DE4335119A1 - Laborzentrifuge mit Unwuchtabschaltung - Google Patents

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.