DE19652152C2 - Laborrüttelmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Laborrüttelmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Rüttelmaschinen werden u. a. zum Antrieb eines Siebturms verwendet. Der Rüttelvorgang beruht auf der Erregung von Schwingungen von Massen. Um eine gleichbleibende und reproduzierbare Siebqualität zu erreichen, ist es notwendig, mit einer vorgegebenen Rüttelamplitude zu arbeiten. Es ist bekannt, die Schwingungsamplitude durch einen induktiven Wegaufnehmer zu ermitteln (DE 40 12 902 C1).

Diese Wegaufnehmer sind jedoch sehr teuer.

Bei einem bekannten Meßkopf zur Messung mechanischer Schwingungen (DD 263 122 A1) stehen sich ein Magnet und eine Hallsonde gegenüber und führen gegenseitige Schwingungen aus. Die abgegriffene Spannung der Hallsonde kann zur Meßung von Frequenz, Phasenlage, Amplitude und Elongation mechanischer Schwingungen ausgenutzt werden. Hier kommt es auf den Abstand des Magneten zur Hallsonde an, was jedoch bei Laborrüttelmaschinen zu keinem brauchbaren Ergebnis führt, weil dort durch unterschiedliche Beladung sich unterschiedliche Abstände zwischen Magnet und Hallsonde einstellen würden.

Es ist auch bereits bekannt, einen Permanentmagneten zwischen zwei anderen Permanentmagneten schwingen zu lassen und die Steifigkeit der magnetischen Aufhängung zu kontrollieren bzw. die Magnetspalte zu regeln (SU 1 778 549 A1). Während der Messung wird die Vibration des Magneten durch symmetrisch angeordnete Hallsensoren in der Ebene des Magneten fixiert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Laborrüttelmaschine mit einer kostengünstigen Einrichtung zum Erfassen der Schwingungen bereitzustellen.

Die gestellte Aufgabe wird durch eine Laborrüttelmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Danach umfaßt die Schwingungserfassungseinrichtung der Laborrüttelmaschine wenigstens einen Hallsenor. Ein Hallsensor ist eine Vorrichtung zur Messung der örtlichen Magnetflußdichte. Der oder die Hallsensoren werden zur Erfassung der auftretenden Schwingungen bei einer Laborrüttelmaschine verwendet. Dabei wird ein ortsabhängiges Magnetfeld erzeugt, welches von dem oder den Hallsensoren erfaßt wird. Die von dem oder den Hallsensoren abgegebene Spannung kann vom relativen Abstand zwischen dem Sensor und dem Magnetfelderreger abhängig sein.

Rüttelmaschinen haben jedoch wechselnd große Belastung, d. h. die Null-Lage des Tellers ist nicht konstant und somit auch nicht der Abstand des oder der Hallsensoren von dem oder den Magnetfelderregern. In dem im Patentanspruch angegebenen Bereich übt die Verschiebung der Null-Lage des Tellers keine unzuträgliche Auswirkungen auf das Meßsignal aus.

In einer ersten Anordnung sind zwei Magnete an einem U-förmigen Träger angebracht. Ein Hallsensor befindet sich zwischen den beiden Magneten. Entweder der U-förmige Träger mit den beiden Magneten oder der Hallsensor ist starr mit Rüttelteller verbunden und führt dessen Schwingbewegung aus. Gleichzeitig ist das jeweils andere Element (Hallsensor beziehungsweise U- förmiger Träger) starr mit dem im wesentlichen unbeweglichen Gehäuse verbunden, so daß sich aufgrund der Rüttelbewegung des Tellers die relative Lage zwischen dem Hallsensor und den Magneten ändert.

In einer zweiten Anordnung sind zwei Hallsensoren an einem U-förmigen Träger angebracht. Ein Stabmagnet als Magnetfelderreger befindet sich zwischen den beiden Sensoren. Entweder der U-förmige Träger mit den beiden Hallsensoren oder der Stabmagnet ist starr mit dem Rüttelteller verbunden und führt dessen Schwingbewegung aus. Gleichzeitig ist das jeweils andere Element (Stabmagnet beziehungsweise U-förmiger Träger) starr mit dem im wesentlichen unbeweglichen Gehäuse verbunden, so daß sich aufgrund der Rüttelbewegung des Tellers die relative Lage zwischen den Hallsensoren und dem Magneten ändert. Die beiden Hallsensoren sind dabei elektrisch parallel geschaltet.

Beide Anordnungen arbeiten relativ unempfindlich von der Gewichtsbelastung des Rütteltellers, welche beispielsweise durch Verwenden einer unterschiedlichen Anzahl von beladenen Sieben im Siebturm verursacht werden kann.

Zur Erläuterung wird im folgenden die erste Anordnung betrachtet. Beispielsweise liegen sich dabei die Südpole der Magnete gegenüber. Zuerst sei die Rüttelmaschine derart belastet, daß sich die Ruhelage des Hallsensors genau in der Mitte zwischen den beiden Magneten befindet. Die während einer Schwingungsperiode erfaßte Änderung der Magnetfelddichte ist ein Maß für die Amplitude der Schwingung. Aufgrund der Symmetrie ist die erfaßte Änderung der Magnetflußdichte während der Auslenkung in der einen Richtung (erste Halbperiode) gleich mit der erfaßten Änderung der Magnetflußdichte in der anderen Richtung (zweite Halbperiode).

Wird nun die Auflast des Rütteltellers geändert, beispielsweise durch ein zusätzliches Sieb, verschiebt sich die Ruhelage des Sensors relativ zu den Magneten. Somit ist die erfaßte Magnetflußdichte für beide Halbperioden nicht mehr gleich. Es zeigt sich aber, daß die Einwirkung auf die Gesamtänderung der Magnetflußdichte gering ist.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird sichergestellt, daß eine verminderte Feldflußdichtenänderung in der einen Richtung durch eine erhöhte Feldflußdichtenänderung in der anderen Richtung im wesentlichen kompensiert wird. Ähnliches gilt für die zweite Anordnung.

Ausführungsbeispiele der Laborrüttelmaschine werden anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine Rüttelmaschine in perspektivischer Darstellung;

Fig. 2 eine erste Ausführungsform der Schwingungserfassungseinrichtung;

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform der Schwingungserfassungseinrichtung;

Fig. 4 eine Ansteuerschaltung mit Regelkreis, und

Fig. 5 die elektronische Schaltung der Schwingungserfassungseinrichtung.

Das Gerät weist ein Gehäuse 1 mit einer daran angebrachten Grundplatte auf, die sich über Gerätefüße 3 an einer Unterlage abstützt, Fig. 1. Auf der Oberseite des Gehäuses 1 sind zwei Anzeige- und Tastenfelder 4 zur Bedienung des Geräts und zur Darstellung von Parametern vorgesehen. Ein Rüttelteller 20 kann einen nicht dargestellten Siebturm oder einen Mahlaufsatz aufnehmen und wird über einen Elektromagneten 12 (Fig. 4) angetrieben.

Ein schwerer Ständer 10 stützt sich mittels weicher Federn 5 an dem Gehäuse 1 ab. Der Ständer 10 umfaßt einen mittigen Hohlraum, in welchem der am Ständer befestigte Elektromagnet 12 angeordnet ist. Der Elektromagnet 12 weist einen Anker 14 (Fig. 4) auf, der in einem bestimmten Abstand vom Pol des Magneten 12 federnd gehalten wird, wozu drei Blattfedern dienen, deren äußere Enden am Ständer 10 befestigt sind. Der Teller 20 ist fest mit dem Anker verbunden, so daß der Rüttelteller bei einer Erregung des Elektromagneten mit dem Anker erzwungene Schwingungen ausführt.

In der Ausführungsform der Vorrichtung nach Fig. 3 ist ein Magnet 42 an dem Teller 20 der Laborrüttelmaschine befestigt. Zwei Hallsensoren 40, 41 werden im Abstand voneinander an ein U-Profil 44 befestigt und dieses am Gehäuse 1. Dieser U-förmig gestaltete Halter 44 mit den beiden Hallsensoren wird nun derart zu dem Teller 20 der Rüttelmaschine ausgerichtet, daß sich der Magnet 42 innerhalb des Luftspalts bei einer mittleren Gewichtsbelastung des Tellers 20 etwa in der Mitte zwischen den beiden Hallsensoren 40, 41 befindet.

In der Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 2 ist ein Hallsensor 40 an dem Gehäuse 1 in unmittelbarer Nähe zum Teller 20 der Laborrüttelmaschine befestigt. Zwei Stabmagnete 42, 43 aus Bariumferrit mit den Maßen 10 mm × 5 mm (B × H) werden an ein U-Profil 44 befestigt, wobei sich gleichnamige Pole, z. B. die Südpole, gegenüberliegen und einen Spalt von etwa 13 mm bilden. Dieser U-förmig gestaltete Halter 44 mit den beiden Magneten 42, 43 wird derart an dem Teller 20 der Rüttelmaschine angebracht, daß sich der Hallsensor 40 innerhalb des beschriebenen Luftspalts bei einer mittleren Gewichtsbelastung des Tellers 20 etwa in der Mitte zwischen den beiden Magneten befindet.

Durch die Anordnung ist festgelegt, daß sich der am Gehäuse befestigte Hallsensor 40 im wesentlichen nicht bewegt, während die am Rüttelteller befestigten Magnete 42, 43 die Schwingung des Tellers 20 mitmachen.

Der Hallsensor 40 erzeugt ein Signal, das von der Stärke des Magnetfeldes am Ort des Hallsensors abhängt. Schwingt der Teller der Rüttelmaschine, so verändert sich die relative Lage des Hallsensors 40 zu den beiden Magneten 42, 43. Auf diese Weise variiert auch das am Ort des Hallsensors herrschende Magnetfeld und damit das vom Hallsensor abgegebene Signal S.

Die in Fig. 5 dargestellte Schaltung tritt an die Stelle des in Fig. 4 dargestellten Weggebers 7. Die Fig. 5 zeigt eine dem Hallsensor 40 zugeordnete elektronische Differenzen- und Verstärkerschaltung. Das vom Hallsensor abgegebene Signal S liegt zuerst an einem Kondensator 45 an, der den Gleichanteil herausfiltert. Der Wechselanteil der Sensorsignale wird danach über einen als Impedanzwandler 46 geschalteten Operationsverstärker einem Differenzverstärker 47 zugeführt. Dieser Differenzverstärker umfaßt in einer Ausführungsform im wesentlichen einen Operationsverstärker sowie ein mechanisches Potentiometer 49 und ein digitales Potentiometer 48. Das mechanische Potentiometer 49 dient zum Einstellen des Nulloffsets, d. h. des Arbeitspunktes. Dieser Arbeitspunkt ist aufgrund der Streuung der eingesetzten Bauteile schaltungsspezifisch.

Die Verstärkung des Wechselssignals vom Sensor am Differenzverstärker 47 wird mittels des digitalen Potentiometers 48 eingestellt.

Zum Anzeigen und Steuern von Betriebsparametern ist das digitale Potentiometer und der Ausgang des Differenzverstärkers an das Bedien- und Anzeigefeld 4 des Rüttelgeräts angeschlossen (Fig. 1).

In einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung wird der Arbeitspunkt der Schaltung und die Verstärkung des Differenzverstärkers automatisch gesteuert.

Am Ausgang des Differenzverstärkers 47 liegt schließlich ein Signal SA an, das zur Schwingungsamplitude des Tellers annähernd proportional ist.

Wie obenstehend erläutert, ist das Signal SA im wesentlichen unabhängig von der Gewichtsbelastung der Laborrüttelmaschine, solange die Ausgangsstellung des Sensors 40 in dem "magnetischen Totraum" liegt. Bei zu großer Gewichtsbelastung wird das Signal SA zu unsymmetrisch und es machen sich Nichtlinearitäten bemerkbar.

Dieses analoge Amplitudensignal SA dient zur Speisung eines Analogdigitalwandlers 31 in der Ansteuerschaltung zur Erregung der Schwingung des Rütteltellers (Fig. 4). Der gewandelte Amplitudenwert X_i wird in einem Vergleicher 30 mit dem vom Anwender über die Tastatur 32 vorgegebenen Wert X_s verglichen. Bei Abweichung wird ein Stellsignal Y gebildet, das die Frequenz eines Generators 25 verändert, der seinerseits elektronische Leistungsschalter T₁ und T₂ ansteuert, welche das Netzanschlußteil 6 schalten, über das der Elektromagnet 12 erregt wird.

Solange Istwert X_i und Sollwert X_s nicht übereinstimmen, wird die Stellgröße Y so verändert, daß der Generator 25 z. B. von höheren zu niedrigen Frequenzen läuft. Ist die Sollamplitude erreicht, wird die Frequenz des Generators 25 beibehalten.

Wie erwähnt, soll die Schwingungsamplitude voreingestellt werden. Wenn das System genau bei der Resonanzfrequenz, d. h. bei der Eigenfrequenz schwingt, werden die größten Amplituden erzielt, während benachbart zu dieser Resonanzfrequenz die Amplituden gemäß der Resonanzkurve abfallen. Somit existiert eine Kurvenflanke mit zunehmenden Amplitudenwerten, wenn man von Frequenzwerten größer als die Eigenfrequenz des Systems zu niedrigeren Frequenzen fortschreitet. Diese Frequenzverschiebung in der Anregung des Elektromagneten erfolgt in dem Gerät in Abhängigkeit der gemessenen Amplitude und dem Istwert-Sollwert-Vergleich, so daß der Regler bei dem voreingestellten Wert der Amplitude stehen bleibt und nicht bis zur Resonanzfrequenz weiterläuft, bei der ein höherer Amplitudenwert als der voreingestellte auftreten würde.

Die angegebenen Maße der Stabmagnete 42, 43 mit 10 mm Durchmesser und 13 mm Abstand voneinander können abgewandelt werden. Der Durchmesser der Magnetpole kann zwischen 1,5 mm und 100 mm liegen. Der kleinste Abstand zwischen den Magnetpolen beträgt 6 mm und der größte 50 mm. Mit größer werdenden Magnetpolen wird der Einfluß der Verschiebung des Nullpunktes der Schwingung in Folge unterschiedlicher Beladung geringer, während natürlich der Preis der Magnetpole mit zunehmender Größe ansteigt.

Als Werkstoff für die Magnete kommt neben dem erwähnten Bariumferrit noch Ainico, Samarium-Kobalt und Neodynium in Betracht. Neben der Verwendung von Rundmagneten kommt auch die Verwendung von rechteckigen Magnetblöcken in Betracht.

Claims (8)

1. Laborrüttelmaschine mit folgenden Merkmalen:
ein Gehäuse (1);
ein Ständer (10);
weiche Federn (5) und Gerätefüße (3) zur Abstützung der Rüttelmaschine auf einer Unterlage;
ein Teller (20), der zur Aufnahme eines Siebturms oder eines Mahlaufsatzes gestaltet ist und gegenüber dem Ständer (10) sowie gegenüber dem Gehäuse (1) abgefedert ist;
ein Elektromagnet (12) mit einem Anker (14), der an dem Teller (20) so angebracht ist, daß er von dem Elektromagneten angezogen bzw. losgelassen werden kann und
eine Ansteuerschaltung zur Erregung des Elektromagneten (12), der eine Schwingungserfassungseinrichtung (7) in einem Regelkreis zur Einstellung der Schwingungsamplitude des Tellers (20) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß
die Schwingungserfassungseinrichtung (7) zwei im Abstand an einem Träger (44) angeordnete und starr miteinander verbundene erste Elemente (40, 41; 42, 43) und ein im Zwischenraum der ersten Elemente angeordnetes zweites Element (40, 42) umfaßt, wobei der Träger (44) für die ersten Elemente (40, 41; 42, 43) am Teller (20) oder am Gehäuse (1) angebracht ist und die ersten Elemente entweder Magnete (42, 43) und das zweite Element einen Hallsensor (40) darstellen, oder
die ersten Elemente durch Hallsensoren (40, 41) und das zweite Element durch einen Magneten (42) gebildet werden,
wobei ferner die ersten Elemente (40, 41; 42, 43) und das zweite Element (40, 42) so am Teller (20) oder am Gehäuse (1) angeordnet sind, daß sie Schwingungen relativ zueinander ausführen und das zweite Element (40, 42) in unbeladenem Zustand der Rüttelmaschine unsymmetrisch zu den ersten Elementen (40, 41; 42, 43) angeordnet ist, während bei mittlerer Beladung die Null-Stellung des zweiten Elements (40, 42) symmetrisch zu den ersten Elementen (40, 41; 42, 43) ist.

2. Laborrüttelmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnete (42, 43) sich mit gleicher Polarität gegenüberstehen.

3. Laborrüttelmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der lichte Abstand zwischen den Magneten (42, 43) etwa 13 mm beträgt.

4. Laborrüttelmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnete (42, 43) durch Dauermagnete gebildet werden.

5. Laborrüttelmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnete (42, 43) aus Bariumferrit bestehen.

6. Laborrüttelmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Hallsensor (40) eine Verstärkerschaltung mit folgenden Merkmalen zugeordnet ist:
ein Siebglied (45) zur Gewinnung des Wechselanteils der Ausgangsspannung des Hallsensors (40) als Nutzsignal sowie ein Differenzverstärker (47) zur Verstärkung des Nutzsignals und Potentiometereinrichtungen (48, 49) zur Einstellung der Arbeitspunkte und der Verstärkung.

7. Laborrüttelmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Differenzverstärker (47) ein Operationsverstärker (46) als Impedanzwandler vorgeschaltet ist.

8. Laborrüttelmaschine nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Potentiometereinrichtungen (48, 49) ein digitales Potentiometer umfassen, das vom Bedienungsfeld (4) aus beeinflußbar ist.