DD222172A1

DD222172A1 - Digitale-ueberdrehzahl-schutzschaltung, insbesondere fuer zentrifugen

Info

Publication number: DD222172A1
Application number: DD25999484A
Authority: DD
Inventors: Roland Nigrini; Peter Lehmann; Joerg Rodzinka
Original assignee: Medizin Labortechnik Veb K
Priority date: 1984-02-10
Filing date: 1984-02-10
Publication date: 1985-05-08
Also published as: DE3436879A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine digitale Ueberdrehzahl-Schutzschaltung, insbesondere fuer Zentrifugen. Ihr Ziel ist es, den Bauelementenaufwand sowie den Einstell- und Abgleichaufwand zu senken und die Ausfallhaeufigkeit zu vermindern. Die zu loesende Aufgabe bestand darin, eine solche Schaltung mit rotorspezifischer Abschaltdrehzahl, moeglichst wenig Bauelementen und ohne Einstell- und Abgleichvorgaenge zu schaffen. Unter Einbeziehung einer Drehzahlabtaststufe, eines Impulsformers, eines Taktgebers und eines Abschaltkreises sind erfindungsgemaess ein programmierbarer Teiler, ein retriggerbarer Monoflop, zwei flankengetriggerte D-Flipflops, ein Negator und zwei NAND-Gatter vorgesehen, die in geeigneter Weise miteinander verknuepft sind. Fig. 1

Description

Digitale-Überdrehzahl-Schutzschaltung, insbesondere für Zentrifugen .

Internationale Patentklassifikation:

BMB« 9/10; G 05 D - 13/04; H 02. H - 7/093 Anwendungsgebiet der Erfindung:

Die Erf-indung betrifft eine digitale Uberdrehzahl-Schutzschal·- tung für Rotationskörper, insbesondere für Zentrifugen. Die Notwendigkeit eines Überdrehzahlschutzes besteht für alle Rotationskörper, die bis an die Grenze ihrer Zerreißfestigkeit betrieben werden, wie z. B, Rotore von Zentrifugen, aber auch für rotierende Antriebselemente, um Beschädigungen der von ihnen angetriebenen Elemente zu vermeiden.

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Charakteristik der bekannten technischen Lösungen:

Eine Zentrifuge kann Rotoren mit unterschiedlichen Drehzahlwerten und Größen aufnehmen, um eine Anpassung an die ge" wünschte spezielle Zentrifugenanwendung zu ,ermöglichen© Jeder Rotor hat seinen eigenen maximalen Drehzahlwert (Grenzdrehzahl) und muß gegen Überdrehzahlen und' sich daraus ergebenden Schäden geschützt werden,

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Zur Lösung dieser Aufgabe wurden anfangs mechanische Abschalteinrichtungen verwendet, wie beispielsweise in den US-ES 266 572 und 3 101 322 beschriebene Derartige Einrichtungen weisen eine große Streuung der Abschaltdrehzahlen auf, weil es praktisch unmöglich ist, die unter Spannung oder unter der Einwirkung einer Scherkraft zerbrechenden Elemente für eine definierte Abschaltdrehzahl herzustellen· Zur Vermeidung dieser Nachteile wurden elektrisch/elektronische Schutzschaltungen geschaffen. Diese enthalten eine drehzahlproportionale, rotorspezifische Impulse erzeugende induktive oder fotoelektrische Abtaststufe in Rotornähe, eine Impulsformerstufe, eine analoge Impulsbewerteschaltung und einen Abschaltkreis, z. B, DE-OS 2 415 93% BWb- 9/10,, DD-PS 200 111, H 02 H - 7/093· Sie können nicht über einen ·. großen Bereich von Abschaltdrehzahlen hinweg betrieben werden· Außerdem besitzen sie die für analoge Schaltungen typischen Mangel der eingeschränkten Genauigkeit, der Störanfälligkeit durch Fremdimpulse und der Drift der Funktionsparameter. Um diesen Nachteilen zu begegnen, wurde eine digitale Über« drehzahl-Schutzschaltung entwickelt (DE-OS 2 015 576, G 05 d -» 13/04)» Diese setzt sich aus zwei Dekadenzählern, einem binäroodierten Dezimal/Dezimal-Dekodierer, zwei Impulsformern, drei Flipflops, drei NOR«-Gattern, einem Differenzierglied, einem ;Bezugsfrequenzteiler, einem Rückstellimpulsgenerator, einer Verriegelungs-, einer Entriegelungs-, einer Zeitverzögerung sschaltung und einem Abschaltkreis zusammen· Die den Zählern zugeführten Drehzahlimpulse werden nicht aus der Rotordrehzahl, sondern aus der Motordrehzahl abgeleitet und zudem noch geteilt, so daß auf zehn Umdrehungen ein Impuls kommt· Die Schutzschaltung zahlt die zwischen den Rückstellimpulsen eintreffenden Eingangsimpulse und erzeugt ein Signal für den Abschaltkreis, wenn die Inipulszahl die am Dekodierer eingestellte Abschaltdrehzahl zuzüglich einer am Ie Zähler eingestellten überdrehzahl länger als 5 Sekunden überschreitet» Der Überdrehzahlprozentsatz wird mit wachsender

Abschaltdrehzahl kleiner.

Die Erkennung der Abschaltdrehzahl ist nicht rotorspezifisch ausgelegt» Die Abschaltdrehzahl muß durch einen Bedienenden vorgewählt werden. Irrtümer des Bedienenden -» z_e B* zu hoch gewählte Ab schalt drehzahl - führen garantiert zu einer Zer·* störung der Zentrifuge und möglicherweise zu einer Verletzung von Personen· Die Schutzschaltung ist durch einen relativ hohen Elementeaufwand und Einstell- sowie Abgleichaurwand gekennzeichnet. Mit dem hohen Elementeaufwand ist eine gewisse Ausfallhäufigkeit verbunden»

Ziel der Erfindung:

Die Erfindung hat das Ziel, den Bauelementeaurwand sowie den Einstell- und Abgleichaufwand zu senken und die Ausfallhäufigkeit zu vermindern»

Darlegung des Wesens der Erfindung:

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine digitale Überdrehzahl-Schutz schaltung mit rotorspezifischer Abschaltdrehzahl, möglichst wenig Bauelementen und ohne Einstell- und Abgleichvorgänge zu entwickeln.

Die Lösung dieser Aufgabe geht von folgenden Grundelementen aus: einer Drehzahlabtaststufe, einem Impulsformer, einem Taktgeber, einer Impulsbewerteschaltung und einem,Abschaltkreis des Antriebsmotor. In Anlehnung an analoge Schutzschaltungen .wird die Abtaststufe nahe eines am Rotor befestigten Abtastelementes angeordnet. ^;

Erfindungsgemäß ist vorgesehen:

Die Impulsbewerteschaltung ist aus einem rotorspezifisch programmierten Teiler, einem retriggerbaren Monoflop, zwei flänkengetriggerten D-Flipflops, einem Negator und zwei NAND- Gattern zusammengesetzt· Diese Elemente sind wie folgt verknüpft:

· · *- 3 «

Der Ausgang des Impulsformers ist mit dem Takteingang des Teilers und dem Eingang des Monoflops verbunden. Der Taktausgang des Taktgebers ist mit dem Setzeingang des Teilers, dem Reseteingang des ersten Flipflops und dem Takteingang des zweiten Flipflops verknüpft. Der Ausgang des Monoflops steht,mit dem D-Eingang des zweiten Flipflops in Verbindung. Der Teilerausgang ist an den B-Eingang des ersten NAED-Gatters und über den Negator an den Takteingang des ersten Flipflops geführte Dessen Ausgang ist mit dem Α-Eingang des ersten NAND-Gatters verbunden«» Der Ausgang des zweiten Flipflops ist mit dem B-Eingang des zweiten NAKD-Gatters verknüpft, dessen Α-Eingang an den Ausgang des ersten NAHD-Gatters angeschlossen ist_o Der Ausgang des zweiten HAM)-Gatters weist eine Verbindung zum Eingang des Abschaltkreises auf· Ein zweiter Ausgang ,des Taktgebers ist mit dem Reseteingang des zweiten Flipflops verbunden.

Ausführungsbeispiel:

In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig, 1 das Prinzipschaltbild der Überdrehzahlschutz schaltung

Fig· 2 das Schaltbild einer konkreten Ausführung der Impulsbewerteschaltung :

Fig. 3 das Impulsdiagramm der Impulsbewerteschaltung nach Fig»

Fig. 1 veranschaulicht das Schaltungsprinzip in Verbindung mit einer Zentrifuge· Von der Zentrifuge sind schematisch der Rotor 1, die Rotorwelle oder -nadel 2 und der Antriebsmotor 3 einschließlich Getriebe dargestellt« Am Boden des Rotors 1 ist als Abtastelement eine Sektoren abwechselnder magnetischer Konsistenz aufweisende Abtastscheibe 4 befestigt In ihrer unmittelbaren Nähe ist die induktive Abtaststufe 5 angeordnet» Ihr ist ein . < Impulsformer 6 nachgeschaltet, dessen Ausgang 17 den Informationseingang für die Impulsbewerteschaltung 7 bildete Der Ausgang 19 dieser Schaltung ist an den Eingang des Abschaltkreises 8 geführt, der ausgangsseitig mit einem Steuerkreis des Antriebsmotors 3 in Verbindung steht· ι Kernstück der Schutzschaltung ist die Impulsbewerteschaltung 7 (Figo 2). Bie ist aus integrierten Schaltkreisen aufgebaut, deren Typkennzeichen in der Fig_e 2 vermerkt sind·

Der Ausgang 17 des Impulsformers 6 ist an den Takteingang I^ des programmierbaren Teilers" 9 und· &en Eingang B des retriggerbaren Monoflops 10 geführt·' Der Taktausgang 20 des Taktgebers 16 ist mit dem Setzeingang Is1,2 des Teilers 9i äem Reseteingang R des ersten Flipflops 11 und dem Takteingang T des zweiten Flipflops 12 verknüpft. Der Ausgang Q ctes retriggerbaren Monof lops 10 ist mit dem D-Eingang des zweiten Flipflops 12 verbunden· Der Teilerausgang O₁ steht mit dem B-Eingang des ersteh NAND-Gatters 14 direkt und über den Negator 13 mit dem Takteingang T des ersten Flipflops 11 in Verbindung· Der Ausgang Q des ersten Flipflops 11 ist an den Α-Eingang des ersten NAND-Gatters 14 geführt. Der Ausgang Q des zweiten Flipflops 12 ist mit dem B-Eingang des zweiten NAND-Gatters 15 verbunden, dessen Α-Eingang an den Ausgang 18 des ersten NAND-G-atters 14 angeschlossen ist«, Der Ausgang 19 des zweiten NAND-Gatters 15 besitzt einen Anschluß an den Eingang des Abschaltkreises 8. Ein zweiter Ausgang 21 des Taktgebers 16 steht mit ^edem Reseteingang R des zweiten Flipflops 12 in Verbindung· Der Taktgeber 16 weist einen Start/Stopp-Eingang 22 auf. Die weiteren in Sig_t 2 dargestellten separaten Beschaltungen der Elemente 9; 10 j 11;'12 sind, fachgemäß und nicht, erf indungs typisch. Die Funktionsweise der beschriebenen Schutzschaltung soll anhand der Impulsdiagramme (Fig. 3) der Eingangs- und Ausgangssignale erläutert werden. Die Signalamplituden sind wie üblich mit den Bezugszeichen der entsprechenden Ein- bzw. Ausgänge belegt. Unter diesen sind in Klammern die Bezugszeichen der zugehörigen Bauelemente angegeben· Betrachtet werfen drei funktionstypische Betriebszustände a), b) und c), die in Fig. 3 nebeneinander dargestellt sind· Im Betriebszustand a) bleibt die Rotordrehzahl unter ihrer Abschaltdrehzahl«, Im Betriebs-. , zustand b) überschreitet sie die Abschaltdrehzahl· Im Betriebszustand c) schließlich fallen die Abtastimpulse 17 wegen Funktionsausfalls der Bauelemente 3 und 4 oder wegen Leitungsunterbrechung ausο Die Signalamplituden weisen entweder H- oder L-Pegel aufβ

Die in der Abtaststrafe 5 erzeugten und im Impulsformer 6 auf Rechteckform gebrachten drehzahlproportionalen Abtastimpulse 17 werden zwecks Peststellung der Zulässigkeit ihrer Anzahl während einer durch den Zeittakt 20 vorgegebenen Zeit dem programmierbaren Teiler 9 zugeführt» Zur Feststellung eines Ausfalls der Abtastimpulse 17 werden sie gleichzeitig auf den Eingang B des Monoflops 10 gegeben. Der Zeittakt 20 mit der Periodendauer T und dem Tastverhältnis 1 : 1 weist eine L- und eine H-Pegelphase auf. Er aktiviert und reaktiviert die Schaltung in ständigem Wechsel, wobei die H-Pegelphase den Teiler 9 und die Flipflops 11; 12 in Aktion versetzt.

Der Taktgeber 16 wird durch einen Startimpuls 22 in Betrieb gesetzt· Er erzeugt an seinem zweiten Ausgang 21 ein Resetsignal R für den zweiten Flipflop 12, wodurch dessen Ausgang § auf jeden Fall Η-Pegel erhält, welches am B-Eingang des zweiten MAND-Gatters 15 anliegt_β In der L-Pegelphase des Zeittaktes 20 (1. Halbperiode) liegt der Ausgang O₁ des Teilers 9 auf Η-Pegel, am Ausgang Q des ersten Flipflops 11 ergibt sich L-Pegel.

Beide Eingänge A; B des ersten NAHD-Gatters 14 weisen ungleiche Pegel auf, so daß sein Ausgang 18 Η-Pegel besitzt» Der B-*Eingang des zweiten HAND-Gatters 15 führt infolge des vorangegangenen R-Signals am zweiten Flipflop 12 ebenfalls Η-Pegel, so daß sein Ausgang 19 L-Pegel annimmt und der Abschaltkreis 8 nicht wirkt. .

Mit Beginn der H-Pegelphase des Zeittaktes 20 (2· Halbperiode) erhält der Setzeingang Ig-] 2 ^^es Teilers 9 Η-Pegel und bringt dessen Ausgang Oj in L-Pegel, jedoch nur, wenn am Takteingang I^ des Teilers 9 gleichzeitig ein L-Pegel der Abtastimpulse 17 vorliegt, oder bei Η-Pegel erst dann, wenn die nächste H-Ir-Flanke dieser Impulsfolge auftritt» Gleichzeitig bewirkt die H-Pegelphase des Zeittaktes 20 die Freigabe des ersten Flipflops 11, so daß der Pegelwechsel H-L am Teilerausgang Oj₁ durch den Negatqr 13 negiert, eine Umschaltung des ersten

Flipflops 11 auf den Zustand Η-Pegel veranlaßt· Damit liegen vor dem Schalten des ersten Flipflops 11 an beiden Eingängen A, B des ersten NAND-Gatters 14 kurzzeitig L-Pegel an, nach dem Schalter wieder ungleiche Pegel«, Der Ausgang 18 bleibt dabei auf H-Pegel_o Da am Ausgang Q dos zweiten Flipflops 12 Η-Pegel erhalten blieb, bleibt auch der L-Pegel am Ausgang 19 des zweiten NAHD-Gatters 15 bestehen.

Die Abtastimpulsfolge 17 wird im Teiler 9 entsprechend dem programmierten Untersetzungsfaktor χ untersetzt:

x = 120

wo η die Grenzdrehzahl des Rotors in min , k die Anzahl der Segmente der Abtastscheibe 4 und T die Periodendauer des' Zeit—

taktes 20 in s ist, ·

ι . . ·

Ist die zweite Halbperiode des Zeittaktes 20 beendet, bevor eine Pegeländerung am Ausgang Oy des Teilers 9 auftrat, wird der Teiler 9 durch eine erneute L-Pegelphase des Zeittaktes 20 zurückgesetzt und der erste Flipflop 11 wieder gesperrt· Dier? ser Prozeß läuft nun kontinuierlich aller Halbperioden ab, wodurch eine passive und aktive Phase der Impulsbewerteschaltung 7 existiert (Fig. 3 a)·. -

ImFaIIe einer Überdrehzahl erscheinen am Takte ingang Im^. des Teilers 9 während derH-Pegelphase des Zeitfaktes 20 mindestens soviel Abtastimpulse 17, wie sie der Abschaltdrehzahl entsprechen» Es wird die gesamte programmierte Teilerkette durchlaufen, der Ausgang Oj des Teilers 9 schaltet in den H-Zustand, bevor dies durch die HL-Flanke des Zeittaktes 20 geschehen kanne Da der Ausgang Q des ersten Flipflops 11 ebenfalls H- Pegel aufweist, schaltet das erste NAND-Gatter 14- ausgangsseitig auf Ir-Pe gel * Nunmehr bestehen an den Eingängen A₉ B des zweiten UAND-Gatters 15 ungleiche Pegel, wodurch sein Ausgang 19 Η-Pegel annimmt und den Abschaltkreis· 8 aktiviert. Über den

ί,

Steuerkreis wird der Motor 3 abgeschaltet (Fig· 3b). Es ist ersichtlich, daß die maximale Ansprechzeit der Schaltung, bedingt durch ihren Phasenwech.seI₉ eine Halbperiode des Zeittaktes 20 nicht überschreitet»

Die gleichzeitig dem Monoflop 10 zugeführte Impulsfolge 17 erzeugt an dessen Ausgang Q einen quasistatischen Zustand mit L-Pegel» solange diese Impulsfolge anliegt. Dieser L-Pegel am D-Eingang des zweiten Flipflops 12 bewirkt einen H-Pegel an dessen Ausgang Q nach vorheriger Wegnahme des Resetsignals 21· Der H-Pegel bleibt auch beim Auftreten der LH-Flank© des Zeitfaktes 20 erhalten (Figo 3 a, b). Beim Fehlen von Abtastimpulsen 17 am Eingang B des retriggerbaren Monoflops 10 führt dessen Ausgang Q H-Pegel_β Die nächste LH-Flanke aes Zeittaktes 20 stellt den Ausgang Q des zweiten Flipflops 12 auf L-Pegel. Damit liegen an aen Eingängen.A} B des zweiten NAND-Gatters 15 ungleiche Eingangspegel, wodurch dessen Ausgang 19 auf Η-Pegel umschaltet und der Abschaltkreis 8 anspricht·

Die Ansprechzeit vom letzten Ab.-casicimpuls 17 bis zum H-Pegel am Eingang des Abschaltkreises kann nahezu eine Periode betragen, wenn der letzte Abtastimpuls 17 kurz vor einer LH~Takt~_ flanke auftritt und der Monoflop 10 auf Grund seiner Verzögerungszeit t erst kurz nach dieser Taktflanke auf H-Pegel umschaltete Erst die nächste LH—Taktflanke kippt den zweiten Flipflop 12. » ' '

Durch die Wahl einer geeigneten Zeitbasis bzw, durch die Wahl der Sektorenzahl der Abtastscheibe 4 in Abhängigkeit möglicher programmierbarer UntersetZungsverhältnisse χ kann ein sehr breites Spektrum an Grenzdrehzahlen mit hoher Genauigkeit erfaßt werden. Der Überdrehzahlprozentsatz ist bei jeder Grenzdrehzahl gleich groß.

In einem praktischen Beispiel wurde ein 6s-Zeittakt 20 und ein Untersetzungsfaktor χ =s 1 : 1440 gewählt, so daß die kritische Frequenz der bewertetem Impulsfolge 17 480'Hz beträgt. Bei einer

Anordnung von 4 Sektoren auf der Abtastscheibe 4 tritt eine Abschaltung des Antriebsmotors 3 beim Überschreiten einer

Drehzahl von n_ = 7200 min , bei 7 Sektoren_vbei einer Drehzahl von η =4114,3 min ein_e Auf eine maximale Normaldreh-

S — A

zahl von 7000 und 4000 min bezogen erfolgt die Abschaltung bei + 2,78 %·

Claims

Erfindungsanspruchi

Digitale Überdrehzahl-Schutzschaltung, insbesondere für Zen- , jsrifugen, mit einer Drehzahlabtaststufe, einem Impulsformer, einem Taktgeber, einer Impulsbewerteschaltung und einem Abschaltkreis, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsbewerteschaltung (7) aus einem programmierbaren Teiler (9)» einem retriggerbaren Monoflop (10), zwei flankengetriggerten D-Flipflops(11; 12), einem Negator (13) und zwei NAND-Gattern (14$ 15) zusammengesetzt ist, wobei der Ausgang (17) des Impulsformers (6) mit dem .Takteingang (I_m*) des Teilers (9) und dem Eingang (B) des Monoflops (10) verbunden ist, der Taktausgang (20) des Taktgebers (16) mit dem Setzeingang (I₀^_{1 o}) des Teilers (9), dem Reseteingang (R) des ersten Flipflops (11) und dem Takteingang (T)' des zweiten Flipflops (12) verknüpft ist, der Ausgang (§) des Monoflops (10) mit dem D-Eingang des zweiten Flipflops (12) in Verbindung steht, der Ausgang (Oj) des Teilers (9) an den B-Eingang des ersten NAND-Gatters (14) und über den Negator (13) an den Takteingang (T) des ersten Flipflops (11) geführt ist, dessen Ausgang (Q) mit dem Α-Eingang des ersten NAWD-Gatters (14) verbunden ist, der Ausgang (Q) des zweiten Flipflops (12) mit dem B-Eingang des zweiten HAKD-Gatters (15) verknüpft ist, dessen Α-Eingang an den Ausgang (18) des ersten NAND-Gatters (14) angeschlossen ist, der Ausgang (19) des zweiten NAND-Gat~ ters (15) eine Verbindung zum Eingang des Abschaltkreises (8) aufweist und ein zweiter Ausgang (2D des Taktgebers (16) mit dem Reseteingang (R) des zweiten Flipflops (12) verbunden ist.

Hierzu 4 Blatt Patentzeichnungen