DE4335119A1 - Laborzentrifuge mit Unwuchtabschaltung - Google Patents
Laborzentrifuge mit UnwuchtabschaltungInfo
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- B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
- B04B—CENTRIFUGES
- B04B9/00—Drives specially designed for centrifuges; Arrangement or disposition of transmission gearing; Suspending or balancing rotary bowls
- B04B9/14—Balancing rotary bowls ; Schrappers
- B04B9/146—Unbalance detection devices
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- Centrifugal Separators (AREA)
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Description
Die Erfindung betrifft eine Zentrifuge der im Oberbegriff des An
spruches 1 genannten Art.
Bei solchen Zentrifugen wird der Rotor bei seiner Herstellung aus
gewuchtet. Dennoch kann es bei Defekten oder bei ungleichmäßiger
Beladung der Gefäßhalterungen zu Unwucht kommen, die nur in
bestimmten Grenzen tolerierbar ist, weil sonst beim Betrieb der
Zentrifuge, insbesondere bei höheren Drehzahlen Schäden auftreten
können.
Zentrifugen der eingangs genannten Art sind daher mit Abschaltein
richtungen versehen, die oberhalb einer für den jeweiligen Zentri
fugentyp in Versuchen festgelegten Grenzunwucht, die noch tole
riert werden kann, den Motor ausschalten.
Problematisch ist dabei die Ermittlung der Unwucht, die beim An
fahren der Zentrifuge bestimmt wird.
Im Stand der Technik sind sehr aufwendige Abschalteinrichtungen
bekannt, die z. B. mittels magnetischer Felddetektoren vom Rotor
erzeugte Magnetfelder überwachen und daraus die Unwucht ermit
teln.
Bei Zentrifugen der eingangs genannten Art wird auf wesentlich
einfachere Weise die Unwucht aus der Auslenkung des Stators er
mittelt, die bei niedrigen Drehzahlen große Werte aufweist und
relativ leicht bestimmt werden kann.
Bekannte Zentrifugen der eingangs genannten Art, die von der An
melderin seit Jahren vertrieben werden, weisen als gehäuseseitig
vorgesehenes Element einen mechanischen Schalter auf, der bei
Auslenkung des Stators von dem an diesem befestigten Element be
rührt und geschaltet wird. Diese Konstruktion hat aber zwei we
sentliche Nachteile. Zum einen sind mechanische Schalter
ausfallgefährdet und zum anderen ist eine mechanische Justierung
des Schalters bzw. des statorseitigen Elementes erforderlich, um
sicherzustellen, daß die Ausschaltung genau bei der vorgegebenen
Grenzunwucht erfolgt. Dadurch erhöhen sich die Montagekosten
der Zentrifuge. Außerdem ist die Auslenkung von Toleranzen der
Lagerung abhängig und somit bei Einzelexemplaren bei derselben
Unwucht unterschiedlich.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine
Zentrifuge der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei großer
Langzeitzuverlässigkeit kostengünstig herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Kennzeichnungsteiles
des Anspruches 1 gelöst.
Bei unwuchtbedingten Bewegungen des Stators in seiner elastischen
Lagerung bewegen sich die beiden Elemente gegeneinander. Der
Feldstärkedetektor wird folglich von dem Feld mit unterschiedlicher
Stärke beaufschlagt. Bei Auslenkung des Stators infolge Unwucht
auftretende Feldstärkeänderungen werden von der Auswertein
richtung in geeigneter Weise untersucht. Es kann dabei auf absolute
Werte der Änderung oder beispielsweise auch auf das Be
schleunigungsverhalten hin ausgewertet werden. Werden bestimmte
vorgegebene Werte erreicht bzw. überschritten, so bewirkt die
Auswerteinrichtung das Ausschalten des Motors. Vorteilhaft ist
daran zunächst die Vermeidung mechanisch wirkender Bauele
mente, da sowohl der Feldgenerator als auch der Feldstärkedetektor
ohne mechanische Bauelemente auskommen. Ferner ist von Vorteil,
daß ein Feldstärkedetektor in weitgehend beliebigem Abstand vom
Feldgenerator bewegungsbedingte Feldschwankungen feststellen
kann. Es kommt also nicht auf genaue Justierung der beiden Ele
mente gegeneinander an. Dadurch wird die Herstellung der Zen
trifuge vereinfacht und verbilligt. Da die Auswertung nicht auf die
Auswertung absoluter Werte der Auslenkung beschränkt ist, bietet
sich die Möglichkeit, in den Erfordernissen angepaßter Weise, z. B.
mittels ausgeklügelter Algorithmen sehr genaue Abschaltbedingun
gen einzuhalten. Es kann beispielsweise in der Weise ausgewertet
werden, daß kurzzeitige Überschreitungen vorgegebener Grenzwer
te toleriert werden und die Abschaltung erst bei längerfristiger oder
mehrfacher Überschreitung eintritt.
Vorteilhaft sind die Merkmale des Anspruches 2 vorgesehen. Die
Auswertung auf Amplituden kann besonders einfach vorgenommen
werden, auch bei sich ergebenden komplizierten Signalformen der
Feldstärkeänderungen.
Vorteilhaft sind die Merkmale des Anspruches 3 vorgesehen. Per
manentmagneten und Hallsensoren sind außerordentlich kostengün
stig verfügbar und zeichnen sich durch hohe Langzeitzuverlässigkeit
aus.
Vorteilhaft sind die Merkmale des Anspruches 4 vorgesehen. Bei
dieser Bauart ist der in der Regel einfacher aufgebaute Feldgenera
tor, der beispielsweise in Form eines Permanentmagneten keinerlei
Anschlüsse benötigt, am Stator vorgesehen, während der Feldstär
kedetektor, der Anschlüsse zur Auswerteinrichtung benötigt, gehäu
seseitig vorgesehen ist, wo er beispielsweise auf einer ohnehin ge
häuseseitig vorgesehenen Elektronikplattine integriert angeordnet
sein kann. Dadurch verringern sich die Herstellungskosten.
Die Auswerteinrichtung könnte für alle Zentrifugen eines Typs eine
feste Grenzamplitude vorhalten. Das würde aber zu durch Ferti
gungstoleranzen bedingten Problemen führen. Beispielsweise wei
sen die elastischen, für Absorption kleinerer, noch tolerierbarer
Unwucht vorgesehenen Statorlagerungen, insbesondere bei sehr
preisgünstigen Zentrifugen Toleranzen auf. Dadurch kann bei noch
zulässiger Grenzunwucht der Stator unterschiedliche Auslenkung
erfahren, die zu unterschiedlichen Amplituden führt. Wird eine
feste Grenzamplitude für alle Zentrifugen festgelegt, so wurde die
Ausschaltung also bei unterschiedlicher Unwucht erfolgen, was
nicht erwünscht ist. Vorteilhaft sind daher die Merkmale des An
spruches 5 vorgesehen. Bei dieser Auslegung der Auswerteinrich
tung kann die Zentrifuge im Eichbetrieb mit Grenzunwucht betrie
ben werden, beispielsweise durch Einlegung eines Testgewichtes in
eine der Gefäßhalterungen. Die Eicheinrichtung ermittelt die dabei
auftretende Amplitude, und zwar vorteilhaft, um reproduzierbare
Bedingungen zu schaffen, stets bei einer bestimmten niedrigen
Motordrehzahl, die von der Eicheinrichtung der Motorsteuerung
vorgegeben wird. Die im Eichbetrieb ermittelte Amplitude wird als
Grenzamplitude in der Auswerteinrichtung abgespeichert und steht
für den späteren Betrieb der Zentrifuge der Auswerteinrichtung als
Grenzamplitude für ihre Überwachungsfunktion zur Verfügung.
Vorteilhaft sind dabei die Merkmale des Anspruches 6 vorgesehen.
Diese Ausbildung der Eicheinrichtung ermöglicht zwei Eichtest
läufe mit unterschiedlichen Testgewichten, von denen das eine eine
Unwucht unterhalb der Grenzunwucht und das andere eine Un
wucht oberhalb der Grenzunwucht erzeugt. Dadurch wird sicherge
stellt, daß beim Eichen die Zentrifuge einmal mit einer Unwucht im
sicheren Bereich und einmal mit einer Unwucht im Toleranzbereich
oberhalb der Grenzunwucht betrieben wird. Dadurch ergibt sich
während des Eichbetriebes eine Aussage darüber, daß die Zentri
fuge und ihre Auswerteinrichtung im Toleranzbereich der Grenz
unwucht sicher funktioniert. Ein an sich erforderlicher dritter
Eichtestlauf mit einem Testgewicht, das genau die Grenzunwucht
erzeugt, wird bei dieser Ausbildung der Eicheinrichtung eingespart,
da durch Interpolation der beiden durchgeführten Eichtestläufe die
Grenzamplitude bestimmt wird, die sodann in der Auswerteinrich
tung abgespeichert wird.
In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise und schematisch
in einer Seitenansicht einer Laborzentrifuge dargestellt.
Auf einer Grundplatte 1 stehen mehrere Stützen 2, die über feder
elastische, z. B. aus Gummiblöcken bestehende Lager 3 den Stator 4
der Zentrifuge halten, der durch das Gehäuse eines im Stator 4 aus
gebildeten, in der Figur nicht dargestellten Elektromotors gebildet
wird.
Der Elektromotor im Stator 4 weist eine in lotrechter Anordnung
ausgerichtete Welle 5 auf, auf der ein Rotor 6 angeordnet ist, der
die für Laborzentrifugen übliche Umrißform aufweist. In seinem
Inneren, das durch eine obere Öffnung zugänglich ist, sind in einer
der üblichen Konstruktionsarten ausgebildete Gefäßhalterungen
vorgesehen.
Ein die gesamte Konstruktion umgebendes, schon aus Sicherheits
gründen erforderliches Gehäuse mit Zugangsklappe zur Oberseite
des Rotors 6 ist aus Darstellungsgründen weggelassen.
Auf der Grundplatte 1 ist ferner eine Elektronikeinrichtung 7 ange
ordnet, die eine von außen zugängliche Frontplatte 8 aufweist mit
Display 9 und Tastatur 10.
Die Elektronikeinrichtung 7 weist Einrichtungen zur Drehzahlsteue
rung des im Stator 4 vorgesehenen Elektromotors auf und erlaubt
über Eingabe auf der Tastatur 10 mit Anzeige auf dem Display 9
die gewünschte Drehzahlsteuerung der Zentrifuge.
Die Elektronikeinrichtung 7 weist auf ihrer Oberseite einen Hall
detektor 11 auf, der beispielsweise auf einer dort vorgesehenen
Elektronikplattine integriert sein kann. Der Halldetektor 11 ist ge
genüber der Grundplatte 1 feststehend angeordnet und mit elektri
schen Anschlüssen mit einer in der Elektronikeinrichtung 7 vorge
sehenen Auswerteinrichtung kontaktiert.
Am Stator 4 ist über einen Arm 12 ein Permanentmagnet 13 befe
stigt, und zwar in einer Stellung in der Nähe des Halldetektors 11.
Feinjustierungen sind hierbei nicht erforderlich. Bei Montagetole
ranzen oder Stücktoleranzen der Lager 3 sich ergebende Positions
abweichungen stören nicht, da auch bei abweichenden Abständen
der Halldetektor 11 stets das vom Permanentmagneten 13 erzeugte
Magnetfeld wahrnimmt.
Die aus Gründen der zeichnerischen Vereinfachung nicht darge
stellte Auswerteinrichtung in der Elektronikeinrichtung 7 empfängt
vom Halldetektor 11 Signale, deren Stärke von der magnetischen
Feldstärke am Ort des Halldetektors 11 abhängen.
Ist die Zentrifuge in Ruhe, so sieht der Halldetektor 11 ein zeitlich
konstantes Feld. Wird die Zentrifuge in Betrieb gesetzt und treten
Unwuchten auf, so kommt es zu Auslenkungen des Stators 4 um
seine Halterung in den Lagern 3. Diese Auslenkungen sind bei
niedrigen Drehzahlen im Bereich der Resonanz der Lagerungen be
sonders groß und können in diesem Bereich gut ausgewertet wer
den. Der Arm 12 macht bei diesen Auslenkungen Bewegungen mit
Komponenten in Richtung der beiden Doppelpfeile, die in der Figur
neben dem Arm 12 dargestellt sind. Diese Bewegungen des Armes
führen zu hin- und hergehenden Bewegungen des Permanent
magneten 13 über dem Halldetektor 11 und somit zu Wechsel
änderungen der magnetischen Feldstärke am Ort des Halldetektors
11.
Die an den Halldetektor 11 angeschlossene Auswerteinrichtung
empfängt folglich ein Signal wechselnder Stärke, das auf beliebige
Weise ausgewertet werden kann. In bevorzugter Weise werden die
Amplituden dieses Signales als die Unwucht wiedergebendes Maß
ausgewertet.
In der Auswerteinrichtung kann in einem Dauerspeicher, z. B. ei
nem EEPROM, der Wert einer zulässigen Grenzamplitude gespei
chert sein, mit dem die Auswerteinrichtung ständig die zur Zeit
gemessene Amplitude vergleicht. Wird die Grenzamplitude über
schritten, so löst die Auswerteinrichtung über die Elektronikein
richtung 7 und deren den Motor steuernde Einrichtungen das Aus
schalten des Motors aus. Die Grenzamplitude kann in Versuchen
für einen Zentrifugentyp ermittelt werden und der Elektronikein
richtung 7 eingespeichert werden. Bei dieser Betriebsweise wird
also stets bei bestimmter Auslenkungsamplitude ausgeschaltet.
Vorzuziehen ist aber die Abschaltung nicht bei bestimmten Auslen
kungen des Stators 4, sondern bei bestimmter Unwucht des Rotors
6 durchzuführen. Dazu kann die Elektronikeinrichtung 7 eine Eich
einrichtung enthalten, die beispielsweise über die Tastatur 10 mit
einem Servicecode abgerufen wird. Die Eicheinrichtung ist so aus
gebildet, daß sie beispielsweise auf dem Display 9 den Eichbetrieb
anfordert, für den im Rotor 6 ein Testgewicht derartiger Größe ein
gelegt wird, daß der Rotor 6 auf Grenzunwucht gebracht wird. Die
Eicheinrichtung ermittelt die dann auftretende Amplitude und spei
chert diese im Dauerspeicher der Auswerteinrichtung zur späteren
Verfügung ab.
In anderer Ausführung ist die Eicheinrichtung derart ausgebildet,
daß sie zwei Eichtestläufe anfordert, die mit zwei unterschiedlichen
Testgewichten durchgeführt werden, von denen eines eine Unwucht
unterhalb und eines eine Unwucht oberhalb der Grenzunwucht er
zeugt. Die Eicheinrichtung ermittelt die in beiden Eichtestläufen
sich ergebenden Amplituden des vom Halldetektor 11 erzeugten Si
gnales und speichert einen daraus berechneten Interpolationswert
als Grenzamplitude ab.
Bei dieser Betriebsart mit zwei Eichtestläufen kann beispielsweise
bei einem Zentrifugentyp, in dem in Vorversuchen eine zulässige,
dem Kunden gegenüber garantierte Grenzunwucht von 2,5 g er
mittelt wurde, ein Eichtestlauf bei 2,2 g und ein Eichtestlauf bei 2,9
g durchgeführt werden. Aus der Interpolation der ermittelten Am
plituden wird eine Grenzamplitude, entsprechend einer Unwucht
von 2,5 g ermittelt.
Werden die beiden Eichtestläufe, insbesondere der mit einem Test
gewicht oberhalb der Grenzunwucht, im für die Zentrifuge garan
tierten Toleranzbereich gewählt, so ergibt sich eine verbesserte
Aussage über die ordnungsgemäße Funktion der Zentrifuge im To
leranzbereich um die garantierte Grenzunwucht.
Gegenüber der dargestellten Ausführungsform kann die Anordnung
von Permanentmagnet 13 und Halldetektor 11 variiert werden. In
der dargestellten Ausführungsform steht der Permanentmagnet 13
oberhalb des Halldetektors 11. Die beiden Elemente 11, 13 können
aber beispielsweise auch seitlich nebeneinander angeordnet sein.
Die günstigste Anordnung zum Nachweis der Auslenkungen des
Stators 4 kann in Versuchen ermittelt werden und hängt beispiels
weise von der Konstruktion der Halterung für den Stator ab. Es ist
auch möglich, den Halldetektor 11 am Arm 12 und den Perma
nentmagneten 13 fest gegenüber dem Gehäuse, also der Grundplatte
1, anzuordnen.
Zum Nachweis der Relativbewegung zwischen den Elementen 11
und 13 können auch andere als magnetische Felder eingesetzt wer
den. So kann beispielsweise das Element 13 ein statisches elektri
sches Feld erzeugen, das vom Element 11 nachgewiesen wird. Die
Elemente 11 und 13 können also beispielsweise nach Art eines
elektrischen Kondensators wirken. Außerdem ist es möglich, elek
tromagnetische Wechselfelder, beispielsweise Licht, zu verwenden.
Eines der beiden Elemente 11, 13 kann als Lichtquelle und das an
dere als photoempfindliches Element ausgebildet sein.
Claims (6)
1. Laborzentrifuge mit einem Gefäßhalterungen aufweisenden
Rotor und einem diesen drehantreibenden Motor mit lotrecht
stehender Welle, dessen Stator über federnde Aufhängungen
am Gehäuse der Zentrifuge gelagert ist, und mit einer den
Motor beherrschenden Abschalteinrichtung, die mit einem
am Stator befestigten Element und einem am Gehäuse befe
stigten Element die bei maximal zulässiger Grenzunwucht
auftretende Auslenkung des Stators ermittelt und den Motor
ausschaltet, dadurch gekennzeichnet, daß eines der beiden
Elemente als ein ein konstantes Feld erzeugender
Feldgenerator (Permanentmagnet 13) und das andere
Element als Feldstärkedetektor (Halldetektor 11) ausgebildet
ist, wobei der Feldstärkedetektor (11) an eine
Auswerteinrichtung (Elektronikeinrichtung 7) angeschlossen
ist, die bei bestimmten durch die Auslenkung erzeugten Feld
stärkeänderungen die Ausschaltung bewirkt.
2. Zentrifuge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Auswerteinrichtung (Elektronikeinrichtung 7) Feldstär
keamplituden bestimmt und mit einer vorgegebenen Grenz
amplitude vergleicht.
3. Zentrifuge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Feldgenerator als Permanentmagnet (13) und der Feld
stärkedetektor als Halldetektor (11) ausgebildet sind.
4. Zentrifuge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Feldgenerator (13) am Stator (4) und der Feld
stärkedetektor (11) am Gehäuse (Grundplatte 1) angeordnet
sind.
5. Zentrifuge nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Auswerteinrichtung (Elektronikeinrichtung 7) eine Eich
einrichtung aufweist, die bei Eichbetrieb der Zentrifuge mit
Grenzunwucht die Amplitude ermittelt und als Grenz
amplitude in einem Dauerspeicher der Auswerteinrichtung
abspeichert.
6. Zentrifuge nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
die Eicheinrichtung für den Betrieb in zwei Eichtestläufen
ausgebildet ist und Einrichtungen aufweist, die einen
Interpolationswert der beiden ermittelten Amplituden als
Grenzamplitude bestimmen.
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