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Einrichtung zur Regelung der Drehzahl für einen elektromotorischen,
pneumatischen oder hydraulischen Antrieb Meßeinrichtungen mit Ultrazentrifugen werden
zum Bestimmen der Sedimentationskonstante von hochmolekularen Stoffen verwendet.
Dabei werden an die Drehzahlstabilität sehr hohe Forderungen gestellt. In der Gleichung
für die Sedimentationskonstante
erscheint außer der Sedimentationsgeschwindigkeit dt der Teilchen und dem Abstand
r des Prüfstoffes von der Achse noch das Quadrat der Winkelgeschwindigkeit c) des
Läufers der Ultrazentrifuge. Es kann gezeigt werden, daß zur Erzielung einer ausreichenden
Genauigkeit von mittels Ultrazentrifugen durchgeführten Sedimentationsmessungen
die jeweilige Betriebsdrehzahl des Läufers mindestens auf ±0,5m/o bekannt sein und
mindestens mit dieser Genauigkeit über mehrere Stunden, d. h. solange die Messung
dauert, aufrechterhalten werden muß. 3üngstens wird eine Erhöhung der Genauigkeit
auf -E-0,211/o angestrebt.
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Es sind Ultrazentrifugen bekannt, bei welchen der Läufer über Zahnräder
durch einen Motor angetrieben wird. Die Drehzahlregelung des Läufers ist auf die
Drehzahlregelung des Antriebsmotors zurückgeführt und in an sich bekannter Weise
bis zu einer Genauigkeit von ±0,5'% gewährleistet.
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Diese Regelungsart hat den Nachteil, daß die Regelung der Drehzahl
des Antriebsmotors bei Forderung noch höherer Genauigkeit auf große Schwierigkeiten
stößt.
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Bei pneumatisch angetriebenen Ultrazentrifugen erfolgt die Drehzahlregelung
elektropneumatisch. Hierfür ist ein Schwenkspulregler vorgesehen, welcher nach dem
Tachometerprinzip arbeitet und die Drehzahlschwankungen des Läufers um einen am
Meßgerät des Reglers durch einen manuell verstellbaren Zeiger eingestellten Drehzahlwert
in Spannungsänderungen um einen Mittelwert einer Gleichspannung umwandelt. Dieser
Mittelwert einer Gleichspannung ist dem jeweiligen Sollwert der eingestellten Drehzahl
zugeordnet. Die Spannungsänderung regelt nach geeigneter Verstärkung und Gleichrichtung
mittels einer pneumatischen Regeleinrichtung die Menge der den Läufer antreibenden
Luft.
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Ein Nachteil dieser Einrichtung besteht darin, daß die Regelvorrichtung
mit Schwenkspule nicht gestattet, die durch sie eingestellte Drehzahl mit hoher
Genauigkeit festzulegen, da sie nach dem Prinzip des Tachometerdynamos arbeitet.
Statt dessen wurde bereits das Frequenzmeßverfahren nach L i s s a j o u s empfohlen,
wozu jedoch kostspielige spezielle Geräte, wie Oszilloskope und Tonfrequenzgeneratoren,
erforderlich sind. Die Genauigkeit der Feststellung des Durchschnittswertes der
geregelten Drehzahl ist dabei auf die Frequenzgenauigkeit des Tonfrequenzgenerators,
auf seine Stabilität und die Möglichkeit der genauen Ablesung seiner Skala zurückgeführt,
was insgesamt eine Genauigkeit von etwa ± 1'% bedeutet.
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Es sind noch Methoden zur Regelung von Drehsystemen bekannt, bei welchen
eine Frequenz, welche der zu regelnden Drehzahl zugeordnet ist, durch einen Frequenzdiskriminator
beliebiger Art oder aber durch zwei Filter in gewissen Grenzen gehalten und so die
Drehzahl stabilisiert wird. Diese Methoden sind wiederum nur zur Regelung des Antriebs
bei einer einzigen Drehzahl bzw. in deren Nähe geeignet.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Drehzahlregelung
für einen elektromotorischen, pneumatischen oder hydraulischen Antrieb, insbesondere
für Ultrazentrifugen, mit einem Impulsgenerator, der oberwellenhaltige Impulse mit
einer der Istdrehzahl proportionalen Frequenz abgibt, und einem den Antrieb über
Stellglieder steuernden Frequenzdiskriminator. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
daß der Impulsgenerator mit einem Bandfilter verbunden ist, das auf eine der Solldrehzahl
zugeordnete Durchlaßfrequenz abgestimmt ist, die ein Vielfaches der höchsten Impulsfrequenz
des Impulsgenerators beträgt, und daß dem Bandfilter der ebenfalls auf dessen Durchlaßfrequenz
abgestimmte
Frequenzdiskriminator nachgeordnet ist, der bei Abweichung
der ihm zugeführten Frequenz von der Durchlaßfrequenz ein Stehsignal abgibt.
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Diese Einrichtung ermöglicht die Regelung des Antriebes auf sehr verschiedene
Drehzahlen ohne Austausch von Bestandteilen und bei gleicher Genauigkeit.
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Die vorbestimmten Drehzahlen, auf die der Antrieb durch die Einrichtung
selbsttätig geregelt wird, sind mit hoher Genauigkeit bekannt, so daß ihre nachherige
Ermittlung durch Messen nicht erforderlich ist.
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Die Regelung auf die jeweilige Betriebsdrehzahl erfolgt mit hoher
Genauigkeit. Der elektronische Teil der Regeleinrichtung enthält keine sich abnutzenden
Bestandteile.
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Durch die gemeinsame Anwendung eines scharf abgestimmten Bandfilters
und eines Frequenzdiskriminators in der vorliegenden Einrichtung zur Drehzahlregelung
wird die Regelung des Antriebs auf eine Vielzahl von Drehzahlwerten möglich, ohne
daß an der Einrichtung irgendeine Änderung vorgenommen werden muß. Die konkreten
Werte der geregelten Drehzahlen können durch die Wahl der Durchlaßfrequenz des Bandfilters
und des Verhältnisses der Impulsfrequenz des Impulsgenerators zur Drehzahl des Antriebs
bestimmt werden.
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Im folgenden wird auf Grund der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung und seine Wirkungsweise beschrieben.
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Wie aus F i g. 1 hervorgeht, ist der Rotor eines Impulsgenerators
1 mit der Welle 8 des Antriebs 7 einer Ultrazentrifuge, z.
B. des Läufers einer Luftturbine, verbunden, deren Drehzahl geregelt werden soll.
Der Impulsgenerator 1 liefert rechteckige, also oberwellenhaltige Impulse, deren
Form und zeitlicher Ablauf in Zeile A der F i g. 2 dargestellt ist und deren Frequenz
(Zahl der Impulse je Sekunde) eindeutig der Istdrehzahl des Antriebs 7 zugeordnet
ist. Ein Ausführungsbeispiel des Impulsgenerators wird weiter unten beschrieben.
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Die durch den Impulsgenerator 1 gelieferten Impulse werden einem Bandfilter
2 zugeführt, das auf eine der Solldrehzahl zugeordnete Durchlaßfrequenz abgestimmt
ist, die ein Vielfaches der höchsten Impulsfrequenz des Impulsgenerators beträgt,
und dessen Durchlaßfrequenzbereich sehr eng ist. Die durch das Bandfilter 2 hindurchgelassene
Frequenz (Zeile B in F i g. 2) gelangt in einen Frequenzdiskriminator 3, der auf
dieselbe Frequenz abgestimmt ist wie das Bandfilter z. Bei allen Drehzahlen,
bei welchen die fest eingestellte Durchlaßfrequenz irgendeine obere Harmonische
der Impulsfrequenz bildet, wird diese obere Harmonische durch das Bandfilter 2 ausgefiltert.
Eine Bedingung ist dabei natürlich, daß die Breite der durch den Impulsgenerator
1 gelieferten Impulse ausreichend klein ist und auf diese Weise selbst die höheren
Oberharmonischen eine ausreichend große Amplitude aufweisen.
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Weicht die Istdrehzahl des Antriebs von der Solldrehzahl ab, erscheint
am Ausgang des Bandfilters 2 eine von der Durchlaßfrequenz, auf die das Bandfilter
2 abgestimmt ist, etwas abweichende Frequenz, die am Ausgang des Frequenzdiskriminators
3 eine Gleichspannung mit positivem oder negativem Vorzeichen verursacht (-h U bzw.
- U in Zeile C von F i g. 2). Über einen Verstärker 4 wird ein Gleichstromsignal
D (I+ U bzw. I-U in Zeile D von F i g. 2) erhalten, das zur Steuerung
einer elektromagnetischen Vorrichtung 5 verwendet wird. Durch Einwirkung einer entsprechend
veränderbaren magnetischen Feldstärke auf einen beweglichen Eisenkern, welcher mittels
eines Armes mit einer Prellplatte verbunden ist, wird die Größe des Spaltes der
Düsenöffnung eindr pneumatischen Stelldrossel geändert, von welcher der Luftüberdruck
eines pneumatischen Regelsystems abhängt. Durch dieses System wird mittels eines
pneumatischen Membranventils 6 die Menge der Antriebsluft der die Ultrazentrifuge
antreibenden Luftturbine 7 gesteuert.
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Erscheint am Ausgang des Frequenzdiskriminators kein Fehlersignal,
so ist seine Ausgangsgleichspannung gleich Null, wobei der Eisenkern in Mittelstellung
steht, der Spalt der Düsenöffnung der Stelldrossel eine mittlere Größe aufweist
und durch das pneumatische Ventil ebenfalls eine mittlere Antriebsluftmenge hindurchgelassen
wird. Nimmt die Istdrehzahl aus irgendeinem Grund zu, so werden auch die Frequenzen
der Signale nach Zeile A und B der F i g. 2 höher, wobei am Ausgang
des Diskriminators 3 ein z. B. negatives Fehlersignal erscheint. Dies hat zur Folge,
daß auch der Gleichstrom der elektromagnetischen Vorrichtung abnimmt, wodurch auch
die Feldstärke geringer wird. Der Eisenkern wird durch eine Feder nach außen gezogen,
wodurch die Düsenöffnung und auch das pneumatische Ventil geschlossen werden. Dies
hat eine Abnahme der Antriebsluft zur Folge, wodurch die Istdrehzahl wieder abnimmt.
Die Regeleinrichtung arbeitet in ähnlicher Weise auch im umgekehrten Fall.
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Der Impulsgenerator 1 kann verschieden ausgeführt sein. Es kann z.
B. ein lichtoptischer oder ein elektromagnetischer Impulsgenerator verwendet werden.
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Ein Ausführungsbeispiel des Impulsgenerators 1 ist in F i g. 3 dargestellt.
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Diese beispielsweise Ausführungsform des Impulsgenerators 1 besteht
aus einem elektromagnetischen Frequenzgenerator 9, einem signalumformenden Stromkreis
10, einem Differenzierstromkreis 11 und einem Multivibrator 12. Der Läufer
des Frequenzgenerators 9 ist auf der Läuferwelle 8 des Ultrazentrifugenantriebs
7 starr angebracht. Durch den Frequenzgenerator 9 wird eine Wechselspannung mit
einer drehzahlproportionalen Frequenz erzeugt (Zeile E in F i g. 4). Da der Läufer
des Frequenzgenerators aus mehreren Polen besteht, gilt die Gleichung
wobei f die durch den Frequenzgenerator 9 gelieferte Frequenz, n die Umdrehungen
je Minute und p die Polpaarzahl des Läufers bedeutet.
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Nach geeigneter Signalumformung im Stromkreis 10 wird eine annähernd
symmetrische Folge von Rechteckimpulsen erhalten (Zeile F in F i g. 4). Durch Differenzieren
dieser Impulse im Differenzierstromkreis 11 entstehen nadelförmige Impulse (Zeile
G in F i g. 4), mittels welcher der monostabile Multivibrator 12 erregt wird. Am
Ausgang des Multivibrators 12 wird eine Reihe von schmalen Rechteckimpulsen erhalten
(Zeile H in F i g. 4, entsprechend Zeile A in F i g. 2), deren Frequenz
sich von der durch den Frequenzgenerator 9 gelieferten, der Istdrehzahl proportionalen
Frequenz nur um einen Multiplikationsfaktor
unterscheidet. Die
Breite dieser Impulse ist dagegen von der Form und Amplitude der Frequenzsignale
des Frequenzgenerators 9 vollständig unabhängig. Diese Impulse des Multivibrators
12 gelangen zum Bandfilter 2, wie dies aus F i g. 1 hervorgeht.
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Die Einstellung und Aufrechterhaltung der Solldrehzahl erfolgt mittels
abgestimmter Schwingungskreise, durch welche eine wesentlich höhere Genauigkeit
gewährleistet wird als durch die zuvor erwähnten elektromechanischen Ausführungen.
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Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drehzahlr egeleinrichtungkonnte
der Ultrazentrifugenläufer zwischen den Drehzahlen von 25 000 bis 60 000 auf sechzehn
verschiedene einstellbare Solldrehzahlen geregelt werden. Diese Solldrehzahlen werden
mit einer Genauigkeit von ± 0,1 m/o selbsttätig eingestellt und mit dieser Genauigkeit
aufrechterhalten.
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Die durch den Frequenzgenerator 9 gelieferte Frequenz betrug bei 60
000 Umdrehungen je Minute 10 kHz. Die Durchlaßfrequenz, auf die das Bandfilter 2
und der der Frequenzdiskriminator 3 abgestimmt waren, betrug 50 kHz.