Ingenieurbüro für Leistungselektronik und Antriebe
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Digitale und analoge Elektronik

Berührungslose Messung der Drehzahl — Handtachometer

Für die berührungslose Drehzahlmessung wird die mechanische Frequenz des Messobjekts in der Regel optisch erfasst. Das so erzeugte elektrische Frequenzsignal kann nun mittels eines Mikrocontrollers gemessen werden. Üblicherweise erfolgt die Frequenzmessung auf zwei Wegen:

  • Counter Mode:Über einen definierten Zeitraum (Torzeit) werden die Perioden des Messsignals gezählt
  • Capture Mode: Für die Dauer einer Signalperiode werden die Perioden einer Referenzfrequenz gezählt
  • Ein drittes Verfahren kombiniert beide Methoden. Beginnend mit einer Flanke des Messsignals werden sowohl die Perioden der Referenzfrequenz als auch des Messsignals gezählt. Nach einer definierten Anzahl von Referenzperioden (Torzeit) wird die Messung genau zu dem Zeitpunkt beendet, an welchem das Messsignals die selbe Flanke aufweist, wie die, welche den Messvorgang startete. Somit ist stets gewährleistet, dass die Messung eine ganze Zahl von Perioden des Messsignals erfasst. Rechts ist ein ensprechendes Impulsdiagramm abgebildet (anklicken für vergrößerte Darstellung).
    Die gesuchte Signalfrequenz kann nun berechnet werden, indem die Referenzfrequenz mit der Anzahl der gemessenen Signalperioden (Counter-Wert) multipliziert wird und das Ergebnis anschließend durch die Anzahl der gemessenen Referenzperioden (Capture-Wert) dividiert wird. Die Division durch den Capture-Wert gab diesem Messverfahren den Namen reziproke Frequenzmessung. Das Verfahren stellt also eine Kombination der beiden eingangs erwähnten Verfahren zur Frequenzmessung dar. Es kann ohne Umschaltung der Erfassungs-Hardware oder des Auswertungsalgorithmus Signalfrequenzen in einem sehr weiten Bereich mit gleichbleibender Auflösung erfassen. Die Auflösung entspricht der erfassten Anzahl der Referenzperioden, also der wirksamen Torzeit, die dem Capture-Wert entspricht.
    Bei dem hier gezeigten digitalen Handtachometer bzw. Drehzahlmesser konnten sämtliche Funktionen der Frequenzmessung direkt in der Hardware der Peripheriebaugruppen eines Mikrocontrollers implementiert werden. Die Taktsignale von Compare- und Capture-Counter werden ohne jegliche Unterstützung durch die CPU aus den entsprechenden Frequenzsignalen gewonnen. Auch das auf das zu messende Signal synchronisierte Torsignal wird in Hardware erzeugt und steuert die beiden Counter über Hardware-Signalkanäle. Lediglich die Auswertung der Zählerstände und die Berechnung der Frequenz erfolgt in Software.
    Die hier beispielhaft gezeigte Messsonde besteht aus einem Laserdioden-Modul und einem Fototransistor, eingesetzt in ein mittels 3d-Druck (Additive Fertigung, Rapid Prototyping) hergestelltes Gehäuse, in welches die Kontaktplatte eines Standard-Steckverbinders eingesetzt wird. Weitere Messsonden basieren auf Hallsensoren, Piezoaufnehmern oder Elektretmikrofonen.