Drehzahlsensor verliert Impulse: Luftspalt, Zielrad und Schaltfrequenz richtig prüfen

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Eine springende Drehzahlanzeige, sporadisch fehlende Impulse oder kurzzeitige Überdrehzahlmeldungen werden häufig vorschnell der Steuerung oder dem Frequenzzähler zugeschrieben. In vielen Fällen entsteht der Fehler jedoch bereits an der mechanischen Schnittstelle zwischen Drehzahlsensor und Zielrad.

Ein zu großer oder schwankender Luftspalt, ungeeignete Zahnabmessungen, Rundlaufabweichungen oder eine überschrittene maximale Schaltfrequenz können dazu führen, dass einzelne Zähne nicht sicher erkannt werden. Elektrische Störungen, eine falsche PNP- beziehungsweise NPN-Beschaltung oder ein zu langsam eingestellter SPS-Eingang können zusätzlich Impulse unterdrücken oder doppelte Flanken erzeugen.

Für eine zuverlässige Diagnose müssen daher Zielgeometrie, Sensortechnologie, Ausgangssignal, Verkabelung und Auswertung gemeinsam betrachtet werden. Ein Sensor kann am Prüfplatz ein sauberes Signal liefern und in der Maschine dennoch ausfallen, wenn Vibration, Temperatur, Motorkabel oder die tatsächliche Maximaldrehzahl nicht berücksichtigt wurden.

Geeignete Sensoren und Messgeräte finden Sie in der ICS-Kategorie Drehzahlsensoren und Drehzahlmessgeräte. Weitere Systeme für Weg-, Kraft- und Bewegungsmessungen sind unter Weg-, Kraft- und Bewegungssensoren zusammengefasst.

Wie wird die Drehzahl aus Impulsen berechnet?

Ein Drehzahlsensor erzeugt eine bestimmte Anzahl elektrischer Impulse pro Umdrehung. Bei einem Zahnrad entspricht die Anzahl der Impulse normalerweise der Anzahl der sicher erkannten Zähne.

Die Impulsfrequenz beträgt:

f = n × z / 60

Dabei bedeuten:

• f: Impulsfrequenz in Hz,
• n: Drehzahl in min⁻¹,
• z: Anzahl der Impulse beziehungsweise Zähne pro Umdrehung.

Umgekehrt ergibt sich die Drehzahl aus:

n = 60 × f / z

Ein Zielrad mit 60 Zähnen erzeugt bei 6.000 min⁻¹ bereits:

f = 6.000 × 60 / 60 = 6.000 Hz

Ein Sensor oder Frequenzeingang mit maximal 5 kHz wäre für diese Kombination nicht ausreichend. Die zulässige Drehzahl hängt deshalb nicht nur vom Sensor, sondern auch unmittelbar von der Zahnzahl ab.

In der Auswertung muss die tatsächlich wirksame Impulszahl korrekt hinterlegt sein. Wird ein Zahnrad mit 48 Zähnen fälschlich als 50-Zähne-Rad parametriert, ist die Anzeige zwar stabil, aber systematisch falsch.

Induktive, magnetische und optische Sensoren unterscheiden

Messprinzip	Geeignetes Target	Typische Stärken	Typische Fehlerquellen
Induktiver Näherungssensor	Metallische Zähne, Nocken oder Bohrungen	Robust, berührungslos, industrietauglich	Zu großer Luftspalt, ungeeigneter Werkstoff, zu hohe Schaltfrequenz
Passiver Induktivaufnehmer	Ferromagnetisches Zahnrad	Einfacher Aufbau, hohe Temperatur- und Vibrationsfestigkeit möglich	Zu geringe Signalamplitude bei niedriger Drehzahl
Hall- oder GMR-Sensor	Magnet, magnetisiertes Rad oder ferromagnetisches Target mit internem Magneten	Erfassung bis nahe Stillstand möglich, digitales Ausgangssignal	Falsche Magnetpolung, Fremdmagnetfelder, zu großer Luftspalt
Optischer Reflexionssensor	Reflexmarke oder kontrastierende Fläche	Großer Arbeitsabstand möglich, kein metallisches Target erforderlich	Öl, Staub, Fremdlicht, mehrere Reflexstellen
Gabellichtschranke	Lochscheibe, Schlitze oder Fahnen	Definierte Flanken und hohe Auflösung	Verschmutzung, Taumeln der Scheibe, mechanische Kollision

Der Begriff „induktiver Drehzahlsensor“ ist nicht eindeutig. Er kann einen aktiven induktiven Näherungsschalter oder einen passiven elektromagnetischen Aufnehmer bezeichnen. Beide Systeme reagieren auf metallische beziehungsweise ferromagnetische Ziele, besitzen aber ein grundsätzlich unterschiedliches Verhalten bei geringer Drehzahl und bei der elektrischen Auswertung.

Passive und aktive induktive Sensoren unterscheiden

Aktiver induktiver Näherungssensor

Ein aktiver Sensor wird elektrisch versorgt und schaltet seinen Ausgang, sobald sich ein geeignetes Metalltarget im Erfassungsbereich befindet. Er kann einen Zahn grundsätzlich auch im Stillstand erkennen.

Wichtige Daten sind:

• Nennschaltabstand und gesicherter Schaltabstand,
• maximale Schaltfrequenz,
• minimale Ein- und Ausschaltzeit,
• PNP-, NPN- oder Push-Pull-Ausgang,
• zulässige Ausgangslast,
• Einbauart bündig oder nicht bündig.

Passiver Induktivaufnehmer

Ein passiver Aufnehmer enthält typischerweise Spule und Magnet. Ein vorbeilaufender ferromagnetischer Zahn verändert den magnetischen Fluss und erzeugt eine wechselnde Ausgangsspannung.

Die Signalamplitude hängt stark ab von:

• Drehzahl beziehungsweise Änderungsgeschwindigkeit,
• Luftspalt,
• Zahnform und Zahngröße,
• magnetischen Eigenschaften des Zielrads,
• Eingangsimpedanz der Auswerteelektronik.

Bei niedriger Drehzahl kann das Signal unter die Schaltschwelle der Auswertung fallen. Ein passiver Sensor kann deshalb bei hoher Drehzahl einwandfrei funktionieren und während des langsamen Anfahrens Impulse verlieren.

Das sinus- oder impulsähnliche Signal eines passiven Aufnehmers darf nicht ohne Prüfung an einen beliebigen digitalen SPS-Eingang angeschlossen werden. Häufig ist ein geeigneter Signalformer mit Verstärkung, Hysterese und definierter Schaltschwelle erforderlich.

Luftspalt richtig einstellen

Der Luftspalt ist der kürzeste Abstand zwischen der aktiven Sensorfläche und dem höchsten Punkt des vorbeilaufenden Targets. Er muss über die gesamte Umdrehung innerhalb des zulässigen Sensorbereichs bleiben.

Ein zu großer Luftspalt kann verursachen:

• zu geringe Signalamplitude,
• unsichere Schaltpunkte,
• Ausfall einzelner kleiner oder beschädigter Zähne,
• starke Empfindlichkeit gegenüber Vibration und Temperatur.

Ein zu kleiner Luftspalt erhöht dagegen das Risiko einer mechanischen Berührung durch:

• Rundlaufabweichung des Zielrads,
• Lagerbewegung,
• Wellendurchbiegung,
• thermische Ausdehnung,
• Vibration oder Stoßbelastung,
• Montagefehler.

Der Nennschaltabstand eines Näherungssensors ist nicht automatisch der empfohlene Montageabstand. Fertigungstoleranzen, Temperatur, Versorgungsspannung und Targetmaterial können den tatsächlich gesicherten Erfassungsbereich reduzieren.

Die Einstellung muss deshalb anhand des Sensor-Datenblatts und unter Berücksichtigung der mechanischen Toleranzkette erfolgen.

Rundlauf, Lagerluft und Vibration berücksichtigen

Ein im Stillstand korrekt eingestellter Luftspalt kann sich während des Betriebs erheblich verändern. Besonders kritisch sind große Zahnräder, lange Wellen, elastische Kupplungen und Sensorhalter mit geringer Steifigkeit.

Für die Beurteilung gilt vereinfacht:

Maximaler Luftspalt = Montageabstand + Rundlauf + Lagerbewegung + Verformung + Vibration

Der kleinste Abstand muss gleichzeitig ausreichend groß bleiben, um einen Kontakt zwischen Sensor und Zielrad sicher auszuschließen.

Ein schwankender Luftspalt zeigt sich im Oszilloskop häufig als periodische Änderung der Signalamplitude. Tritt der Fehler immer an derselben Winkelposition auf, sind insbesondere zu prüfen:

• exzentrisches Zielrad,
• verbogener Zahnkranz,
• einzelner beschädigter Zahn,
• unterschiedliche Zahnhöhen,
• Wellenschlag oder Lagerfehler.

Der Sensorhalter muss ausreichend steif, vibrationsfest und gegen Verdrehen gesichert sein. Eine einfache Gewindemutter kann sich in stark vibrierenden Anwendungen lösen, wenn die vorgesehene Sicherung fehlt.

Zielrad und Zahngeometrie richtig auslegen

Nicht jedes vorhandene Zahnrad ist automatisch ein geeignetes Messrad. Der Sensor muss Zahn und Zahnlücke bei allen Drehzahlen eindeutig unterscheiden können.

Wichtige geometrische Merkmale sind:

• Zahnbreite in Bewegungsrichtung,
• Breite der Zahnlücke,
• Zahnhöhe beziehungsweise Tiefenunterschied,
• Breite des Targets quer zur Sensorfläche,
• Kantenform und Fasen,
• Oberflächenzustand,
• Rundlauf und Teilungsgenauigkeit.

Zahn und Lücke müssen jeweils lange genug vor dem Sensor verbleiben, damit dieser sicher ein- und wieder ausschalten kann. Sehr schmale Zähne können zwar rechnerisch eine zulässige Gesamtfrequenz ergeben, aber Impulse erzeugen, deren High- oder Low-Zeit unterhalb der Mindestimpulsbreite von Sensor oder Auswerteeingang liegt.

Eine große Fase oder abgerundete Zahnkante erzeugt einen langsamen Signalübergang. Bei kleinen Signalamplituden oder elektrischen Störungen kann die Schaltschwelle dann mehrfach über- und unterschritten werden.

Bei optischen Sensoren muss die Reflexmarke:

• ausreichend groß sein,
• sicher haften,
• einen deutlichen Kontrast zum Untergrund besitzen,
• innerhalb des zulässigen Abstands liegen,
• frei von Öl, Staub und Kondensat bleiben.

Weitere glänzende Schrauben, Kanten oder Beschriftungen können zusätzliche Reflexionen und damit doppelte Impulse verursachen.

Werkstoff des Targets berücksichtigen

Bei passiven magnetisch-induktiven Aufnehmern wird normalerweise ein ferromagnetisches Zielrad benötigt. Aluminium, Messing oder nichtmagnetische Edelstahlqualitäten erzeugen ohne besondere Sensorausführung möglicherweise kein ausreichendes Signal.

Auch bei aktiven induktiven Näherungssensoren beeinflusst der Werkstoff den nutzbaren Schaltabstand. Der Nennschaltabstand wird häufig mit einem definierten Normtarget aus Stahl ermittelt. Andere Metalle können einen geringeren wirksamen Schaltabstand besitzen.

Eine Beschichtung, dicke Lackschicht oder anhaftender Metallabrieb kann das Schaltverhalten ebenfalls verändern. Metallspäne an der Sensorfläche können insbesondere bei magnetischen Sensoren ein dauerhaftes oder unregelmäßiges Signal verursachen.

Bei Hall- und GMR-Sensoren muss geklärt werden, ob:

• ein externer Magnet erforderlich ist,
• der Sensor einen eigenen Vorspannmagneten besitzt,
• eine bestimmte Magnetpolung notwendig ist,
• das Zielrad ferromagnetisch sein muss,
• die Drehrichtung über zwei phasenversetzte Kanäle erkannt wird.

Maximale Schaltfrequenz berechnen

Die maximale Sensorfrequenz muss größer sein als die höchste zu erwartende Impulsfrequenz. Gleiches gilt für Signalwandler, Frequenzeingang, SPS-Zähler und Softwareauswertung.

Die maximal mögliche Drehzahl ergibt sich aus:

n_max = 60 × f_max / z

Beispiele:

Zahnzahl	Maximale Frequenz	Rechnerische Maximaldrehzahl
1 Impuls/Umdrehung	500 Hz	30.000 min−1
30 Zähne	5.000 Hz	10.000 min−1
60 Zähne	5.000 Hz	5.000 min−1
60 Zähne	10.000 Hz	10.000 min−1
120 Zähne	10.000 Hz	5.000 min−1

Die Anlage sollte nicht ohne Reserve unmittelbar an der veröffentlichten Grenzfrequenz betrieben werden. Zusätzlich sind zu berücksichtigen:

• Toleranz der Maximaldrehzahl,
• kurzzeitiges Überschwingen,
• Temperaturbereich,
• unsymmetrisches Tastverhältnis,
• minimale Impulsbreite des Eingangs,
• aktive Eingangsfilter,
• Übertragungsrate nachgeschalteter Signalwandler.

Auch ein schneller Sensor hilft nicht, wenn der verwendete SPS-Eingang nur wenige hundert Hertz verarbeiten kann.

Warum treten Fehler häufig bei niedriger Drehzahl auf?

Bei passiven Induktivaufnehmern sinkt die Ausgangsspannung mit abnehmender Geschwindigkeit. Während der Sensor bei Nenndrehzahl ein Signal von mehreren Volt liefern kann, entstehen beim langsamen Anfahren möglicherweise nur wenige Millivolt.

Die Auswertung erkennt dann:

• einzelne Zähne verspätet,
• nicht jeden Zahn,
• wechselnde Flankenpositionen,
• gar keine Bewegung.

Abhilfe kann je nach Anwendung schaffen:

• kleinerer zulässiger Luftspalt,
• größere und klarer ausgeprägte Zähne,
• geeigneter Signalverstärker,
• Auswertung mit niedrigerer und hysteretischer Schaltschwelle,
• aktiver Hall-, GMR- oder Näherungssensor.

Bei einer sehr kleinen Impulsfrequenz kann auch die Auswertezeit der Drehzahlberechnung relevant sein. Wird die Frequenz über ein kurzes festes Zeitfenster gezählt, entstehen bei niedriger Drehzahl große Sprünge. Eine Periodendauermessung zwischen zwei Flanken liefert in diesem Bereich häufig eine bessere Auflösung.

Wie entstehen doppelte Impulse?

Doppelte Impulse können mechanische, optische oder elektrische Ursachen haben.

Typische mechanische Ursachen sind:

• zwei erkennbare Kanten an einem breiten oder ungünstig geformten Target,
• Bohrung, Nut oder Schraubenkopf neben dem eigentlichen Zahn,
• starkes Taumeln des Zielrads,
• vibrierender Sensorhalter,
• Metallspäne an Sensor oder Zahnrad.

Elektrische Ursachen sind:

• Ringing und Überschwingen auf der Signalleitung,
• fehlende Hysterese am Eingang,
• offener beziehungsweise falsch dimensionierter Pull-up-Widerstand,
• Störungen durch Frequenzumrichter oder Schütze,
• fehlender gemeinsamer Bezug zwischen Sensor und Auswertung.

Bei optischen Sensoren können zwei Reflexmarken, eine glänzende Kante oder eine teilweise abgelöste Marke zusätzliche Pulse erzeugen.

Eine reine Softwarefilterung kann die Anzeige beruhigen, beseitigt aber nicht die Ursache. Bei einer Überdrehzahl- oder Positionsüberwachung können ungeprüfte Filter außerdem relevante echte Impulse unterdrücken.

PNP, NPN, Push-Pull und passive Signale unterscheiden

Ausgang	Funktionsprinzip	Wichtiger Hinweis
PNP	Schaltet den Ausgang in Richtung positiver Versorgung	Der Eingang benötigt einen Bezug zu 0 V
NPN	Schaltet den Ausgang in Richtung 0 V	Benötigt eine geeignete Last oder einen Pull-up gegen Plus
Push-Pull	Treibt den Ausgang aktiv auf High und Low	Erzeugt auch bei höheren Frequenzen definierte Flanken
Open Collector	Schaltet nur in eine Richtung	Pull-up-Widerstand und Eingangsspannung müssen passen
Passiver Induktivaufnehmer	Erzeugt eine drehzahlabhängige Wechselspannung	Benötigt einen dafür geeigneten Frequenzeingang oder Signalformer

Vor dem Anschluss müssen mindestens geprüft werden:

• Versorgungsspannung,
• Pinbelegung,
• Ausgangstyp,
• zulässiger Ausgangsstrom,
• Eingangsschwellen der Auswertung,
• gemeinsames Bezugspotential,
• maximale Eingangsfrequenz.

Ein NPN-Sensor an einem ausschließlich für PNP vorgesehenen Eingang liefert ohne passende Beschaltung möglicherweise dauerhaft Low oder undefinierte Signale. Ein passiver Aufnehmer kann durch eine ungeeignete Eingangsbeschaltung übermäßig belastet und dadurch zusätzlich abgeschwächt werden.

SPS-Eingang und Frequenzzähler richtig konfigurieren

Ein normaler digitaler SPS-Eingang wird häufig zyklisch im Anwenderprogramm ausgewertet. Kurze Impulse können vollständig zwischen zwei Programmzyklen liegen.

Für schnelle Drehzahlsignale werden deshalb typischerweise benötigt:

• Highspeed-Zählereingang,
• Hardware-Frequenzzähler,
• Capture- oder Interrupt-Funktion,
• geeigneter Frequenz-Messumformer.

Zusätzlich sind folgende Parameter zu prüfen:

• maximale Eingangsfrequenz,
• minimale High- und Low-Zeit,
• digitale Eingangsfilterzeit,
• Flankenauswahl steigend oder fallend,
• Impulse pro Umdrehung,
• Messfenster und Mittelwertbildung,
• Timeout bei Stillstand,
• Über- und Unterdrehzahlgrenzen.

Ein Eingangsfilter von 5 ms unterdrückt beispielsweise Impulse, die kürzer als dieser Zeitraum sind. Bereits bei 100 Hz und einem Tastverhältnis von 50 % beträgt die High-Zeit nur 5 ms.

Bei schneller Drehzahlmessung darf daher nicht nur die nominelle Frequenzgrenze betrachtet werden. Die tatsächlich erforderliche Impulsbreite muss ebenfalls zur Filter- und Eingangskonfiguration passen.

Schirmung und Leitungsführung richtig ausführen

Drehzahlsignale werden häufig in unmittelbarer Nähe von Motorleitungen, Frequenzumrichtern, Schützen und Magnetventilen übertragen. Besonders passive Sensorsignale mit kleiner Amplitude sind störanfällig.

Geeignete Maßnahmen sind:

• geschirmte und möglichst verdrillte Signalleitung verwenden,
• Signalleitung räumlich von Motor- und Leistungskabeln trennen,
• Kreuzungen möglichst rechtwinklig ausführen,
• Sensorversorgung ausreichend entkoppeln,
• Signal- und Versorgungspotentiale eindeutig führen,
• Schirm entsprechend Hersteller- und Anlagenkonzept anschließen,
• keinen Betriebsstrom über den Kabelschirm führen,
• Metallische Sensorhalter und Maschinenpotential berücksichtigen.

Eine pauschale Vorgabe, den Schirm immer nur einseitig oder immer beidseitig aufzulegen, ist nicht für jede Anwendung richtig. Bei hochfrequenten Störungen kann eine großflächige beidseitige Schirmanbindung erforderlich sein. Bei Potentialunterschieden müssen dagegen Ausgleichsströme und das Erdungskonzept berücksichtigt werden.

Bei langen Leitungen sind zusätzlich Leitungskapazität, Ausgangstreiber und gegebenenfalls eine differenzielle Signalübertragung zu prüfen.

Signal mit dem Oszilloskop prüfen

Eine reine Drehzahlanzeige zeigt nicht, weshalb Impulse fehlen. Das Oszilloskop macht Signalform und zeitlichen Verlauf sichtbar.

Gemessen werden sollten:

• Signal direkt am Sensor,
• Signal am Ende der Leitung,
• Signal am Eingang der SPS oder des Frequenzzählers,
• gegebenenfalls Versorgungsspannung des Sensors.

Zu beurteilen sind:

• High- und Low-Pegel,
• Amplitude bei minimaler und maximaler Drehzahl,
• Anstiegs- und Abfallzeit,
• minimale Impulsbreite,
• Tastverhältnis,
• Rauschen und Störimpulse,
• Überschwingen und Mehrfachflanken,
• periodische Amplitudenänderungen durch Rundlauf.

Für seltene Fehler eignet sich eine Triggeraufzeichnung. Der Trigger kann auf einen zu kurzen Impuls, einen fehlenden Impulsabstand oder eine ungewöhnliche Amplitude eingestellt werden.

Das Messgerät und der Tastkopf müssen für die vorhandene Spannung und Anlagenumgebung geeignet sein. Bei Messungen an nicht galvanisch getrennten Systemen ist insbesondere die Masseverbindung des Oszilloskops zu beachten.

Drehzahl mit einer Referenzmessung vergleichen

Eine unabhängige Drehzahlmessung hilft, zwischen einem realen Drehzahlsprung und einem Fehler der Impulserfassung zu unterscheiden.

Geeignete Referenzverfahren sind:

• optischer Drehzahlmesser mit einer einzelnen Reflexmarke,
• Kontakt-Drehzahlmesser bei zugänglicher Welle,
• Stroboskop,
• zweiter unabhängig arbeitender Sensor,
• Encoder oder Maschinensignal mit bekannter Genauigkeit.

Bei einer optischen Messung mit einer Reflexmarke entspricht ein Impuls einer Umdrehung. Mehrere vorhandene Reflexstellen führen dagegen zu einem ganzzahligen Vielfachen der tatsächlichen Drehzahl.

Ein Stroboskop kann ebenfalls Mehrdeutigkeiten erzeugen. Ein scheinbar stillstehendes Bild kann bei der tatsächlichen Drehzahl, aber auch bei einem ganzzahligen Teil oder Vielfachen auftreten. Die Einstellung muss deshalb aus unterschiedlichen Blitzfrequenzen angenähert werden.

Systematischer Diagnoseablauf

1. Fehlerbild dokumentieren: Auftreten bei Anlauf, Nenndrehzahl, Erwärmung, Lastwechsel oder Vibration festhalten.
2. Impulszahl prüfen: Tatsächliche Zahn-, Magnet- oder Reflexmarkenzahl bestimmen.
3. Frequenz berechnen: Höchste und niedrigste Impulsfrequenz aus Drehzahl und Impulszahl ermitteln.
4. Grenzwerte vergleichen: Sensor, Signalwandler und Auswerteeingang auf Frequenz und Mindestimpulsbreite prüfen.
5. Zielrad kontrollieren: Zähne, Lücken, Rundlauf, Material und Verschmutzung untersuchen.
6. Luftspalt messen: Minimalen und maximalen Abstand über eine vollständige Umdrehung erfassen.
7. Sensorhalter prüfen: Festigkeit, Ausrichtung und Vibrationsverhalten kontrollieren.
8. Elektrischen Anschluss prüfen: Versorgung, PNP/NPN/Push-Pull, Pinbelegung und Bezugspotential verifizieren.
9. Eingangsparameter prüfen: Hardwarezähler, Filterzeit, Flanke und Skalierung dokumentieren.
10. Signal aufzeichnen: Oszilloskopmessung bei minimaler, mittlerer und maximaler Drehzahl durchführen.
11. Störquellen schalten: Einfluss von Frequenzumrichter, Schützen und Magnetventilen untersuchen.
12. Referenz messen: Drehzahl unabhängig optisch oder mechanisch bestätigen.
13. Änderungen einzeln durchführen: Nach jeder Korrektur die Wirkung unter identischen Bedingungen prüfen.

Praxisbeispiel: Fehlpulse an einem Zahnrad

Auf einem Prüfstand wird die Drehzahl eines Antriebs über ein Zahnrad mit 48 Zähnen erfasst. Die maximale Drehzahl beträgt 7.200 min⁻¹. Bei hohen Drehzahlen fällt die Anzeige sporadisch ab und springt anschließend wieder auf den erwarteten Wert.

Die erforderliche Frequenz beträgt:

f = 7.200 × 48 / 60 = 5.760 Hz

Bei der Prüfung werden folgende Ursachen festgestellt:

• Der vorhandene Frequenzeingang ist nur bis 5 kHz spezifiziert.
• Ein zusätzlich aktivierter Eingangsfilter verlängert die erforderliche Mindestimpulsbreite.
• Der Luftspalt schwankt durch den Rundlauf des Zielrads.
• Die Signalleitung verläuft über mehrere Meter parallel zum Motorkabel.

Der Sensor wird durch eine für den erforderlichen Frequenzbereich geeignete Ausführung mit aktivem Push-Pull-Ausgang ersetzt. Das Signal wird auf einen ausreichend schnellen Zählereingang geführt. Der Sensorhalter wird versteift, der Luftspalt über eine vollständige Umdrehung eingestellt und die Signalleitung getrennt vom Motorkabel verlegt.

Die anschließende Oszilloskopmessung zeigt über den gesamten Drehzahlbereich eindeutig definierte High- und Low-Pegel. Die optische Referenzmessung und die Impulsauswertung stimmen anschließend überein.

Das Beispiel zeigt, dass nicht ein einzelner Fehler, sondern die Kombination aus Frequenzgrenze, Luftspalttoleranz und Leitungsführung zum Impulsverlust geführt hat.

Typische Fehler bei Drehzahlsensoren

Fehler	Mögliche Folge	Geeignete Maßnahme
Maximalfrequenz ohne Zahnzahl bewertet	Sensor wird bei hoher Drehzahl überfahren	Frequenz aus Drehzahl und Impulszahl berechnen
Luftspalt nur im Stillstand an einer Position eingestellt	Rundlauf verursacht periodische Impulsverluste	Abstand über eine vollständige Umdrehung prüfen
Passiver Sensor direkt an normalen SPS-Eingang angeschlossen	Fehlende Pulse bei niedriger Drehzahl	Geeigneten Signalformer oder Frequenzeingang einsetzen
PNP- und NPN-Ausgang verwechselt	Dauerhaftes oder undefiniertes Eingangssignal	Ausgangstyp und SPS-Eingang aufeinander abstimmen
Normaler SPS-Eingang statt Hardwarezähler verwendet	Kurze Impulse werden zwischen Programmzyklen übersehen	Highspeed-Zähler oder Frequenzmodul verwenden
Eingangsfilter zu lang eingestellt	Gültige Pulse werden unterdrückt	Filterzeit anhand der minimalen Pulsbreite festlegen
Ungeeignetes Targetmaterial	Zu kleiner Schaltabstand oder kein Signal	Werkstoffanforderungen des Sensors prüfen
Sensorhalter schwingt	Luftspalt und Schaltpunkt ändern sich dynamisch	Halter versteifen und gegen Lösen sichern
Reflexmarke teilweise abgelöst	Mehrfachimpulse oder Aussetzer	Marke erneuern und Oberfläche vorbereiten
Signalleitung parallel zum Motorkabel verlegt	Störimpulse und springende Anzeige	Getrennte, geschirmte Leitungsführung herstellen
Schirm ohne Erdungskonzept angeschlossen	Störungen oder Ausgleichsströme	Hersteller- und Anlagenvorgaben zur Schirmanbindung beachten
Nur die geglättete Drehzahlanzeige geprüft	Fehlpulse bleiben in der Mittelwertbildung verborgen	Rohsignal und Impulsabstände aufzeichnen

Was gehört in die Messdokumentation?

Eine nachvollziehbare Dokumentation sollte mindestens enthalten:

• Anlage, Welle und Messstelle,
• Sensortyp und Seriennummer,
• Messprinzip und Ausgangsart,
• Versorgungsspannung,
• Zielradmaterial und Zahnzahl,
• Zahnbreite, Zahnlücke und Zahnhöhe,
• eingestellter Luftspalt,
• gemessener Rundlauf,
• minimaler und maximaler Drehzahlbereich,
• berechneter Frequenzbereich,
• maximale Sensor- und Eingangsfrequenz,
• minimale Impulsbreite,
• Leitungstyp, Länge und Schirmanbindung,
• verwendeter SPS- oder Frequenzeingang,
• Eingangsfilter und Flankenauswertung,
• Oszilloskopbilder bei niedriger und hoher Drehzahl,
• Ergebnis der unabhängigen Referenzmessung,
• durchgeführte Änderungen und Abschlussprüfung.

Fotos von Sensorposition und Zielrad erleichtern spätere Vergleichsmessungen. Bei sicherheitsrelevanter Überdrehzahlüberwachung müssen zusätzlich die vollständige Auslösekette, Prüfintervalle und vorgeschriebenen Funktionsprüfungen dokumentiert werden.

Welche Produkte und Lösungen eignen sich?

HySense RS500 Induktivaufnehmer

Der HySense RS500 ist ein induktiver Drehzahl- beziehungsweise Frequenzsensor mit aktivem Push-Pull-Ausgang.

Der Frequenzbereich reicht von ungefähr 1 bis 10.000 Hz. Die aktive Ausgangsstufe erzeugt definierte Signalpegel und erleichtert die Übertragung an geeignete Frequenzeingänge und Hydrotechnik-Messsysteme.

Das robuste Aluminiumgehäuse besitzt die Schutzart IP67. Die Versorgung erfolgt mit 8 bis 30 V DC. Vor der Anwendung müssen Zahngeometrie, Werkstoff, Luftspalt und die Kompatibilität des nachgeschalteten Eingangs geprüft werden.

HySense RS5xx

Die HySense-RS5xx-Baureihe umfasst unterschiedliche induktive Frequenzsensoren.

RS500 und RS506 decken Frequenzen bis 10.000 Hz ab. Der RS510 ist für einen Bereich bis 5.000 Hz vorgesehen. Die Sensoren besitzen einen mechanischen Anschluss M14 × 1 und sind für industrielle Drehzahl- und Frequenzmessungen ausgelegt.

Die gewählte Ausführung muss zur erforderlichen Ausgangsart, Messgenauigkeit, Temperatur und Messgeräteanbindung passen.

HySense RS300 und RS310

Die HySense-Sensoren RS300 und RS310 arbeiten nach dem GMR-Prinzip und decken einen Frequenzbereich von 0,5 bis 1.800 Hz ab.

Sie eignen sich für magnetische beziehungsweise ferromagnetische Zielsysteme, bei denen ein stabiler Frequenzausgang auch im unteren Drehzahlbereich erforderlich ist. Zielrad, Magnetanordnung und Anschluss müssen entsprechend der konkreten Ausführung abgestimmt werden.

HySense RS100 optischer Drehzahlsensor

Der HySense RS100 erkennt Reflexmarken mit sichtbarem Rotlicht. Mit Standardreflektoren beträgt die angegebene Reichweite bis 500 mm.

Die maximale Signalfolgefrequenz beträgt 500 Hz. Bei einer Reflexmarke pro Umdrehung entspricht dies rechnerisch bis zu 30.000 min⁻¹. Werden mehrere Marken verwendet, reduziert sich die zulässige Maximaldrehzahl entsprechend.

HySense SC100 Frequenz-Signalwandler

Der HySense SC100 verarbeitet Frequenzsignale bis 5.000 Hz und stellt unter anderem ein 4–20-mA-Ausgangssignal bereit.

Er eignet sich, wenn ein Frequenzsignal für eine analoge SPS-Eingabe, Anzeige oder Prozessaufzeichnung in ein Standardsignal umgewandelt werden soll. Die maximal auftretende Zahnfrequenz darf den Eingangsbereich des Wandlers nicht überschreiten.

C.A 1727 Drehzahlmesser

Der C.A 1727 ermöglicht optische und berührende Drehzahlmessungen bis 100.000 min⁻¹.

Das Gerät bietet zusätzlich Frequenz-, Perioden- und Ereignismessungen sowie Speicher und USB-Schnittstelle. Es eignet sich insbesondere als unabhängige Referenz bei der Fehlersuche an fest installierten Drehzahlsensoren.

ICS Schneider Messtechnik unterstützt bei der Auswahl von Sensortechnologie, Frequenzbereich, Zielrad, Luftspalt, Signalwandler und Auswertegerät sowie bei der Zusammenstellung vollständiger Messketten für Motoren, Turbinen, Förderanlagen und Prüfstände.

Fazit

Fehlende oder doppelte Drehzahlimpulse entstehen häufig nicht in der Software, sondern an der Schnittstelle zwischen Sensor, Target und elektrischer Auswertung.

Die erforderliche Schaltfrequenz ergibt sich aus Drehzahl und Impulszahl pro Umdrehung. Ein hochauflösendes Zielrad erzeugt bereits bei mittleren Drehzahlen mehrere Kilohertz und kann die Grenzfrequenz von Sensor, Signalwandler oder SPS-Eingang überschreiten.

Der Luftspalt muss über eine vollständige Umdrehung betrachtet werden. Rundlauf, Lagerbewegung, Vibration und thermische Ausdehnung dürfen weder zum Signalverlust noch zur mechanischen Berührung führen.

Zahnmaterial, Breite, Lücke und Kantenform müssen zum Messprinzip passen. Passive Induktivaufnehmer können besonders bei niedriger Drehzahl zu kleine Signale liefern, während aktive Sensoren vor allem durch Schaltfrequenz und Mindestimpulsbreite begrenzt werden.

PNP-, NPN-, Push-Pull- und passive Ausgangssignale benötigen unterschiedliche Eingangsbeschaltungen. Ein schneller Sensor darf nicht über einen langsamen Standard-SPS-Eingang ausgewertet werden.

Die zuverlässigste Diagnose kombiniert mechanische Prüfung, Frequenzberechnung, Oszilloskopaufzeichnung und eine unabhängige Referenzmessung. Änderungen sollten einzeln durchgeführt und unter denselben Betriebsbedingungen überprüft werden.

Häufige Fragen zu fehlenden Impulsen bei Drehzahlsensoren

Warum verliert der Sensor nur bei hoher Drehzahl Impulse?

Häufig wird die maximale Schaltfrequenz des Sensors oder Eingangs überschritten. Zusätzlich können zu kurze Impulse durch ein Eingangsfilter unterdrückt werden.

Wie berechne ich die Frequenz eines Zahnrads?

Die Drehzahl in min⁻¹ wird mit der Zahnzahl multipliziert und durch 60 geteilt. Bei 3.000 min⁻¹ und 60 Zähnen entstehen 3.000 Hz.

Warum funktioniert ein passiver Induktivsensor bei niedriger Drehzahl nicht?

Seine Ausgangsspannung hängt von der Änderungsgeschwindigkeit des Magnetfelds ab. Mit sinkender Drehzahl kann die Signalamplitude unter die Erkennungsschwelle fallen.

Kann der Luftspalt möglichst klein eingestellt werden?

Nicht ohne Berücksichtigung von Rundlauf, Lagerbewegung, Vibration und Wärmeausdehnung. Ein zu kleiner Abstand kann zur Kollision zwischen Sensor und Zielrad führen.

Warum entstehen doppelte Pulse an einem Zahn?

Mögliche Ursachen sind ungünstige Zahnkanten, Vibration, elektrische Überschwinger, fehlende Hysterese oder eine zweite optische Reflexstelle.

Was ist der Unterschied zwischen PNP und NPN?

Ein PNP-Ausgang schaltet das positive Versorgungspotential zum Eingang. Ein NPN-Ausgang schaltet den Eingang gegen 0 V. Sensor und Auswertung müssen elektrisch zueinander passen.

Was bedeutet Push-Pull-Ausgang?

Der Ausgang wird aktiv auf High und Low getrieben. Dadurch entstehen definierte Flanken, ohne dass ausschließlich ein externer Pull-up- oder Pull-down-Widerstand den Signalpegel erzeugt.

Darf das Drehzahlsignal an einen normalen SPS-Eingang angeschlossen werden?

Nur wenn Frequenz und Impulsbreite innerhalb seiner Spezifikation liegen. Für schnelle Signale wird normalerweise ein Hardwarezähler oder Highspeed-Eingang benötigt.

Warum springt die Anzeige trotz gleichmäßiger Drehzahl?

Mögliche Ursachen sind fehlende Impulse, doppelte Flanken, ein falscher Impulsfaktor, Rundlauf des Zielrads oder eine ungeeignete Berechnungs- und Mittelwertzeit.

Wie prüfe ich, ob der Sensor oder die Steuerung die Ursache ist?

Das Signal wird zuerst direkt am Sensor und anschließend am Eingang der Steuerung mit einem Oszilloskop geprüft. Eine unabhängige optische Drehzahlmessung bestätigt die tatsächliche Drehzahl.

Kann eine längere Filterzeit die Messung stabilisieren?

Sie kann kurze Störimpulse unterdrücken, aber auch gültige Drehzahlimpulse entfernen. Die Filterzeit muss kleiner als die relevanten High- und Low-Zeiten sein.

Welcher Sensor eignet sich für eine sehr niedrige Drehzahl?

Häufig sind aktive Hall-, GMR- oder induktive Näherungssensoren geeigneter als passive Induktivaufnehmer. Die konkrete Auswahl hängt von Target, Luftspalt, Umgebung und Ausgangssignal ab.