwer zugängliche oder nicht sicher berührbare Bauteile.
● Kontaktgeräte sind geeignet, wenn eine direkte mechanische Erfassung sicher und praktikabel ist.
● Welche Methode besser geeignet ist, hängt von der jeweiligen Anwendung ab.

FAQ

Ist bei einem berührungslosen Drehzahlmesser immer Reflexfolie erforderlich?

Nicht zwingend. Bei den meisten handgehaltenen reflektionsoptischen Geräten verbessert eine Reflexfolie jedoch den Kontrast und damit die Zuverlässigkeit deutlich. Ist am rotierenden Bauteil bereits eine eindeutige Reflexstruktur vorhanden, kann in bestimmten Fällen auch ohne zusätzliche Markierung gemessen werden.

Warum kann die Anzeige doppelt so hoch wie die tatsächliche Drehzahl sein?

Häufig werden zwei Reflexstellen pro Umdrehung erkannt. Dadurch entstehen zwei Impulse pro realer Umdrehung, was bei einer Ein-Impuls-Auswertung zu einem etwa doppelt so hohen Anzeigewert führt.

Warum schwankt die Anzeige ständig?

Mögliche Ursachen sind unzureichender Reflexionskontrast, falscher Messabstand, unruhige Ausrichtung, starke Vibrationen, intensive Umgebungsbeleuchtung oder mehrere reflektierende Stellen.

Kann das Gerät die Drehzahl direkt anzeigen?

Ja. Die interne Elektronik erkennt das periodische Signal, berechnet dessen Frequenz und zeigt daraus unmittelbar die Drehzahl in U/min oder einer anderen unterstützten Einheit an.

Kann ein stillstehendes Objekt gemessen werden?

Im Drehzahlmodus nicht sinnvoll. Für die Berechnung der Drehzahl ist ein periodisches Signal erforderlich, das nur durch die Bewegung des Messobjekts entsteht.

Ist ein möglichst kleiner Messabstand immer besser?

Nein. Jedes Gerät besitzt einen vorgesehenen Messbereich. Ein zu großer Abstand kann das Rücksignal schwächen, ein zu kleiner Abstand liefert jedoch nicht automatisch bessere Ergebnisse. Maßgeblich sind die technischen Angaben des jeweiligen Geräts.

Fazit

Ein berührungsloser Drehzahlmesser wandelt eine Rotationsbewegung zunächst in ein periodisches optisches Signal und anschließend in elektrische Impulse um. Aus deren Frequenz wird die Drehzahl berechnet.

Bei einer typischen Messung sendet das Gerät einen Lichtstrahl auf das rotierende Objekt. Eine Reflexmarke passiert periodisch den Erfassungsbereich. Der photoelektrische Sensor erkennt die Änderung des reflektierten Lichts, die Elektronik erzeugt daraus Impulse und berechnet anschließend die Drehzahl.

Bei einer Markierung pro Umdrehung gilt vereinfacht: Jeder Vorbeilauf der Reflexmarke entspricht einer vollständigen Umdrehung.

Für zuverlässige Ergebnisse müssen Reflexmarke, Messabstand, Winkel, Umgebungslicht und Oberflächenbeschaffenheit geeignete Bedingungen bieten. Wer dieses Prinzip versteht, kann nicht nur stabiler messen, sondern auch ungewöhnliche Messergebnisse schneller beurteilen.