DE3935616C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung entspre­ chend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Im Betrieb einer jeden Zentrifuge, insbesondere einer schnell laufenden Laborzentrifuge sind Störungszustände möglich, die durch eine übermäßige Werkstoffbeanspru­ chung charakterisiert sind und von denen erhebliche Gefahren für die Betriebssicherheit ausgehen. Beispiels­ weise unterliegt die unwuchtbedingte Auslenkung des schwingungsfähigen Teils einer Zentrifuge unter bestimm­ ten betrieblichen Bedingungen Beschränkungen.

Zur Erkennung von Unwuchten werden eine Vielzahl von Meßeinrichtungen benutzt, darunter auch optische Syste­ me, bei denen allgemein die Auslenkung des schwingungs­ fähigen Teils gegenüber einer Mittenlage erfaßt wird, wobei das Überschreiten eines vorgebbaren Grenzwertes dieser Auslenkung ein Abschalten des Zentrifugenantriebs auslöst. Darüber hinaus werden zur Erkennung von Unwuch­ ten sogenannte Resonanzschalter eingesetzt, die in ihrer Resonanzfrequenz auf die kritische Drehzahl des Zentri­ fugenantriebes abgestimmt sind.

Derartige Vorrichtungen sind beispielsweise durch die DE 31 15 590 A1 bzw. die DE-OS 16 23 593 bekannt.

Während das erstgenannte System aufgrund von Ruhelagenabwei­ chungen des Antriebes sowie der unvermeidlichen Schalt­ hysterese der eingesetzten Schalteinrichtungen und der inneren Reibung der jeweiligen Dämpfungselemente nur eine relativ ungenaue Messung der tatsächlichen Unwucht ermöglicht und äußerstenfalls vor einem Betrieb mit sehr großen Unwuchten schützt, ist die zweite Anordnung lediglich auf kritische Drehzahlen des Zentrifugenan­ triebes abgestimmt und ermöglicht nicht die Berücksich­ tigung deren Abhängigkeit vom Beladungszustand des Rotors. Auch wird nicht berücksichtigt, daß sich mit einem Rotorwechsel auch die zu berücksichtigende kriti­ sche Drehzahl ändert. Schließlich zeigt die zweite Anordnung außerhalb des eingestellten Resonanzberei­ ches eine erheblich reduzierte Empfindlichkeit, so daß gefährliche Betriebszustände unter Umständen nicht erkannt werden.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs bezeichneten Art dahingehend auszuge­ stalten, daß aufgrund einer verbesserten Meßgenauigkeit das Erkennen gefährlicher Betriebszustände vereinfacht wird. Gelöst ist diese Aufgabe bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung durch die Merkmale des Kennzeichnungsteils des Anspruchs 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die der Rotationsbewegung des Rotors der Zentrifuge tatsächlich zugeordnete, unwuchtbedingte Auslenkung wird genauestmöglich gemessen, indem solche Meßwertanteile der Auslenkung, die auf eine statische Auslenkung zurückführbar sind, aus der Messung ausgeblendet werden. Als Meßeinrichtung können grundsätzlich beliebige Systeme eingesetzt wer­ den.Es können berührungslos arbeitende opti­ sche oder auch elektrische, beispielsweise induktive oder kapazitive Systeme zum Einsatz kommen, soweit deren Meßbe­ reich derart beschaffen ist, daß die maximal mögliche Auslenkung des schwingungsfähigen Teils erfaßbar ist. Die genaue Unwuchtmessung erst eröffnet die sinnvolle Verknüpfung dieses Parameters mit anderen, den Zentrifu­ genbetrieb beschreibenden Parametern und damit eine differenzierte Erkennung gefährlicher Betriebszustände, jeweils ausgehend von einer Unwuchtmessung.

Die Meßeinrichtung ist auf die Haupt­ schwingungsrichtungen bzw. -ebenen gemäß den Ansprüchen 2 und 3 abgestimmt. Im Regelfall wird die Rotationsachse der Zentrifuge vertikal angeordnet sein, so daß die wesentlichsten Auslenkungsbewegungen in einer Horizontal­ ebene erfolgen. Auslenkungen in der Horizontalebene und den Vertikalebenen können gleichzeitig mit ein und derselben Meßeinrichtung erfaßt werden - es ist auch denkbar, für die Horizontalebene einerseits und Vertikal­ ebenen andererseits unterschiedliche Meßeinrichtungen einzusetzen, deren Signale zusammenfaßbar sind.

Die Merkmale des Anspruchs 4 sind auf die einfachste Form eines Auswertungsschaltkreises gerichtet. Gemäß diesem ist ein Maximalwert einer Auslenkung festgelegt, bei dessen Überschreitung steuerungstechnisch beispiels­ weise in die Energieversorgung des Antriebsmotors einge­ griffen wird oder dessen Drehzahl mit Hinblick auf eine Senkung des Wertes der Auslenkung verändert wird.

Die Merkmale der Ansprüche 5 und 6 sind auf eine diffe­ renziertere Ausgestaltung des Auswertungsschaltkreises gerichtet. So kann dieser beispielsweise einen Mikrorech­ ner oder ein vergleichbares System beinhalten, dessen eine Eingangsvariable durch den bereits genannten Auslen­ kungsmeßwert gebildet wird, zu dem jedoch weitere Varia­ ble hinzutreten, wie z. B. die Drehzahl des Antriebsmo­ tors sowie der jeweils eingesetzte Rotortyp. Nachdem die kinetische Energie der Rotationsbewegung, insbesondere der durch Unwuchten veranlaßten Schwingung sowohl von deren Amplitude als auch der Drehzahl abhängt, hingegen die Materialbeanspruchung der Zentrifugenkonstruktion in weiten Bereichen nicht ausschließlich eine Funktion der Auslenkung ist, besteht hierbei die Möglichkeit, Auslen­ kung und Drehzahl gleichzeitig und automatisch mit Hinblick auf eine Begrenzung der Werkstoffbeanspruchung der Zentrifugenkonstruktion zu überwachen, so daß ein evtl. Abschalten des Zentrifugenmotors beispielsweise nach Maßgabe eines Wertes des Produkts aus Auslenkung und Drehzahl erfolgen kann. Auch ist hierbei die Möglich­ keit einer automatischen Anpassung an unterschiedliche Rotortypen gegeben.

Die Merkmale der Ansprüche 7 und 8 sind speziell auf eine vorzugsweise optische Meßeinrichtung gerichtet, bei der die Unterscheidung zwischen statischen und dynamischen Meßwertanteilen auf die Unterscheidung zwischen Gleich­ spannungs- und Wechselspannungsanteilen des Meßsignals hinausläuft. Letzteres ermöglicht in an sich bekannter Weise eine einfache Trennung. Das optische Meßsystem bringt seinerseits den Vorteil einer geringen Zeitkon­ stanten und damit eines raschen Erkennens von sich ändern­ den Betriebsparametern mit sich. Der mit dem schwingungs­ fähigen Teil der Zentrifuge in fester Verbindung stehen­ de Sperrkörper, insbesondere dessen in den Strahlengang hineinragende Teil kann eine charakteristische Gestalt aufweisen, durch welchen ein, die horizontale und verti­ kale Auslenkung beschreibender Meßwert gebildet wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt und werden nachstehend näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung des Antriebsprinzips einer Laborzentrifuge;

Fig. 2 eine teilweise Darstellung einer Einzelheit II der Fig. 1;

Fig. 3 ein erstes Schaltschema zur Auswertung eines die Auslenkung des Antriebs darstellen­ den Meßwertes;

Fig. 4 ein zweites Schaltschema zur Auswertung des die Auslenkung des Antriebs darstellenden Meßwertes.

Mit 1 ist in Fig. 1 der Rotor einer Laborzentrifuge bezeichnet, der in an sich bekannter Weise mit Aufnahme­ vorrichtungen für Gefäße ausgerüstet ist, welche die in ihre Komponenten zu zerlegenden Substanzen enthalten. Auf eine Darstellung dieser Aufnahmevorrichtungen ist jedoch verzichtet worden.

Der um eine im wesentlichen senkrechte Achse 2 drehbar gelagerte Rotor 1 steht über eine Welle 3 mit dem An­ triebsmotor 4 in Verbindung, der seinerseits gegenüber einem ortsfesten Gehäuse bzw. Gestell elastisch aufge­ hängt ist.

Mit 5 sind Federelemente bezeichnet, die einerseits an einem Teil des Gehäuses der Laborzentrifuge und anderer­ seits an einer, den Antriebsmotor 4 tragenden, hier kreisförmigen, bezüglich der Achse 2 konzentrischen Grundplatte 6 befestigt sind. Zu diesen Federelementen 5, deren Wirkungsrichtung unter einem Neigungswinkel zur Ebene der Grundplatte 6 verläuft, treten noch zeichne­ risch nicht dargestellte Dämpfungselemente hinzu. Der Rotor 1 in Verbindung mit dem Antriebsmotor 4 bilden in Verbindung mit den Federelementen 5 sowie den genannten Dämpfungselementen ein schwingungsfähiges System, wel­ ches hauptsächlich durch evtl. Unwuchten des Rotors 1 bzw. Veränderungen dieser Unwuchten zu Schwingungen angeregt wird, die hauptsächlich in einer Horizontalebe­ ne d. h. in einer Ebene senkrecht zu der Achse 2 und - wenngleich in einem wesentlich geringeren Ausmaß in Vertikalebenen wirksam sind.

Mit 7 ist ein berührungslos arbeitendes Meßsystem be­ zeichnet, welches der Erfassung des Auslenkungszustands der Grundplatte 6 und damit der elastisch aufgehängten Teile der Laborzentrifuge dient. Es handelt sich hierbei um ein optisches Meßsystem, welches im wesentlichen aus einem, an der Grundplatte 6 befestigten, einen Strahlen­ gang in noch zu erläuternder Weise beeinflußenden Sperrkörper 8 einerseits und einer ortsfest angeordneten Lichtschranke 9 andererseits besteht. Die Lichtschranke 9 ist derart bemessen, daß jede Auslenkung der Grundplat­ te 6 und damit des Systems aus Antriebsmotor 4 und Rotor 1 aus einer konstruktiven Mittellage erfaßt und durch ein elektrisches Meßsignal darstellbar sind.

Die Lichtschranke 9 ist im wesentlichen gabelförmig aufgebaut und besteht aus einer Lichtquelle einerseits und einem Lichtempfänger andererseits, der zum Empfang des von der Lichtquelle emittierten Lichtstromes angeord­ net und ausgelegt ist.

Wie insbesondere aus Fig. 2 hervorgeht, ist der Sperrkör­ per 8 an seinem, in den Strahlengang der Lichtschranke 9 hineinragenden Teil, und zwar in einem gemäß der zeich­ nerischen Darstellung ungefähr quadratischen Feld mit einem Graukeil 10 versehen, der entsprechend seiner Postion relativ zu dem Strahlengang einen mehr oder weniger großen Teil der von der Lichtquelle emittierten Lichtmenge abdeckt, so daß aus der, durch den Lichtemp­ fänger aufgenommenen Lichtmenge direkt ein Meßwert für die Auslenkung des genannten Systems ableitbar ist. Dieser analoge Meßwert wird über die Leitungen 11 einer im folgenden noch zu beschreibenden Auswerteschaltung zugeführt.

Die Lichtschranke 9 wird gemäß Fig. 3 durch eine LED 12 einerseits und eine Fotodiode 13 andererseits gebildet, in deren Strahlengang sich der genannte Graukeil 10 befindet. Da der Widerstand der Fotodiode 13 sich ent­ sprechend der empfangenen Lichtmenge ändert, steht an dem Punkt 14 stets eine, der empfangenen Lichtmenge und damit dem Auslenkungszustand des schwingungsfähigen Systems entsprechender Meßwert, hier eine Spannung zur Verfügung. Deren genauer Wert ergibt sich aus den Charak­ teristiken der Fotodiode 13, der Arbeitswiderstände 15 sowie einer zeichnerisch nicht dargestellten Gleichspan­ nungsquelle. Die an dem Punkt 14 abgreifbare Spannung stellt somit einen Meßwert für eine Auslenkung dar, und zwar unabhängig vom Betriebszustand der Zentrifuge. So kann dieser Meßwert grundsätzlich bereits eine statische Auslenkung beschreiben, die bereits im Stillstand der Zentrifuge, beispielsweise aufgrund von Be- oder Entla­ dungsvorgängen des Rotors, einer Ruhelagenabweichung des Antriebsmotors usw. ansteht.

Das an dem Punkt 14 anstehende Spannungssignal gelangt über einen Kondensator 16 sowie einen Justierwiderstand 17 in eine Vergleicherschaltung 18. Ebenfalls in die Vergleicherschaltung 18 gelangt eine, über einen Arbeits­ widerstand 19 und eine Zenerdiode 20 in Verbindung mit einer äußeren Spannungsquelle festgelegte Referenzspan­ nung.

Man erkennt, daß über den Kondensator 16 Gleichspannungs­ anteile des Meßsignales, welche auf eine statische Auslenkung zurückführbar sind, ausgefiltert werden, so daß lediglich ein, durch den Betrieb der Zentrifuge bedingter Wechselspannungsanteil über den Justierwider­ stand 17 in die Vergleicherschaltung 18 gelangt. Es ist diese Vergleicherschaltung 18 derart ausgelegt, daß ein, der genannten Wechselspannung entsprechendes Signal mit einem, der Referenzspannung entsprechenden Signal ver­ glichen werden, und zwar derart, daß bei Überschreiten des der Referenzspannung entsprechenden Signals durch die Vergleicherschaltung 18 ein die zur Unterbrechung der Energieversorgung des Antriebsmotors 4 dienender Kontakt 21 geöffnet und damit der Zentrifugenbetrieb unterbrochen wird.

Das beschriebene Antriebs- und Meßsystem basiert somit auf dem Konzept, solche, lediglich eine statische Auslenkung des Systems beschreibende Meßwertanteile auszublenden und lediglich die durch den eigentlichen Zentrifugenbetrieb bedingten dynamischen Meßwertanteile im Rahmen der betrieblichen Überwachung auszuwerten. Überschreiten diese dynamischen Meßwertanteile ein bestimmtes, von mehreren Einflußgrößen, beispielsweise dem eingesetzten Rotortyp abhängiges Ausmaß, wird ein automatisches Abschalten des Zentrifugenbetriebs ausge­ löst.

Fig. 4 zeigt eine Erweiterung des Konzepts gemäß Fig. 3 dahingehend, daß eine noch genauere Überwachung des Zentrifugenbetriebs ermöglicht wird, wobei die in iden­ tischer Weise wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 gemessene Auslenkung einer von mehreren überwachten Betriebsparametern ist.

Hiernach besteht eine vielfältigere bzw. differenzierte­ re Überwachung des Betriebszustands der Laborzentrifuge, gemäß welcher in Abhängigkeit von mehreren Betriebspara­ metern, die einer kontinuierlichen Überwachung unterlie­ gen, insbesondere in den Betrieb des Antriebsmotors 4 eingegriffen wird.

Mit 22 ist ein, die dem Antriebsmotor 4 zugeordnete Leistungselektronik umfassender Schaltkreis angedeutet, der neben der Energieversorgung, der Drehzahl- bzw. Drehmomentsteuerung insbesondere auch eine Abschaltfunk­ tion beinhaltet. Mit 23 ist ein Schaltkreis bezeichnet, der in an sich bekannter Weise der automatischen Erken­ nung des jeweils in der Laborzentrifuge eingesetzten Rotortyps dient. Diese Information kann beispielsweise in digitaler Form vorliegen. Mit 24 ist ein Schaltkreis bezeichnet, der der Bereitstellung einer Referenzspan­ nung dient, die als Bezugsgröße einen Grenzwert für eine maximale Auslenkung des Zentrifugenrotors bildet. Die Funktion dieses Schaltkreises 24 entspricht somit wei­ testgehend dem System aus Arbeitswiderstand 19 und Zenerdiode 20 gemäß Fig. 3. Schließlich ist mit 25 eine Leitung bezeichnet, die der Übertragung der jeweils anstehenden Drehzahl des Antriebsmotors 4 dient. Auch diese Information kann grundsätzlich in digital kodierter Form übertragen werden.

Mit 26 ist ein Mikrorechner bezeichnet, der zur Auswer­ tung der Eingangssignale Drehzahl, Auslenkung, Rotortyp und Referenzspannung sowie zur Bildung und Übertragung eines von den genannten Eingangsgrößen abhängigen Steuer­ signals auf den Schaltkreis 22 eingerichtet und program­ miert ist.

Geht man von der, sowohl von der Schwingungsamplitude als auch der Drehzahl abhängigen kinetischen Energie einer Schwingungsbewegung als dem entscheidenden Krite­ rium aus, um gefährliche, die Sicherheit der Laborzentri­ fuge beeinträchtigende Betriebszustände zu beschreiben, besteht bei der Auswerteschaltung gemäß Fig. 4 beispiels­ weise die Möglichkeit, Unwuchterscheinungen in niedrigen Drehzahlbereichen, welche aufgrund ihres geringen Ener­ giegehalts als unkritisch angesehen werden können, von Unwuchterscheinungen in hohen Drehzahlbereichen zu unterscheiden, wobei lediglich letztgenannte steuerungs­ technisch entweder zu einer Unterbrechung der Energie­ versorgung des Antriebsmotors 4 oder zumindest zu einer Drehzahlreduzierung umgesetzt werden. Gleichzeitig besteht die Möglichkeit, diese Schaltvorgänge in Abhän­ gigkeit von dem jeweiligen Rotortyp vorzunehmen.

Die genaue Gestaltung des Mikrorechners 26 ist grundsätz­ lich beliebig - er muß lediglich zur Umsetzung der genannten Eingangsgrößen sowie zur Generierung einer entsprechenden Steuerungsgröße geeignet sein. Zeichne­ risch nicht dargestellt sind gegebenenfalls vorhandene Meßwertumformer z. B. Analog-Digital-Wandler und Ähnli­ ches, durch welche die einzelnen Meßwerte an die speziel­ len Eigenschaften des eingesetzten Mikrorechners ange­ paßt, insbesondere kodiert sowie normiert werden.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Überwachung des Betriebes einer, aus einem ortsfesten und einem demgegenüber schwingungs­ fähigen Teil bestehenden Zentrifuge, insbesondere einer Laborzentrifuge mit zumindest einer Meßeinrich­ tung zur Messung von Auslenkungen des schwingungsfähi­ gen Teils gegenüber einer Mittenlage sowie zur Steue­ rung des Antriebsmotors (4) der Zentrifuge in Abhän­ gigkeit von der genannten Messung, gekennzeichnet durch einen Schaltkreis zur Zerlegung des die Auslen­ kung darstellenden Meßwertes in einen statischen und einen dynamischen Anteil und einen Auswertungsschalt­ kreis, der zumindest zur steuerungstechnischen Umset­ zung des dynamischen Anteils eingerichtet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung zumindest zur Messung der Auslenkung in der Horizontalebene eingerichtet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung zur Messung der Auslenkung auch in Vertikalebenen eingerichtet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Auswertungsschaltkreis aus einer Vergleicherschaltung (18) besteht, die zum Vergleich des den dynamischen Anteil darstellenden Meßwertes mit einem Bezugswert sowie zur Erzeugung eines, die Abschaltung des Antriebsmotors (4) bewir­ kenden Steuersignals in Abhängigkeit von dem genann­ ten Vergleich eingerichtet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Auswertungsschaltkreis zur steuerungstechnischen Umsetzung mehrerer solcher Betriebsparameter eingerichtet ist, durch welche alternativ oder kumulativ jeweils die Sicherheit des Zentrifugenbetriebes beeinträchtigende Gefahrenzustän­ de definierbar sind und daß es sich bei diesen Be­ triebsparametern zumindest um die Auslenkung des schwingungsfähigen Teils und/oder die Drehzahl des Antriebsmotors (4) und/oder den eingesetzten Rotortyp handelt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Auswertungsschaltkreis aus einem Mikrorechner (26) oder dergleichen besteht, dessen Eingangsvariab­ le durch die genannten Betriebsparameter gebildet werden.

7. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine vorzugsweise berührungslos arbeitende Meßeinrichtung zur Erfassung der Auslenkung, insbesondere eine optische, ausgangs­ seitig ein elektrisches Meßsignal führende Meßein­ richtung, wobei in dem nachgeordneten Auswertungs­ schaltkreis die Unterscheidung zwischen statischen und dynamischen Anteilen des Meßwertes auf der Unter­ scheidung zwischen Gleich- und Wechselspannungsantei­ len beruht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Meßeinrichtung aus einer, durch eine Strahlungsquelle und einen Strahlungsempfänger beste­ hende Lichtschranke (9) gebildet wird, wobei in deren Strahlengang ein die übertragene Strahlung nach Maßgabe der Auslenkung des schwingungsfähigen Teils ausfilternder Sperrkörper (8) hineinragt.