Einleitung

Die Drehzahl ist eine wichtige Betriebsgröße bei Motoren, Ventilatoren, Antriebswellen, Riemenscheiben, Werkzeugmaschinenspindeln und zahlreichen anderen rotierenden Maschinen. Sie zeigt nicht nur die aktuelle Betriebsgeschwindigkeit an, sondern liefert auch wichtige Informationen für Wartung, Funktionsprüfung und Zustandsüberwachung.

Die grundlegende Aufgabe eines Drehzahlmessers besteht darin, die Anzahl der Umdrehungen eines rotierenden Objekts innerhalb einer bestimmten Zeit zu erfassen und als Umdrehungen pro Minute beziehungsweise RPM (Revolutions per Minute) auszugeben.

Unabhängig vom verwendeten Sensorprinzip lässt sich der Messvorgang grundsätzlich wie folgt zusammenfassen:

● Rotationsbewegung erfassen;
● Rotation in ein periodisches Signal umwandeln;
● Frequenz oder Periodendauer des Signals bestimmen;
● Signal in eine Drehzahl umrechnen;
● Messwert verarbeiten und anzeigen.

Bei tragbaren Drehzahlmessern sind vor allem die berührungslose optische Messung und die kontaktierende Messung verbreitet.

Das Wichtigste im Überblick

● Die Drehzahl wird üblicherweise in U/min oder RPM angegeben.
● Ein Drehzahlmesser erfasst RPM nicht direkt, sondern misst zunächst ein periodisches Signal der Rotationsbewegung.
● Berührungslose Geräte verwenden meist einen optischen Sensor und eine Reflexmarke.
● Kontakt-Drehzahlmesser erfassen die Bewegung durch direkten mechanischen Kontakt mit einer Welle oder Oberfläche.
● Die Drehzahl kann anhand der Impulszahl innerhalb eines Zeitfensters oder anhand der Zeit zwischen zwei Impulsen berechnet werden.
● Reflexmarkierung, Messposition, Oberflächenbeschaffenheit, mechanischer Kontakt und tatsächliche Drehzahlschwankungen können das Ergebnis beeinflussen.

Was bedeutet Drehzahl?

Die Drehzahl gibt an, wie viele vollständige Umdrehungen ein rotierendes Objekt innerhalb einer bestimmten Zeit ausführt. In der industriellen Messtechnik sind U/min und RPM gebräuchliche Einheiten.

Beispiele:

● 600 U/min entsprechen 600 Umdrehungen pro Minute;
● 1.500 U/min entsprechen 1.500 Umdrehungen pro Minute;
● 3.000 U/min entsprechen 3.000 Umdrehungen pro Minute.

Dreht sich eine Welle 25-mal pro Sekunde:

25 × 60 = 1.500 U/min

Das Grundprinzip der Drehzahlmessung besteht somit darin, die Anzahl der Umdrehungen mit der dafür benötigten Zeit in Beziehung zu setzen.

Ein Drehzahlmesser verfolgt dabei normalerweise nicht die gesamte mechanische Bewegung. Stattdessen erkennt er ein regelmäßig wiederkehrendes Merkmal, das einer vollständigen Umdrehung zugeordnet werden kann.

Grundprinzip der Drehzahlmessung

Unabhängig davon, ob optisch, mechanisch oder mit einem anderen Sensorverfahren gemessen wird, wird die Rotationsbewegung zunächst in ein periodisches elektrisches Signal umgewandelt.

Wird beispielsweise pro vollständiger Umdrehung ein Impuls erzeugt und erfasst das Gerät innerhalb einer Sekunde 20 Impulse:

20 × 60 = 1.200 U/min

Die Welle dreht sich somit mit 1.200 U/min.

Ein digitaler Drehzahlmesser besteht typischerweise aus Sensor, Signalaufbereitung, Zeitmessung beziehungsweise Mikroprozessor und Anzeige.

● Der Sensor erfasst die Bewegung;
● Die Signalaufbereitung erzeugt aus dem Rohsignal einen stabilen elektrischen Impuls;
● Der Prozessor zählt Impulse oder misst deren zeitlichen Abstand;
● Der Berechnungsalgorithmus ermittelt daraus die Drehzahl;
● Die Anzeige stellt den Messwert dar.

Aus messtechnischer Sicht erfasst das Gerät somit zunächst eine mit der Rotation verknüpfte Frequenz oder Periodendauer. Die Drehzahl wird daraus berechnet.

Wie funktioniert die berührungslose Drehzahlmessung?

Berührungslose Drehzahlmesser arbeiten häufig nach einem optischen Prinzip. Ein mechanischer Kontakt zum rotierenden Bauteil ist nicht erforderlich. Dadurch eignet sich dieses Verfahren besonders für Motorwellen, Ventilatoren, Riemenscheiben, Spindeln und schnell drehende Komponenten.

Bei vielen Geräten wird hierzu eine kleine Reflexmarke auf dem rotierenden Bauteil angebracht.

Das Gerät richtet einen Lichtstrahl auf den Messbereich. Beim Auftreffen auf die normale Oberfläche ist das nutzbare Reflexionssignal relativ gering. Sobald die Reflexmarke den Messpunkt passiert, ändert sich das zurückgeworfene Licht deutlich.

Der optische Sensor wandelt diese Änderung in einen elektrischen Impuls um.

Wird nur eine Reflexmarke verwendet:

● Ein Vorbeilauf der Marke entspricht einer Umdrehung;
● Ein gültiger Impuls kann einer vollständigen Umdrehung zugeordnet werden;
● Aus der Impulszahl pro Zeit wird die Drehzahl berechnet.

Werden beispielsweise innerhalb von 0,5 Sekunden 25 Impulse erfasst:

25 ÷ 0,5 × 60 = 3.000 U/min

Bei manchen Geräten dient ein sichtbarer Lichtpunkt oder Laser vor allem der Ausrichtung. Die eigentliche Drehzahlerfassung erfolgt durch das optische Sensorsystem anhand der periodischen Änderung des reflektierten Signals.

Warum wird eine Reflexmarke verwendet?

Rotierende Oberflächen unterscheiden sich hinsichtlich Farbe, Struktur, Glanzgrad und Reflexionsvermögen. Metall-, Kunststoff- oder lackierte Oberflächen können deshalb ohne definierte Markierung ungleichmäßige optische Signale erzeugen.

Eine Reflexmarke sorgt für ein deutliches optisches Merkmal und erleichtert die zuverlässige Erkennung jeder Umdrehung.

Dabei sollten folgende Punkte beachtet werden:

● Reflexmarke sicher befestigen;
● Messbereich sauber halten;
● Lichtstrahl stabil auf die Bahn der Marke ausrichten;
● Störende stark reflektierende Bereiche vermeiden;
● Bei einem Impuls pro Umdrehung normalerweise nur eine wirksame Marke verwenden.

Werden zwei gleichartige Reflexmarken verwendet, obwohl das Gerät von einem Impuls pro Umdrehung ausgeht, können zwei Impulse pro Umdrehung entstehen. Der angezeigte Wert kann dadurch ungefähr doppelt so hoch wie die tatsächliche Drehzahl sein.

Wie funktioniert ein Kontakt-Drehzahlmesser?

Ein Kontakt-Drehzahlmesser verwendet eine Messspitze, einen Messkonus oder ein anderes mechanisches Zubehör, das direkt an die rotierende Welle angelegt wird.

Die Welle treibt dabei den Messaufsatz des Geräts an. Ein interner Sensor erfasst dessen Rotation und wandelt sie in ein elektrisches Signal um.

Der typische Ablauf ist:

● Messaufsatz sicher an der rotierenden Welle ansetzen;
● Die Welle treibt den Messmechanismus an;
● Ein interner Sensor erzeugt elektrische Impulse;
● Der Prozessor berechnet daraus die Drehzahl;
● Der Wert wird in U/min angezeigt.

Diese Methode benötigt keine Reflexmarke und eignet sich unter anderem dort, wo eine stabile optische Erfassung schwierig ist.

Die Messung kann jedoch durch falschen Anpressdruck, ungenaue Ausrichtung oder Schlupf beeinflusst werden.

Wie wird mit einem Kontakt-Drehzahlmesser die Oberflächengeschwindigkeit gemessen?

Viele Kontakt-Drehzahlmesser können mit einem Messrad auch die lineare Geschwindigkeit von Förderbändern, Kabeln, Papier, Leitungen oder anderen bewegten Materialien erfassen.

Dabei misst das Gerät zunächst die Drehzahl des Messrades und berechnet aus dessen Umfang die lineare Geschwindigkeit.

Bei einer vollständigen Umdrehung des Messrades legt die Oberfläche theoretisch eine Strecke entsprechend dem Radumfang zurück.

Daraus ergibt sich:

Lineargeschwindigkeit = Umfang des Messrades × Umdrehungen pro Zeiteinheit

Passende Geräte können den berechneten Wert direkt in m/min, m/s oder ft/min anzeigen.

Voraussetzung ist ein stabiler Kontakt zwischen Messrad und Oberfläche. Bei Schlupf stimmt die Raddrehzahl nicht mehr mit der tatsächlichen Oberflächengeschwindigkeit überein.

Wie berechnet ein Drehzahlmesser die Drehzahl aus Impulsen?

Digitale Drehzahlmesser verwenden hauptsächlich zwei Verfahren: Frequenzzählung und Periodendauermessung.

Bei der Frequenzzählung wird ermittelt, wie viele gültige Impulse innerhalb eines festgelegten Zeitfensters auftreten.

Bei einem Impuls pro Umdrehung gilt:

Drehzahl = Umdrehungen pro Sekunde × 60

Bei 50 Impulsen pro Sekunde:

50 × 60 = 3.000 U/min

Alternativ kann das Gerät die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen messen.

Beträgt die Dauer einer Umdrehung 0,02 Sekunden:

Umdrehungen pro Sekunde = 1 ÷ 0,02 = 50

Somit:

50 × 60 = 3.000 U/min

Moderne Geräte verwenden Mikroprozessoren für Zeitmessung, Filterung, Berechnung und Anzeige. Je nach Konstruktion kann die Auswertung so angepasst werden, dass eine geeignete Balance zwischen Reaktionsgeschwindigkeit und Anzeigestabilität erreicht wird.

Warum schwankt die Anzeige manchmal?

Die Drehzahl realer Maschinen ist nicht immer vollkommen konstant. Leichte Schwankungen der Anzeige bedeuten daher nicht automatisch, dass das Messgerät fehlerhaft arbeitet.

Mögliche Ursachen sind:

● Normale Drehzahlschwankungen des Motors;
● Änderungen der mechanischen Last;
● Vibrationen;
● Instabile optische Reflexion;
● Veränderungen von Messabstand oder Messwinkel;
● Geringfügiger Schlupf bei Kontaktmessungen;
● Laufende Aktualisierung des Echtzeitwertes.

Zur Stabilisierung der Anzeige können digitale Drehzahlmesser Filter-, Mittelwert- oder andere Signalverarbeitungsverfahren einsetzen.

Eine stärkere Mittelwertbildung verbessert in der Regel die Anzeigeruhe, kann jedoch gleichzeitig dazu führen, dass schnelle Drehzahländerungen etwas verzögert dargestellt werden.

Einflussfaktoren bei der berührungslosen Messung

Bei der optischen Drehzahlmessung ist eine zuverlässige Signalqualität entscheidend.

Wichtige Einflussfaktoren sind:

● Qualität der Reflexmarke: Verschmutzte, beschädigte, zu kleine oder schlecht befestigte Marken können die Signalerkennung beeinträchtigen.
● Messabstand: Das Gerät sollte innerhalb des angegebenen Messbereichs eingesetzt werden.
● Messwinkel: Der Lichtstrahl muss den Weg der Reflexmarke zuverlässig erfassen.
● Oberfläche: Stark reflektierende Metallflächen können unerwünschte Signale erzeugen.
● Umgebungslicht: Sehr intensive Lichtquellen können bestimmte optische Sensorsysteme beeinflussen.
● Anzahl der Reflexmarken: Die Anzahl muss zur Impulsberechnung beziehungsweise Geräteeinstellung passen.

Entscheidend ist, ein stabiles, eindeutiges und korrekt einer Umdrehung zugeordnetes periodisches Signal zu erhalten.

Einflussfaktoren bei der Kontaktmessung

Bei Kontaktmessungen entstehen Fehler hauptsächlich durch unzureichenden mechanischen Kontakt.

● Messaufsatz nicht korrekt zur Welle ausgerichtet;
● Übermäßige Bewegung des Geräts;
● Zu geringer Anpressdruck mit daraus resultierendem Schlupf;
● Zu hoher Anpressdruck und zusätzliche Belastung der Mechanik;
● Verschlissener oder verschmutzter Messaufsatz;
● Unzureichender Kontakt zwischen Messrad und bewegter Oberfläche.

Das Gerät sollte während der Messung stabil gehalten und ein zum Messobjekt passender Aufsatz verwendet werden.

Bei sehr hohen Drehzahlen, kleinen oder schwer zugänglichen Bauteilen sowie bei sicherheitskritischen Messstellen ist in der Regel eine berührungslose Messung vorzuziehen.

Unterschied zwischen berührungsloser und kontaktierender Messung

Beide Verfahren bestimmen die Drehzahl, verwenden jedoch unterschiedliche Sensorprinzipien.

● Berührungslose Messung: Optische Erfassung ohne mechanischen Kontakt; besonders geeignet für schnelle oder schwer zugängliche rotierende Teile.
● Kontaktmessung: Direkte mechanische Erfassung an einer zugänglichen Welle.
● Oberflächengeschwindigkeit: Verwendung eines Messrades zur Umrechnung der Raddrehzahl in eine lineare Geschwindigkeit.

Einige digitale Drehzahlmesser unterstützen beide Verfahren.

Bei der Auswahl sollten Drehzahlbereich, Zugänglichkeit, Messabstand, Maschinenkonstruktion und Arbeitssicherheit berücksichtigt werden.

Bedeutung der Drehzahlmessung für Wartung und Prüfung

Die Drehzahlmessung zeigt nicht nur, wie schnell eine Maschine läuft. Sie unterstützt auch die Beurteilung des tatsächlichen Betriebszustands.

Typische Anwendungen sind:

● Vergleich der Motordrehzahl mit Soll- oder Nenndaten;
● Prüfung des Betriebszustands von Ventilatoren;
● Vergleich der Drehzahl vor und nach Wartungsarbeiten;
● Erkennung deutlicher Drehzahlverluste oder Schlupf in Riemenantrieben;
● Einstellung von Werkzeugmaschinenspindeln;
● Überprüfung der tatsächlichen mechanischen Drehzahl nach Anpassung eines Frequenzumrichters;
● Vergleich des Maschinenbetriebs bei unterschiedlichen Lastzuständen.

Für eine umfassende Zustandsbeurteilung wird die Drehzahl häufig zusammen mit Schwingung, Temperatur, Stromaufnahme, Geräusch und weiteren Betriebsgrößen ausgewertet.

FAQ

Misst ein Drehzahlmesser Drehzahl oder Frequenz?
Technisch erfasst ein digitaler Drehzahlmesser häufig zunächst die Frequenz oder Periodendauer eines mit der Rotation verbundenen Impulssignals. Daraus wird anschließend die Drehzahl berechnet und angezeigt.

Misst ein Laser-Drehzahlmesser die Drehzahl direkt mit dem Laser?
Bei üblichen tragbaren Geräten dient der sichtbare Laser häufig der Ausrichtung. Die Drehzahlerfassung basiert auf der optischen Erkennung periodischer Reflexionsänderungen.

Warum wird bei berührungsloser Messung Reflexband verwendet?
Reflexband erzeugt ein klar definiertes optisches Merkmal und verbessert dadurch die zuverlässige Erkennung jeder Umdrehung.

Können mehrere Reflexmarken auf einer Welle verwendet werden?
Nur wenn die Impulseinstellung des Geräts entsprechend berücksichtigt wird. Bei zwei Marken und einer Einstellung von einem Impuls pro Umdrehung kann ungefähr die doppelte Drehzahl angezeigt werden.

Ist ein Kontakt- oder ein berührungsloser Drehzahlmesser genauer?
Die Genauigkeit lässt sich nicht allein anhand des Messverfahrens beurteilen. Beide Methoden können zuverlässige Ergebnisse liefern. Entscheidend sind Gerätespezifikation, Auflösung, Sensorqualität und korrekte Anwendung.

Kann ein Drehzahlmesser die Geschwindigkeit eines Förderbandes messen?
Unterstützt das Gerät eine kontaktierende Lineargeschwindigkeitsmessung und wird ein geeignetes Messrad verwendet, können Förderbänder und andere bewegte Oberflächen gemessen werden.

Fazit

Ein Drehzahlmesser wandelt mechanische Rotation zunächst in ein periodisches Signal um und berechnet daraus die Drehzahl anhand der Impulszahl oder des zeitlichen Abstands zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen.

Bei berührungslosen Geräten erzeugt eine Reflexmarke ein optisch erfassbares Signal. Kontakt-Drehzahlmesser übernehmen die Rotationsbewegung dagegen mechanisch über einen Messaufsatz oder ein Messrad.

Der grundlegende Ablauf lautet:

Rotationsbewegung → Erfassung → Impulssignal → Frequenz-/Zeitberechnung → Drehzahlanzeige

Wer dieses Prinzip versteht, kann das geeignete Messverfahren auswählen und Messfehler durch ungeeignete Reflexmarken, falschen Messabstand, Schlupf oder fehlerhafte Bedienung besser vermeiden.