EP0082956A1 - Einrichtung zur berührungslosen Unwuchtmessung - Google Patents

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EP0082956A1
EP0082956A1 EP82110802A EP82110802A EP0082956A1 EP 0082956 A1 EP0082956 A1 EP 0082956A1 EP 82110802 A EP82110802 A EP 82110802A EP 82110802 A EP82110802 A EP 82110802A EP 0082956 A1 EP0082956 A1 EP 0082956A1
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Rolf Näff
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a device for contactless unbalance measurement on centrifuges and the like, in particular on ultracentrifuges.
  • the object of the invention was therefore to provide a non-contact unbalance measurement on centrifuges, which is not very susceptible to faults and requires relatively little material and labor in the manufacture.
  • a magnetic field sensor is arranged on the fixed part of the centrifuge in the vicinity of an annular part of the rotor, which detects changes in the geometry of the gap between the annular part and the sensor caused by deflection and / or precession movements of the rotor shaft.
  • the rotor has a coaxially arranged flange-shaped part, opposite the end of which the sensor is arranged.
  • a magnetic field-dependent resistor or a Hall generator is preferably used as the sensor.
  • the flange-shaped part is preferably made of soft iron.
  • the sensor is a differential sensor.
  • the single figure shows a schematic representation of the essential parts of the rotor and the fixed part of an ultracentrifuge with a device for measuring unbalance according to the invention.
  • a receiving head for the centrifuge rotor is attached to the rotor shaft 1.
  • a ring or flange niger part 3 formed of soft iron which is hereinafter referred to as M essflansch.
  • M essflansch a ring or flange niger part 3 formed of soft iron
  • the M may be arranged also on essflansch (not shown) rotor.
  • the measuring flange 3 has an annular end face 4 which defines a plane perpendicular to the rotor axis.
  • a magnetic field sensor 6 is arranged on the fixed part of the centrifuge at a short distance from the flat end face of the measuring flange 3.
  • the sensor is a differential sensor, consisting of two magnetic field-dependent resistors 7, 8, which are attached to a common permanent magnet 9.
  • Such differential sensors are commercially available components and are available, for example, from Siemens under the type designation FP 210 L 100.
  • other differential sensors made of magnetic field-dependent resistors, as well as individual field plates or arrangements made of Hall generators, can also be used.
  • the measuring flange 3 from permanent magnetic material.
  • the permanent magnet 9 on which the two field plates are mounted would be omitted or replaced by a soft iron plate.
  • the distance referred to as a gap for the purpose of this description between the end face 4 of the measuring flange 3 and the differential sensor 6 is preferably between 0.2 and 0.7 mm.
  • these values are not absolute limit values for the function of the invention.
  • the senor Since the displacement of the measuring flange 3 ifferentialmentler 6 occurs relative to D in the direction perpendicular to the axis, the sensor is arranged so that the two field plates 7 lying one behind the other in the radial direction to the axis. 8
  • the axis is at an angle, during centrifugation there is a precession movement of the axis in addition to the deflection or due to the deflection, which leads to a temporal change in the deflection at the location of the sensor 6 and thus to a temporal change in the resistance values.
  • An inclined rotor axis can result from the fact that the device is not absolutely horizontal or also because the rotor is filled unevenly.
  • the two magnetoresistors are arranged in a bridge circuit 10, is generated from the in known manner by a suitable amplifier 11, a initial angssignal g.
  • the output signal consists of a voltage that is proportional to the deflection in the radial direction of the rotor axis. It is therefore an analog signal, which constitutes a considerable advantage of the device according to the invention.
  • the conventional facilities for Determination of the unbalance in a centrifuge which is based on the principle of a ball-bearing ring touching the axis, is represented by digital sensors: a signal is emitted at a certain critical deflection. Due to the mechanical design, it was not possible to vary the sensitivity, ie the response threshold of the deflection, especially not during operation.
  • the system according to the invention in which an analog signal is generated, makes it possible to change the sensitivity without any problems, even during operation. This is a considerable advantage, because it enables the sensitivity to be selected lower at lower speeds, at which experience has shown greater deflections, but which do not endanger the rotor at these speeds, and at higher speeds when the rotor is self-stabilizing is done to shift up. This ensures that in all cases in which a centrifuge previously switched off, because at relatively low speeds due to critical vibrations deflections that would endanger the rotor at higher speeds, the centrifuge can continue to run if the rotor is above the critical speed stabilized again.
  • a comparator 12 is connected downstream of the amplifier 11, to which the output signal of the amplifier is fed and whose reference input can be changed depending on the speed. As soon as the unbalance measurement signal exceeds the reference voltage V R , a warning signal is emitted at the signal output 13.
  • the signal available at the output of the amplifier 11 can also be via a microphone processor to be processed.

Abstract

Auf der feststehenden Seite eines ringförmigen Spalts zwischen dem feststehenden Teil, d.h. im allgemeinen dem Gehäuse einer Zentrifuge und dem Rotor, ist ein Magnetfeldfühler angeordnet, mit dem Veränderungen der Geometrie des Spalts erfasst werden. Diese Einrichtung arbeitet im Gegensatz zu den herkömmlichen berührungslos und ist mechanisch weit weniger aufwendig. Ausserdem besitzt sie den Vorteil, dass sie ein analoges, zur Auslenkung des Rotors proportionales, Signal abgibt und damit eine Aenderung der Empfindlichkeit ermöglicht. Dies ist für Ultrazentrifugen von Bedeutung, da bei diesen bei höheren Drehzellen geringere Rotorunwucht tolerabel ist als bei niedrigen. Als Fühler besonders bevorzugt ist ein Differentialfühler mit zwei auf einem Permanentmagneten angeordneten magnetfeldabhängigen Widerständen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur berührungslosen Unwuchtmessung an Zentrifugen und dergleichen, insbesondere an Ultrazentrifugen.
  • Bisher übliche Einrichtungen zur Unwuchtmessung an Ultrazentrifugen beruhen beispielsweise auf dem Prinzip, dass die Rotorwelle der Zentrifuge bei Auslenkung durch Unwucht einen sie in einem bestimmten Abstand umgebenden Ring berührt, der drehbar gelagert ist und durch die Berührung mitgenommen wird und dessen Bewegung überwacht wird. Dieses System ist jedoch mechanisch verhältnismässig aufwendig, so dass schon seit geraumer Zeit das Bedürfnis nach einer nicht-mechanischen Lösung bestand.
  • Es wurden auch bereits Versuche durchgeführt, die Unwucht optisch zu messen. Dies hat sich jedoch kaum bewährt, da die Sensoren im Umfeld von Ultrazentrifugen sehr störanfällig sind. Somit bestand also nach wie vor das Bedürfnis nach einer möglichst vollelektronischen Lösung zur Feststellung der Unwucht einer Zentrifuge, insbesondere einer Ultrazentrifuge.
  • Die Aufgabe der Erfindung bestand demnach darin, eine oerührungslose Unwuchtmessung an Zentrifugen bereitzustellen, die wenig störanfällig ist und verhältnismässig geringen Material- und Arbeitsaufwand bei der Herstellung erfordert.
  • Erfindungsgemäss wird dies dadurch gelöst, dass am feststehenden Teil der Zentrifuge in der Nähe eines ringförmigen Teil des Rotors ein Magnetfeldfühler angeordnet ist, der durch Auslenkungs- und/oder Präzessionsbewegungen der Rotorwelle entstehende Veränderungen der Geometrie des Spalts zwischen dem ringförmigen Teil und dem Fühler erfasst.
  • Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung weist der Rotor einen koaxial angeordneten flanschförmiges Teil auf, gegenüber dessen Stirnseite der Fühler angeordnet ist. Als Fühler kommt vorzugsweise ein magnetfeldabhängiger Widerstand oder ein Hallgenerator in Frage. Der flanschförmige Teil ist vorzugsweise aus Weicheisen. Nach einer weiteren bevorzugten Ausbildung der Erfindung ist der Fühler ein Differentialfühler.
  • Nachfolgend wird anhand der beiliegenden Zeichnung eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
  • Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung der wesentlichen Teile des Rotors und des feststehenden Teils einer Ultrazentrifuge mit einer Einrichtung zur Unwuchtmessung nach der Erfindung.
  • In der oberen Hälfte der Figur sind die für die erfindungsgemässe Unwuchtmessung wesentlichen Teile einer Ultrazentrifuge schematisch im Schnitt dargestellt. An der Rotorwelle 1 ist ein üblicherweise als Adapter 2 bezeichneter Aufnahmekopf für den Zentrifugenrotor angebracht. An diesem Adapter 2 ist ein ring- oder flanschförniger Teil 3 aus Weicheisen ausgebildet, der nachfolgend als Messflansch bezeichnet wird. Anstelle der direkten Verbindung mit der Rotorwelle oder dem Adapter kann der Messflansch auch am (nicht gezeigten) Rotor 5 angeordnet sein. Der Messflansch 3 weist eine ringförmige Stirnfläche 4 auf, die eine zur Rotorachse senkrechte Ebene definiert.
  • In einem geringen Abstand von der ebenen Stirnfläche des Messflansches 3 ist am feststehenden Teil der Zentrifuge ein Magnetfeldfühler 6 angeordnet. Der Fühler ist ein Differentialfühler, bestehend aus zwei magnetfeldabhängigen Widerständen 7, 8, die auf einem gemeinsamen Permanentmagneten 9 befestigt sind. Solche Differentialfühler sind handelsübliche Bauelemente und beispielsweise unter der Typenbezeichnung FP 210 L 100 von der Firma Siemens erhältlich. Selbstverständlich sind auch andere Differentialfühler aus magnetfeldabhängigen Widerständen, sowie auch einzelne Feldplatten oder Anordnungen aus Hallgeneratoren verwendbar.
  • Neben dieser bevorzugten Ausführungsform ist es natürlich auch möglich, den Messflansch 3 aus permanentmagnetischem Material auszubilden. Dafür würde der Permanentmagnet 9, auf dem die beiden Feldplatten montiert sind, wegfallen bzw. durch ein Weicheisenplättchen ersetzt werden.
  • Der zum Zweck dieser Beschreibung als Spalt bezeichnete Abstand zwischen der Stirnfläche 4 des Messflansches 3 und dem Differentialfühler 6 liegt vorzugsweise zwischen 0,2 und 0,7 mm. Selbstverständlich sind diese Werte für die Funktion der Erfindung keine absoluten Grenzwerte.
  • Bei der vorgegebenen Geometrie des Spalts zwischen dem Messflansch 3 und dem Fühler 6 besteht ein bestimmtes konstantes Magnetfeld, was einen bestimmten Widerstandswert in den beiden Feldplatten zur Folge hat. Die Geometrie des Spalts, wie sie bei stillstehendem Rotor besteht, ändert sich auch bei laufender Zentrifuge nicht, solange keine Unwucht besteht, so dass die Achse der Welle ruhig steht. Im Fall einer Unwucht jedoch bewegt sich die Achse aus ihrer Ruhelage heraus. Dies führt zu einer Veränderung der Geometrie des Spalts und damit zu einer Aenderung des im Spalt bestehenden Magnetfelds. Diese Feldänderung hat wiederum eine Widerstandsänderung in den Feldplatten zur Folge.
  • Da die Verschiebung des Messflansches 3 relativ zum Differentialfühler 6 in der Richtung senkrecht zur Achse erfolgt, ist der Fühler so angeordnet, dass die beiden Feldplatten 7, 8 in zur Achse radialer Richtung hintereinander liegen.
  • Wenn die Achse schräg steht, entsteht beim Zentrifugieren zusätzlich zur Auslenkung, bzw. auf Grund der Auslenkung eine Präzessionsbewegung der Achse, was zu einer zeitlichen Aenderung der Auslenkung an der Stelle des Fühlers 6 und damit zu einer zeitlichen Aenderung der Widerstandswerte führt.
  • Eine schrägstehende Rotorachse kann dadurch entstehen, dass das Gerät nicht absolut waagrecht steht oder auch dadurch, dass der Rotor ungleich gefüllt ist.
  • Zur Erfassung der Widerstandswerte der Feldplatten sind die beiden magnetfeldabhängigen Widerstände in eine Brückenschaltung 10 eingeordnet, aus der in bekannter Weise mit Hilfe eines geeigneten Verstärkers 11 ein Aus- gangssignal erzeugt wird.
  • Das Ausgangssignal besteht in einer Spannung, die zur Auslenkung in radialer Richtung zur Rotorachse proportional ist. Es handelt sich also um ein analoges Signal, was einen erheblichen Vorteil der erfindungsgemässen Einrichtung ausmacht. Die herkömmlichen Einrichtungen zur Bestimmung der Unwucht bei einer Zentrifuge, die auf dem Prinzip der Berührung eines kugelgelagerten Rings durch die Achse beruhten stellen digitale Sensoren dar: Bei einer bestimmten kritischen Auslenkung wird ein Signal abgegeben. Durch die mechanische Konstruktion war es nicht möglich die Empfindlichkeit, d.h. die Ansprechschwelle der Auslenkung zu variieren, insbesondere nicht während des Betriebs.
  • Durch das erfindungsgemässe System, bei dem ein analoges Signal erzeugt wird, ist nun eine Aenderung der Empfindlichkeit ohne weiteres möglich, auch während des Betriebs. Dies stellt einen erheblichen Vorteil dar, weil dadurch die Möglichkeit besteht, die Empfindlichkeit bei niedrigeren Drehzahlen, bei denen erfahrungsgemäss grössere Auslenkungen vorkommen, die aber bei diesen Drehzahlen den Rotor nicht gefährden, kleiner zu wählen und sie bei höheren Drehzahlen, wenn die Selbststabilisierung des Rotors vollzogen ist, höher zu schalten. Dadurch wird erreicht, dass in all den Fällen, in denen früher eine Zentrifuge abgeschaltet hat, weil bei relativ niedrigen Drehzahlen infolge kritischer Schwingungen Auslenkungen aufgetreten sind, die bei grösseren Drehzahlen den Rotor gefährden würden, die Zentrifuge weiterlaufen kann, sofern sich der Rotor oberhalb der kritischen Drehzahl wieder stabilisiert.
  • Zur Umschaltung der Ansprechempfindlichkeit der Unwuchtmessung sind in der Schaltung folgende Massnahmen vorgesehen: Dem Verstärker 11 ist ein Komparator 12 nachgeschaltet, dem das Ausgangssignal des Verstärkers zugeführt wird und dessen Referenzeingang drehzahlabhängig verändert werden kann. Sobald das Umwuchtmessignal die Referenzspannung VR übersteigt, wird am Signalausgang 13 ein Warnsignal abgegeben.
  • Alternativ kann das am Ausgang des Verstärkers 11 zur Verfügung stehende Signal auch über einen Mikroprozessor weiterverarbeitet werden.

Claims (4)

1. Einrichtung zur berührungslosen Unwuchtmessung an Zentrifugen und dergleichen, insbesondere an Ultrazentrifugen, gekennzeichnet durch einen am feststehenden Teil der Zentrifuge in der Nähe eines sich mit dem Rotor (5) drehenden ringförmigen Teils (3) angeordneten Magnetfeldfühler (6) zur Erfassung der durch Auslenkungs-und/oder Präzessionsbewegungen der Rotorachse entstehenden Veränderungen der Geometrie des Spalts zwischen dem ringförmigen Teil (5) und dem Fühler (6).
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der Rotorwelle (1), dem Adapter (2) oder dem Rotor (5) ein koaxial angeordneter flanschförmiger Teil (3) aus Weicheisen vorgesehen ist.
3. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldfühler (6) ein magnetfeldabhängiger Widerstand oder eine Hallsonde ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Fühler (6) ein Differentialfühler mit zwei auf einem Permanentmagneten (9) angeordneten magnetfeldabhängiger Widerständen (7,8) ist.
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