DE69122372T2

DE69122372T2 - Tachometer und Rotornachweisvorrichtung für Zentrifugen

Info

Publication number: DE69122372T2
Application number: DE69122372T
Authority: DE
Inventors: David Wai-Wing Cheng; David Qin-Wei Dong
Original assignee: Beckman Instruments Inc
Current assignee: Beckman Coulter Inc
Priority date: 1991-01-07
Filing date: 1991-12-19
Publication date: 1997-02-20
Anticipated expiration: 2011-12-20
Also published as: DE69122372D1; US5752910A; JP2550097Y2; US5383838A; EP0494421A1; US5221250A; JPH04102656U; EP0494421B1

Description

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft Zentrifugen und insbesondere ein verbessertes System zur Überwachung der Ist-Drehzahl und zur Identifizierung der maximalen sicheren Nenn-Drehzahl eines Zentrifugenrotors.

2. Stand der Technik

Ein Zentrifugenbetrieb ergibt einen eindeutigen Satz von Konstruktionskriterien, wenn eine genaue Steuerung des Rotationsbetriebes einer Zentrifuge erforderlich ist. Die große Vielfalt in der experimentellen biologischen und chemischen Forschung, bei der die Zentrifugation als wichtigstes Hilfsmittel verwendet wird, um Bestandteiltrennungen zu erzielen und experimentelle Versuche durchzuführen, erfordert vielseitige Betriebseigenschaften, die bei der Zentrifuge verwirklicht sein müssen. Gleichzeitig sind Sicherheitsaspekte zu berücksichtigen.
Der Zentrifugenrotor wird bis zu extrem hohen Rotationsgeschwidigkeiten angetrieben, um das Zentrifugalfeld zu erzeugen, das für die Durchführung biologischer Versuche erforderlich ist. Die hohen Rotationsgeschwindigkeiten des Rotors verursachen während des Betriebes die Erzeugung einer hohen kinetischen Energie, die, wenn sie freigesetzt wird (z.B. wenn der Rotor während der Rotation in Stücke zerbricht), zur Zerstörung der Zentrifuge und zur Beschädigung bzw. Verletzung der Umgebung bzw. des Benutzers führen kann. Die Zentrifugenrotoren werden zerstört, wenn sie einer übermäßigen Belastung aufgrund des starken Zentrifugalfeldes ausgesetzt werden, wenn der Rotor mit einer höheren Drehzahl betrieben wird, als sie für den sicheren Betrieb vorgesehen ist.
Um die Durchführung einer Vielzahl von unterschiedlichen Arten von Trennungen zu ermöglichen, sind viele Zentrifugen derart konstruiert, daß sie mit irgendeinem von einer Vielzahl von Rotoren unterschiedlicher Art und Größe betrieben werden können. Die Rotoren können austauschbar in Verbindung mit dem gleichen Zentrifugenmotor und der gleichen Zentrifugenantriebswelle verwendet werden, wobei jeder Rotor ein unterschiedliches Gewicht, eine unterschiedliche Materialfestigkeit und eine unterschiedliche maximale sichere Drehzahl aufweist, oberhalb von der der bestimmte Rotor nicht betrieben werden sollte. Weil die Zerstörung irgendeines Rotors katastrophale Folgen haben kann, ist es wichtig, daß die Zentrifuge die maximale sichere Drehzahl eines Rotors bestimmen kann, ohne daß man sich auf die Aufmerksamkeit des Benutzers verlassen muß.
Die genaue Drehzahlsteuerung eines Rotors macht es weiterhin wichtig, daß eine Zentrifuge einen genauen Drehzahlmesser zur Erzeugung eines Signals einschließt, welches die Ist-Drehzahl des Rotors angibt.
Es ist deshalb verständlich, daß ein vielseitiges Zentrifugationssystem unter Anderem erfordert: (1) eine maximale sichere Rotordrehzahl, die für jeden Rotor identifiziert wird; und (2) eine Überwachung und Steuerung des Rotorbetriebes während der Zentrifugation. Folglich sind einige Zentrifugen mit Detektions-Schaltungseinrichtungen ausgestattet, um diese Anforderungen zu erfüllen. Ein derartiges System ist in dem US-Patent Nr. 4 551 715 beschrieben, das auf den Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragen ist und dessen Inhalt durch diese Bezugnahme hier eingeschlossen wird. In der genannten Patentschrift ist ein Verfahren zur Rotoridentifizierung und zur Bestimmung der maximalen sicheren Drehzahl des Rotors beschrieben, das sich auf die Erfassung von Änderungen des magnetischen Flusses von magnetischen Codierelementen stützt, um die erforderliche Rotoridentifizierung und Informationen über die maximale sichere Drehzahl sowie die Ist- Rotordrezahl zur Verfügung zu stellen. Nach den Figuren 1A und B ist ein einziger Satz von magnetischen Codierelementen, z.B. von Permanentmagneten 14, in einer kreisförmigen Gruppe in der Unterseite 12 des Rotors 10 eingebettet. Die Verteilung der magnetischen Ausrichtung der Magnete 14 ist für jedes Rotormodell einzigartig und ergibt eine positive Identifizierung des Rotormodells. Der Meßwertwandler 16 ist ein Halleffektsensor, der verwendet wird, um die magnetische Ausrichtung der Permanentmagnete 14 zu erfassen. Weiterhin sind Magnete in der Unterseite von jedem Modell der austauschbaren Rotoren eingebettet, die zur Verwendung mit der Zentrifuge konstruiert sind.
Im einzelnen sind sechs Magnete 14 sind mit gleichen Abständen voneinander kreisförmig angeordnet und jeder Magnet ist so ausgerichtet, daß er entweder ein nördlich ausgerichtetes oder ein südlich ausgerichtetes Magnetfeld weg von der Unterseite 12 des Rotors 14 richtet, damit es von dem Halleffektsensor 16 erfaßt wird. Der Sensor 16 erfaßt eine sich ändernde magnetische Reluktanz, wenn sich die Permanentmagnete 14 an dem stationären Sensor vorbei drehen und eine Spannung in den Sensor induzieren. Eine Folge von genau definierten Spannungsimpulsen mit positiver und negativer Polarität, entsprechend der nördlichen bzw. südlichen magnetischen Ausrichtungen, wird durch den Sensor 16 erzeugt und in der (nicht gezeigten) Detektionsschaltung verstärkt. Die Impulse repräsentieren das verwendete Rotormodell. In der (nicht gezeigten) Zentraleinheit bzw. CPU ist eine Informationsliste gespeichert, die die maximale Nenn- Drehzahl für jedes Rotormodell identifiziert. Sobald der Rotor auf der Grundlage der Impulse identifiziert ist, liest die Zentraleinheit die maximale Nenn-Ddrehzahl-Information, die in ihrem Speicher gespeichert ist. Die maximal zulässige Betriebsdrehzahl der Zentrifuge wird dann derart eingestellt, daß sie die Nenn-Drehzahl des Rotors nicht übersteigt. Das Patent beschreibt somit eine Ausführungsform, die in der Lage ist, einen Rotor auf der Grundlage eines einzigen Wandler zu identifizieren, entsprechend der Kombination der nördlich oder südlich ausgerichteten Magnete 14 und der Reihenfolge, in der sie den Halleffektsensor 16 passieren.
Weiterhin kann die Ist-Rotordrehzahl aus der Zählung der Spannungsimpulse bestimmt werden. Zum Schutz vor zu hohen Drehzahlen wird die Zentraleinheit verwendet, um die Ist-Rotordrehzahl mit der maximalen Nenn-Drehzahl des Rotors zu vergleichen. Die Zentraleinheit weiß weiterhin, welche gewünschte Beschleunigung und Drehzahl über die Benutzertastatur programmiert wurde. Die Zentraleinheit arbeitet derart, daß sie den Rotor auch dann davor schützt, oberhalb seiner zugeörigen Nenn-Drehzahl betrieben zu werden, wenn eine höhere Drehzahl programmiert wurde.
Wie dies in dem Patent erläutert ist, ermöglicht es die Verwendung des Code- oder Codierschemas mit einer Anordnung von sechs Magneten der Detektionsschaltungseinrichtung, zwischen bis zu elf verschiedenen Rotorarten zu unterscheiden. Anders ausgedrückt, ermöglicht das Codierschema, daß bis zu elf verschiedene Arten von Rotoren, von denen jeder eine andere zugehörige maximale sichere Drehzahl aufweist, in einer bestimmten Zentrifuge verwendet werden, die die beschriebene Rotoridentifizierungstechnik einschließt. Mit dem Aufkommen einer neuen Generation von Ultrazentrifugen werden zusätzliche Rotoren für den Betrieb mit höheren Drehzahlen konstruiert. Daraus ergibt sich, daß die neuen Ultrazentrifugen dazu geeignet sind, mit Rotoren für höhere Betriebsdrehzahlen zusammenzuwirken, zusätzlich zu den Betriebsdrehzahlen der elf Rotoren für niedrigere Drehzahlen. Es ist deshalb wünschenswert, ein System zur Rotoridentifizierung bei Ultrazentrifugen der neuen Generation zu konstruieren, die mit einer größeren Auswahl von Rotoren betrieben werden. Es ist weiterhin wünschenswert, ein System zu entwerfen, das kompatibel mit den Zentrifugen und Rotoren nach dem Stand der Technik ist.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren und ein verbessertes System zur Drehzahlmessung und Rotoridentifizierung, das zur Verwendung mit neuen Zentrifugen mit höherer Drehzahl ausgelegt ist, um mit zusätzlichen Rotoren mit höheren maximalen Nenn-Drehzahlen zusammenzuwirken, und das kompatibel mit der vorhandenen Rotoridentifizierungsinformation ist, die sich bei Rotoren nach dem Stand der Technik findet. Die Rotoren nach dem Stand der Technik sind kompatibel mit den neuen Zentrifugen mit höheren Drehzahlen, und die neuen Rotoren für höhere Drehzahlen sind kompatibel mit den Zentrifugen nach dem Stand der Technik.
Zu diesem Zweck und gemäß dem Grundgedanken der vorliegenden Erfindung wird ein Zentrifugensystem zur Bestimmung der maximalen sicheren Drehzahl eines Zentrifugenrotors geschaffen, das die Merkmale von Anspruch 1 aufweist.
Die vorliegende Erfindung verwendet wenigstens zwei Sensoren in der Zentrifuge, um Rotordrehzahlcodierungen zu erfassen, die bei dem Rotor für höhere Drehzahlen mit unterschiedlichen radialen Abständen von der Achse des Rotors vorgesehen sind. Der Drehzahlcode oder die Drehzahlcodierung an einem radialen Abstand entspricht der höchsten maximalen Nenn-Drehzahl für die Rotoren nach dem Stand der Technik, die in der vorsthenden Beschreibung beschrieben wurden. Die zweite Drehzahlcodierung mit einem anderen radialen Abschnitt wird verwendet, um Informationen bezüglich der tatsächlichen maximalen Nenn-Drehzahl des Rotors zur Verfügung zu stellen. Wenn der neue Rotor zum Betrieb in der neuen Zentrifuge verwendet wird, die zwei Sensoren aufweist, von denen der eine Sensor die tatsächliche Nenn-Drehzahl des Rotors erfaßt, während der andere Sensor die Ist-Rotordrehzahl erfaßt. Wenn der neue Rotor in einer Zentrifuge nach dem Stand der Technik angeordnet wird, die nur einen Sensor aufweist, wird die maximale Drehzahl derart eingestellt, daß sie die höchste maximale Nenn-Drehzahl nicht überschreitet, die durch die erste Drehzahlcodierung zur Verfügung gestellt wird. Somit können Rotoren mit zwei Drehzahlcodierungen mit Zentrifugen nach dem Stand der Technik verwendet werden, die einen Sensor aufweisen, sowie mit neuen Zentrifugen mit höheren Drehzahlen, die zwei Sensoren aufweisen. Weiterhin können Rotoren nach dem Stand der Technik, die nur eine Drehzahlcodierung aufweisen, ebenfalls durch den Sensor erfaßt werden, der für die erste Drehzahlcodierung bei den neuen Zentrifugen vorgesehen ist.
Gemäß einem anderen Grundgedanken der vorliegenden Erfindung wird der Schwellenwert für die Erfassung der Codierungen automatisch entsprechend der Amplitude des Sensorausgangssignals eingestellt. Dies verbessert den dynamischen Erfassungsbereich und die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Detektionsschaltung.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Figur 1A ist eine Schnittansicht von einem Zentrifugenrotor nach dem Stand der Technik, der magnetische Elemente zur Drehzahlerfassung und zur Rotoridentifizierung aufweist.
Figur 1B zeigt die Unterseite des Rotors nach Figur 1A.
Figur 2 ist eine schematische Darstellung von einem Zentrifugensystem, das die Rotoridentifizierung und Drehzahlerfassung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einschließt.
Figur 3 zeigt die Unterseite des Rotors, die eine magnetische Codierungskonfiguration gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweist.
Figur 4 ist ein funktionelles Blockschaltbild der Impuls-Detektionsschaltung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Figur 5 ist ein Ablaufdiagramm, das die Steuerung der Einstellung der maximalen sicheren Drehzahl bei der Zentrifuge gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
Figur 6 ist ein Ablaufdiagramm, das die Steuerung der Einstellung der maximalen sicheren Drehzahl bei Zentrifugen nach dem Stand der Technik zeigt.

BESCHREIBUNG VON DARGESTELLTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Die folgende Beschreibung bezieht sich auf die derzeit bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Diese Beschreibung erfolgt zu dem Zweck, das allgemeine Prinzip der Erfindung darzustellen und sollte nicht in einem einschränkenden Sinn aufgefaßt werden. Der Schutzbereich der Erfindung wird am besten durch Bezugnahme auf die zugehörigen Ansprüche besimmt.
Figur 2 zeigt schematisch ein System, durch das Information, die durch erfaßte magnetische Impulse von einem sich drehenden Rotor 20 zur Verfügung gestellt wird, zur Steuerung eines Antriebsmotors 22 und zum Schutz vor zu hohen Drehzahlen verwendet werden kann. Der Motor 22 weist eine Antriebswelle 24 auf, auf der ein speziell ausgewählter Rotor 20 befestigt werden kann. Die Draufsicht auf die Unterseite des Rotors 20 ist in Figur 3 durch eine flache kreisförmige Oberfläche 26 dargestellt, in der eine Vielzahl von Magneten 28 und 30 eingebettet sind. Die Konfiguration oder die Anordnung der Magnete wird nachfolgend ausführlich erläutert. Zwei Halleffektsensoren 32 und 34 sind unter dem Rotor 20 zum Zusammenwirken mit den Magneten angeordnet. Bei Antrieb durch den Motor 22 drehen sich die Magnete 28 und 30 an den Halleffektsensoren 32 und 34 vorbei.
Die Funktion eines Halleffektbauteils ist durch den Stand der Technik gut bekannt. Es ist ausreichend, seine Funktionsweise kurz zusammenzufassen. Ein Halleffektsensor reagiert auf die Richtung des magnetischen Feldes, dem er ausgesetzt ist, wobei sein Ausgangssignal zur Unterscheidung eines nördlich ausgerichteten Magneten von einem südlich ausgerichteten Magneten verwendet werden kann. Der Sensor gibt als Antwort auf das erfaßte magnetische Feld ein Spannungssignal aus. Genauer gesagt, wird die Ausgangsspannung des Sensors bezüglich eines Nennwertes steigen (positiver werden), wenn ein nördlich ausgerichteter Magnet den Sensor passiert, und sie wird bezüglich des Nennwertes sinken (negativer werden), wenn ein südlich ausgerichteter Magnet den Sensor passiert. Als eine Folge davon besteht das Ausgangssignal des Sensors aus einer Folge von positiven und negativen Impulsen, wobei die Reihenfolge der Impulse von der Reihenfolge der magnetischen Ausrichtungen der Magnete abhängt, die den Sensor passieren.
Weil die Impulse zeitabhängig sind, können sie zur Bestimmung der Ist-Rotationsgeschwindigkeit des Rotors verwendet werden. Bei dem gezeigten Beispiel entspricht eine Folge von sechs durch den Sensor 34 ausgegebenen Impulsen einer Umdrehung des Rotors. Bei gegebenem Zeitverlauf der Impulse wird die Rotationsgeschwindigkeit einfach vom Prozessor/Steuergerät 40 bestimmt. Wie dies nachfolgend noch ausführlicher erläutert wird, sind die Magnete 28 und 30 mit einer bestimmten Ausrichtung angeordnet, um der maximalen sicheren Nenn-Drehzahl des speziellen Rotors zu entsprechen. Die Ausgangssignale der Halleffektsensoren 32 und 34 können zur Identifizierung des speziellen Rotors und seiner maximalen sicheren Nenn-Drehzahl verwendet werden.
Die Ausgangssignale der Sensoren 32 und 34 werden als Eingangssignal des Prozessors/Steuergerätes 40 verwendet, das die Signale zur Identifizierung des Rotors 20 und seiner maximalen sicheren Nenn-Drehzahl sowie zur Bestimmung der Ist-Drehzahl des Rotors 20 verwendet, die zur Steuerung des Motors 22 derart verwendet werden können, daß die Drehzahl des Rotors 20 so geregelt wird, daß sie die maximale Nenn-drehzahl nicht überschreitet. Die Schaltungseinrichtungen des Prozessors/Steuergerätes 40 können bezüglich den Schaltungseinrichtungen abgeändert werden, die in dem US-Patent Nr. 4 551 715 auf den Namen Durbin beschrieben sind, das an den Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragen wurde und dessen Inhalt durch Bezugnahme hier eingeschlossen wird. Es wird darauf hingewiesen, daß das System von Durbin zwar das Signal von einem Sensor verwendet, es jedoch einfach zu einem Zwei-Sensorsystem erweitert werden kann, wenn man die Beschreibung der gewünschten Funktionen nach der vorliegenden Erfindung kennt. Weitere Änderungen sind möglich, siehe z.B. das US-Patent Nr. 4 700 117 auf den Namen Giebeler, das ebenfalls auf den Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragen wurde und dessen Inhalt durch diese Bezugnahme hier eingeschlossen wird.
Zusätzlich zu den Detektionsschaltungen nach dem Stand der Technik schlägt die vorliegende Erfindung eine verbesserte Detektionsschaltung vor, die die Schwellenwerteinstellung für die magnetischen Impulse einstellt. Insbesondere bei den Schaltungen nach dem Stand der Technik wird der magnetische Impuls als vorliegend erfaßt, wenn der zugehörige Hallsensor- Ausgangsspannungsimpuls einen vorher eingestellten Schwellenwertpegel überschreitet. Bei der vorliegenden Erfindung ändert sich der Schwellenwertpegel in einem festgelegten Verhältnis zum Mittelwert der erfaßten Amplituden der Impulse. In Figur 4 ist das funktionelle Blockschaltbild der Impuls- Detektionsschaltung nach der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Ausgangsspannungsimpulse der Hallsensoren (32, 34) werden durch einen Verstärker 50 verstärkt. Das Ausgangssignal des Verstärkers 50 wird durch einen Spitzenwertdetektor 52 überwacht, der den Spitzenwert von jedem Impuls erfaßt. Bei der Erfassung des Spitzenwertes eines Impulses wird der Impulsdetektionsschwellenwert beim Funktionsblock 58 eingestellt. Genauer gesagt werden aufgrund einer unvermeidbaren Zeitverzögerung in der Detektionsschaltung, die typischerweise ein Widerstand-Kondensator-Netzwerk aufweist, die Spitzenwerte von mehreren Impulsen bei der Bestimmung der Einstellung des Schwellenwertes unvermeidbar gemittelt. Der Schwellenwert wird durch den Benutzer als ein vorherbestimmter Prozentsatz des mittleren Spitzenwertpegels der Impulse eingestellt. Dieser Prozentsatz wird unter Berücksichtigung des gewünschten dynamischen Erfassungsbereiches, der erwarteten Amplitude der Impulse und des Verstärkungsfaktors des Verstärkers ausgewählt. Sobald der Schwellenwert eingestellt ist, wird das verstärkte Signal von dem Verstärker 50 im Vergleicher 60 mit dem Schwellenwert verglichen. Der Impuls wird erfaßt, wenn das Signal den Schwellenwert überschreitet. Der Schwellenwert wird geändert, wenn sich der mittlere Spitzenwert der Impulse ändert.
Es ist eine Offsetgleichspannung 54 vorgesehen, um eine Offsetgleichspannung zum Maskieren von Grundrauschen anzuwenden. Die Wirkung der Offsetgleichspannug besteht darin, sicherzustellen, daß der Vergleicher 60 kein Ausgangssignal liefert, wenn der Rotor zu einem vollständigen Stillstand gekommen ist. Ohne die Offsetgleichspannung könnte das Grundrauschen in der Schaltung verursachen, daß der Schwellenwert auf einen Wert nahe bei Null eingestellt wird, was beim Vorhandensein von Rauschen an den Eingängen des Vergleichers 60 zu einem falschen Meßwert für den durch den Vergleicher 60 erfaßten Impuls führen würde (wodurch fälschlicherweise angezeigt würde, daß sich der Rotor noch dreht).
Die oben beschriebene Detektionsschaltung wird durch die Steuerung der Einstellung des Schwellenwertes Impulse über einen breiteren dynamischen Bereich erfassen. Demgegenüber kann bei einer Schaltung nach dem Stand der Technik ein Impuls verlorengehen, wenn die Amplitude des Impulses unterhalb des vorher eingestellten Schwellenwertes liegt. Die Amplituden der Impulse können sich durch mehrere Ursachen verändern. Beispielsweise hat sich herausgestellt, daß die Amplituden der Impulse des Hallsensors mit steigender Rotordrehzahl sinken. Eine andere Ursache ist, daß sich die Motorwelle während der Rotation des Rotors verbiegen kann, wodurch der Abstand zwischen den Magneten und dem Hallsensor verändert wird und die Amplituden (die mit steigendem Abstand deutlich abnehmen) der Impulse beeinflußt werden. Weiterhin können, obwohl verschiedene Modelle von Rotoren austauschbar konstruiert sind, geringfügige jedoch erkennbare Abweichungen des Abstandes zwischen den Magneten auf der Unterseite des Rotors und dem Hallsensor auftreten. Darüberhinaus kann die Feldstärke der Magnete für die verschiedenen Rotoren aufgrund von Abweichungen bei der Herstellung der Magnete verschieden sein.
Die Anordnung der Magnete auf der Unterseite des Rotors und das Codierschema werden nun beschrieben. In Figur 3 ist die Unterseite des Rotors 20 gezeigt, die Magnete 28 und 30 aufweist, die gemäß der vorliegenden Erfindung angeordnet oder konfiguriert sind. Die Magnete sind glatt abschließend in die Unterseite 26 des Rotors 20 eingebettet. Von diesen Magneten 28 und 30 weist jeder eine magnetische Nord-Süd-Ausrichtung auf, die im wesentlichen senkrecht zur Unterseite 26 des Rotors ist. Zur Vereinfachung der Darstellung sind die Nordpole schraffiert und die Südpole kreuzweise schraffiert. Die Magnete 28 und 30 sind in zwei konzentrischen Kreisen angeordnet, deren Mittelpunkt die Welle des Rotors ist. Auf jedem Kreis sind die Magnete mit gleichen Winkelabständen angeordnet. Vorzugsweise sind die zwei Kreise von Magneten winkelmäßig versetzt, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist. Dadurch werden Wechselwirkungen zwischen benachbarten Magneten auf den beiden Kreisen vermieden, die auftreten würden, wenn sie auf der gleichen Achse angeordnet wären. Wenn sich der Rotor dreht, passiert jeder Kreis von Magneten den entsprechenden Halleffektsensor 32 und 34. Es ist verständlich, daß die Gesamtanzahl der Magnete in jedem Kreis größer oder kleiner als sechs sein kann, in Abhängigkeit von der gewünschten Anzahl von Codiermöglichkeiten und der Geometrie der Rotorunterseite.
Wie dies in dem US-Patent Nr. 4 551 715 beschrieben ist, beträgt die maximale Anzahl von Rotordrehzahlcodierungen, die mit einem Kreis aus sechs Magneten erhalten werden können, elf, wenn eine Schaltungseinrichtung verwendet wird, die nördlich und südlich ausgerichtete Magnete sowie jeden Übergang von einer nördlichen zu einer südlichen Ausrichtung identifizieren kann. Die elf möglichen Codierungen schließen die zwei Konfigurationen ein, bei denen entweder alle Nordpole oder alle Südpole dem Sensor gegenüberliegen. Bei der vorliegenden Erfindung wird jedoch empfohlen, daß diese zwei Konfigurationen nicht verwendet werden.
Um die Beschreibung des Codierschernas nach der vorliegenden Erfindung zu vereinfachen, sei die maximale Betriebsdrehzahl für eine Zentrifuge nach dem Stand der Technik 100.000 Umdrehung pro Minute (UpM). Es wurde eine Serie von Rotoren konstruiert, die den Stand der Technik bilden, um in einer derartigen Zentrifuge mit verschiedenen maximalen sicheren Drehzahlen bis zu 100.000 UpM betrieben zu werden. Wie eingangs beschrieben, wurde in der Vergangenheit ein Kreis von Magneten verwendet, um die Serie der Rotoren zu identifizieren. Eine neue Generation von Zentrifugen (im folgenden "neue Zentrifugen") ist nun zum Betrieb mit mehr als 100.000 UpM ausgelegt. Deshalb kodiert der zweite Kreis von Magneten bei der vorliegenden Erfindung zusätzliche Informationen der Nenn-Drehzahl der Rotoren, die zur Verwendung mit den neuen Zentrifugen konstruiert sind. Insbesondere die Magnete 30 auf dem inneren Kreis sind derart konfiguriert, daß sie der maximal zulässigen Drehzahl der Zentrifuge nach dem Stand der Technik entsprechen, d.h. 100.00 UpM. Der radiale Abstand der Magnete 30 ist gleich dem der Magnete 14 bei dem Rotor 10 nach dem Stand der Technik (Figur 1A). Der Magnete 28 auf dem äußeren Kreis sind derart konfiguriert, daß sie der tatsächlichen maximalen sicheren Nenn-Drehzahl des Rotors 20 entsprechen.
Wenn dieser Rotor 20 zum Betrieb mit einer neuen Zentrifuge verwendet wird, die mit den beiden Sensoren 32 und 34 ausgestattet ist, erfaßt der äußere Sensor 32, daß ein zweiter Kreis von Magneten vorliegt, was anzeigt, daß der verwendete Rotor kein Rotor nach dem Stand der Technik ist. Anschließend erfaßt der der Achse am nähesten gelegene Sensor 34 die Drehzahl, mit der sich der Rotor 20 dreht, was sich aus der zeitlichen Folge der magnetischen Impulse von den Magneten 30 ergibt. Der Sensor 32 erfaßt die tatsächliche Nenn-Drehzahlcodierung des Rotors 20.
Wenn ein Rotor nach dem Stand der Technik, der für 100.000 UpM oder weniger ausgelegt ist (Rotor 10 in Figur 1A), in der neuen Zentrifuge verwendet wird, wird durch den äußeren Sensor 32 kein Signal erfaßt werden, weil nur ein Kreis von Magneten vorliegt, d.h. die Magnete 14 in Figur 1A. Die Zentrifuge wird die maximal erlaubte Drehzahl entsprechend der Rotordrehzahlcodierung einstellen, die durch den inneren Sensor 34 gewonnen wird. Wenn ein Rotor 20, der für mehr als 100.000 UpM ausgelegt ist, in einer neuen Zentrifuge verwendet wird, werden andererseits die beiden Sensoren 32 und 34 ein Signal empfangen, und die Zentrifuge wird die maximal zulässige Drehzahl entsprechend der Rotordrehzahlcodierung einstellen, die durch den äußeren Sensor 32 gewonnen wurde.
Nun wird der Fall betrachtet, daß der Rotor 20 in einer Zentrifuge nach dem Stand der Technik verwendet wird. Wenn der Rotor 20 mit einer Zentrifuge nach dem Stand der Technik verwendet wird, die mit bis zu 100.000 UpM betrieben wird und die mit nur einem Sensor 16 (siehe Figur 1A) ausgestattet ist, wird der Sensor 16 von dem inneren Kreis von Magneten 34 die Rotordrehzahlcodierung (100.000 UpM) ablesen und die Ist-Rotordrehzahl bestimmen. Weil die Zentrifuge nach dem Stand der Technik nur einen Sensor 16 aufweist (Figur 1A) und die Rotordrehzahlcodierung, die durch den inneren Kreis von Magneten 30 an dem Rotor 20 gebildet ist, 100.000 UpM beträgt, wird die Zentrifuge nach dem Stand der Technik eine Rotation des Rotors 20 mit höchstens 100.000 UpM ermöglichen. Der Betrieb von Rotoren nach dem Stand der Technik in der Zentrifuge nach dem Stand der Technik wird von der jeweiligen tatsächlichen maximalen Nenn- Drehzahl abhängen, die auf den Rotoren codiert ist.
In den Figuren 5 und 6 sind die Zentrifugensteuerungen für den Rotorbetrieb in der neuen Zentrifuge und der Zentrifuge nach dem Stand der Technik zusammengefaßt.
Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß mit dem neuen Zwei- Sensorsystem alle Rotoren der Serien für niedrige Geschwindigkeit (weniger als 100.000 UpM) in sowohl der Zentrifuge nach dem Stand der Technik als auch in der neuen Zentrifuge verwendet werden können, ohne daß die Leistungsfähigkeit verringert wird. Ähnlich können alle Rotoren der Hochgeschwindigkeitsserie (mehr als 100.000) sowohl in der Zentrifuge nach dem Stand der Technik als auch in der neuen Zentrifuge, entweder mit der echten maximal zulässigen Drehzahl des Rotors (beim Betrieb in einer neuen Zentrifuge) oder mit der maximalen Nenn-Drehzahl (d.h. 100.000 UpM) der Zentrifuge (beim Betrieb in einer Zentrifuge nach dem Stand der Technik) verwendet werden. Somit kann der Rotor mit der höchsten Drehzahl betrieben werden, die der Rotor oder die Zentriefuge aushalten kann, wodurch das stärkste Zentrifugalfeld erhalten wird, das möglich ist.
Obwohl die vorliegende Erfindung für zwei Kreise von Magneten an dem Rotor beschrieben wurde, könnte durch die Veränderung des radialen Abstandes der Sensoren und Magnete und/oder der Anzahl der Sensoren in Verbindung mit einer entsprechenden Anzahl von Kreisen von Magneten, eine unbegrenzte Anzahl von Rotordrehzahlcodierungen zur Verwendung an Rotoren entwickelt werden, die kompatibel für die Verwendung in Zentrifugen mit verschiedenen Geschwindigkeiten sind.
Obwohl bei der oben beschriebenen Ausführungsform magnetische Codierelemente verwendet werden, ist die Verwirklichung der vorliegenden Erfindung nicht auf die Verwendung von derartigen Elementen beschränkt. Die Erfindung könnte beispielsweise mit optisch erfaßbarene Codierelementen und einem optischen Detektor verwirklicht werden. Bei einer derartigen Ausführungsform würde die Codieranordnung eine kreisförmige Bahn mit Codierelementen einschließen, die auf der Grundlage ob ihre Reflektion größer oder kleiner ist als der Teil der Bahn, der zwischen den Codierelementen angeordnet ist, in ein oder zwei Arten unterschieden werden können. Weil die Tendenz besteht, daß das Ausgangssignal einer derartigen Anordnung durch Schmutz und Kratzer beeinflußt wird, sind derartige Ausführungsformen jedoch keine bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Obwohl die Erfindung bezüglich und gemäß der bevorzugten Ausführungsform beschrieben wurde, ist es für den Fachmann verständlich, daß verschiedene Änderungen und Verbesserungen durchgeführt werden können, ohne den Schutzbereich und den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen. Demgemäß sollte klar sein, daß die Erfindung nicht durch die speziellen dargestellten Ausführungsformen eingeschränkt ist, sondern nur durch den Schutzbereich der zugehörigen Ansprüche.

Claims

1. Zentrifugensystem zur Bestimmung der maximalen sicheren Drehzahl eines Zentrifugenrotors, mit:

einem Rotor,

einem Antrieb (22), um den Rotor (20) um eine Achse in Drehung zu versetzen,

einem ersten Detektor (34), der in einem ersten radialen Abstand von der Achse angeordnet ist, um das Vorhandensein eines ersten Satzes von Codierelementen (30) an dem Rotor festzustellen, wobei der erste Satz von Codierelementen einen ersten Code festlegt, der einer ersten maximalen Betriebsdrehzahl, zum Betrieb in einer ersten Zentrifuge, entspricht,

einem zweiten Detektor (32), der in einem zweiten radialen Abstand von der Achse angeordnet ist, um das Vorhandensein oder Fehlen eines zweiten Satzes von Codierelementen (28) an dem Rotor festzustellen, wobei der zweite Satz von Codierelementen einen zweiten Code festlegt, der einer zweiten maximalen Betriebsdrehzahl, die höher als die erste maximale Betriebsdrehzahl ist, zum Betrieb in einer zweiten Zentrifuge entspricht, und

einem Prozessor (40), der sowohl mit dem ersten (34) als auch mit dem zweiten (32) Detektor verbunden ist, um zwischen einem Rotor, der sowohl den ersten (30) als auch den zweiten (28) Satz von Codierelementen aufweist, und einem Rotor zu unterscheiden, der nur den ersten Satz von Codierelementen aufweist, wobei der Prozessor den zweiten Code eines sich drehenden Zentrifugenrotors, der einen zweiten Satz von Codierelementen aufweist, feststellt und den ersten Code eines sich drehenden Zentrifugenrotors, der nur den ersten Satz von Codierelementen aufweist, feststellt.

2. System nach Anspruch 1, bei dem die ersten (30) und zweiten (28) Sätze von Codierelementen jeweils durch eine kreisförmige Anordnung von Magneten gebildet ist, die an dem Rotor (20) befestigt sind.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die ersten (30) und zweiten (28) Sätze von Codierelementen in ersten und zweiten konzentrischen kreisförmigen Anordnungen um die Achse herum angeordnet sind.

4. System nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem die ersten (30) und zweiten (28) Sätze von Codierelementen sich jeweils an den ersten (34) und zweiten (32) Detektoren vorbei bewegen,

wenn sich der Rotor (20) dreht, wobei die ersten und zweiten Detektoren jeweils einen Signalimpuls erzeugen, wenn sich ein Codierelement vorbeibewegt, und das Vorhandensein des Impulses festgestellt wird, wenn der Wert des Impulses einen Schwellwert überschreitet.

5. System nach Anspruch 41 bei dem sowohl die ersten als auch die zweiten Detektoren jeweils eine Regeleinrichtung einschließen, um automatisch den Schwellwert im Verhältnis zu der Amplitude des Impulses einzustellen.

6. System nach Anspruch 5, bei dem der Schwellenwert auf einen vorherbestimmten Bruchteil der Impulsamplitude eingestellt wird.