Metallbaukasten

Testaufbau zur optischen Drehzahlmessung

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Bei motorbetriebenen Modellen besteht manchmal der Wunsch, eine Drehzahl zu messen. Zu diesem Zweck gibt es zahlreiche mehr oder weniger komplizierte Verfahren, deren Aufzählung und Erläuterung den Rahmen dieses kleinen Beitrags sprengen würde.
An dieser Stelle wird eine einfache optische Methode zur Drehzahlmessung vorgestellt, die für einen weiten Bereich zwischen niedrigen und sehr hohen Drehzahlen geeignet ist. Sie richtet sich in erster Linie an Hobby- und Profi-Elektroniker mit Zugriff auf ein geeignetes Multimeter mit der Möglichkeit zur Frequenzmessung oder einen Frequenzzähler oder ein Oszilloskop.

Der Prüfling - in diesem Fall ein Elektromotor mit unbekannter Drehzahl - wird zunächst ausreichend stabil an einem Träger befestigt und die Motorwelle mit einem 8-Loch-Lochscheibenrad versehen. Hinter dem Lochscheibenrad ist eine Fotodiode montiert, die sich auf der Höhe der Löcher befinden sollte, diese Einstellung ist aber nicht sehr kritisch.
Die Fotodiode wird mit einem einem Multimeter mit der Möglichkeit zur Frequenzmessung oder einem Frequenzzähler oder einem Oszilloskop verbunden, um den Stromkreis zu schließen. Da diese Geräte sowohl positive als auch negative Spannungen verarbeiten können, spielt die Polarität keine Rolle.

Der Testaufbau

Fotodiode und Reihenkondensator

Werden 7 von den 8 Löchern mit einem schwarzen Isolierband verschlossen (im untersten Bild erkennbar), dann bleibt praktisch ein Loch als optische Blende übrig - das Isolierband verursacht hierbei keine nennenswerte Unwucht.

Wird das rotierende Lochscheibenrad mit einer Schreibtischlampe oder einer Taschenlampe angestrahlt, dann wird bei jeder Umdrehung in der Fotodiode ein Stromimpuls erzeugt, wobei die Anzahl der Impulse pro Sekunde direkt der angezeigten bzw. errechneten Frequenz f in Hertz (Hz) entspricht.

Der erzeugte Fotostrom liegt bei einer Fotodiode dieser Größe im Bereich von Mikroampere und ist somit sehr gering. Erst am hohen Eingangswiderstand moderner Messgeräte (meist zwischen 1 und 10MΩ) wird der geringe Strom nach dem ohmschen Gesetz in eine verwertbare Spannung umgewandelt. Eine zusätzliche Spannungsversorgung oder Verstärkung ist nicht erforderlich.

Durch die obere Bohrung
ist die Linse der Fotodiode erkennbar

Zeitbasis (x-Richtung): 5ms / div
Spannungsbereich (y-Richtung): 100mV / div

Mit einem Oszilloskop können die Impulse betrachtet werden (siehe linkes Bild).

Der Abstand zweier Impulse entspricht der sog. Periodendauer T und kann über die Einstellung der Zeitbasis gemessen werden. Mit dem Zusammenhang f = 1/T können die Frequenz f und somit die Anzahl der Umdrehungen pro Sekunde ermittelt werden. Die Drehzahl n pro Minute ergibt sich schließlich aus der Multiplikation der Frequenz mit 60 und beträgt

n (1/min) = f x 60 = 60/T = 5106 1/min
für das vorliegende Beispiel.

Etwas einfacher funktioniert es mit einem einem Multimeter mit der Möglichkeit zur Frequenzmessung oder einem Frequenzzähler, da die Frequenz direkt angezeigt wird. Einfache Geräte vertragen u. U. allerdings keine Gleichspannung am Eingang und in diesem Fall ist noch ein kleiner Reihenkondensator (z. B. 100nF) in die Leitung zum Messgerät einzufügen.

Für den vorliegenden Prüfling wird eine Frequenz von 83,55 Hz angezeigt, was einer Drehzahl von 5013 1/min entspricht. Die Abweichung zur mit dem Oszilloskop ermittelten Drehzahl beträgt knapp 2% und liegt innerhalb der Mess- bzw. Ablesegenauigkeit des Oszilloskops.

Drehzahlmessung mit Multimeter

Problematisch ist u. U. die Messung sehr niedriger Frequenzen, weil sie von einfachen Geräten nicht mehr aufgelöst werden. Für das hier verwendete Multimeter UNI-T UT139B z. B. ist eine minimal messbare Frequenz von 10Hz spezifiziert, was einer Drehzahl von 600 1/min entspricht. Das ist ein relativ hoher Wert, aber auch niedrigere Frequenzen bzw. Drehzahlen können mit diesem Aufbau gemessen werden. Wenn 2 oder 4 oder alle 8 Bohrungen des Lochscheibenrades offen bleiben, dann wird die Frequenz verdoppelt, vervierfacht oder verachtfacht. In diesem Fall ist die angezeigte oder errechnete Frequenz durch die Anzahl der offenen Löcher zu dividieren, um die tatsächliche Frequenz bzw. Drehzahl zu erhalten.

Abschließend noch ein paar praktische Hinweise:
Für diesen Aufbau wurde eine ältere Infrarot-Fotodiode BPW24 verwendet, weil sie aus der Zeit meiner beruflichen Tätigkeit in der optischen Nachrichtentechnik noch vorhanden war. Diese Fotodiode ist zwar auch heute noch erhältlich, aber sie entspricht nicht mehr dem Stand der Technik. Aktuell sind z. B. die Fotodioden BPW34 oder SFH203, welche gemäß der Datenblätter mindestens ebenso so gut geeignet sind. Preiswert erhältlich sind sie z. B. bei Reichelt, Conrad oder Pollin.

Der aus Fotodiode und Messgerät bestehende Stromkreis ist sehr hochohmig und entsprechend anfällig für äußere Störungen. Die Verbindungsleitung zwischen Fotodiode und Messgerät sollte deshalb nicht unnötig lang sein und aus einer Zwillingsleitung oder zumindest aus verdrillten Einzelleitern bestehen. Andernfalls könnte das allgegenwärtige 50Hz-Netzbrummen störende Interferenzen erzeugen und das Messergebnis verfälschen.

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