Die Geschwindigkeit ist eine abgeleitete Größe des Weges bzw. des Winkels. Sie kann entweder durch direkte Messung oder durch Differenzieren aus der Lage gewonnen werden.
- Differenzieren analoger Signale
Liegt die Lage als analoge Spannung vor, kann man die Geschwindigkeit durch analoges Differenzieren mit einer Differenzierschaltung bestimmen. Der Nachteil dieses Verfahrens ist, dass der Störanteil im Lagesignal mit differenziert wird, und damit ergeben sich meist sehr große Störanteile im Geschwindigkeitssignal.
- Differenzbildung bei digitalen Messsystemen
Bei inkremental arbeitenden Messsystemen stellt die Anzahl der in einem Zähler aufaddierten Impulse in einer definierten Zeiteinheit ein Maß für die mittlere Geschwindigkeit in dieser Zeiteinheit dar. Werden diese Messsysteme in einem Rechnersystem zur Lage- und Geschwindigkeitsregelung eingesetzt, müssen die gezählten Impulse nach einer Zeiteinheit eingelesen und zur Lage aufaddiert werden, d. h. es werden die verfahrenen Inkremente innerhalb der Zeiteinheit gemessen.
Bei absoluten Messsystemen wird die Differenz von zwei zeitlich aufeinander folgenden Meßwerten gebildet, woraus sich wieder die mittlere Geschwindigkeit innerhalb der Zeiteinheit ergibt.
Diese Art, die Geschwindigkeit zu bestimmen, ist sehr störunempfindlich und wird heute oft in Regelkreisen mit digitaler Signalverarbeitung durchgeführt.
- Gleichstromgenerator
Zur Messung von Winkelgeschwindigkeiten werden bis heute im wesentlichen Gleichstromgeneratoren eingesetzt (Bild G 9 a). Schon bei kleinen Drehzahlen geben diese Geräte ein gut auswertbares Gleichspannungssignal ab. Diese Spannung ist über einen weiten Drehzahlbereich des Tachos der Drehzahl proportional. Nachteilig bei diesen Generatoren ist der für die Kommutierung erforderliche Kollektor mit den Schleifbürsten, die eine regelmäßige Wartung erfordern. Die am Kollektor abgegriffene Spannung ist abhängig von der Stellung des Rotors im Magnetfeld. Um eine hohe Gleichförmigkeit der Ausgangsspannung zu erreichen, muss der Rotor möglichst viele Pole aufweisen.
- Drehstromgenerator
Drehstromgeneratoren (Bild G 9 b) sind wartungsfrei, da sie keine Kommutierung benötigen. In den Statorwicklungen wird eine sinusförmige Ausgangsspannung induziert, deren Amplitude proportional der Drehzahl ist. Die Anzahl der Pole im Rotor und die Drehzahl bestimmen die Frequenz der Messspannung. Für Messzwecke wird deshalb eine möglichst große Polzahl angestrebt. Nach einer Gleichrichtung liefert die Messspannung ein Maß für die Geschwindigkeit. Die Bewegungsrichtung wird über die Phasenverschiebung der beiden Spannungen definiert. Probleme mit der Gleichförmigkeit des Messsignals können bei sehr kleinen Drehzahlen entstehen.
- Winkelgeschwindigkeitsaufnehmer
Eine sehr einfache Drehzahlmessung ergibt sich durch die Verwendung eines Induktionsgebers. Er besteht aus einer Spule, die einen Stabmagneten umgibt (Bild G 9 c). Wird an einem Pol des Magneten ein magnetisches Material vorbeigeführt, so entsteht eine magnetische Flussänderung in der Spule, und somit wird in ihr eine Spannung induziert. Für sehr einfache Anwendung kann zur Feldänderung direkt ein Getriebezahnrad benutzt werden. Die Frequenz der Ausgangsspannung wird dann durch Drehzahl und Zähnezahl bestimmt. Eine Auswerteschaltung kann die Impulsfrequenz in eine analoge Spannung oder einen digitalen Wert umsetzen.
- Geschwindigkeitsaufnehmer
Diese Aufnehmer arbeiten häufig nach dem Generatorprinzip und werden elektrodynamische Messwertaufnehmer genannt. Wie (Bild G 9 d) zeigt, besteht der Aufnehmer aus einer rohrförmigen Doppelspule, in der sich
ein Permanentmagnet bewegt. Eine relative Verschiebung des Magneten zu den Spulen erzeugt nach dem Generatorprinzip
U = N · l · B · v N = Anzahl der Leiter
I = Länge des Leiters im Magnetfeld
B = Magnetische Induktion
v = Geschwindigkeit des Leiters
eine Spannung am Ausgang der Spulen.
Dabei ist es unerheblich, ob sich die Spule in einem Magnetfeld oder ein Magnet in einer Spule bewegt. In beiden Fällen spricht man von aktiven Gebern, die eine Wegänderung pro Zeiteinheit, also die Geschwindigkeit messen. Diese Aufnehmer werden in der Praxis bei Messlängen bis zu 1 m eingesetzt.
Wenn man den Weg misst, kann man die Geschwindigkeit auch aus der Differentiation des Wegsignals erhalten. Das führt zwar häufig zu gestörten (verrauschten) Signalen. Trotzdem wird dieses Verfahren gerne bei Regelungen eingesetzt.
Abbildung Bild G 9: Verfahren der Geschwindigkeitsmessung; a) Gleichstromgenerator (Tacho), b) Drehstromgenerator, c) Induktiver Gewchwindigkeitsaufnehmer für Winkelgeschwindigkeiten, d) Induktiver Geschwindigkeitsaufnehmer für translatorische Bewegungen