Drehzahlsensor PPR berechnen: Impulsfrequenz und Drehzahl richtig auslegen

→ Produktkategorie: Kraft-, Wäge-, Drehzahl-, Drehmoment- und Vibrationssensoren

 

Ein Drehzahlsensor kann für 10.000 min⁻¹ geeignet erscheinen und trotzdem bereits bei deutlich geringerer Drehzahl an seine Frequenzgrenze kommen. Entscheidend ist nämlich nicht allein die Drehzahl der Welle, sondern wie viele Impulse der Sensor pro Umdrehung erzeugt. Bei einem Zahnrad mit 60 erfassten Zähnen entstehen bei 6.000 min⁻¹ bereits 6.000 Hz.

Diese Impulsfrequenz muss nicht nur der Sensor selbst verarbeiten können. Auch Signalwandler, Frequenzzähler, SPS-Eingang, Eingangsfilter und Auswertesoftware müssen schnell genug sein. Gleichzeitig darf die Impulszahl pro Umdrehung nicht unnötig klein gewählt werden, wenn niedrige Drehzahlen mit guter Auflösung und kurzer Aktualisierungszeit gemessen werden sollen.

Bei der Auslegung einer Drehzahlmessung müssen deshalb Drehzahl, PPR, Zahnzahl, maximale Frequenz und gewünschte Auflösung gemeinsam betrachtet werden. Eine Änderung an nur einer dieser Größen beeinflusst unmittelbar die gesamte Messkette.

Passende Sensoren und Messgeräte finden Sie bei ICS Schneider unter Kraft-, Wäge-, Drehzahl-, Drehmoment- und Vibrationssensoren sowie speziell unter Drehzahlsensoren und Drehzahlmessgeräte.

Für schnelle industrielle Frequenzsignale bietet ICS Schneider beispielsweise den HySense RS500 mit einem Frequenzbereich von ungefähr 1 … 10.000 Hz an. Wie Luftspalt, Zielrad und Signalqualität zusätzlich zu prüfen sind, erläutert der Fachbeitrag Drehzahlsensor verliert Impulse: Luftspalt, Zielrad und Schaltfrequenz richtig prüfen.

Warum Drehzahl und Impulsfrequenz zwei verschiedene Größen sind

Eine rotierende Welle besitzt zunächst nur eine mechanische Drehzahl. Übliche Angaben sind:

min⁻¹

beziehungsweise:

rpm

Der Drehzahlsensor erzeugt daraus jedoch ein elektrisches Signal. Je nach Messprinzip kann beispielsweise:

• ein Zahn eines Zahnrads,
• eine Bohrung,
• ein Magnet,
• eine Reflexmarke,
• ein Polpaar,
• eine Encoderspur

einen oder mehrere auswertbare Signalwechsel erzeugen.

Dadurch entsteht eine Impulsfrequenz in:

Hz = Impulse pro Sekunde

Eine Drehzahl von 3.000 min⁻¹ entspricht daher nicht automatisch 3.000 Hz.

Bei einem Impuls pro Umdrehung entstehen bei 3.000 min⁻¹ lediglich:

50 Hz

Bei 60 Impulsen pro Umdrehung entstehen dagegen:

3.000 Hz

Die Frequenzbelastung der Elektronik wird deshalb durch Drehzahl und Impulszahl gemeinsam bestimmt.

Was bedeutet PPR bei einem Drehzahlsensor?

PPR steht üblicherweise für:

Pulses Per Revolution

also:

Impulse pro Umdrehung

Ein Sensor mit:

1 PPR

erzeugt einen Impuls pro vollständiger Umdrehung.

Bei:

60 PPR

entstehen 60 Impulse pro Umdrehung.

Mehr PPR bedeutet mehr Informationen pro Umdrehung

Das kann insbesondere bei niedrigen Drehzahlen vorteilhaft sein. Die Auswertung erhält häufiger einen neuen Impuls und kann Drehzahländerungen schneller erkennen.

Gleichzeitig steigt aber die Frequenz proportional zur PPR.

Eine hohe PPR verbessert daher nicht grundsätzlich die Messung. Sie erhöht auch die Anforderungen an:

• Sensor,
• Signalübertragung,
• Frequenzwandler,
• Zählereingang,
• SPS,
• Messgerät und
• Software.

Wann entspricht die Zahnzahl der PPR?

Bei einem Drehzahlsensor, der jeden Zahn eines Zahnrads einmal als vollständigen Impuls erkennt, gilt häufig:

PPR = Zahnzahl

Ein Zahnrad mit 48 Zähnen erzeugt dann:

48 Impulse/Umdrehung

Diese Gleichsetzung darf jedoch nicht ungeprüft vorgenommen werden.

Die tatsächlich ausgewertete Impulszahl kann abweichen

Das ist beispielsweise der Fall, wenn:

• nicht jeder Zahn erfasst wird,
• mehrere Reflexmarken eingesetzt werden,
• steigende und fallende Flanken separat gezählt werden,
• mehrere Sensorkanäle ausgewertet werden,
• ein Encoder mit A- und B-Kanal verwendet wird,
• die Auswerteelektronik eine interne Multiplikation durchführt.

Für die Berechnung muss immer die tatsächlich vom Zähler ausgewertete Impulszahl pro mechanischer Umdrehung verwendet werden.

Drehzahl, PPR und Frequenz berechnen

Impulsfrequenz aus Drehzahl und PPR

Die wichtigste Formel für die Auslegung lautet:

f = n × PPR / 60

Dabei ist:

• f = Impulsfrequenz in Hz,
• n = Drehzahl in min⁻¹,
• PPR = ausgewertete Impulse pro Umdrehung.

Drehzahl aus gemessener Frequenz

Wird die Frequenz gemessen, ergibt sich die Drehzahl aus:

n = 60 × f / PPR

PPR aus Drehzahl und Frequenz

Ist beispielsweise bekannt, welche Frequenz bei einer bestimmten Drehzahl erzeugt wird, lässt sich die Impulszahl bestimmen:

PPR = 60 × f / n

Einfaches Beispiel

Ein Zielrad besitzt 40 wirksame Zähne. Die Welle dreht mit:

n = 3.000 min⁻¹

Damit ergibt sich:

f = 3.000 × 40 / 60

f = 2.000 Hz

Sensor und Eingang müssen bei dieser Betriebsbedingung also mindestens eine Frequenz von 2 kHz zuverlässig verarbeiten können.

Typische Frequenzen bei verschiedenen PPR

PPR	Frequenz bei 3.000 min⁻¹	Frequenz bei 6.000 min⁻¹
1	50 Hz	100 Hz
10	500 Hz	1.000 Hz
30	1.500 Hz	3.000 Hz
60	3.000 Hz	6.000 Hz
120	6.000 Hz	12.000 Hz

Die Tabelle zeigt, warum die reine Angabe der maximalen Drehzahl für die Sensorauswahl nicht ausreicht.

Ein System mit einer maximal zulässigen Eingangsfrequenz von 5.000 Hz könnte 6.000 min⁻¹ bei 10 PPR problemlos erfassen. Bei 60 PPR wäre dieselbe Drehzahl bereits außerhalb dieses Frequenzbereichs.

Maximale Eingangsfrequenz richtig bestimmen

Bei der Auslegung sollte zunächst die maximal zu erwartende reale Frequenz berechnet werden.

Dazu gehört nicht nur die normale Betriebsdrehzahl.

Zu berücksichtigen sind beispielsweise:

• maximale Nenndrehzahl,
• zulässige Überdrehzahl,
• kurzzeitiges Überschwingen des Antriebs,
• Fertigungstoleranzen des Zielrads,
• zusätzliche Flankenauswertung,
• mögliche zukünftige höhere Betriebsdrehzahlen.

Anschließend wird diese Frequenz mit allen Komponenten der Messkette verglichen.

Die Frequenzgrenzen können unterschiedlich sein

Beispielsweise kann:

• der Sensor 10 kHz,
• ein Signalwandler 5 kHz,
• ein Standard-Digitaleingang nur einige hundert Hertz

verarbeiten.

In diesem Fall bestimmt nicht der Sensor, sondern die langsamste Komponente die maximal nutzbare Frequenz.

Maximale Drehzahl aus der Frequenzgrenze berechnen

Ist die maximal zulässige Frequenz bekannt, lässt sich die daraus resultierende theoretische Maximaldrehzahl berechnen:

nmax = 60 × fmax / PPR

Beispiel mit 10.000 Hz Frequenzgrenze

PPR	Frequenzgrenze	Rechnerische Maximaldrehzahl
1	10.000 Hz	600.000 min⁻¹
10	10.000 Hz	60.000 min⁻¹
30	10.000 Hz	20.000 min⁻¹
60	10.000 Hz	10.000 min⁻¹
120	10.000 Hz	5.000 min⁻¹

Diese Werte sind ausschließlich aus der Frequenzgrenze berechnet.

Sie bedeuten nicht, dass Sensor, Zahnrad, Welle oder Maschine mechanisch für die jeweilige Drehzahl geeignet sind.

Für die tatsächliche Auslegung gelten immer zusätzlich die mechanischen und elektrischen Herstellergrenzen.

Mindestdrehzahl und minimale Frequenz

Nicht nur die höchste Drehzahl kann problematisch sein. Auch die niedrigste zuverlässig zu messende Drehzahl muss berücksichtigt werden.

Besitzt ein Sensor einen spezifizierten unteren Frequenzbereich von:

fmin

ergibt sich rechnerisch:

nmin = 60 × fmin / PPR

Beispiel

Bei:

fmin = 1 Hz

und:

PPR = 60

ergibt sich:

nmin = 60 × 1 / 60 = 1 min⁻¹

Bei nur einem Impuls pro Umdrehung wären für dieselbe Frequenz dagegen:

60 min⁻¹

erforderlich.

Eine größere PPR kann deshalb bei niedrigen Drehzahlen erhebliche Vorteile bieten.

Die Frequenzgrenze ist aber nicht die einzige Einschränkung

Bei langsamen Bewegungen spielen zusätzlich:

• Messzeit,
• Timeout der Steuerung,
• gewünschte Aktualisierungsrate,
• Zeitauflösung der Elektronik,
• Sensorprinzip und Zielgeometrie

eine Rolle.

Wie PPR die Auflösung der Drehzahlmessung beeinflusst

Bei einer klassischen Impulszählung werden innerhalb eines festen Zeitfensters die auftretenden Impulse gezählt.

Die Zahl der gezählten Impulse beträgt:

N = f × T

mit:

• N = Anzahl der Impulse,
• f = Frequenz,
• T = Messfenster in Sekunden.

Wenn der Zähler nur ganze Impulse unterscheiden kann, entspricht ein zusätzlicher Impuls näherungsweise einem Drehzahlschritt von:

Δn ≈ 60 / (PPR × T)

Beispiel mit 60 PPR

Bei einem Messfenster von:

T = 1 s

ergibt sich:

Δn ≈ 60 / (60 × 1) = 1 min⁻¹

Bei einem Messfenster von nur:

T = 0,1 s

ergibt sich dagegen:

Δn ≈ 10 min⁻¹

Die Anzeige reagiert schneller, wird bei einfacher Impulszählung aber gröber.

Mehr PPR verbessert die Auflösung

Wird die PPR verdoppelt, verdoppelt sich bei gleicher Drehzahl die Zahl der erfassten Impulse. Damit kann eine feinere Auflösung oder eine kürzere Messzeit erreicht werden.

Der Preis dafür ist eine entsprechend höhere maximale Frequenz.

Messfenster und Aktualisierungszeit

Eine Drehzahlanzeige muss häufig gleichzeitig schnell und stabil sein. Diese Anforderungen stehen teilweise im Widerspruch.

Kurzes Messfenster

Ein kurzes Messfenster ermöglicht:

• schnelle Aktualisierung,
• rasche Erkennung von Drehzahländerungen,
• geringe Verzögerung in Regelkreisen.

Bei niedriger Frequenz stehen jedoch nur wenige Impulse zur Verfügung.

Langes Messfenster

Ein längeres Messfenster ermöglicht:

• mehr gezählte Impulse,
• ruhigere Anzeige,
• feinere Auflösung bei Zählverfahren.

Dafür steigt die Reaktionszeit.

Extremfall: ein Impuls pro Umdrehung

Eine Welle dreht mit:

30 min⁻¹

und erzeugt:

1 PPR

Damit beträgt die Frequenz:

0,5 Hz

Zwischen zwei Impulsen vergehen:

2 s

Eine ereignisbasierte Auswertung erhält daher nur alle zwei Sekunden einen neuen vollständigen Umdrehungsimpuls.

Mit 60 PPR entstehen bei derselben Drehzahl dagegen:

30 Hz

und damit erheblich häufiger neue Messinformationen.

Frequenzzählung oder Periodendauermessung?

Die Drehzahl muss nicht zwingend über die Zahl der Impulse innerhalb eines festen Zeitfensters bestimmt werden.

Eine Alternative ist die Messung der Zeit zwischen zwei Impulsen.

Für die Periodendauer:

tP

gilt:

f = 1 / tP

und damit:

n = 60 / (PPR × tP)

Periodendauermessung ist bei niedrigen Drehzahlen interessant

Bei geringer Frequenz muss nicht erst ein langes Messfenster abgewartet werden. Stattdessen wird der zeitliche Abstand zwischen zwei Flanken präzise gemessen.

Bei hohen Frequenzen steigen die Anforderungen an die Zeitmessung

Je kürzer die Periodendauer wird, desto höher muss die Zeitauflösung des Zählers sein.

Moderne Highspeed-Counter kombinieren deshalb teilweise unterschiedliche Verfahren oder wechseln abhängig von der Frequenz zwischen ihnen.

Steigende Flanke, fallende Flanke und Quadraturauswertung

Bei der Parametrierung muss eindeutig definiert sein, was tatsächlich als Impuls gezählt wird.

Ein Rechteckimpuls besitzt zwei Flanken

• eine steigende Flanke,
• eine fallende Flanke.

Wird nur die steigende Flanke ausgewertet, entspricht ein vollständiger Rechteckimpuls einem Zählschritt.

Werden dagegen beide Flanken gezählt, verdoppelt sich die effektive Zahl der Zählereignisse.

Encoder können zusätzlich zwei Kanäle besitzen

Bei Inkrementalgebern mit A- und B-Spur können je nach Auswerteverfahren:

• nur eine Flanke eines Kanals,
• beide Flanken eines Kanals,
• alle Flanken von A und B

gezählt werden.

Dadurch kann sich die effektiv verwendete Auflösung vervielfachen.

Die Angaben PPR, CPR, Linienzahl und Zählimpulse dürfen deshalb nicht ohne Prüfung gleichgesetzt werden.

Für die Frequenzberechnung ist entscheidend, wie viele elektrische Zählereignisse die konkrete Auswertung pro mechanischer Umdrehung tatsächlich verarbeitet.

SPS- und Zählereingänge richtig auslegen

Ein schneller Drehzahlsensor benötigt einen geeigneten Eingang.

Ein gewöhnlicher digitaler SPS-Eingang wird häufig für Zustände wie:

• Endschalter,
• Taster,
• Näherungsschalter,
• Ventilrückmeldungen

verwendet.

Solche Eingänge sind nicht automatisch für mehrere Kilohertz schnelle Impulsfolgen geeignet.

Für schnelle Drehzahlmessungen kommen beispielsweise infrage

• Highspeed-Counter,
• Hardware-Frequenzeingänge,
• Timer-/Capture-Eingänge,
• spezielle Zählermodule,
• Frequenz-Messumformer.

Dabei müssen insbesondere geprüft werden:

• maximale Eingangsfrequenz,
• minimale High-Zeit,
• minimale Low-Zeit,
• zulässiger Signalpegel,
• PNP-, NPN-, Push-Pull- oder TTL-Kompatibilität,
• Eingangsfilter,
• Flankenauswahl.

Warum Eingangsfilter Impulse verschlucken können

Digitale Filter sollen Störimpulse unterdrücken. Bei schnellen Drehzahlsignalen können sie jedoch auch reale Impulse entfernen.

Bei einer Frequenz von:

f = 1.000 Hz

beträgt die Periodendauer:

T = 1 / 1.000 = 1 ms

Bei einem idealisierten Tastverhältnis von 50 % wären High- und Low-Zeit jeweils nur:

0,5 ms

Ein Eingang, dessen Filter erst deutlich längere Signalzustände akzeptiert, kann diese Pulse nicht mehr zuverlässig erfassen.

Bei 10 kHz wird die verfügbare Zeit noch kürzer

Die Periodendauer beträgt dann:

100 µs

Bei 50 % Tastverhältnis entspricht dies nur ungefähr:

50 µs High + 50 µs Low

In realen Anwendungen kann das Tastverhältnis zusätzlich vom idealen 50-%-Wert abweichen.

Deshalb ist neben der maximalen Frequenz auch die spezifizierte minimale Impulsbreite des Eingangs relevant.

Die langsamste Komponente begrenzt die Messkette

Eine Drehzahlmessung besteht häufig aus mehreren Komponenten:

Zielrad → Sensor → Kabel → Signalwandler → Frequenzeingang → Steuerung → Software

Für die maximal zulässige Frequenz gilt vereinfacht:

fSystem,max = kleinste zulässige Frequenzgrenze der gesamten Kette

Beispiel

Ein Sensor verarbeitet:

10.000 Hz

Der verwendete Signalwandler jedoch nur:

5.000 Hz

Damit beträgt die nutzbare Frequenzgrenze dieser Kombination:

5.000 Hz

Selbst wenn die SPS anschließend 20 kHz erfassen könnte, können die oberhalb von 5 kHz liegenden Informationen den Signalwandler nicht korrekt passieren.

Die Frequenzauslegung muss deshalb immer vom Rotor bis zur Software erfolgen.

PPR systematisch auswählen

Eine möglichst hohe Impulszahl ist nicht automatisch optimal. Die PPR muss zur gesamten Anwendung passen.

Anforderung	Tendenz bei der PPR	Auswirkung
Sehr hohe Maximaldrehzahl	eher geringer	geringere maximale Frequenz
Sehr niedrige Drehzahl messen	eher höher	häufigere Impulse
Schnelle Aktualisierung bei niedriger Drehzahl	höher	mehr Messinformationen pro Zeit
Begrenzter SPS-Frequenzeingang	eher geringer	Frequenzgrenze wird später erreicht
Hohe Winkelauflösung	höher	mehr Positionen pro Umdrehung erfassbar
Einfache reine Drehzahlüberwachung	häufig geringer ausreichend	geringere Anforderungen an die Elektronik

Ein sinnvoller Auswahlablauf

1. Minimale Betriebsdrehzahl bestimmen.
2. Maximale Betriebs- und Überdrehzahl bestimmen.
3. Erforderliche Aktualisierungszeit festlegen.
4. Gewünschte Drehzahlauflösung bestimmen.
5. Mögliche Zahnzahl beziehungsweise PPR festlegen.
6. Frequenz bei Minimal- und Maximaldrehzahl berechnen.
7. Frequenzbereich des Sensors prüfen.
8. Frequenzbereich aller nachgeschalteten Komponenten prüfen.
9. Signalart und elektrische Kompatibilität prüfen.
10. Messung unter realen Betriebsbedingungen verifizieren.

Praxisbeispiel: 60-Zähne-Rad an einem Prüfstand

Ein Prüfstand soll eine Antriebswelle bis:

8.000 min⁻¹

über ein Zahnrad mit:

60 Zähnen

überwachen.

Wenn jeder Zahn genau einen Impuls erzeugt:

PPR = 60

Die maximale Frequenz beträgt:

f = 8.000 × 60 / 60

f = 8.000 Hz

Sensorprüfung

Ein Frequenzsensor mit einer spezifizierten Obergrenze von 10.000 Hz liegt hinsichtlich der Frequenz grundsätzlich oberhalb des berechneten Betriebspunktes.

Signalwandlerprüfung

Wird das Signal anschließend durch einen Frequenzwandler mit:

fmax = 5.000 Hz

geführt, ist die Messkette trotzdem nicht geeignet.

Die aus der 5-kHz-Grenze resultierende Drehzahl beträgt bei 60 PPR:

nmax = 60 × 5.000 / 60

nmax = 5.000 min⁻¹

Ab diesem Bereich würde der Signalwandler zum begrenzenden Element.

Mögliche Lösungen

Je nach Messaufgabe könnten beispielsweise:

• ein schnellerer Frequenzeingang verwendet,
• der Frequenzwandler weggelassen,
• eine geringere wirksame Impulszahl gewählt,
• ein anderes Zielrad eingesetzt

werden.

Welche Lösung technisch sinnvoll ist, hängt auch davon ab, welche Auflösung bei niedrigen Drehzahlen benötigt wird.

Praxisbeispiel: niedrige Drehzahl mit hoher Auflösung

Eine Welle arbeitet zwischen:

5 … 100 min⁻¹

Mit nur einem Impuls pro Umdrehung ergibt sich bei 5 min⁻¹:

f = 5 × 1 / 60 = 0,083 Hz

Zwischen zwei Impulsen liegen etwa:

12 s

Für eine schnell aktualisierte Drehzahlanzeige ist das ungünstig.

Mit 60 PPR

ergibt sich dagegen:

f = 5 × 60 / 60 = 5 Hz

Nun tritt im Mittel alle:

0,2 s

ein Impuls auf.

Die höhere PPR verbessert hier die zeitliche Auflösung erheblich, ohne dass bei einer Maximaldrehzahl von 100 min⁻¹ eine hohe Frequenz entsteht:

f = 100 × 60 / 60 = 100 Hz

Dieses Beispiel zeigt, warum die optimale PPR immer vom vollständigen Drehzahlbereich abhängt.

Typische Fehler bei PPR und Frequenzauslegung

Beobachtung	Mögliche Ursache	Sinnvolle Prüfung
Drehzahl wird exakt um einen konstanten Faktor falsch angezeigt	Falsche PPR parametriert	Zahnzahl und tatsächlich gezählte Flanken prüfen
Anzeige funktioniert bei niedriger Drehzahl, fällt oben aus	Maximale Sensor- oder Eingangsfrequenz überschritten	f = n × PPR / 60 für Maximaldrehzahl berechnen
Anzeige ist bei niedriger Drehzahl sehr träge	Zu wenig Impulse pro Umdrehung	PPR und Zeit zwischen zwei Impulsen berechnen
Anzeige springt in groben Stufen	Messfenster zu kurz oder PPR zu gering	Zählimpulse pro Messfenster bestimmen
Doppelte Drehzahl wird angezeigt	Beide Signalflanken werden gezählt	Flankenauswertung im Zähler prüfen
Vierfacher Wert bei Encoder	x4-Quadraturauswertung nicht berücksichtigt	Encoderdefinition und Zählmodus vergleichen
Einzelne Impulse fehlen	Eingangsfilter zu langsam	Minimale Impulsbreite und Filterzeit prüfen
Sensor ist schnell genug, SPS zählt trotzdem falsch	SPS-Eingang besitzt zu geringe Grenzfrequenz	Hardware-Spezifikation des Eingangs prüfen
Messung bricht mit zusätzlichem Signalwandler früher ein	Wandler begrenzt die Frequenz	Grenzfrequenzen der gesamten Signalkette vergleichen
Drehzahl schwankt trotz konstanter Maschine	Fehlflanken, Störungen oder mechanischer Rundlauf	Signal mit Oszilloskop und Referenzdrehzahl vergleichen

Drehzahlmesskette in Betrieb nehmen und prüfen

Eine korrekt berechnete Messkette sollte anschließend unter realen Bedingungen geprüft werden.

1. Zielsystem prüfen: Zahnzahl, Zahngeometrie beziehungsweise Reflexmarken dokumentieren.
2. PPR festlegen: Tatsächlich ausgewertete Impulse pro Umdrehung bestimmen.
3. Frequenzbereich berechnen: Minimal- und Maximalfrequenz aus dem vorgesehenen Drehzahlbereich bestimmen.
4. Sensor prüfen: Frequenzbereich, Versorgung und Ausgangssignal vergleichen.
5. Elektrischen Eingang prüfen: Signalpegel, Grenzfrequenz und minimale Impulsbreite kontrollieren.
6. Filter kontrollieren: Digitale Filter beziehungsweise Entprellzeiten auf schnelle Impulse abstimmen.
7. Skalierung einstellen: Korrekte Impulszahl pro Umdrehung hinterlegen.
8. Niedrige Drehzahl testen: Aktualisierungszeit und Stabilität beurteilen.
9. Hohe Drehzahl testen: Prüfen, ob Impulse verloren gehen.
10. Referenzmessung durchführen: Drehzahl mit einem unabhängigen geeigneten Messgerät vergleichen.
11. Signalform prüfen: Bei Auffälligkeiten Frequenz, Amplitude und Flanken mit einem Oszilloskop kontrollieren.
12. Messstelle dokumentieren: PPR, Zahnzahl, Frequenzgrenzen, Filter und Skalierung festhalten.

Passende Drehzahl- und Frequenztechnik bei ICS Schneider

HySense RS500 Induktivaufnehmer mit aktivem Push-Pull-Ausgang

Der HySense RS500 eignet sich besonders für Anwendungen, bei denen hohe Impulsfrequenzen aus rotierenden Komponenten erfasst werden müssen.

ICS Schneider nennt unter anderem:

• Frequenzbereich von ungefähr 1 … 10.000 Hz,
• aktiven Push-Pull-Ausgang,
• Versorgungsspannung 8 … 30 VDC,
• Stromaufnahme 3 mA,
• Messgenauigkeit ±1 Impuls,
• automatische Sensorerkennung und Linearisierung ISDS,
• Aluminiumgehäuse,
• Schutzart IP67.

Warum der Frequenzbereich für die Drehzahlauslegung entscheidend ist

Die Obergrenze von ungefähr 10.000 Hz kann unmittelbar mit der gewünschten PPR kombiniert werden.

Bei 60 PPR ergibt sich rein aus dieser Frequenzgrenze:

nmax = 60 × 10.000 / 60 = 10.000 min⁻¹

Bei 120 PPR wären es dagegen:

nmax = 5.000 min⁻¹

Die mechanische Eignung des Zielsystems und alle weiteren Komponenten der Messkette müssen zusätzlich geprüft werden.

HySense RS300 / RS310 für kleinere Frequenzbereiche

Der HySense RS300 / RS310 arbeitet nach dem GMR-Prinzip.

ICS nennt:

• Frequenzbereich 0,5 … 1.800 Hz,
• Messgenauigkeit ±1 Impuls,
• Umgebungstemperatur -20 … 85 °C,
• Schutzart IP65.

Der niedrigere Beginn des Frequenzbereichs kann für langsamere Bewegungen interessant sein. Gleichzeitig muss bei hoher Zahnzahl sorgfältig geprüft werden, ob die Obergrenze von 1.800 Hz zur Maximaldrehzahl passt.

HySense SC100 zur Umsetzung eines Frequenzsignals

Der HySense SC100 verarbeitet Frequenzen im Bereich:

0 … 5.000 Hz

und kann ein:

4 … 20 mA

Ausgangssignal bereitstellen.

Das ist beispielsweise interessant, wenn eine Steuerung keinen geeigneten schnellen Frequenzeingang besitzt, aber über einen Analogeingang verfügt.

Bei der Kombination mit einem schnelleren Drehzahlsensor ist jedoch zu beachten, dass der Frequenzbereich des SC100 die nutzbare Frequenz der gesamten Kombination begrenzen kann.

IMH-1U für Frequenz- und Drehzahlauswertung

Der IMH-1U Universalmessumformer kann unter anderem Frequenz- und Zählsignale verarbeiten.

Für die Drehzahlmessung sieht die Parametrierung eine direkte Eingabe der Impulse pro Umdrehung vor. Dadurch kann ein Frequenzsignal unmittelbar auf eine Drehzahlanzeige skaliert werden.

Bei der Auswahl muss trotzdem geprüft werden, ob Frequenzbereich, Signalart und die gewählten Filtereinstellungen zur tatsächlichen Anwendung passen.

Fazit

Die korrekte Auslegung eines Drehzahlsensors beginnt nicht mit der Frage, welche maximale Drehzahl auf einem Datenblatt steht. Entscheidend ist zunächst, welche Impulsfrequenz bei der gewünschten Drehzahl tatsächlich entsteht.

PPR und Drehzahl bestimmen gemeinsam die Frequenz

Die grundlegende Beziehung lautet:

f = n × PPR / 60

Eine Verdoppelung der Impulszahl verdoppelt bei gleicher Drehzahl auch die Frequenz.

Eine hohe PPR verbessert niedrige Drehzahlen

Mehr Impulse pro Umdrehung ermöglichen häufig eine schnellere Aktualisierung und bessere Auflösung bei langsam laufenden Maschinen.

Eine hohe PPR begrenzt gleichzeitig die Maximaldrehzahl

Sensor, Signalwandler und Zählereingang erreichen ihre maximale Frequenz entsprechend früher.

Die gesamte Messkette bestimmt die Grenze

Ein 10-kHz-Sensor kann seine Geschwindigkeit nicht ausspielen, wenn ein nachgeschalteter Wandler oder SPS-Eingang nur 5 kHz verarbeiten kann.

Auch die Auswertemethode ist relevant

Messfenster, Periodendauermessung, Flankenzählung und digitale Eingangsfilter beeinflussen Auflösung und Reaktionszeit ebenso wie die eigentliche Sensorauswahl.

Für die Praxis gilt

Drehzahlbereich bestimmen → gewünschte PPR beziehungsweise Zahnzahl festlegen → Minimal- und Maximalfrequenz berechnen → Frequenzbereich des Sensors prüfen → Signalart festlegen → Signalwandler und Zählereingang prüfen → minimale Impulsbreite und Filter berücksichtigen → Skalierung kontrollieren → Messung bei Minimal- und Maximaldrehzahl testen → mit einer unabhängigen Referenz vergleichen → Parameter dokumentieren.

FAQ: PPR, Impulsfrequenz und Drehzahl richtig berechnen

Was bedeutet PPR bei einem Drehzahlsensor?

PPR steht für Pulses Per Revolution und beschreibt die Anzahl der ausgewerteten Impulse pro mechanischer Umdrehung.

Wie berechne ich die Frequenz eines Drehzahlsensors?

Mit f = n × PPR / 60. Die Drehzahl wird in min⁻¹ eingesetzt, das Ergebnis ist die Frequenz in Hz.

Wie berechne ich die Drehzahl aus einer Frequenz?

Die Formel lautet n = 60 × f / PPR.

Wie berechne ich PPR?

Wenn Drehzahl und Frequenz bekannt sind, gilt PPR = 60 × f / n.

Sind PPR und Zahnzahl dasselbe?

Bei einem Sensor, der jeden Zahn einmal als vollständigen Impuls erkennt, normalerweise ja. Bei anderer Flankenauswertung, Encodern oder mehreren Sensorkanälen kann die effektive Impulszahl jedoch davon abweichen.

Welche Frequenz erzeugen 60 Zähne bei 3.000 min⁻¹?

3.000 × 60 / 60 = 3.000 Hz.

Welche Frequenz erzeugen 60 Zähne bei 6.000 min⁻¹?

6.000 Hz.

Welche Frequenz erzeugen 120 PPR bei 6.000 min⁻¹?

12.000 Hz.

Wie berechne ich die maximale Drehzahl eines Sensors?

Aus der maximal zulässigen Frequenz ergibt sich nmax = 60 × fmax / PPR. Zusätzlich müssen alle mechanischen Herstellergrenzen eingehalten werden.

Welche maximale Drehzahl sind bei 10 kHz und 60 PPR rechnerisch möglich?

Aus der Frequenzgrenze ergeben sich 10.000 min⁻¹.

Welche maximale Drehzahl sind bei 10 kHz und 120 PPR rechnerisch möglich?

Aus der Frequenzgrenze ergeben sich 5.000 min⁻¹.

Ist eine möglichst hohe PPR immer besser?

Nein. Eine hohe PPR verbessert zwar häufig Auflösung und Aktualisierung bei niedrigen Drehzahlen, erhöht aber gleichzeitig die Frequenz und reduziert damit die erreichbare Maximaldrehzahl einer frequenzbegrenzten Messkette.

Warum ist eine hohe PPR bei niedriger Drehzahl sinnvoll?

Es entstehen mehr Impulse pro Zeiteinheit. Dadurch kann die Auswertung häufiger einen neuen Messwert bestimmen.

Warum reagiert eine Drehzahlanzeige bei niedriger Drehzahl langsam?

Bei geringer PPR können zwischen zwei Impulsen mehrere Sekunden liegen. Die Auswertung muss dann entweder warten oder mit einer längeren Messzeit arbeiten.

Wie beeinflusst das Messfenster die Auflösung?

Bei einer einfachen Impulszählung liefern längere Messfenster mehr Zählimpulse und damit eine feinere Auflösung, erhöhen jedoch die Reaktionszeit.

Was ist bei sehr niedriger Drehzahl besser: Frequenz- oder Periodendauermessung?

Die Periodendauermessung kann bei niedriger Frequenz vorteilhaft sein, weil die Zeit zwischen einzelnen Impulsen direkt ausgewertet wird. Die Eignung hängt von der Zeitauflösung des verwendeten Eingangs ab.

Warum zeigt meine SPS die doppelte Drehzahl an?

Eine mögliche Ursache ist, dass sowohl steigende als auch fallende Signalflanken gezählt werden, obwohl die Parametrierung nur von einem Zählimpuls ausgeht.

Warum zeigt ein Encoder den vierfachen erwarteten Zählwert?

Bei einer x4-Quadraturauswertung werden die steigenden und fallenden Flanken beider Kanäle A und B ausgewertet. Dadurch entstehen vier Zählereignisse pro ursprünglicher Signalperiode.

Warum verliert ein Drehzahlsensor erst bei hoher Drehzahl Impulse?

Eine häufige Ursache ist das Überschreiten der maximalen Frequenz des Sensors, Signalwandlers oder Zählereingangs. Auch Eingangsfilter und zu kurze Impulsbreiten können eine Rolle spielen.

Kann ein normaler SPS-Eingang ein Drehzahlsignal auswerten?

Nur wenn seine spezifizierte Eingangsfrequenz und minimale Impulsbreite zur Anwendung passen. Für schnelle Signale werden häufig Highspeed-Counter oder spezielle Frequenzeingänge benötigt.

Warum ist ein Eingangsfilter bei Drehzahlsignalen kritisch?

Ein Filter kann kurze reale Impulse genauso unterdrücken wie Störimpulse. Seine Zeitkonstante muss deshalb mit der minimal auftretenden High- und Low-Zeit verglichen werden.

Wie bestimme ich die maximal zulässige Frequenz der gesamten Messkette?

Die kleinste Frequenzgrenze aller beteiligten Komponenten ist maßgebend. Sensor, Signalwandler, Eingang und weitere Elektronik müssen deshalb gemeinsam geprüft werden.

Was ist ein Push-Pull-Ausgang?

Ein aktiver Push-Pull-Ausgang kann den Ausgang aktiv auf einen High- und einen Low-Pegel treiben. Ob er mit dem verwendeten Eingang kompatibel ist, muss anhand der elektrischen Spezifikationen geprüft werden.

Welchen Frequenzbereich besitzt der HySense RS500?

ICS Schneider nennt einen Frequenzbereich von ungefähr 1 … 10.000 Hz.

Welche Versorgung benötigt der HySense RS500?

ICS Schneider nennt eine Versorgungsspannung von 8 … 30 VDC.

Welche Schutzart besitzt der HySense RS500?

Der HySense RS500 ist auf der ICS-Produktseite mit IP67 angegeben.

Welchen Frequenzbereich besitzen HySense RS300 und RS310?

ICS nennt einen Frequenzbereich von 0,5 … 1.800 Hz.

Was macht der HySense SC100?

Der SC100 verarbeitet Frequenzsignale bis 5.000 Hz und kann diese unter anderem in ein 4 … 20 mA-Signal umsetzen.

Kann ein 10-kHz-Sensor zusammen mit einem 5-kHz-Signalwandler 10 kHz übertragen?

Nein. In dieser Kombination begrenzt der 5-kHz-Signalwandler die nutzbare Frequenz der Messkette.

Kann der IMH-1U für Drehzahlsignale verwendet werden?

Der IMH-1U kann Frequenz- und Zählsignale verarbeiten und besitzt eine Parametrierung für die Drehzahlmessung. Die elektrische Signalart und der erforderliche Frequenzbereich müssen zur jeweiligen Ausführung passen.

Wie prüfe ich, ob die PPR korrekt eingestellt ist?

Die mechanische Zahl der Zielereignisse pro Umdrehung und die tatsächlich vom Eingang gezählten Flanken müssen bestimmt und mit der Parametrierung verglichen werden.

Wie kann eine Drehzahlmessung überprüft werden?

Sinnvoll ist ein Vergleich mit einer unabhängigen Referenzmessung. Bei Signalproblemen können zusätzlich Frequenz, Flanken und Signalpegel mit einem Oszilloskop untersucht werden.

Wo finde ich den HySense RS500 bei ICS Schneider?

Weitere Informationen finden Sie unter HySense RS500 bei ICS Schneider.

Wo finde ich HySense RS300 / RS310 bei ICS Schneider?

Weitere Informationen finden Sie unter HySense RS300 / RS310 bei ICS Schneider.

Wo finde ich den HySense SC100 bei ICS Schneider?

Weitere Informationen finden Sie unter HySense SC100 bei ICS Schneider.

Wo finde ich weitere Drehzahlsensoren und Drehzahlmessgeräte?

Eine Übersicht finden Sie unter Drehzahlsensoren und Drehzahlmessgeräte bei ICS Schneider.