DE102011100044A1

DE102011100044A1 - Sensoranordnung zur Identifikation eines in eine Zentrifuge eingesetzten Rotors, Zentrifuge und Verfahren zur Identifikation eines in eine Zentrifuge eingestzten Rotors

Info

Publication number: DE102011100044A1
Application number: DE102011100044A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Kopp
Original assignee: Thermo Electron LED GmbH
Current assignee: Thermo Electron LED GmbH
Priority date: 2011-04-29
Filing date: 2011-04-29
Publication date: 2012-10-31
Anticipated expiration: 2031-04-30
Also published as: EP2517796A1; DE102011100044B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Identifikation eines in eine Zentrifuge eingesetzten Rotors sowie eine Zentrifuge mit einer solchen Sensoranordnung, wobei die Anzahl der Magnetsensoren kleiner ist als die Anzahl der Magnetsitze, die jeweils zur Aufnahme eines Magneten ausgebildet sind. Darüber hinaus betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Erkennung eines in eine Zentrifuge eingesetzten Rotors und ein Verfahren zur Unwuchterkennung eines Rotors.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Identifikation eines in eine Zentrifuge eingesetzten Rotors, eine Zentrifuge mit einer solchen Sensoranordnung, ein Verfahren zur Erkennung eines Rotors in einer Zentrifuge sowie ein Verfahren zur Unwuchterkennung eines Rotors in einer Zentrifuge mit einer solchen Sensoranordnung.
Zentrifugen, insbesondere Laborzentrifugen, umfassen üblicherweise einen Rotor und einen Antrieb, um eine Rotationsbewegung des Rotors um eine üblicherweise horizontal verlaufende Drehachse anzutreiben. Typische Anwendungen solcher Zentrifugen sind beispielsweise Operationen zur Stofftrennung unter Ausnutzung der Masseträgheit im Zentrifugiergutraum. Im praktischen Einsatz hat es sich nun bewährt, verschiedene Rotoren für eine Zentrifuge vorzusehen. Die Rotoren sind dazu auswechselbar, beispielsweise über geeignete Schnellwechselsysteme, ausgebildet. Dies ermöglicht es einem Benutzer einen für die konkrete Applikation jeweils geeigneten Rotor aus eine Vielzahl verschiedener Rotoren auszuwählen. Die Rotoren können sich dabei untereinander hinsichtlich der Ausbildung der Probengefäßaufnahme, der Anzahl der Lagerplätze, den räumlichen Abmessungen der Probengefäße, dem zulässigen maximalen Drehzahlwert (in Umdrehungen pro Minute), etc., unterscheiden.
Um zu gewährleisten, dass die verschiedenen Rotoren nur innerhalb der für sie jeweils zulässigen Betriebsparameter, insbesondere nicht über den für sie jeweils zulässigen maximalen Drehzahlwert (in Umdrehungen pro Minute), betrieben werden, hat sich die Integration einer sogenannten Rotoridentifikation in solche Zentrifugen bewährt. Bei der Rotoridentifikation handelt es sich allgemein um eine Funktion zur Erkennung eines in die Zentrifuge eingesetzten Rotors. Dazu ist in modernen Zentrifugen üblicherweise eine geeignete Sensoranordnung vorhanden, die eine für den jeweiligen Rotor charakteristische Codierung detektiert. Die Codierung kann von einer geeigneten Auswerteeinheit ausgewertet und einem jeweiligen Rotor mit seinen spezifischen Betriebsparametern zugeordnet werden. Es ist dann beispielsweise möglich, Betriebsparameter des jeweiligen Rotors, wie unter anderem die maximale Drehzahl, die maximale Beladung, etc., automatisch zu prüfen und die Einhaltung der jeweiligen Grenzwerte zu überwachen. Grundsätzlich haben sich insbesondere solche Erkennungssysteme bewährt, die eine Identifikation des in die Zentrifuge eingesetzten Rotors im Stillstand ermöglichen. Derartige Systeme haben den Vorteil, dass eine Erkennung des Rotors noch vor Betriebsbeginn möglich ist, so dass die nach dem Einsetzen des Rotors vom Bediener gewählten Betriebsbedingungen, wie beispielsweise die gewünschte Drehzahl, noch vor dem Start des Zentrifugiervorgangs auf Zulässigkeit überprüft werden können und ein unzulässiger Betriebsvorgang somit gar nicht erst gestartet wird.
Eine solche Sensoranordnung zur Identifikation eines in eine Zentrifuge eingesetzten Rotors ist beispielsweise in der EP 0 604 912 A2 angegeben. Die dort offenbarte Sensoranordnung umfasst einen um eine Rotationsachse rotierbaren Rotor mit einer Anzahl N_pmag Magnetsitze, die jeweils zur Aufnahme eines Magneten ausgebildet sind. Die einzelnen Magnetsitze sind in gleichen Winkelabständen zueinander in einer Ebene liegend ringförmig angeordnet. Den einzelnen Magnetsitzen gegenüberliegend ist ein Sensorträger mit einer Anzahl N_sens Magnetsensoren angeordnet. Diese sind ebenfalls in gleichen Winkelabständen in einer Ebene liegend ringförmig angeordnet. Bei der in der EP 0 604 912 A2 gezeigten Sensoranordnung ist mindestens ein Magnetsensor jedem Magnetsitz zugeordnet. Bei günstiger Positionierung des Rotors gegenüber den Magnetsensoren ist es möglich, die Positionen einzelner in den Magnetsitzen angeordneter Magnete mit Hilfe der Magnetsensoren zu bestimmen. Bei maximaler Bestückung der Rotors mit Magneten (in jedem vorhandenen Magnetsitz ist dann ein Magnet eingesetzt) erfasst im Idealfall somit jeder Sensor somit jeweils einen Magneten. Die jeweilige Rotorkodierung erfolgt über das Positionieren wenigstens zweier von jeweils einem Magnetsitz aufgenommener Magnete in einem bestimmten Winkelabstand bezogen auf eine Ebene senkrecht zur Rotationsachse des Rotors. Die von den einzelnen Magnetsensoren gelieferten Informationen werden mit Hilfe einer Auswerteeinheit verarbeitet und beispielsweise mit hinterlegten Rotordaten hinsichtlich maximaler Drehzahl etc. abgeglichen. Die Auswerteeinheit kann ferner beispielsweise Anzeigeelemente zur optischen Anzeige einer Rotorfreigabe bzw. Rotorinkompatibilität und/oder weitere Komponenten, beispielsweise ein Datenträgerlesegerät, eine Tastatur zur Eingabe von Rotorparametern, etc., umfassen.
Die vorstehend beschriebene Sensoranordnung der Zentrifuge weist allerdings einen vergleichsweise komplexen Aufbau auf und stellt insbesondere hinsichtlich Montage und Wartung erhöhte Anforderungen. Dies treibt letztendlich den Preis der Zentrifuge in die Höhe und lässt damit viele Anwender auf veraltete Rotorerkennungssysteme zurückgreifen, die jedoch häufig eine Erkennung des Rotors mit Hilfe eines einzelnen Sensors erst im Rotationsbetrieb ermöglichen. Letztere zeigen in der Praxis allerdings den Nachteil, dass die Erkennung des Rotors erst nach mindestens einem vollständigen Umlauf beziehungsweise nach einer Inbetriebnahme des Rotors möglich ist, was sich insbesondere bei einem hohen Nutzungsaufkommen als zeitraubend und damit nachteilig herausgestellt hat.
Die Aufgabe der Erfindung liegt nun darin, eine Sensoranordnung und eine Zentrifuge mit einer Sensoranordnung anzugeben, die einen vereinfachten Aufbau aufweist und damit eine preiswertere Herstellung und Wartung ermöglicht. Gleichzeitig soll die Sensoranordnung möglichst vielseitig anwendbar sein und insbesondere auch eine Rotoridentifikation im Stillstand des Rotors ermöglichen.
Die Lösung der Aufgabe gelingt mit einer Sensoranordnung zur Identifikation eines in eine Zentrifuge eingesetzten Rotors, einer Zentrifuge mit einer solchen Sensoranordnung, einem Verfahren zur Erkennung eines Rotors in einer Zentrifuge und einem Verfahren zur Unwuchterkennung eines Rotors in einer Zentrifuge gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ein wesentlicher Grundgedanke der Erfindung liegt darin, dass es für eine exakte und zuverlässige Rotoridentifikation eines stillstehenden Rotors nicht erforderlich ist, die Anzahl der Magnetsensoren mindestens gleich groß oder größer als die Anzahl der Magnetsitze im Rotor zu wählen. Diese vor der Erfindung verbreitete Meinung beruhte auf der Annahme, dass eine exakte Bestimmung der wenigstens zwei von jeweils einem Magnetsitz aufgenommenen Magnete nur dann möglich ist, wenn jedem Magnetsitz auch zumindest ein eigenständiger Magnetsensor eindeutig zugeordnet werden kann. Auf diese Weise sollte vermieden werden, dass ein Magnetsensor unter Umständen (zum Beispiel bei vollständiger Bestückung aller vorhandenen Magnetsitze mit jeweils einem Magneten) die Position von mehr als einem Positionsmagneten bestimmen muss. Die maximale Anzahl an Magneten zur Rotorcodierung wird schließlich durch die Anzahl der vorhandenen Magnetsitze vorgegeben. Häufig wurden daher auch im Vergleich zur maximal möglichen Anzahl an Magneten (beziehungsweise der Anzahl an Magnetsitzen) im Rotor weit mehr Magnetsensoren in die Sensoranordnung integriert. Der Erfindung schlagt im Vergleich dazu nun einen völlig neuen Weg ein und beruht auf der Erkenntnis, dass eine zuverlässige Rotorerkennung auch mit einer im Vergleich zur Gesamtanzahl der Magnetsitze kleineren Anzahl an Magnetsensoren möglich ist. Dadurch kann die Sensoranordnung im Ergebnis konstruktiv erheblich vereinfacht werden. Nachstehend werden die Begriffe Positionsmagnet und Magnet synonym verwendet.
Das zentrale Merkmal der erfindungsgemäßen Sensoranordnung liegt somit darin, dass die Anzahl der Magnetsensoren kleiner als die Anzahl der Magnetsitze (und damit kleiner als die maximal mögliche Anzahl an Positionsmagneten im Rotor) ist. Damit kann unter Beibehaltung der Anzahl der Magnetsitze und damit der Aufrechterhaltung der maximal wählbaren Anzahl verschiedener Kodierungen im Vergleich zum Stand der Technik gleichzeitig die Anzahl der Magnetsensoren gesenkt werden, wodurch die Herstellung und Wartung der Sensoranordnung bzw. der Zentrifuge mit einer solchen Sensoranordnung vereinfacht wird. Parallel dazu ist eine Erkennung der Rotors im Rotorsstillstand möglich, so dass bereits vor der Aufnahme des Rotationsbetriebes sichergestellt werden kann, dass für den jeweiligen Rotor keine unzulässigen Betriebsparameter gewählt werden. Die Magnetsitze sind dazu im oder am Rotor angeordnet. Wesentlich ist, dass sich die Magnetsitze mit dem Rotor mitdrehen und zumindest im praktischen Einsatz mit dem Rotor fest verbunden sind. Neben einer fixen Integration der Magnetsitze in den Rotor sind somit auch Anbauversionen denkbar, bei denen die Magnetsitze beispielsweise in einem Anbauteil angeordnet sind, das mit dem Rotor fest verbindbar (beispielsweise mittels Verschraubungen, Verklebungen, etc.) ist. Wenn nachstehend von Magnetsitzen im Rotor die Rede ist, umfasst dies auch diejenigen Varianten, bei denen die Magnetsitze am Rotor, beispielsweise mit Hilfe eines entsprechenden Anbauteils, angeordnet sind.
Vorzugsweise sind die Magnetsitze im Rotor und die Magnetsensoren im Sensorträger jeweils gleichmäßig kreis- bzw. ringförmig um die Rotationsachse des Rotors verteilt, weisen mit anderen Worten somit jeweils untereinander gleiche Winkelabstände auf. Die Winkelabstände beziehen sich dabei auf die Rotationsebene des Rotors (für die Magnetsitze) bzw. auf die Rotationsebene oder eine Ebene parallel zu dieser Rotationsebene (für die Magnetsensoren). Die Rotationsebene des Rotors zeichnet sich im wesentlichen dadurch aus, dass sie senkrecht zur Rotationsachse des Rotors durch den Rotor hindurch verläuft. Idealerweise sind die Magnetsitze im Rotor und die Magnetsensoren der Sensoranordnung in der Weise angeordnet, dass sie jeweils in einer Ebene, insbesondere in der Rotationsebene oder eine Ebene parallel zur Rotationsebene liegen. Dadurch, dass die Anzahl der Magnetsensoren geringer als die Anzahl der Magnetsitze ist, ergibt sich, dass die bevorzugt gleichmäßigen Winkelabstände zwischen den Magnetsensoren größer sind als die bevorzugt gleichmäßigen Winkelabstände zwischen den Magnetsitzen.
Um dennoch eine ausreichend exakte Positionsbestimmung der zur Kodierung verwendeten Magnete in den Magnetsitzen durch die Magnetsensoren zu ermöglichen, hat sich die kombinierte Verwendung mehrerer Magnetsensoren zur Bestimmung der Position eines Magneten in einem Magnetsitz als vorteilhaft erwiesen. Die diesem Bestimmungsverfahren zugrunde liegenden Verfahrensschritte werden nachstehend noch näher erläutert werden.
Im Stand der Technik sind bereits eine Vielzahl von Magnetsensoren zur Positionsbestimmung von Positionsmagneten in einem Rotor bekannt, auf die grundsätzlich auch für die vorliegende erfindungsgemäße Anordnung zurückgegriffen werden kann. Bevorzugt kommen erfindungsgemäß allerdings analoge Magnetsensoren zum Einsatz. Analoge Magnetsensoren haben gegenüber digitalen Magnetsensoren den Vorteil, dass das mit ihnen generierte Analogsignal nicht zeit- und auch nicht wertdiskret ist. Mit analogen Magnetsensoren gelingt es daher, die räumliche Nähe des Magnetsensors exakt und über einen breiten Bereich zu detektieren und insbesondere auch Unterschiede in der räumlichen Nähe präzise zu erfassen. Es ist daher auch nicht erforderlich, dass jeder Magnetsitz von einem separaten Magnetsensor auf Anwesenheit eines Magneten abgefragt wird. Die analogen Magnetsensoren liefern vielmehr jeweils ein Signal, das angibt, ob, und wenn ja, in welchem Abstand zum jeweiligen Magnetsensor sich ein Magnet (oder gegebenenfalls auch mehrere Magnete) in jeweils einem Magnetsitz des Rotors befindet. Die konkrete Lokalisation der Magneten erfolgt mit Hilfe dieser Signale anschließend durch die Auswerteeinheit in der nachstehend noch weiter angegebenen Weise.
Es hat sich gezeigt, dass eine für die meisten Anwendungen ausreichende Kodierungsvielfalt, das heißt eine befriedigende Vielzahl von Kombinationsmöglichkeiten an Positionierungen von Magneten in den Magnetsitzen, bereits durch die Verwendung monopolarer Magnetsensoren erreichbar ist. Monopolarer Magnetsensoren zeichnen sich dadurch aus, dass sie lediglich auf die Einwirkung eines Pols (bzw. mit oder entgegen den Magnetfeldlinien) die Nähe eines Magneten detektieren können. Daraus ergibt sich, dass beim Einsatz von monopolaren Magnetsensoren die Positionsmagnete im Rotor bezüglich der Richtung ihres Magnetfelds auf die Magnetsensoren nur gleichgerichtet eingesetzt werden können (zumindest soweit sie zu Kodierungszwecken herangezogen werden sollen), also beispielsweise in der Art, dass jeweils der Nordpol der Positionsmagnete in Richtung der Magnetsensoren positioniert ist. Um die Anzahl möglicher Kodierungen noch zu steigern und/oder die Anzahl der für eine eindeutige Kodierung erforderlichen Positionsmagnete zu senken, handelt es sich erfindungsgemäß bei den Magnetsensoren jedoch bevorzugt um bipolare Magnetsensoren. Bipolare Magnetsensoren sind allgemein in der Weise ausgebildet, dass sie die auf sie einwirkenden Magnetfeldlinien hinsichtlich ihrer Richtung bzw. hinsichtlich ihrer räumlichen Orientierung unterscheiden können. Bipolare Magnetsensoren liefern mit anderen Worten nicht nur ein Signal, ob und in welchem Abstand sich ein Magnet in ihrer Nähe befindet. Sie liefern zudem ein von der Magnetfeldrichtung des jeweils in ihrer Nähe befindlichen Positionsmagneten abhängiges Signal und können auf diese Weise beispielsweise unterscheiden, ob ein in einem Magnetsitz angeordneter Magnet der Sensoranordnung mit seinem Nordpol oder mit seinem Südpol zum Magnetsensor hin ausgerichtet ist.
Konkret handelt es sich bei den bipolaren Magnetsensoren insbesondere um bipolare Analog-Hallsensoren. Ein Hallsensor nutzt bekanntermaßen den Hall-Effekt zur Messung von Magnetfeldern und zur Lageerfassung. Die grundsätzliche Funktionsweise von Hallsensoren ist bekannt. Hallsensoren zeichnen sich allgemein durch ihre mechanische Unempfindlichkeit gegen Stöße, durch ihre vergleichsweise kompakte Bauform und durch ihre hohe Funktionszuverlässig aus. Bipolare Analog-Hallsensoren vereinen darüber hinaus die vorstehend bereits erwähnten Vorteile analoger Magnetsensoren und bipolarer Magnetsensoren in einem Sensortyp.
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung liegt gemäß den vorstehenden Ausführungen nun im Verhältnis der Magnetsensoren zur Anzahl der Magnetsitze, das im Wesentlichen dadurch gekennzeichnet ist, dass die Anzahl der Magnetsensoren kleiner ist als die Anzahl der Magnetsitze. Die Anzahl der Magnetsensoren ist dabei auf jeden Fall größer 1. Dabei kann das Verhältnis der Anzahl der Magnetsensoren zur Anzahl der Magnete in einem breiten Bereich variieren. Die Anzahl des Magnetsensoren im Verhältnis zur Anzahl der Magnete kann prinzipiell grundsätzlich soweit reduziert werden, dass gerade noch eine eindeutige Rotorerkennung in dem gewünschten Umfang möglich ist. Im praktischen Einsatz hat sich gezeigt, dass bevorzugte Verhältnisse ”Magnetsensoren:Magnetsitze” im Bereich von 1:1,1 bis 1:2, insbesondere von 1:1,3 bis 1:75 liegen und ganz besonders bei 1:1,5 liegen. Dabei versteht es sich von selbst, dass die Anzahl wenigstens so groß gewählt wird, dass eine präzise Detektion der im Rotor eingesetzten Magnete bei stillstehendem Rotor möglich ist. Wie groß diese Anzahl konkret ist, hängt im Wesentlichen von der Größe der jeweiligen Zentrifuge ab. Vorzugsweise sind wenigstens 4 Magnetsensoren vorhanden und wenigstens 5 Magnetsitze. Für typische Zentrifugengrößen liegt die Gesamtanzahl der Magnetsitze konkret beispielsweise im Bereich 71 bis 12, insbesondere 44 bis 15 und ganz besonders bei 24, und die Gesamtanzahl der Magnetsensoren im Bereich 72 bis 24, insbesondere 45 bis 30 und ganz besonders bei 36. Die Anzahl der vorhandenen Magnetsensoren und Magnetsitze kann allerdings in Abhängigkeit vom Zentrifugentyp auch stark variieren, so dass die Erfindung auf diese Bereichsangaben keineswegs beschränkt ist. Wesentliche Einflussgrößen für die Wahl der Anzahl der Magnetsitze und der Magnetsensoren sind vielmehr eine ausreichende Codierungsvielfalt und eine hinreichend präzise Positionsbestimmung der in den Magnetsitzen jeweils angeordneten Positionsmagnete.
Wie vorstehend bereits erwähnt, ist es grundsätzlich bevorzugt, die Magnetsensoren in einem konstanten Winkelabstand zueinander kreisringförmig am Sensorträger verteilt anzuordnen. Der Winkelabstand bezieht sich dabei auf die Winkelbeabstandung in der Rotationsebene und auf den durch die Rotationsachse gebildeten Mittelpunkt. In konstruktiver Hinsicht haben sich dabei Winkelabstände im Bereich von 5° bis 15°, insbesondere 8° bis 12° und ganz besonders von 10°, als besonders günstig erwiesen. Für den Fall, dass keine gleichmäßige Winkelbeabstandung gewählt werden sollte, betreffen die vorstehenden Bereichsangaben die über den gesamten Sensorträger durchschnittliche Winkelbeabstandung benachbarter Magnetsensoren. Eine Auswahl des Winkelabstands im angegebenen Bereich eignet sich einerseits hervorragend für eine Unterbringung in der Sensoranordnung von Zentrifugen üblicher Größe, beispielsweise von einer Laborzentrifuge. Andererseits können mit diesen Winkelabständen im Regelfall hinreichende Bestimmungsgenauigkeiten zur eindeutigen Identifikation des in eine Zentrifuge eingesetzten und im Stillstand befindlichen jeweiligen Rotors erreicht werden. Selbstverständlich ist es jedoch auch möglich, beispielsweise für besonders große oder für besonders kleine Spezialzentrifugen, Winkelabstände außerhalb der angegebenen Winkelbereiche auszuwählen.
Weitere vorteilhafte Variationsmöglichkeiten der Sensoranordnung ergeben sich im Hinblick auf die Relativanordnung der Magnetsensoren im Verhältnis zum Rotor beziehungsweise zu den im Rotor angeordneten Magnetsitzen. Einerseits können die Magnetsensoren in Axialrichtung der Rotationsachse des Rotors beispielsweise unterhalb des Rotors angeordnet sein. Die Axialrichtung der Rotationsachse verläuft üblicherweise vertikal, sodass die, insbesondere jeweils auf einem Kreis angeordneten, Magnetsensoren und die Magnetsitze im Rotor in Vertikalrichtung übereinander liegen. Auf diese Weise kann die Sensoranordnung bezüglich ihrer Horizontalausdehnung beispielsweise verhältnismäßig schmal ausgebildet werden. Alternativ kann die Sensoranordnung in der Weise ausgebildet werden, dass die Magnetsensoren in Radialrichtung der Rotationsachse außerhalb des Rotors angeordnet sind. Bei dieser Ausführungsform liegt der Ring, auf dem die Magnetsitze des Rotors angeordnet sind, somit in Horizontalrichtung innerhalb des Ringes, auf dem die Magnetsensoren angeordnet sind. Selbstverständlich ist es auch möglich, Mittelstellungen zwischen den beiden vorstehend genannten Anordnungsalternativen zu wählen, beispielsweise in einer Anordnung der Magnetsensoren schräg zum Rotor.
Die Sensoranordnung kann ferner hinsichtlich der Relativanordnung der einzelnen Magnetsitze untereinander in mehrfacher Hinsicht vorteilhaft variiert werden. Alternativ zu einer gleichmäßigen Verteilung der Magnetsitze (d. h. die Magnetsitze weisen jeweils den gleichen Winkelabstand zu ihren benachbarten Magnetsitzen auf) ist es beispielsweise möglich, die Magnetsitze gruppiert im oder am Rotor anzuordnen. Jede Gruppe umfasst dabei wenigstens zwei Magnetsitze. Eine Gruppe zeichnet sich jeweils dadurch aus, dass die wenigstens zwei Magnetsitze einer Gruppe näher zueinander liegend angeordnet sind, als die dieser Gruppe benachbarten Magnetsitze. Idealerweise sind mehrere Gruppen von Magnetsitzen am Rotor vorgesehen, beispielsweise umfassend jeweils drei bis acht Magnetsitze. Jeder Magnetsitzgruppe kann nun beispielsweise ein bestimmter Informationsgehalt zugeordnet werden, der zur späteren Rotoridentifikation herangezogen werden kann. Ergänzend oder alternativ ist es auch möglich, die Magnetsitze einander teilweise überlappend am Rotor auszubilden. Damit kann die Positionierungsvielfalt der Magnete noch erheblich gesteigert werden, da im Vergleich zu den vorhergehenden Ausführungsformen auch Zwischenpositionen zwischen zwei benachbarten (sich nicht überlappenden) Magnetsitzen zur Platzierung eines Magneten möglich sind. Selbstverständlich können auch die Magnetsitze einer Magnetsitzgruppe einander überlappen.
Neben einer Erhöhung der Anzahl der Magnetsitze besteht zur Erhöhung des durch die Sensoranordnung erfassbaren Informationsgehaltes eine weitere Möglichkeit darin, dass wenigstens zwei von jeweils einem Magnetsitz aufgenommene Magnete bezüglich ihrer Polung zum Sensorträger abwechselnd angeordnet sind. Hinsichtlich der Ausrichtung ihres Magnetfeldes weist somit wenigstens einer der wenigstens zwei Magneten mit seinem Südpol und der andere der wenigstens zwei Magneten mit seinem Südpol in Richtung der Magnetsensoren. Es versteht sich von selbst, dass insbesondere bei dieser Ausführungsform solche Magnetsensoren zum Einsatz kommen, die in der Lage sind, die Feldrichtung eines Magnetgeldes zu erkennen und zu unterscheiden. Besonders bevorzugt sind entsprechend bipolare Magnetsensoren, speziell bipolare Analog-Hallsensoren.
Ein weiteres wesentliches Element der erfindungsgemäßen Sensoranordnung ist eine Auswerteeinheit. Die Auswerteeinheit ermittelt aufgrund der von den Magnetsensoren ermittelten Messwerte die Lage der in den Magnetsitzen angeordneten Magnete und ordnet dem ermittelten Verteilungsmuster der Magnete in den Magnetsitzen einen Rotor mit seinen jeweils spezifischen Betriebsparametern oder, je nach Codierungsweise, dem Rotor bestimmte Betriebsparameter zu. Die Auswerteeinheit ist dazu bevorzugt in der Weise ausgebildet, dass sie die Position der in jeweils einem der Magnetsitze angeordneten Magnete jeweils unter Berücksichtigung der Messwerte von wenigstens zwei zueinander benachbart angeordneten Magnetsensoren bestimmt. Bevorzugt ermittelt die Auswerteinheit dazu a) die Magnetsensoren, die einen lokalen betragsmäßigen Maximalmesswert bzw. ein lokales Messwertmaximum detektieren und b) jeweils den Messwert wenigstens eines der beiden diesen Magnetsensoren benachbarten Magnetsensoren. Ein lokales Messwertmaximum zeichnet sich dadurch aus, dass es einen Maximalmesswert im Vergleich zu seiner lokalen Umgebung darstellt. Dabei muss es sich nicht um den auf alle Messwerte bezogenen Maximalmesswert handeln. Bei einem lokalen betragsmäßigen Maximalmesswert liegt lediglich in Bezug auf die unmittelbar benachbarten Magnetsensoren (in und entgegen der Rotationsrichtung) ein betragsmäßiger Maximalmesswert vor. Übertragen auf die konkrete Sensoranordnung weisen somit all diejenigen Magnetsensoren ein lokales Messwertmaximum auf, die im Vergleich zu ihren in und entgegen der Rotationsrichtung benachbarten Magnetsensoren einen (bezogen auf einen Ausgangsnormalwert) betragsmäßig höheren oder zumindest gleich hohen Messwert detektieren. ”Betragsmäßig” ist insbesondere im Hinblick auf die Verwendung bipolarer Magnetsensoren so zu verstehen, dass der lokale Maximalmesswert sowohl in Bezug auf die eine einen positiven Messwert liefernde Richtung des Magnetfeldes als auch in Bezug auf die andere einen negativen Messwert liefernde Richtung des Magnetfeldes festgelegt wird. Ein lokaler Maximalmesswert wird somit von all denjenigen Magnetsensoren ermittelt, denen die im Rotor angeordneten Magnete jeweils am Nahsten sind.
Besonders bevorzugt greift die Auswerteeinheit zur Bestimmung der exakten Position eines Magneten im Rotor zunächst jeweils auf die Messwerte derjenigen Magnetsensoren zurück, die in Rotationsrichtung jeweils vor und hinter denjenigen Magnetsensoren liegen, die einen lokalen betragsmäßigen Maximalmesswert ermitteln und an die Auswerteeinheit übertragen. Das Grundskonzept dieser speziellen Ausführungsformen liegt nun darin, dass die Auswerteeinheit jeweils unter Rückgriff auf die Messwerte mehrerer Magnetsensoren die Position jedes einzelnen Magneten, die in einem Magnetsitz im oder am Rotor platziert sind, ermittelt. Die abschließende konkrete Positionsbestimmung erfolgt schließlich über geeignete Interpolationsoperationen, die die Messwerte eines einen lokalen Maximalmesswert liefernden Magnetsensors und eines benachbarten Magnetsensors (bevorzugt desjenigen benachbarten Magnetsensor, der das höhere Messsignal im Vergleich zu dem anderen benachbarten Magnetsensor liefert) ins Verhältnis setzen und dadurch Zwischenstellungen eines Magneten zwischen zwei Magnetsensoren exakt bestimmen. Mit diesen Ausführungsformen ist eine äußerst präzise Detektion der Position der in den Magnetsitzen platzierten Magnete möglich, insbesondere auch für Positionen, die nicht vollständig einem einzigen Magnetsensor zugeordnet werden können, sondern beispielsweise zumindest teilweise zwischen zwei Magnetsensoren liegen.
Im Rotationsbetrieb einer Zentrifuge können häufig starke Vibrationen bis hin zu einem Aufschaukeln der Zentrifuge beobachtet werden. Die Ursache für diese unerwünschte Betriebssituation liegt häufig in einer ungleichmäßigen Gewichtsverteilung im oder am Rotor, beispielsweise bei der Verwendung unterschiedlich schwerer Proben. Im Rotationsbetrieb des Rotors treten dann zum Teil erhebliche Unwuchten auf, sodass ein einwandfreier Betrieb der Zentrifuge nicht mehr gewährleistet ist und in Extremfällen Teile der Zentrifuge zerstört werden können und die Sicherheit von sich in der Umgebung befindenden Personen nicht mehr gewährleistet ist. Die Grundidee der Erfindung für die vorliegende bevorzugte Ausführungsform liegt nun darin, die vorstehend beschriebene Sensoranordnung, insbesondere zusätzlich zur vorstehend offenbarten Rotoridentifikation, zur Unwuchtüberwachung/-bestimmung im Rotationsbetrieb der Zentrifuge zu nutzen. Die Sensoranordnung ist bei dieser Ausführungsform konkret in der Weise ausgebildet, dass die Rotoridentifikation im Stillstand des Rotors und die Unwuchterkennung während des Betriebs des Zentrifuge beziehungsweise bei rotierendem Rotor erfolgt. Die Sensoranordnung nimmt bei dieser Ausführungsfunktion neben einer Überwachungsfunktion beim Rotorstillstand (Identifikation des Rotors) eine weitere Überwachungsfunktion bei rotierendem Rotor (Unwuchterkennung/-überwachung) wahr.
Besonders geeignet sind hierzu ebenfalls analoge und/oder bipolare Magnetsensoren, insbesondere bipolare Analog-Hallsensoren. Im Normalbetrieb rotiert der Rotor bzw. rotieren die zum Teil mit Positionsmagneten bestückten Magnetsitze (zur Kodierung des Rotors) in einer im Wesentlichen planen Rotationsebene. Diese liegt idealerweise in der Ebene oder parallel zu der Ebene, in der die Magnetsensoren der Sensoranordnung ringförmig angeordnet sind. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass die wenigstens zwei von jeweils einem Magnetsitz aufgenommenen Magnete im Normalbetrieb, das heißt bei gleichmäßig beladenem Rotor, in nahezu gleichem Abstand an den Magnetsensoren vorbeigeführt werden. Liegt dagegen eine Unwucht vor, beispielsweise durch ungleichmäßige Beladung des Rotors, ist der Abstand der wenigstens beiden Magnete zu den Magnetsensoren nicht mehr im Wesentlichen gleich, sondern variiert aufgrund der Schrägstellung bzw. der Taumelbewegung des Rotors. Durch Verwendung von Magnetsensoren, die den Abstand der an ihnen vorbeigeführten Magnete detektieren können, ist es möglich, diese taumelnde Bewegung mit Hilfe der Sensoranordnung festzustellen beziehungsweise mir der Auswerteeinheit zu erfassen. Dies gelingt beispielsweise bereits dadurch, dass die maximale Annäherung eines Magneten an einen Magnetsensor im Rotationsbetrieb bestimmt wird. Befindet sich der Rotor aufgrund einer ungleichmäßigen Gewichtsverteilung in einer Schräglage in der Zentrifuge, kann sich ein Magnet unter Umständen wesentlich näher einem Magnetsensor annähern als im Regelbetrieb.
Im praktischen Einsatz treten regelmäßig zumindest minimale Unwuchten auf. Diese sind häufig für einen regulären Betrieb der Zentrifuge nicht störend, so dass es wünschenswert ist, dass die Unwuchterkennung erst ab einem bestimmten Ausmaß geeignete Gegenmaßnahmen einleitet. Durch Festlegung bestimmter Schwellenwerte ist es möglich, ein gewisses Maß an Unwuchten im 'Betrieb des Rotors zuzulassen. Diese Schwellenwerte weisen idealerweise eine Annährungsgrenze nach oben und nach unten auf, definieren somit einen Sollwertbereich, innerhalb dessen eine Fortsetzung des Rotationsbetriebes zugelassen wird. Erfasst die Auswerteeinheit Messsignale der Magnetsensoren außerhalb dieses Sollwertbereiches, bedeutet dies, dass ein Magnet entweder zu nah oder zu weit entfernt an einem Magnetsensor vorbeigeführt worden ist, was im Endergebnis durch eine unzulässige Verkippung des Rotors beziehungsweise eine Unwucht im Rotor auftritt. Die Auswerteeinheit ist in dieser Ausführungsform daher bevorzugt in der Weise ausgebildet, dass sie im Falle des Verlassens des Sollwertbereiches im Rotationsbetrieb sicherheitshalber einen Stopp des Rotationsvorgangs auslöst.
Die Auswerteeinheit ist in der praktischen Umsetzung ferner vorzugsweise in der Weise ausgebildet, dass sie bei einer Ermittlung einer (gegebenenfalls über festgelegten Schwellenwerten liegenden) Unwucht ein optisches und/oder akustisches Warnsignal generiert.
Es hat sich gezeigt, dass es von Vorteil ist, den Sensorträger in seiner Gesamtheit als multifunktionale Einheit auszubilden, was beispielsweise vorteilhaft im Wartungs- und Fertigungsprozess ist. Multifunktional ist in diesem Zusammenhang in der Weise zu verstehen, dass die Sensoranordnung neben der Überwachung von Betriebsparametern mithilfe der Magnetsensoren und der in den Magnetsitzen angeordneten wenigstens zwei Magnete, wie beispielsweise Unwucht, Rotortyp, etc., weitere für den Betrieb der Zentrifuge bedeutende Größen überwacht. Dazu können neben den Magnetsensoren insbesondere weitere Sensoren in den Sensorträger integriert werden. Idealerweise sind in einem solchen kompakten Sensorträger zusätzlich beispielsweise ein Temperatursensor und/oder ein Beschleunigungssensor, etc., integriert.
Ein weiterer wesentlicher Aspekt der Erfindung liegt ferner in einer Zentrifuge mit einer vorstehend beschriebenen Sensoranordnung. Eine wesentliche Komponente einer solchen Zentrifuge ist ein Antrieb, über den die für den Rotationsbetrieb des Rotors erforderliche Antriebsleistung zur Verfügung gestellt wird. Die Zentrifuge umfasst ferner einen, idealerweise verschließbaren, Zentrifugierkessel, in den verschiedene Rotoren austauschbar eingebracht werden können. Dazu sind beispielsweise entsprechende Schnellverschlüsse vorhanden. Zur Übertragung der Antriebsleistung vom Antriebsmotor ist ferner eine Welle vorgesehen, die den üblicherweise im Wesentlichen außerhalb des Zentrifugenkessels liegenden Motor und den im Wesentlichen im Inneren des Zentrifugierkessels angeordneten Rotor verbindet. In Bezug auf den Zentrifugierkessel können grundsätzlich auch die nicht am Rotor angeordneten Teile der Sensoranordnung, insbesondere die Magnetsensoren und/oder die Auswerteeinheit, außerhalb des Zentrifugenkessels angeordnet sein, wobei sich in der Praxis eine Unterbringung zumindest der Magnetsensoren im Inneren des Zentrifugenkessels als vorteilhaft erwiesen hat.
Eine weitere Variationsmöglichkeit besteht in der Art der Lagerung des Rotors im Zentrifugenkessel. Alternativ zu einer Ankopplung an eine starre Antriebswelle bietet es sich beispielsweise zur Vermeidung gegebenenfalls auftretende Vibrationen (beispielsweise durch Unwuchten) an, den Rotor elastisch zu lagern, beispielsweise über eine Welle mit einem geeigneten Dämpfungselement.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Erkennung beziehungsweise Identifikation eines im Stillstand befindlichen Rotors in einer Zentrifuge, insbesondere in einer Zentrifuge, wie sie vorstehend beschrieben worden ist. Das Verfahren erfolgt dabei insbesondere unter Verwendung einer Sensoranordnung gemäß den vorstehenden Ausführungsformen, bei denen die Anzahl der Magnetsensoren kleiner als die Anzahl der Magnetsitze ist. Die wesentlichen Schritte dieses Verfahrens zur Erkennung des Rotors umfassen a) das Einbringen des Rotors in die Zentrifuge, b) das Bestimmen des Positionsmusters der wenigstens zwei in jeweils einem der Magnetsitze angeordneten Magnete im Rotor bei stillstehendem Rotor mit Hilfe der Sensoranordnung und c) das Zuordnen des ermittelten Positionsmusters durch die Auswerteeinheit zur Identifikation eines bestimmten Rotors.
Vorzugsweise erfolgt die Bestimmung des Positionsmusters der wenigstens zwei Magnete durch a) das identifizieren derjenigen Magnetsensoren, die bei stillstehendem Rotor lokale betragsmäßige Maximalmesswerte an die Auswerteeinheit weiterleiten, b) das Abfragen wenigstens der Messwerte der den unter a) identifizierten Magnetsensoren zu wenigstens einer Seite benachbarten Magnetsensoren, c) das Bestimmen der konkreten Position der wenigstens zwei Magnete jeweils unter Berücksichtigung der Messwerte wenigstens zweier zueinander benachbarter Magnetsensoren durch die Auswerteeinheit und d) das Bestimmen der Winkelstellung der wenigstens zwei Magnete in Bezug auf die Rotationsebene des Rotors durch die Auswerteeinheit. Charakteristisch für dieses Verfahren ist somit, dass die Auswerteeinheit zur Lagebestimmung der Magnete im Rotor pro in einem Magnetsitz angeordnetem Magnet jeweils auf die Messwerte wenigstens zweier zueinander benachbarter Magnetsensoren zurückgreift, wobei jeweils einer der beiden Magnetsensoren ein lokales Messwertmaximum an die Auswerteeinheit übermittelt hat. Dabei wird letztendlich aus dem Verhältnis der von diesen Magnetsensoren gelieferten Signale die exakte Position bzw. Winkellage der wenigstens beiden Magnete zueinander bestimmt. Noch präzisere Ergebnisse können dadurch erhalten werden, wenn zu den vorhergehenden Schritten b) und c) jeweils die Messwerte der beiden Magnetsensoren miteinbezogen werden, die in Bezug auf die Rotationsrichtung des Rotors zu beiden Seiten derjenigen Magnetsensoren liegen, die jeweils einen lokalen betragsmäßigen Maximalmesswert detektieren.
Ein weiterer wesentlicher Aspekt der Erfindung liegt schließlich in einem Verfahren zur Unwuchterkennung, eines Rotors in einer Zentrifuge, insbesondere einer Zentrifuge gemäß den vorhergehenden Ausführungen, unter Verwendung insbesondere einer der vorstehend offenbarten Sensoranordnungen. Das Verfahren zeichnet sich im Wesentlichen durch die Schritte a) Rotieren des Rotors, b) Messen der Maximalannäherung eines Magneten an einen Magnetsensor und c) Bestimmen der Kipplage des Rotors aus. Alternativ oder ergänzend zu b) kann beispielsweise auch aus der betragsmäßigen Messwertdifferenz der wenigstens zwei ermittelten Messwerte (pro Magnet im Rotor ein Messwert) auf eine Kipplage des Rotors und damit auf eine Unwucht im Rotationsbetrieb geschlossen werden.
Ergänzend kann das vorhergehende Festlegen von einem Maximalwert bezüglich der Kipplage des Rotors vorgesehen sein, wobei erst bei einem Überschreiten dieses Maximalwertes bevorzugt eine Stoppfunktion von der Auswerteeinheit ausgelöst wird, die zu einem Abbruch des Rotationsvorgangs des Rotors führt. Alternativ oder ergänzend kann hier auch auf optische und/oder akustische Warnmittel zurückgegriffen werden.
Das Verfahren zur Unwuchterkennung kann darüber hinaus hinsichtlich der Anzahl der für die zur Unwuchterkennung genutzten Magnetsensoren variiert werden. In der einfachsten Ausführungsform wird dabei auf die Messwerte eines einzelnen Magnetsensors zurückgegriffen. Zur Feststellung einer Unwucht ist es in diesem Fall erforderlich, dass der Rotor zumindest einen vollständigen Umlauf um seine Rotationsachse vollzogen hat. Es kann alternativ aber auch auf die Messwerte mehrerer und idealerweise aller Magnetsensoren zurückgegriffen werden. Eine Unwuchterkennung gelingt dann in Bezug auf die Drehung der Rotors um seine Rotationsachse wesentlich schneller, so dass dieser Verfahren noch sicherer ist.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von mehreren Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen schematisch:
1 eine seitliche Querschnittsansicht durch eine Zentrifuge mit einem Rotor und einer Sensoranordnung;
2a und 2b Ansichten verschiedener Alternativen zur Anordnung der Magnetsitze am/im Rotor;
3 Relativpositionierung der Magnetsitze im Verhältnis zu den Magnetsensoren in einer Draufsicht;
4 Kodierungsbeispiel für einen Rotor;
5 Schaltbild des Sensorträgers;
6 Querschnittsansicht aus 1 mit einem Rotor in Winkellage;
7a, 7b und 7c Prinzipskizze zur Veranschaulichung der Unwuchterkennung mit Hilfe der Sensoranordnung; und
8a Ablaufdiagramm für ein Verfahren zur Bestimmung der Position der in jeweils einem Magnetsitz angeordneten wenigstens zwei Magnete;
8b Ablaufdiagramm für ein Verfahren zur Unwuchterkennung und
9 Ausschnittsansicht auf überlappende Magnetsitze im Trägerkranz.
Baugleiche und/oder funktionsgleiche Bauteile sind in den nachfolgenden Figuren mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
1 verdeutlicht die wesentlichen Bestandteile einer Zentrifuge 1. Die Zentrifuge 1 umfasst einen Zentrifugenkessel 2, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit einem nicht weiter dargestellten nach oben öffenbaren Deckel ausgebildet ist, einen Rotor 3 und einen Antrieb 4. Der Rotor 3 ist im Inneren des Zentrifugenkessels 2 angeordnet und steht über eine Welle 5 in Antriebsverbindung mit dem Antrieb 4. Der Antrieb 4 treibt eine Rotationsbewegung um einer Rotationsachse 6 (vorliegend verläuft die Rotationsrichtung 7 des Rotors 3 von oben gesehen im Uhrzeigersinn) an, die über die Welle 5 auf den Rotor 3 übertragen wird. Bei im Betrieb befindlichem Antrieb 4 rotiert der Rotor 3 somit, beispielsweise zur Probentrennung, in einer Rotationsebene (vorliegend in der XZ-Ebene) um die Rotationsachse 6 (vorliegend die Vertikalachse in Y-Richtung). Der Rotor 3 ist zur Aufnahme von Probenträgern, wie beispielsweise Titerplatten, Reagenzgläsern, etc., mit geeigneten Halterungen und/oder Ausnehmungen ausgebildet, die in 1 nicht näher dargestellt sind. Um die Zentrifuge 1 mit verschiedenen Rotoren betreiben zu können, ist der Rotor 3 auswechselbar ausgebildet und kann somit aus dem Zentrifugenkessel 2 herausgenommen und durch einen anderen Rotor ersetzt werden. Dazu ist beispielsweise die Verwendung eines entsprechenden Schnellverschlusses vorgesehen. Derartige Verschlusssysteme sind im Stand der Technik bekannt und in 1 nicht weiter angegeben.
Die zulässigen Betriebsbedingungen, beispielsweise hinsichtlich der maximal zulässigen Rotationsgeschwindigkeit des Rotors 3, maximaler Beladung, etc., richten sich insbesondere nach dem jeweils in die Zentrifuge 1 eingesetzten Rotor 3 und/oder nach den für den jeweiligen Rotor 3 vorgesehenen Probengefäßen. Um einen sicheren Betrieb der Zentrifuge 1 zu ermöglichen, ist eine Sensoranordnung 8 vorhanden, die eine Identifikation des in den Zentrifugenkessel 2 eingesetzten Rotors 3 im Stillstand des Rotors 3 ermöglicht. Wesentliche Komponenten der Sensoranordnung 8 sind eine Auswerteeinheit 9, ein Sensorträger 10, in dem eine Vielzahl an Magnetsensoren 11 angeordnet ist, und eine Vielzahl von Magnetsitzen 12, die jeweils zur Aufnahme eines Magneten 13 ausgebildet sind. Die Auswerteeinheit 9 steht über die Signalleitungen 9A und 9B in Verbindung mit dem Sensorträger bzw., zumindest indirekt, mit den einzelnen Magnetsensoren 11 und dem Antrieb 4. Konkret werden über diese Verbindungen beziehungsweise Leitungen die von den Magnetsensoren 11 ermittelten Messwerte an die Auswerteeinheit 9 weitergeleitet und von dieser in der nachstehend noch näher beschriebenen Weise zur Rotoridentifikation und/oder Unwuchtbestimmung verarbeitet. Stellt die Auswerteeinheit 9 dabei beispielsweise unzulässige Abweichungen von vorher festgesetzten Grenzwerten fest, löst sie über die Leitung 9A einen Antriebsstop aus (bei der Funktion ”Unwuchterkennung”) beziehungsweise verhindert den Start des Rotationsvorgangs (bei der Funktion ”Rotoridentifikation”). Die Magnetsitze 12 sind Teil eines ringförmigen Trägerkranzes 14, der an der Unterseite des Rotors 3 angeordnet ist. Alternativ kann der Trägerkranz 14 auch einteilig beziehungsweise integral mit dem Rotor 3 ausgebildet sein. Der Trägerkranz 14 ist in Richtung der Rotationsachse 6 bzw. vorliegend in Vertikalrichtung mit dem Abstand ΔH, zu der oben liegenden, dem Rotor 3 zugewandten Oberfläche der Magnetsensoren 11 gleichmäßig beabstandet. Die beiden jeweils ringförmig ausgebildeten Elemente Sensorträger 10 und Trägerkranz 14 liegen somit in Axialrichtung (Y-Richtung) der Rotationsachse 6 bzw. in Vertikalrichtung übereinander und weisen nahezu konstant den Abstand ΔH₁ auf. Der Übersichtlichkeit halber sind in 1 lediglich die Welle 5, der Sensorträger 10, die beiden geschnittenen Magnetsensoren 11, die beiden geschnittenen Magnetsitze 12, die beiden geschnittenen Magnete 13 und der Trägerkranz 14 mit schraffierten Schnittflächen dargestellt (gleiches gilt im Übrigen für die nachstehend noch weiter erläuterte Schnittansicht aus 6). Insbesondere der Rotor 3, der Antrieb 4 und der Zentrifugenkessel 2 sind lediglich stark schematisiert wiedergegeben.
Die 2a und 2b veranschaulichen den prinzipiellen Aufbau des am Rotor 3 aus 1 angeordneten Trägerkranzes 14 mit seiner Vielzahl an Magnetsitzen 12 in einer Draufsicht von oben. Der Trägerkranz 14 umfasst insgesamt 32 Magnetsitze 12 (N_pmag = 32; die einzelnen Magnetsitze sind mit den Nummer 12.1 bis 12.32 im Uhrzeigersinn durchnummeriert; aus Übersichtlichkeitsgründen ist nicht jeder Magnetsitz mit dem vollen Bezugszeichen 12.1, 12.2, 12.3, etc., gekennzeichnet), die jeweils zur Aufnahme eines Magneten ausgebildet sind. Die Magnetsitze 12 weisen in Bezug auf die Rotationsachse 6 in der Rotationsebene (XZ-Ebene) zueinander einen gleichen Winkelabstand β auf (im vorliegenden Ausführungsbeispiel konkret 10°). Es ist nicht zwingend erforderlich, dass die einzelnen Magnetsitze 12 jeweils im gleichen Winkelabstand über den gesamten Trägerkranz 14 hinweg angeordnet sind. Eine alternative Anordnungsmöglichkeit veranschaulicht dazu 2b, die sich insbesondere durch ihre gruppierte Anordnung der Magnetsitze 12 auszeichnet. Konkret sind jeweils fünf Magnetsitze zu einer Gruppe G zusammengefasst, wobei insgesamt die Gruppen G1, G2, G3 und G4 im Trägerkranz 14 angeordnet sind. Innerhalb der Gruppen sind die Magnetsitze 12 ebenfalls konkret mit 10° (d. h. β) beabstandet, die einzelnen Gruppen G1 bis G4 sind allerdings in Bezug auf Ihren jeweils außen liegenden Magnetsitze zueinander im größeren Winkel δ (konkret 30°) beabstandet. Allerdings sind auch die Gruppen zueinander in Rotationsrichtung 7 gleichmäßig beabstandet. Eine weitere Alternative zur Anordnung der Magnetsitze 12 im Trägerkranz ist in 9 angegeben, die eine Ausschnittsansicht auf ein Viertel eines Trägerkranzes 14 ist. Auch in 9 sind die Magnetsitze 12 gruppiert angeordnet (der Ausschnitt entspricht der Gruppe G3 aus 2b). Allerdings überlappen sich einander benachbarte Magnetsitze, was insbesondere durch den gestrichelt angedeuteten Magnetsitz 12.13 und den beiden ihm benachbarten überlappenden Magnetsitzen 12.12 und 12.13' verdeutlicht wird. Diese sind jeweils gepunktet angedeutet. Die Überlappung der Magnetsitze 12.12', 12.13 und 12.13' ist somit in der Weise ausgebildet, dass sich jeweils benachbarte Magnetsitze überlappen (zum Beispiel Magnetsitz 12.12' und 12.13), der darauffolgende Magnetsitz (zum Beispiel Magnetsitz 12.13') ist aber wieder überlappungsfrei mit dem vorvorgeordneten Magnetsitz (vorliegend Magnetsitz 12.12'). Die Überlappung erstreckt sich somit allein auf den/die unmittelbar benachbarten Magnetsitze. Die Winkelbeabstandung beträgt β/2.
In 2a sind ferner vier Magnete 13 (13.1, 13.2, 13.3 und 13.4) in jeweils einem Magnetsitz 12 (Magnet 13.1 in Magnetsitz 12.1, Magnet 13.2 in Magnetsitz 12.6, Magnet 13.3 in Magnetsitz 12.12 und Magnet 13.4 in Magnetsitz 12.23) angeordnet und weisen somit die Winkelabstände α1 bis α4 zueinander auf. Wichtig ist ferner, dass die Magneten 13.1–13.4 hinsichtlich der Orientierung ihres Magnetfelds zum Teil entgegengesetzt in den Trägerkranz 14 eingelassen sind. Bei den Magneten 13.1 und 13.3 weist der eine Pol zum Betrachter (beispielsweise der Nordpol; in 2a symbolisiert durch die schraffierte Flächenfüllung) und bei den beiden anderen Magneten 13.2 und 13.4 entsprechend der entgegengesetzte Pol (beispielsweise der Südpol; in 2a symbolisiert durch die ausgefüllte Fläche). Die spezielle Kennzeichnung des Rotors 3 zur nachstehend noch näher erläuterten Rotoridentifikation erfolgt somit einerseits über die Winkelbeabstandung der Magneten 13 sowie der Ausrichtung ihres jeweiligen Magnetfelds. Es ist somit nicht jeder einzelne der Magnetsitze 12.1 bis 12.32 zwangsläufig jeweils mit einem Magneten 13 bestückt, sondern lediglich ein Teil der Magnetsitze 12 weist einen Magneten 13 auf. Aus dem Bestückungsmuster ergibt sich letztendlich unter Berücksichtigung der die Kennung des jeweiligen Rotors.
3 veranschaulicht die relative Lage der Magnetsitze 12 im Trägerkranz 14 des Rotors 2 im Verhältnis zu den Magnetsensoren 11 der Sensoranordnung 8 weiter schematisch. Aus Übersichtlichkeitsgründen sind die Magnetsensoren 11 in 3 in Radialrichtung nach innen, d. h. zur Rotationsachse 6 hin, versetzt dargestellt. Die Ränder des Trägerkranzes 14 aus 2a sind zur Orientierung gestrichelt angedeutet. Insgesamt umfasst die Sensoranordnung 8 24 Magnetsensoren (N_sens = 24). Die einzelnen Magnetsensoren 11 sind durchnummeriert angegeben (11.1 bis 11.24); die Positionsnummern 1 bis 32 der Magnetsitze 12 aus 2a sind nur zum Teil erneut angegeben.
In Rotationsrichtung 7 sind sowohl die Magnetsensoren 11 als auch die Magnetsitze 12 untereinander gleichmäßig beabstandet. Konkret sind in Rotationsrichtung zueinander benachbarte Magnetsensoren 11 mit dem Winkel γ und Magnetsitze 12 mit dem Winkel β beabstandet, wobei der Winkel γ größer als der Winkel β ist (konkret im Verhältnis von ca. 1:1,3). Die beiden Winkel β und γ sind dabei jeweils durch Schenkel in Radialrichtung aus der Rotationsachse δ heraus durch die jeweiligen Mittelpunkte der kreisförmigen Magnetsitze 12 und Magnetsensoren 11 angegeben. Durch die unterschiedliche Anzahl der Magnetsensoren 11.1 bis 11.24 im Vergleich zu den Magnetsitzen 12.1–12.32 bzw. deren unterschiedliche Winkelbeabstandung verschiebt sich das Lagerverhältnis der Magnetsitze 12 relativ zu den Magnetsensoren 11 und ist nicht über den gesamten Kreis gleichförmig. Der Magnetsitz 12.1 liegt beispielsweise in Radialrichtung auf einer Linie mit dem Magnetsensor 11.1. Der in Rotationsrichtung benachbarte Magnetsitz 12.2 ist gegenüber seinem nächstliegenden Magnetsensor 11.2 entgegen der Rotationsrichtung verschoben und weist somit ein anderes Beabstandungsverhältnis zu seinem nächstliegenden Magnetsensor 11.2 als der Magnetsitz 12.1 im Verhältnis zum Magnetsensor 11.1 auf.
Mit der Sensoranordnung 8 ist jedoch dennoch eine exakte Bestimmung der Lage der jeweils im Sensorträger angeordneten Magnete möglich, wie es nachstehend anhand des in 4 angegebenen Situationsbeispiels näher veranschaulicht ist. Die Darstellung aus 4 basiert auf der 3, wobei in 4 zusätzlich die vier Magnete 13.1, 13.2, 13.3 und 13.4 aus 2a zur Kodierung des entsprechenden Rotors von jeweils einem Magnetsitz 12 (Magnet 13.1 vom Magnetsitz 12.1, Magnet 13.2 vorn Magnetsitz 12.6, Magnet 13.3 vom Magnetsitz 12.12 und Magnet 13.4 vom Magnetsitz 12.23) aufgenommen sind. Zur Positionsbestimmung der Magnete 13.1 bis 13.4 erfolgt zunächst durch die in 4 nicht weiter dargestellte Auswerteeinheit eine Abfrage der aktuellen Messwerte der einzelnen Magnetsensoren 11.1 bis 11.24. Dabei ermittelt die Auswerteeinheit zunächst betragsmäßige Maximalwerte. Solche betragsmäßigen Maximalwerte werden von denjenigen Magnetsensoren 11 geliefert, die im Vergleich zu ihren in und entgegen der Umlaufrichtung des Rotors benachbarten Magnetsensoren den geringsten Abstand zu einem der Magnete 13.1 bis 13.4 aufweisen bzw. stärker vom Magnetfeld der Magnete 13.1 bis 13.4 beeinflusst werden als ihre benachbarten Magnetsensoren. Im Ausführungsbeispiel aus 4 sind dies die Magnetsensoren 11.1 (für den Magneten 13.1), 11.5 (für den Magneten 13.2), 11.9 (für den Magneten 13.3). Der Magnet 13.4 nimmt eine Zwischenposition zwischen den Magnetsensoren 11.17 und 11.18 ein, sodass die Auswerteeinheit zunächst die Werte jeweils der beiden Magnetsensoren 11.17 und 11.18 separat als betragsmäßigen Maximalwert berücksichtigt. Diejenigen Magnetsensoren 11, die einen betragsmäßigen Maximalwert detektieren, sind in 4 mit einem schwarzen Punkt gekennzeichnet.
Um festzustellen, wie weit und in welche Richtung (in oder entgegen der Rotationsrichtung 7) der jeweilige Magnet 13.1 bis 13.4 gegenüber dem jeweils ein betragsmäßiges Maximalsignal liefernden Magnetsensor 11 in oder entgegen der Rotationsrichtung verschoben ist, fragt die Auswerteeinheit in einem nächsten Schritt die Messwerte der in und entgegen der Rotationsrichtung benachbarten beiden Magnetsensoren 11 ab. Für den Magnetsensor 11.1 heißt das beispielsweise, dass die Auswerteeinheit ergänzend die Messwerte der Magnetsensoren 11.2 und 11.24 berücksichtigt und daraus die konkrete Verschiebung des Positionsmagneten in Rotationsrichtung gegenüber dem Magnetsensor 11.1 errechnet. Gleiches gilt für die weiteren jeweils ein betragsmäßiges Maximalsignal liefernden Magnetsensoren (für den Magnetsensor 11.5 werden zusätzlich die Werte der Magnetsensoren 11.4. und 11.6 abgefragt; für den Magnetsensor 11.9 werden zusätzlich die Werte der Magnetsensoren 11.8 und 11.10 abgefragt; für den Magnetsensor 11.17 werden zusätzlich die Werte der Magnetsensoren 11.16 und 11.18 abgefragt; für den Magnetsensor 11.18 werden zusätzlich die Werte der Magnetsensoren 11.17 und 11.19 abgefragt). Die ergänzend abgefragten ”benachbarten” Magnetsensoren sind mit einem Kreis in 4 gekennzeichnet. Aus dem Verhältnis jedes betragsmäßigen Maximalwertes eines Magnetsensors mit den Messwerten seiner beiden benachbarten Magnetsensoren ermittelt die Auswerteeinheit anschließend die konkrete Winkellage der einzelnen Magnete 13.1 bis 13.4 zueinander und ordnet diesem Wertemuster einen bestimmten Rotor zu (vorliegend stellt die Auswerteeinheit dabei beispielsweise auch fest, dass die Maximalmesswerte der beiden Magnetsensoren 11.17 und 11.18 jeweils dem Magneten 13.4. im Magnetsitz 12.23 zugeordnet werden können).
5 veranschaulicht den prinzipiellen Aufbau der Auswerteeinheit 9. Die Auswerteeinheit 9 ist zunächst über geeignete Signalverbindungen mit den Magnetsensoren 11.1 bis 11.24 verbunden und kann dadurch die von den Magnetsensoren ermittelten Messwerte abfragen. Dazu ist eine geeignete Abfrageeinheit 15 (konkret ein Multiplexer) vorhanden, der wiederum an einen Mikrocontroller 16 angeschlossen ist. Dieser steht mit einer Zentrifugensteuerung 17 in Verbindung, über die insbesondere auch die Funktionen „Drehzahl” und „Motorstopp” geregelt werden. Die Zentrifugensteuerung steuert dazu den Antrieb der Zentrifuge 1 an (in 5 nicht weiter angegeben). Die Auswerteeinheit 9 hat im Ausführungsbeispiel gemäß 5 neben der reinen Auswertefunktion (Verarbeitung der Daten der Magnetsensoren, Ermittlung des vorhandenen Codemusters und Zuordnung zu einem bestimmten Rotor und gegebenenfalls Überwachung, ob die eingestellten Betriebsdaten mit den zu dem ermittelten Rotor hinterlegten Betriebsdaten übereinstimmen bzw. nicht außerhalb festgelegter Grenzwerte liegen) somit auch eine Steuerfunktion (Abbruch des Rotationsbetriebes beim Überschreiten der erlaubten Betriebsgrenzen, zum Beispiel hinsichtlich Drehzahl, Kipplage, etc.), über die der Rotationsbetrieb der Zentrifuge 1 geregelt wird. Eine Vielzahl der Komponenten sind auf einer Platine 18 angeordnet (in 5 lediglich gestrichelt angedeutet). Die Auswerteeinheit 9 umfasst im Ausführungsbeispiel gemäß 5 ferner einen Temperatursensor 19, der zur Überwachung der Temperatur im Zentrifugenkessel ausgebildet ist, eine elektronische Wasserwaage 20, um eine waagerechte Aufstellung der Zentrifuge 1 zu gewährleisten, und einen elektronischen Unwuchtsensor 21, der insbesondere zur Unwuchterkennung bei hohen Drehzahlen des Rotors 3 ausgebildet ist. Neben den Magnetsensoren 11 sind somit weitere Sensoren vorhanden, die weitere physikalische Betriebsparameter überwachen.
Wie vorstehend bereits erwähnt, ist die Zentrifuge 1 ferner in der Weise ausgebildet, dass sie die Kipplage des Rotors 3 im Rotationsbetrieb überwachen kann beziehungsweise in der Lage ist, eine während des Rotationsbetriebes auftretende Unwucht im Rotor 3 zu erkennen und, sofern bestimmte Grenzwerte überschritten werden, den Rotationsbetrieb vorsorglich zu stoppen. Weitere Details zu dieser Funktion ergeben sich insbesondere aus den Figuren 6, 7a, 7b und 7c.
6 ist von der vorstehend bereits beschriebene 1 abgeleitet. Aus Übersichtlichkeitsgründen sind nicht sämtliche Bezugszeichen aus der 1 auch in 6 angegeben. Eine Kipplage des Rotors 3 liegt dann vor, wenn seine mittige und üblicherweise in Vertikalrichtung verlaufende Längsachse 6 (die Achse, um die die Rotation erfolgen soll) von der tatsächlichen Rotationsachse 6 abweicht. Der Rotor 3 läuft dann ”unrund” beziehungsweise taumelt um die Rotationsachse 6 herum. Diese Verkippung des Rotors 3 ist in 6 mit dem Winkel ε angegeben, der die Abweichung der Längsachse 6' zur Rotationsachse 6 angibt. Eine derartige Schieflage des Rotors kann beispielsweise dann auftreten, wenn eine bezüglich der Rotationsebene ungleichmäßige Gewichtsverteilung im Rotor 3 vorliegt, der Rotor nicht korrekt im Zentrifugenkessel 2 gelagert ist, der Rotor 3 defekt ist, etc. Die dabei auftretenden Unwuchten stellen ein erhebliches Betriebsrisiko dar, sodass eine frühzeitige Unwuchterkennung wünschenswert ist.
6 (insbesondere im Vergleich zu 1) verdeutlicht den Effekt, den eine Schräglage des Rotors 3 um den Verkippungswinkel ε auf die Sensoranordnung 8 beziehungsweise auf die mit den Sensoranordnung ermittelten Messwerte hat. Die im Normalzustand (1) und im verkippten Zustand (6) erhaltenen Messwerte sind in den 7a, 7b und 7c gegenübergestellt, wobei jeweils auf der linken Seite der 7a bis 7c schematisch die Relativlage eines Magneten 13 und eines Magnetsensors 11 angegeben ist und auf der rechten Seite jeweils das vom Sensor 11 ermittelte Signal in einer Anzeige 22 verdeutlicht ist. In durchgezogener Linie ist in der Anzeige dabei jeweils der Signalverlauf dargestellt, der von einem Magnetsensor 11 ermittelt wird, wenn ein in einem Magnetsitz 12 des Trägerkranzes 14 untergebrachter Positionsmagnet 13 an ihm im Rotationsbetrieb vorbeigeführt wird, wobei der eine Pol (zum Beispiel der Nordpol) des Magneten 13 zum Magnetsensor 11 ausgerichtet ist. Gestrichelt ist der alternative Signalverlauf angegeben, wenn der andere Pol (zum Beispiel der Südpol) zum Magneten ausgerichtet ist. Dieser Signalverlauf entspricht dem Spiegelbild des anderen Signalverlaufs bei umgekehrter Magnetfeldrichtung. Das Magnetfeld 24 ist lediglich zur weiteren Verdeutlichung in den 7a bis 7c mit einem Teil seiner Feldlinien angedeutet.
Im Normalfall beträgt der Abstand zwischen den auf dem Sensorträger 10 angeordneten Magnetsensoren 11 und den Magnetsitzen 12 des Rotors 3 (bzw. den darin befindlichen Magneten 13) konstant ΔH₁ über den gesamten Bereich der Rotationsebene (in 1 angegeben). Beim Vorbeilaufen eines in einem der Magnetsitze 12 am Rotor 3 platzierten Magneten 13 mit seinem Magnetfeld 24 an einem Magnetsensor 11 im Rotationsbetrieb wird dabei das Signal S1 mit der Signalintensität H1 (Abstand zwischen der Basis- bzw. Nulllinie 23 und dem betragsmäßigen Maximalmesswert bzw. dem Wendepunkt des Signals im Maximum) von der Auswerteeinheit 14 registriert. Dies ist in 7a veranschaulicht, die auf der linken Seite zunächst einen Ausschnitt aus der Sensoranordnung 8 zeigt. Aus Übersichtlichkeitsgründen ist lediglich der Magnet 13 dargestellt, dessen Magnetfeldlinien gepunktet angedeutet sind. Der Magnet 13 weist ferner zwei Pole 13a (beispielsweise Nordpol) und 13b (beispielsweise Südpol) auf, wobei der Magnet 13 in der Weise relativ zum Magnetsensor 11 angeordnet ist, dass er mit seinem einen Pol 13a zum Magnetsensor 11 hin ausgerichtet ist und mit seinem anderen Pol 13b vom Magnetsensor wegweisend im in 7a nicht mehr dargestellten Rotor angeordnet ist. Im Rotationsbetrieb wird der Magnet 13 somit am Magnetsensor 11 vorbeigeführt, sodass der Magnetsensor, bei dem es sich in 7a konkret um einen bipolaren analogen Hall-Sensor handelt, das auf der rechten Seite dargestellte Signal mit der Signalintensität S1 weiterleitet. Die Signalhöhe bzw. Signalintensität ergibt sich dabei aus dem Unterschied des Maximalwertes und der Basislinie. Wird der Magnet 13 umgedreht in der Weise, dass er mit dem Magnetpol 13b zum Magnetsensor 11 hin zeigt, wird das gepunktet dargestellte Signal erhalten, dessen Signalintensität ebenfalls S1 entspricht.
Bei einer Verkippung der Rotorachse um den Winkel ε nähert sich der Rotor auf einer Seite den entsprechenden Magnetsensoren an, d. h. der Abstand ΔH₁ verkleinert sich zu ΔH₂, wie es beispielsweise in 7b dargestellt ist. Gegenüberliegend vergrößert sich der Abstand ausgehend von ΔH₁ zu ΔH₃, wie es beispielsweise aus 7c ersichtlich ist. Dadurch, dass der Magnet in den 7b und 7c in größerem bzw. kleinerem Abstand am Magnetsensor 11 im Vergleich zum Normalzustand aus 7a vorbeigeführt wird, registriert die Auswerteeinheit 14 auch unterschiedliche Signalintensitäten. Diese Unterschiede in den Signalintensitäten lassen letztendlich einen Rückschluss auf die Kipplage des Rotors 3 zu. 7b verdeutlicht, dass bei einer Verkleinerung des Abstandes zwischen dem Magnetsensor 11 und dem Magneten 13 die Signalintensität 52 im Vergleich zur Ausgangssignalintensität bei Normallage S1 zunimmt. Dies gilt auch bei umgekehrter Polung des Magneten 13. 7c schließlich betrifft den gegenteiligen Fall, indem der Einfluss des an dem Magnetsensor vorbeigeführten Magnetfeldes 22 auf den Magnetsensor 11 aufgrund des größeren Abstandes ΔH₃ geringer wird, sodass die Signalintensität auf S₃ sinkt. Beide Abstände werden im Rotationsbetrieb, bei dem jeder Magnet an jedem Sensor vorbei geführt wird, von jedem einzelnen Sensor nacheinander erfasst. Entsprechend ist es möglich, für die Funktion ”Unwuchterkennung” nur einen Sensor 11 aus der gesamten Sensoranordnung 8 heranzuziehen.
Ein gewisses Maß an Verkippung des Rotors 3 im Rotationsbetrieb ist durchaus tolerierbar. Die Auswerteeinheit 14 kann dazu beispielsweise in der Weise ausgebildet sein, dass ein Signalbereich festgelegt ist, innerhalb dessen ein regulärer Rotationsbetrieb der Zentrifuge 1 erlaubt und fortgesetzt wird. Stellt die Auswerteeinheit 14 jedoch ein Unterschreiten bzw. ein Überschreiten einer Untergrenze 33 bzw. einer Obergrenze 34 dieses Bereichs fest, wird eine Stoppfunktion der Zentrifuge eingeleitet, die ein sofortiges Abstoppen der Rotationsbewegung des Rotors 3 bis hin zum Stillstand zur Folge hat.
Die wesentlichen Verfahrensschritte der Sensoranordnung 8 aus den vorhergehenden Figuren für die Erkennung eines Rotors im Stillstand und für die Unwuchterkennung beim Rotationsbetrieb des Rotors sind in den 8a (Rotoridentifikation) und 8b (Unwuchterkennung) weiter veranschaulicht.
Mit den in 8a angegebenen Verfahrenschritte kann die Sensoranordnung 8 nach dem Einsetzen des Rotors 3 in die Zentrifuge den jeweiligen Rotor 3 erkennen und beispielsweise abgleichen, ob die vom Bediener für den Rotationsbetrieb gewählten Betriebsbedingungen noch innerhalb zulässiger Betriebsgrenzen für den jeweiligen Rotor 3 liegen oder nicht (und in diesem Fall beispielsweise die Aufnahme des Rotationsbetriebes blockieren). Die in 8a angegebenen Verfahrensschritte laufen nach dem Einsetzen des Rotors 3 in die Zentrifuge bei stillstehendem beziehungsweise nicht rotierendem Rotor ab.
Um den jeweiligen Rotor zu identifizieren, ist in einem ersten Verfahrensschritt 25 das Identifizieren derjenigen Magnetsensoren 11 vorgesehen, die bei stillstehendem Rotor 3 lokale betragsmäßige Maximalmesswerte an die Auswerteeinheit 9 weiterleiten. Die Auswerteeinheit 9 vergleicht beim Verfahrensschritt 25 somit die Signalintensitäten aller Magnetsensoren 11 und ermittelt diejenigen Magnetsensoren 11, die im Vergleich zu den ihnen jeweils in und entgegen der Rotationsrichtung benachbarten Magnetsensoren 11 betragsmäßig größere (oder zumindest gleich große) Signale liefern.
Im sich daran anschließenden Verfahrensschritt 26 ordnet die Auswerteeinheit 9 den im Schritt 25 identifizierten Magnetsensoren mit lokalen betragsmäßigen Maximalmesswerten die Messwerte der jeweils benachbarten Magnetsensoren (in und entgegen der Rotationsrichtung) zu. Die Auswerteeinheit 9 berücksichtigt somit auch die in der Umgebung der mit 25 identifizierten Magnetsensoren positionierten Magnetsensoren und prüft, ob das jeweilige Magnetfeld des jeweiligen Magneten im Rotor 3 auch von benachbarten Magnetsensoren registriert wird und, wenn ja, wie stark das sensierte Signal ist.
Im Verfahrensschritt 27 ermittelt die Auswerteeinheit aus den verfügbaren Daten für jede Messwertgruppe (betragsmäßiger Maximalmesswert und Messwerte der benachbarten Magnetsensoren) zunächst die Anzahl der Magnete und die konkrete Position jedes Magneten in Bezug auf seine Position relativ zu den Magnetsensoren der Sensoranordnung. Durch den zusätzlichen Rückgriff auf die Messwerte derjenigen Magnetsensoren, die jeweils einem Magnetsensor mit einem lokalen betragsmäßigen Maximalmesswert benachbart sind, kann die Auswerteeinheit auch Zwischenstellungen der Magnete zwischen zwei Magnetsensoren mit berücksichtigen und exakt ermitteln. Dies erfolgt beispielsweise über entsprechende Interpolationsoperationen beziehungsweise die Auswerteeinheit ist in der Weise ausgebildet, dass sie die von den beiden benachbarten Magnetsensoren (wovon wenigstens einer einen lokalen betragsmäßigen Maximalmesswert sensiert) jeweils gemessenen Signalintensitäten ins Verhältnis zueinander setzt. In diesem Verfahrensschritt ermittelt die Auswerteeinheit ferner die Feldrichtung der jeweiligen Magnete (bzw., ob er mit seinem Nord- oder mit seinem Südpol zu den Magnetsensoren ausgerichtet ist), was mit Hilfe bipolarer Magnetsensoren möglich ist.
Nachdem die Anzahl, die konkrete Position der Magnete in Bezug auf den Trägerkranz der Magnetsitze und die Ausrichtung der Magnete von der Auswerteeinheit ermittelt wurde, bestimmt die Auswerteeinheit schließlich die konkret vorliegenden Beabstandungswinkel α der vorhandenen Magnete zueinander.
Die Zuordnung der von der Sensoranordnung erfassten Messdaten zu einem bestimmten Rotor erfolgt schließlich im Schritt 29. Dazu wird das ermittelte Muster aus ”Anzahl der Magnete”, ”Ausrichtung der Magnete” und ”Winkelabstand der Magnete” mit in der Auswerteeinheit hinterlegten Daten abgeglichen und einem bestimmten Rotor zugeordnet. Gibt ein Bediener nun gewünschte Betriebsparameter ein, wie beispielsweise Drehzahl, Beschleunigung, etc., gleicht die Auswerteeinheit diese Betriebsparameter mit hinterlegten Soll- und/oder Maximal-/Minimalwerten ab und verhindert bei einer unzulässigen Auswahl die Aufnahme des Rotationsbetriebes. Die Verfahrensschritte 25 bis 29 laufen im Stillstand des Rotors 3 ab.
8b veranschaulicht dagegen die Informationsverarbeitung zur Unwuchterkennung, wobei diese Verfahrensschritte im Rotationsbetrieb des Rotors 3 ablaufen. Die Unwuchterkennung kann einerseits unter Anwendung aller Magnetsensoren, nur eines Teils der Magnetsensoren oder zumindest mit einem der vorhandenen Magnetsensoren erfolgen. Die in 8b angegebene Ausführungsform ist in der Weise ausgebildet, dass sie die Messwerte aller vorhandener Magnetsensoren berücksichtigt. Zunächst wird der Rotationsbetrieb im Schritt 30 aufgenommen, so dass die im Rotor angeordneten wenigstens zwei Magnete an den Magnetsensoren vorbei bewegt werden. Wie zu den 6 und 7a bis 7c vorstehend bereits angegeben wurde, hat die ungleichmäßige Gewichtsverteilung im Rotor 3 zur Folge, dass der Rotor 3 in Schräglage kommt und somit nicht mehr gleichmäßig zu den Magnetsensoren im Trägerkranz beabstandet ist. Diese Schräglage erfasst die Sensoranordnung im Schritt 31, in dem die Maximalannäherung eines Magneten an einen Magnetsensor bestimmt wird. Alternativ oder ergänzend kann auch die maximale Beabstandung bestimmt werden. Durch die Veränderung der Beabstandung der Magnete zu den Magnetsensoren bei einer Schräglage des Rotors 3 und die entsprechende Beeinflussung (oben bereits angegeben) der Messwerte, kann die Auswerteeinheit 9 die Kipplage des Rotors 3 bestimmen (Schritt 32) und damit letztendlich eine vorhandene Unwucht erkennen. Werden dabei festgelegte Grenzwerte nach oben überschritten und nach unten unterschritten, greift die Auswerteeinheit mit der Sicherheitsfunktion ”Motorstop” in den Rotationsbetrieb, insbesondere vor dem Erreichen hoher Drehzahlen, und bricht den Rotationsvorgang ab.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0604912 A2 [0004, 0004]

Claims

Sensoranordnung (8) zur Identifikation eines in eine Zentrifuge (1) eingesetzten um eine Rotationsachse (6) rotierbaren Rotors (3), umfassend – in dem Rotor (3) eine Anzahl N_pmag Magnetsitze (12), die jeweils zur Aufnahme eines Magneten (13) ausgebildet sind, – in einem dem Rotor (3) gegenüberliegend angeordneten Sensorenträger (10) eine Anzahl N_sens Magnetsensoren (11), die in einer Sensorenträgerebene liegend in gleichen Winkelabständen (γ) angeordnet sind, – wenigstens zwei von jeweils einem Magnetsitz (12) aufgenommene Magnete (13) und – eine Auswerteeinheit (9), dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl N der Magnetsensoren (11) kleiner als die Anzahl N_pmag der Magnetsitze (12) N_pmag ist.
Sensoranordnung (8) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetsensoren (11) analoge Magnetsensoren (11) sind.
Sensoranordnung (8) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetsensoren (11) bipolare Magnetsensoren (11) sind.
Sensoranordnung (8) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetsensoren (11) bipolare Analog-Hallsensoren (11) sind.
Sensoranordnung (8) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Anzahl N_sens der Magnetsensoren (11) zur Anzahl N_pmag der Magnetsitze (12) im Bereich 1:1,01 bis 1:2, insbesondere 1:1,3 bis 1:1,75 und ganz besonders 1:1,5 beträgt.
Sensoranordnung (8) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetsensoren (11) einen Winkelabstand (γ) im Bereich von 5° bis 15°, insbesondere 8° bis 12° und ganz besonders von 10° aufweisen.
Sensoranordnung (8) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetsensoren (11) in Axialrichtung der Rotationsachse (6) unterhalb des Rotors (3) angeordnet sind.
Sensoranordnung (8) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetsensoren (11) in Radialrichtung der Rotationsachse (6) außerhalb des Rotors (3) angeordnet sind.
Sensoranordnung (8) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetsitze (12) gruppiert (G1, G2, G3, G4) angeordnet sind.
Sensoranordnung (8) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetsitze (11, 11', 12, 12', 13, 13', 14, 14, 15) einander teilweise überlappend angeordnet sind.
Sensoranordnung (8) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei von jeweils einem Magnetsitz (12) aufgenommenen Magnete (13) bezüglich ihrer Polung zum Sensorträger (10) gegensätzlich angeordnet sind.
Sensoranordnung (8) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (9) in der Weise ausgebildet ist, dass sie die Position eines in einem der Magnetsitze (12) angeordneten Positionsmagneten (13) unter Berücksichtigung der ermittelten Maximalmesswerte a) eines Magnetsensors (11), der einen lokalen betragsmäßigen Maximalmesswert feststellt, und b) wenigstens eines der beiden diesem Magnetsensor (11) benachbarten Magnetsensoren (11) bestimmt.
Sensoranordnung (8) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (9) in der Weise ausgebildet ist, dass sie anhand der von den Magnetsensoren (11) ermittelten Messwerte bei rotierendem Rotor (3) Unwuchten im Rotor (3) Identifiziert.
Sensoranordnung (8) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorenträger (10) einen Temperatursensor und/oder einen Beschleunigungssensor aufweist.
Zentrifuge (1), umfassend – einen um eine Rotationsachse rotierbaren Rotor (3), – einen Antrieb (4), – eine Welle (5) zur Übertragung einer Antriebskraft des Antriebs (4) auf den Rotor (3) und – eine Sensoranordnung (8) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14.
Zentrifuge (1) gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (3) elastisch gelagert ist.
Verfahren zur Erkennung eines Rotors (3) in einer Zentrifuge (1), insbesondere gemäß der Ansprüche 14 und 15, unter Verwendung einer Sensoranordnung (8) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, umfassend die Schritte a) Einbringen des Rotors (3) in die Zentrifuge (1); b) Bestimmen des Positionsmusters wenigstens zweier Magnete (13) im Rotor (3) bei stillstehendem Rotor (3) mit Hilfe der Sensoranordnung (8); und c) Zuordnen des Positionsmuster durch die Auswerteeinheit (9) zur Identifikation eines bestimmten Rotors (3).
Verfahren zur Erkennung eines Rotors (3) in einer Zentrifuge (1) gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bestimmen des Positionsmusters der wenigstens zwei Magnete (13) folgende Schritte durchgeführt werden: a) Identifizieren derjenigen Magnetsensoren (11), die bei stillstehendem Rotor (3) lokale betragsmäßige Maximalmesswerte an die Auswerteeinheit (9) weiterleiten; b) Abfragen wenigstens der Messwerte der zu a) identifizierten Magnetsensoren (11) zu wenigstens einer Seiten benachbarten Magnetsensoren (11); c) Bestimmen der konkreten Position der wenigstens zwei Magnete (13) jeweils unter Berücksichtigung der Messwerte wenigstens zweier zueinander benachbarter Magnetsensoren (11) durch die Auswerteeinheit (9); und d) Bestimmen der Winkelstellung der wenigstens zwei Magnete (13) in Bezug auf die Rotationsebene des Rotors (3) durch die Auswerteeinheit (9).
Verfahren zur Erkennung eines Rotors (3) in einer Zentrifuge (1) gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass zu den Schritten b) und c) jeweils die Messwerte der beiden Magnetsensoren (11) mit einbezogen werden, die zu beiden Seiten derjenigen Magnetsensoren (11) liegen, die einen lokalen betragsmäßigen Maximalmesswert detektieren.
Verfahren zur Unwuchterkennung eines Rotors (3) in einer Zentrifuge (1), insbesondere gemäß der Ansprüche 15 oder 16, unter Verwendung einer Sensoranordnung (8) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, umfassend die Schritte a) Rotieren des Rotors (3); b) Messen der Maximalannäherung eines Magneten (13) an einen Magnetsensor (11); und c) Bestimmen der Kipplage des Rotors (3).