Drehzahlmessung mit Stroboskopen: berührungslos, messen und Bewegung sichtbar machen

Die Drehzahlmessung mit Stroboskopen ermöglicht die berührungslose Bestimmung von Drehzahlen an rotierenden Maschinen und Anlagen im laufenden Betrieb. Durch die Synchronisation der Blitzfrequenz mit der Bewegung des Prüfobjekts entsteht ein scheinbarer Stillstand, wodurch sich Drehzahlen ermitteln und gleichzeitig Bewegungsabläufe visuell beurteilen lassen.

Im Gegensatz zu reinen Drehzahlmessgeräten ermöglicht ein Stroboskop nicht nur die Messung der Drehzahl, sondern zusätzlich die Beobachtung von Bauteilen während des Betriebs. Dadurch können neben der Drehzahl auch Unregelmäßigkeiten, Schwingungen oder mechanische Auffälligkeiten erkannt werden.

Funktionsprinzip der Drehzahlmessung

Die Drehzahlmessung basiert auf der stroboskopischen Abtastung periodischer Bewegungen. Wird die Blitzfrequenz des Stroboskops an die Rotationsgeschwindigkeit eines Objekts angepasst, erscheint dieses scheinbar stillstehend.

Dabei ist zu beachten, dass ein stehendes Bild sowohl bei der tatsächlichen Drehzahl als auch bei ganzzahligen Vielfachen oder Bruchteilen der realen Drehzahl entstehen kann. Die korrekte Vorgehensweise zur Drehzahlmessung sowie die eindeutige Bestimmung der tatsächlichen Drehzahl und der Schlupfmessung werden in dem Abschnitt "Expertenwissen" weiter unten detailliert beschrieben.

Vorteile der Stroboskopischen Drehzahlmessung 

Die Drehzahlmessung mit Stroboskopen bietet zahlreiche Vorteile gegenüber vielen klassischen Messverfahren:

• berührungslose Messung ohne Eingriff in die Maschine
• Messung im laufenden Betrieb
• keine Reflexmarken oder mechanischen Adapter erforderlich
• gleichzeitige Sichtprüfung von Bewegungsabläufen
• Analyse von Schwingungen und Laufverhalten
• geeignet für schwer zugängliche Bauteile oder Bereiche
• schnelle Kontrolle direkt vor Ort

Typische Anwendungen in der Industrie 

Elektromotoren

Überprüfung von Drehzahl, Laufruhe und Betriebsverhalten elektrischer Antriebe.

Lüfter und Gebläse

Kontrolle von Drehbewegungen, Unwuchten und Schwingungen im laufenden Betrieb.

Pumpen und Antriebe

Analyse mechanischer Abläufe und Überprüfung von Kupplungen, Wellen und Riemenantrieben.

Förder- und Produktionsanlagen

Überwachung kontinuierlicher Bewegungsprozesse und rotierender Komponenten.

Druck- und Verpackungsmaschinen

Überwachung synchroner Bewegungsabläufe sowie Kontrolle von Produktions- und Druckprozessen bei hohen Geschwindigkeiten.

Stroboskop oder Tachometer 

Sowohl Stroboskope als auch Tachometer ermöglichen die berührungslose Bestimmung von Drehzahlen. Während ein Tachometer in erster Linie einen Messwert liefert, erlaubt ein Stroboskop zusätzlich die visuelle Beobachtung rotierender oder schwingender Bauteile während des laufenden Betriebs.

Dadurch können neben der eigentlichen Drehzahl auch Bewegungsabläufe, Unwuchten, Schwingungen oder mechanische Auffälligkeiten beurteilt werden. Das Stroboskop dient somit nicht nur als Messinstrument, sondern gleichzeitig als Werkzeug zur Analyse und Zustandsbewertung von Maschinen und Anlagen.

Vorteile eines Stroboskops 

• berührungslose Drehzahlbestimmung
• gleichzeitige visuelle Analyse von Bewegungsabläufen
• Beobachtung im laufenden Betrieb
• Erkennung von Unwuchten und Laufunregelmäßigkeiten
• Kontrolle schwer zugänglicher Komponenten

Vorteile eines Tachometers

• schnelle numerische Erfassung der Drehzahl
• einfache Bedienung
• hohe Messgenauigkeit bei eindeutiger Zielmarkierung
• geeignet für Routinekontrollen und Dokumentationszwecke

Wann ist welches verfahren Sinnvoll

Für reine Drehzahlmessungen kann ein Tachometer oft die einfachere Lösung sein. Soll neben der Drehzahl jedoch auch das Bewegungsverhalten eines Bauteils analysiert werden, bietet ein Stroboskop deutliche Vorteile, da Messung und Sichtprüfung gleichzeitig möglich sind.

In vielen industriellen Anwendungen ergänzen sich daher beide Verfahren. Während der Tachometer zur schnellen Ermittlung und Dokumentation von Drehzahlen eingesetzt wird, ermöglicht das Stroboskop zusätzlich die Beurteilung dynamischer Vorgänge und die Analyse von Maschinenzuständen im laufenden Betrieb.

Einflussfaktoren auf die Messgenauigkeit

Für eine zuverlässige Drehzahlbestimmung mit dem Stroboskop sind verschiedene technische und anwendungsbezogene Faktoren zu berücksichtigen. Die erreichbare Genauigkeit hängt dabei sowohl von der Messsituation als auch von den Eigenschaften des eingesetzten Geräts ab.

• Genauigkeit und Stabilität der Stroboskopfrequenz
• Auflösung der Frequenzeinstellung (Grob-/Feinjustierung)
• Präzise Einstellung der Blitzfrequenz auf das Bewegungsobjekt
• eindeutige Identifikation der tatsächlichen Drehzahl (Vermeidung von Vielfach- und Teilfrequenzen)
• ausreichender Kontrast bzw. Markierung des Messobjekts
• geeignete Beobachtungsposition und Blickwinkel
• Einfluss von Umgebungslicht und Reflexionen
• geometrische Symmetrie des Prüfobjekts

Insbesondere bei rotationssymmetrischen Bauteilen können Mehrdeutigkeiten auftreten, die durch Markierungen am Objekt oder definierte Referenzpunkte vermieden werden können.
Die erreichbare Messgenauigkeit wird zusätzlich maßgeblich durch die technische Qualität des Stroboskops bestimmt. Entscheidend sind hierbei insbesondere die Stabilität der internen Zeitbasis, die Frequenzauflösung sowie die Langzeitkonstanz der erzeugten Blitzfrequenz. Hochwertige Stroboskope ermöglichen dadurch eine reproduzierbare und präzise Bestimmung der Drehzahl auch bei hohen Frequenzen und wechselnden Betriebsbedingungen.

Expertenwissen der Drehzahl- und Schwingungsmessung

Die folgenden Abschnitte erläutern die technischen Grundlagen der stroboskopischen Drehzahl- und Schwingungsmessung sowie Verfahren zur eindeutigen Bestimmung der tatsächlichen Bewegungsfrequenz. Zusätzlich wird die Durchführung von Schlupfmessungen an Asynchronmotoren und Riemenantrieben mit Hilfe eines Stroboskops beschrieben.

Die Bestimmung von Dreh- und Schwingungszahlen mit einem Stroboskop erfolgt über die Einstellung der Blitzfrequenz in den erwarteten Frequenzbereich des Messobjekts. Durch die Grob- und Feinabstimmung der Stroboskopfrequenz wird das Objekt entweder in einen scheinbaren Stillstand oder in eine stark verlangsamte Bewegung - zeitlupenartig - versetzt.

Prinzip des scheinbaren Stillstands

Ein scheinbarer Stillstand des Objekts wird nicht nur erreicht, wenn Blitz- und Bewegungsfrequenz übereinstimmen, sondern auch dann, wenn die Blitzfrequenz einem einfachen Bruchteil (1/2, 1/3, 1/4 usw.) der Bewegungsfrequenz entspricht. 

Ist die Blitzfrequenz dagegen ein ganzzahliges Vielfaches der Objektfrequenz, wird das Objekt in mehreren, entsprechend der Vielfachheit verteilten Phasenlagen wahrgenommen. Dieser Sachverhalt ist in Abbildung 1 anhand einer rotierenden Scheibe mit einem eingravierten Strich dargestellt. Dabei steht f₍b₎ für die Stroboskopfrequenz und f₍x₎ für die Drehfrequenz der Scheibe.

Abbildung 2 veranschaulicht die Verhältnisse fb = fx · n und fb = fx / m, wobei n und m ganze Zahlen sind. Die eingetragenen Blitzfrequenzen gelten für eine Frequenz des Messobjekts von 50 Hz.

Kontrolle der richtigen Frequenzeinstellung

Zur Überprüfung der korrekten Einstellung wird die Blitzfrequenz nach Erreichen eines stehenden Bildes auf das Doppelte erhöht.

• Erscheint ein doppeltes stehendes Bild, war die vorherige Einstellung korrekt
• Erscheint weiterhin nur ein einzelnes Bild, muss die nächste höhere stehende Frequenz gesucht werden

Auf diese Weise lässt sich die tatsächliche Drehzahl eindeutig bestimmen.

Bestimmung von Drehzahlen oberhalb des Messbereichs des Stroboskops

Liegt die Objektfrequenz über dem Frequenzbereich des Stroboskops, kann die wahre Frequenz des Objektes in folgender Weise ermittelt werden:

Man sucht, beginnend mit der höchsten Stroboskopfrequenz nach unten regelnd die beiden höchsten Frequenzen f(1) und f(2) , bei denen einfache stillstehende Bil­der des Objektes erscheinen. Die Objektfrequenz ergibt sich dann aus

Beispiel:

Mit einem Stroboskop, bei dem sich als höchste Lichtblitzfrequenz 30.000/min einstellen lässt, ergeben sich bei f(1) = 22.000 und bei f(2) = 16.500 einfache stehende Bilder einer Spindel. 

n ergibt sich dann zu 3, die tatsächliche Spindeldrehzahl zu 66.000/min.

• f₁ = 22.000 min⁻¹  erstes einfach stehende Bild 
• f₂ = 16.500 min⁻¹  zweites einfach stehende Bild

Daraus ergibt sich aus der Formel f(x) = n x f(1) eine tatsächliche Drehzahl von 66.000 min⁻¹

Messung des Schlupfes

Zur Messung des Schlupfes können verschiedene Verfahren angewendet werden. Soll beispielsweise der Schlupf von Asynchronmaschinen ermittelt werden, wird das Stroboskop mit der Netzfrequenz (f) synchronisiert. Anschließend wird ermittelt, wie viele Umdrehungen (n) je Minute der Läufer der Maschine im Takt der Stroboskopblitze scheinbar ausführt. Der Schlupf errechnet sich dann aus:

Der Schlupf zwischen zwei Wellen, die beispielsweise über einen Riemen verbunden sind, wird so gemessen, dass das Stroboskop auf die Drehzahl der einen Welle eingestellt wird. Anschließend wird beobachtet, wie viele scheinbare Umdrehungen die andere Welle im Takt der Stroboskopblitze ausführt. Auch hier gilt die oben angegebene Gleichung.

Bei größeren Schlupfwerten werden die Drehzahlen der beiden Wellen mit dem Stroboskop gemessen und miteinander verglichen. Der Schlupf ergibt sich dann aus:

bezogen auf die Welle mit der Drehzahl (f1).

Fazit

Die stroboskopische Drehzahlmessung ermöglicht eine schnelle, berührungslose und praxisnahe Bestimmung von Drehzahlen im laufenden Betrieb. Neben der reinen Messung bietet sie insbesondere den Vorteil, Bewegungsabläufe sichtbar zu machen und dadurch Maschinenzustände direkt zu beurteilen.
Durch die zusätzliche Möglichkeit der Schlupfmessung bei Asynchronmotoren und Riemenantrieben erweitert sich das Einsatzspektrum deutlich in Richtung Zustandsanalyse und Prozessbewertung.

Je nach Anwendung werden Stroboskope mit digitaler Anzeige für die Drehzahl- und Schlupfmessung eingesetzt, während Geräte ohne Anzeige vor allem der visuellen Analyse von Bewegungsabläufen und Maschinenzuständen dienen.
Die Auswahl des passenden Systems hängt von den jeweiligen Anforderungen an Lichtleistung, Frequenzbereich, Bedienkonzept und Einsatzumgebung ab.

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