DE4006546A1 - Vorrichtung zur beruehrungslosen messung einer messgroesse eines bewegten messobjektes - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung ent­ sprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Das Problem der Ermittlung von Meßwerten bestimmter Meßgrößen bei bewegten Meßobjekten sowie die Übertragung dieser Meßwerte auf stationär angeordnete Systeme zwecks weiterer Auswertung stellt sich praktisch im gesamten Bereich der Technik, und zwar bei beliebigen elektrischen und nicht elektrischen Meßgrößen. Es ist bei rotierenden Meßobjekten bekannt, den ermittelten Meßwert über Schleif­ ringe in analoger Form auf ein ruhendes Bauteil zu übertragen, welches jedoch neben einem hohen Verschleiß auch mit beträchtlichen Meßungenauigkeiten verbunden ist. Zur berührungslosen Temperaturmessung sind zur stationären Anordnung bestimmte IR-Strahlungsmeßgeräte bekannt, die jedoch bei bewegten Meßobjekten aufgrund zahlreicher, das Meßergebnis verfälschender Einflüsse wie z. B . Reflexionen nur zu einem sehr ungenauen Meßwert führen.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur berührungslosen Ermittlung von Meßwerten bei beweg­ ten Meßobjekten zu konzipieren, die gegenüber dem genann­ ten Stand der Technik durch eine erhöhte Meßgenauigkeit sowie eine erheblich verbesserte Standzeit ausgezeichnet ist. Gelöst ist diese Aufgabe bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung durch die Merkmale des Kennzeichnungsteils des Anspruchs 1.

Erfindungswesentlich ist, daß die Meßwertübertragung von dem bewegten Meßobjekt auf ein ruhendes System berüh­ rungslos über eine Sender-Empfänger-Übertragungsstrecke erfolgt. Die für die Meßwertbildung und Aufbereitung erforderliche Energie wird durch einen elektrischen Generator bereitgestellt, dessen Antrieb unmittelbar aus der Bewegung des Meßobjektes abgeleitet wird. Es können grundsätzlich beliebige Meßgrößen erfaßt werden, die einer elektrischen Messung zugänglich sind und demzufol­ ge stets an die Eigenschaften der genannten Übertragungs­ strecke angepaßt werden können. Die Übertragung kann in analoger, jedoch auch in digital kodierter Form erfolgen. Es können ferner an ein und demselben bewegten Meßobjekt mehrere Meßwertaufnehmer vorgesehen sein, die jeweils zur Bildung bzw. Erfassung gleicher Meßgrößen an unter­ schiedlichen Meßpunkten oder auch unterschiedlicher physikalischer Meßgrößen bestimmt und ausgestaltet sind, welche Meßgrößen über die Sender-Empfänger-Übertragungs­ strecke weitergeleitet werden. Es kann sich grundsätzlich auch um beliebige, ein zur Meßgröße in einer definierten Funktionsabhängigkeit stehendes Spannungs- oder Strom­ signal liefernde Meßwertaufnehmer handeln. Schließlich kann auch die Bewegung des Meßobjektes eine grundsätz­ lich beliebige sein - gedacht ist insbesondere an Rota­ tionsbewegungen sowie oszillierende Linearbewegungen.

Die Merkmale des Anspruchs 2 sind auf ein, eine Rota­ tionsbewegung ausführendes Meßobjekt zugeschnitten. Aufgrund der im Bereich der Rotationsachse erfolgten Anordnung des Senders kann die Übertragungsstrecke zum Empfänger sehr kurz gehalten werden, welches den Vorteil mit sich bringt, daß eventuell vorhandene Umgebungsein­ flüsse, die die Qualität der Meßwertübertragung beein­ trächtigen könnten, weitestgehend eliminiert werden können.

Die Merkmale des Anspruchs 3 sind auf ein translatorisch bzw. linear bewegtes Meßobjekt zugeschnitten, bei dem die Übertragungsstrecke geradlinig in Richtung der Bewegung erfolgt.

Die Merkmale der Ansprüche 4 und 5 sind auf eine vorteil­ hafte konstruktive Verbindung des, dem Meßwertaufnehmer zugeordneten Meßwertaufbereitungsschaltkreises mit dem bewegten Meßobjekt gerichtet.

Die Merkmale der Ansprüche 6 und 7 sind auf vorteilhafte Ausgestaltungen des Meßwertaufbereitungsschaltkreises gerichtet. Dieser ist naturgemäß an die Art der genann­ ten Übertragungsstrecke ebenso angepaßt wie an die Bewegung des Meßobjektes, aus welcher die für den genann­ ten Schaltkreis sowie die Meßwertaufbereitung erforder­ liche Speisespannung abgeleitet wird. Beispielsweise kann der analoge Meßwert, ein Spannungs- oder Stromsig­ nal in ein proportionales Frequenzsignal umgesetzt werden, mittels welchem ein Trägersignal moduliert wird. Die Elemente zur Meßwertumsetzung bestehen in diesem Fall im wesentlichen aus Spannungs-Frequenz oder Strom- Frequenzumsetzern. Es kann ferner durch Anordnung von Funktionselementen zur Multiplex- und Demultiplexbildung die Möglichkeit vorgesehen werden, mehrere, an unter­ schiedlichen Meßpunkten ermittelte Meßwerte, auch unterschiedlicher Art, gleichzeitig zu übertragen und einer weiteren Auswertung zugänglich zu machen.

Die Merkmale der Ansprüche 8 bis 10 sind auf eine bevor­ zugte Ausgestaltung sowie einen bevorzugten Anwendungs­ fall der erfindungsgemäßen Vorrichtung zugeschnitten. Die genannte Übertragungsstrecke ist hiernach eine IR- Übertragungsstrecke und das Meßobjekt eine Laborzentri­ fuge, bei der beispielsweise die Produkttemperatur einer Überwachung bedarf. Besonders vorteilhaft ist die räum­ liche Zusammenfassung der Bauelemente des Meßwertaufbe­ reitungsschaltkreises sowie des dessen Speisespannung liefernden Generators in einem gemeinsamen, an Teile der Zentrifuge angebauten Gehäuses.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf das in der Zeichnungsfigur wiedergegebene, sich auf einen Anwendungsfall bei Laborzentrifugen beziehende Ausfüh­ rungsbeispiel näher erläutert werden.

Mit 1 ist eine feststehende, senkrecht angeordnete Welle bezeichnet, auf der anhand zweier, mit Abstand voneinan­ der angeordneter Lagerungen 2 die Nabe 3 eines im übri­ gen nur schematisch angedeuteten Zentrifugenrotors 4 gelagert ist. Der Zentrifugenrotor 4 trägt in an sich bekannter, rotationssymmetrischer Verteilung Aufnahmege­ fäße beispielsweise für eine Flüssigkeit, die durch Zentrifugation in ihre Komponenten zerlegt werden soll. Es kann sich hierbei auch um einen, unter bestimmten vorgegebenen, produktspezifischen Bedingungen beispiels­ weise Vakuum, ablaufenden Prozeß handeln, bei dem unter anderem die Temperatur der genannten Flüssigkeit oder sonstigen Substanz einer kontinuierlichen Überwachung bedarf.

Das in der Zeichnung obere Ende 5 der Nabe 3 trägt in koaxialer Anordnung ein rotationssymmetrisches Gehäuse 6, welches auf seiner Oberseite 7 durch ein Verschlußteil 8 im wesentlichen abgeschlossen ist. Mit 9 ist ein Meßwertaufnehmer bezeichnet, der mit dem Meßobjekt, hier einem der genannten Aufnahmegefäße in unmittelbarer Berührung steht und an diesem fest angebracht ist. Der Meßwertaufnehmer kann beispielsweise als Halbleiterfühler ausgebildet sein, der im wesentlichen die Temperatur des Meßobjektes annimmt und dessen elektrischer Widerstand sich in charakteristischer Weise mit dieser Temperatur ändert.

Der Meßwertaufnehmer 9 steht über eine Leitung 10, die entsprechend der Art des eingesetzten Meßwertaufnehmers beschaffen ist, über eine radiale Bohrung 11 des Gehäuses 6 mit einem ebenfalls innerhalb des Gehäuses unterge­ brachten Meßwertaufbereitungsschaltkreis 12 in Verbindung. Die Leitung 10 ist in geeigneter, zeichnerisch nicht dargestellter Weise derart angeordnet sowie beschaffen, daß die im Betrieb der Zentrifuge auftretenden hohen Zentrifugalkräfte beschädigungsfrei aufnehmbar sind.

Die dem Meßwertaufbereitungsschaltkreis (12) zugeordneten elektrischen Bauteile sind in einem, durch die Leiter­ platte 13 und das Verschlußteil 8 umgrenzten Raum angeord­ net und werden im folgenden hinsichtlich ihrer wesent­ lichen Funktionen noch näher erläutert werden. Der genannte Raum ist somit allseitig im wesentlichen abge­ dichtet und vor äußeren Einflüssen weitestgehend abge­ schirmt.

Mit 14 ist der innenliegende Stator eines Generators bezeichnet, dessen außenseitiger Rotor 15 in zeichnerisch nicht dargestellter Weise an der Innenseite des Gehäuses 6 befestigt ist. Die elektrisch bzw. magnetisch aktiven Teile des Stators sind auf der Welle 1 befestigt. Der auf diese Weise gegebene Generator steht über eine Leitung 16 mit dem Meßwertaufbereitungsschaltkreis 12 in Verbin­ dung und liefert die für dessen Funktion erforderliche Speisespannung. Es ist die Leitung 16 wiederum unter Berücksichtigung der im Betrieb der Zentrifuge auftreten­ den hohen Zentrifugalkräfte angeordnet. Der auf diese Weise gegebene Generator kann grundsätzlich nach belie­ bigen elektrischen Prinzipien aufgebaut sein, soweit die Erzeugung einer geeigneten, an die Eigenschaften des Meßwertaufbereitungsschaltkreises angepaßten Speisespan­ nung erreichbar ist. Beispielsweise kann über die Leitung 16 eine Wechselspannung übertragen werden. Der Meßwert­ aufbereitungsschaltkreis 12 weist eine IR-Leuchtdiode 17 auf, die der Übertragung einer, dem über den Meßwert­ aufnehmer ermittelten Meßwert proportionalen Frequenz dient. Der Meßwertaufbereitungsschaltkreis enthält nach alledem zumindest Funktionselemente zur Gleichrichtung der über die Leitungen 16 übertragenen Wechselspannung sowie zur Umsetzung des über die Leitung 10 übertragenen Spannungs- oder Stromsignals in eine diesem entsprechende Frequenz. Hinzutreten können ggf. Elemente zur Verstärkung des über die Leitung 10 über­ tragenen Meßwertes sowie zur Spannungsregelung des Generators, um trotz eventuell schwankender Drehzahlen des Zentrifugenrotors bzw. dessen Verwendung bei unter­ schiedlichen Drehzahlen eine konstante Speisespannung für den Meßwertauswertungsschaltkreis bereitzustellen.

Mit 18 ist ein, auf die spektralen Eigenschaften der IR- Leuchtdiode 17 abgestimmter IR-Fototransistor bezeichnet, der über eine Leitung 19 mit einem zeichnerisch nicht wiedergegebenen Auswertungsschaltkreis in Verbindung steht, in dem das empfangene Frequenzsignal direkt oder nach Umsetzung als Spannungs- oder Stromsignal, ggf. nach weiterer Verstärkung in beliebiger Weise ausgewertet werden kann. Der Fototransistor 18 ist in einem definier­ ten Abstand von der Leuchtdiode 17 mittels eines Gehäuses 20 ortsfest angeordnet.

Im Betrieb der Zentrifuge wird das, über den Meßwertauf­ nehmer 9 ermittelte Meßsignal in dem Meßwertaufberei­ tungsschaltkreis unter Mitwirkung der über den Generator erzeugten Speisespannung aufbereitet, hier in ein fre­ quenzproportionales Signal umgesetzt und in dieser Form über die, zwischen der Leuchtdiode 17 und dem Fototran­ sistor 18 bestehende Übertragungsstrecke 21 berührungs­ los übertragen, um anschließend in geeigneter Weise ausgewertet zu werden.

Der Erfindungsgegenstand ist keineswegs auf die berüh­ rungslose IR-Meßwertübertragung beschränkt - es können grundsätzlich beliebige sonstige, zur Nachrichtenüber­ tragung geeignete Frequenzbereiche benutzt werden.

Der Erfindungsgegenstand ist auch nicht auf die Übertra­ gung bzw. das Zusammenwirken mit lediglich einem Meßwert­ aufnehmer 9 beschränkt. Grundsätzlich können Messungen auch unterschiedlicher physikalischer Größen, die elek­ trischen Meßprinzipien zugängig sind, gleichzeitig erfaßt und dem Meßwertaufbereitungsschaltkreis 12 zuge­ führt werden, wobei unter entsprechender Anpassung der als Sender fungierenden Leuchtdiode sowie des als Empfän­ ger fungierenden Fototransistors die unterschiedlichen Meßwerte berührungslos entweder parallel oder seriell über die Übertragungsstrecke 21 übertragen werden. Die, den genannten Sendern bzw. Empfängern zugeordneten Schaltkreise können ferner Multiplexer bzw. Demultiplexer umfassen, so daß die gleichzeitige Übertragung mehrerer Meßwerte möglich ist.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Messung wenigstens einer Meßgröße eines bewegten Meßobjektes, gekennzeichnet durch einen, durch die Bewegung des Meßobjektes angetriebe­ nen elektrischen Generator, wenigstens einen Meßwert­ aufnehmer (9), einen mit dem Meßobjekt bewegten, zur berührungslosen Übertragung des Meßwertes eingerich­ teten und bestimmten Sender und einen, ortsfest angeordneten, zum Empfang des Meßwertes eingerichteten Empfänger.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßobjekt eine Rotationsbewegung ausführt, daß das Meßobjekt wenigstens einen Meßpunkt aufweist, an dem ein Meßwertaufnehmer (9) angeordnet ist und daß der Sender an einem stirnseitigen Ende des Meßob­ jektes, und zwar vorzugsweise im Bereich dessen Rotationsachse angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßobjekt eine Linearbewegung, insbesondere eine oszillierende Linearbewegung ausführt, daß das Meßobjekt wenigstens einen Meßpunkt aufweist, an dem ein Meßwertaufnehmer angeordnet ist und daß der Sender an einer, in Richtung der geradlinigen Bewegung orientierten Seite des Meßobjektes angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Meßwertaufberei­ tungsschaltkreis (12), dessen Bauelemente an dem Meßobjekt befestigt sind und der mit jedem der Meß­ wertaufnehmer (9) in Verbindung steht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertaufbereitungsschaltkreis zusammen mit dem Sender in einem gemeinsamen, an dem Meßobjekt befestigten Gehäuse (6) untergebracht ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Meßwertaufbereitungsschaltkreis (12) Funktionselemente zur Meßwertumsetzung und/oder -verstärkung sowie - in Verbindung mit dem Generator - ggf. zur Spannungsregelung aufweist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertaufbereitungsschalt­ kreis (12) weiterhin Funktionselemente zur Multiplex­ bildung aufweist und daß dem Empfänger entsprechende Funktionselemente zur Demultiplexbildung zugeordnet sind.

8. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender ein IR-Sender und der Empfänger ein IR-Empfänger ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßobjekt der Rotor einer Zentrifuge, vorzugsweise einer Labor­ zentrifuge ist und daß die Meßgröße eine elektrisch meßbare, vorzugsweise nichtelektrische Größe wie z. B. eine Temperatur, ein Druck, eine Kraft oder dergleichen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator sowie der Meßwertaufbereitungsschalt­ kreis (12) in einem gemeinsamen Gehäuse (6) angeordnet sind und daß der innenseitige Stator (14) des Genera­ tors auf der feststehenden Welle (1) des Zentrifugen­ rotors (4) und der zugeordnete Rotor (15) an der Innenwand des an der Nabe (3) des Zentrifugenrotors (4) angebrachten Gehäuses (6) befestigt ist.