Geschwindigkeitssensor

Bei einer Geschwindigkeitsmessung wird mit Hilfe technischer Einrichtungen herausgefunden, welchen Weg ein Objekt in einer bestimmten Zeit zurückgelegt hat, oder welche Zeit ein Objekt für die Zurücklegung eines bestimmten Weges benötigt hat.

Berechnende Verfahren ermitteln die Durchschnittsgeschwindigkeit im betrachteten Weg- oder Zeit-Abschnitt. Wenn dieser Abschnitt sehr klein ist, wird annähernd die Momentangeschwindigkeit gemessen. Meßmethoden die physikalische Effekte nutzen und nicht träge reagieren, messen die Momentangeschwindigkeit. Weiterhin können bei der Auswertung der Geschwindigkeitsverteilung die Maximal- und die Minimalgeschwindigkeit ermittelt werden.

Die Geschwindigkeit kann grundsätzlich mit folgenden Wirkprinzipien gemessen werden:

Berechnende Verfahren

Zeitmessung einer Wegstrecke

Mit Lichtschranken, Ultraschallschranken, Mikrowellenschranken, oder mit anderen schaltenden Sensoren wird die Zeit t gemessen, die das Objekt für einen bestimmten Weg x benötigt.

Die Geschwindigkeit v wird berechnet mit $v = {x \over t}$.
Mit der Tachymeter-Skale der Stoppuhr wird die Geschwindigkeit einfacher durch eine Multiplikation berechnet.

Anwendung im modernen Tachometer, beim Sport, bei der Geschwindigkeitsüberwachung im Straßenverkehr, beim Log (Messgerät).

Wegmessung in festen Zeitabständen

Wenn die Position, Entfernung oder der zurückgelegte Weg (x = x₂ − x₁) zu zwei Zeitpunkten (t₁ und t₂) bekannt sind, berechnet sich die Geschwindigkeit mit $v = \frac {x_2 - x_1}{t_2 - t_1} = \frac {\Delta x}{\Delta t} = \dot x (t)$.
Die Position kann mit GPS, Laufzeitmessung von Laser- oder Radarimpulsen oder optisch mit Kameras gemessen werden. Weitere Verfahren siehe Entfernungsmessung.

Anwendung z. B. bei der Laserpistole, optische Geschwindigkeitsmessung in Walzwerken

Integration der Beschleunigung

Eine mit Beschleunigungssensoren gemessene Beschleunigung a kann durch Integration in die Geschwindigkeit umgerechnet werden. $v = \int_{0}^{t} a\, \mathrm{d}t$
Fehler bei der Integration können durch Kontrolle mit anderen Sensoren herausgerechnet werden.

Anwendung im Maschinenbau, bei Rütteltischen.

physikalische Effekte

Elektromagnetische Induktion

Nach dem Induktionsgesetz ist die Spannung in einer Spule proportional zur Geschwindigkeit der Änderung des magnetischen Flusses.

Dieses Prinzip nutzen Tachogeneratoren, Impeller, Tauchspulgeräte, Wirbelstromaufnehmer

Doppler-Effekt

Wenn Radar- oder Laserstrahlen von einem Objekt reflektiert werden, haben diese Strahlen eine höhere Frequenz, wenn sich das Objekt auf den Betrachter zu bewegt. Dieser Frequenzunterschied des Doppler-Effektes wird ausgewertet.

Anwendung in der Laserdoppler-Anemometrie, beim Ultraschalldurchflusssensor, in der Militärtechnik, Verkehrsüberwachung

Staudruckmessung

Mit einer Prandtlsonde wird die Differenz p_dyn zwischen Staudruck und statischem Druck gemessen. Die Strömung muss wirbellos sein dann gilt: $v = \sqrt{\frac {2 \cdot p_{dyn}}{\rho} } \quad \mid \rho =$ Dichte

Anwendung zur Bestimmung der Geschwindigkeit von Flugzeugen, Schiffen, Strömungsgeschwindigkeit von Gasen und Flüssigkeiten.

Wärmeabgabe

Ein erhitzter Draht wird durch die ihn umströmende Luft abgekühlt. Die Widerstands- oder Längenänderung des Drahtes wird gemessen.

Anwendung im Hitzdrahtanemometer, Schnelleempfänger

weitere Verfahren

• Oft wird die geradlinige Bewegung in eine Drehzahl gewandelt, die dann gemessen wird: siehe Drehzahlmessung.
• Über die Auswertung der Strömungsgeschwindigkeit können auch Durchflüsse in Rohren und die resultierenden Kräfte bestimmt werden. siehe Durchflussmessung.
• Es gibt optische Verfahren der Geschwindigkeitsmessung, die Bildfolgen von Kameras auswerten und den optischen Fluss bestimmen. So funktioniert z.B. optische Mäuse. Es gibt aber noch viele andere Anwendungen. Ein weiteres Verfahren, das mit Kameras Messobjekte beobachtet daraus Geschwindigkeiten ermittelt ist das optische Ortsfilterverfahren zur 2-D-Geschwindigkeitsmessung der Fraunhofer-Gesellschaft (siehe Weblink). Es nutzt statistische Unregelmäßigkeiten der Oberfläche des Messobjekts aus.

Anwendungen

Zu Lande

• Die Geschwindigkeit eines Kraftfahrzeugs wird am Tachometer angezeigt, der die Ausgangsdrehzahl des Getriebes misst.
• Im Straßenverkehr werden Geschwindigkeiten oft durch die bei den Verkehrsteilnehmern unbeliebten Radarfallen gemessen. Zur Messung wird hierbei der Dopplereffekt genutzt. Weitere Messverfahren wie Lichtschranke, Laserpistole und mehr, sind im Hauptartikel Geschwindigkeitsüberwachung im Straßenverkehr beschrieben.
• Die Geschwindigkeitsmessung von Luftströmungen in technischen Anlagen wird mit Hilfe eines Anemometers vorgenommen.
• Im privaten Bereich kann durch ein Stroboskop die Abspielgeschwindigkeit (Drehzahl) eines Plattenspielers gemessen und anschließend frisch justiert werden.
• Im Sport sind Geschwindigkeitsmessanlagen weit verbreitet. Von Auto- und Motorradsportwettbewerben reichen die Einsatzmöglichkeiten bis hin zu Wintersportarten wie Skifahren und Skispringen. Das Passieren von Laser-Lichtschranken zu Beginn, an Zwischenpunkten und am Ende der Strecke gestattet sowohl Zeitnahme wie Ermittlung der Geschwindigkeit.
• In der industriellen Produktion werden Geschwindigkeiten in fast allen kontinuierlich arbeitenden Produktionen (z.B. Walzwerke, Papierwerk) gemessen.

Zu Wasser

• In der Nautik spricht man bezüglich Geschwindigkeitsmessung vom Log oder auch der Logge. Der Fahrtmesser klärt über das Tempo auf.
• Ein Impeller dient zur Geschwindigkeitsermittlung von Wasserfahrzeugen. Dabei treibt der Impeller einen Generator an, dessen erzeugte elektrische Spannung, auf Fahrt umgerechnet, angezeigt wird.

In der Luft

• Bei einem Luftfahrzeug ist die Kenntnis über seine Fluggeschwindigkeit unerlässlich. Der Staudruck wird bei Flugzeugen zur Geschwindigkeitsmessung benutzt, das Pitotrohr ist ein geeignetes Messinstrument. Die Steiggeschwindigkeit misst das Variometer über die Luftdruckänderung.
• 2006 soll das Meteosat-System durch einen Wettersatelliten des neuen EUMETSAT Polar Systems (EPS) ergänzt werden. Ein Mikrowellenradar zur Messung von Windgeschwindigkeiten in unterschiedlichen Höhen über dem Meer ist dort vorgesehen.

In Wissenschaft und Forschung

• In der Astronomie sind die Bewegungen der Gestirne von Interesse. Die Apexbewegung muss bei der Auswertung von Geschwindigkeitsmessungen in der Milchstraße berücksichtigt werden, um aus der Relativgeschwindigkeit zur Sonne Rückschlüsse auf die tatsächlichen galaktischen Bewegungen ziehen zu können. Der Beitrag über Sonnenapex enthält weitere Informationen.
• Otto Stern brachte 1920 die direkte Messung der Geschwindigkeit von Silberatomen fertig.

Weblinks

• Geschwindigkeitsmessung mit Speedmaster im Sport
• Geschwindigkeitsmessung von Silberatomen
• Geschwindigkeitsmessung mit Laser z.B. in Walzwerken
• Optisches Ortsfilterverfahren zur 2-D-Geschwindigkeitsmessung