DE19500133A1 - Zentrifuge - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Zentrifuge entspre­ chend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zentrifugen finden in der Verfahrenstechnik überall dort Anwendung, wo immer es um die Trennung von Stoffgemi­ schen nach Maßgabe unterschiedlicher Dichten geht. So sind beispielsweise Laborzentrifugen bekannt, die aus einem Rotor, der unmittelbar auf der Antriebswelle eines Motors befestigt ist, der in einen, unter anderem der Realisierung von Sicherheitsfunktionen dienenden Steuer­ kreis eingebunden ist. Dieser umfaßt in nahezu allen Fällen eine Drehzahlregelung des Motors.

Der Rotor ist in seinem peripheren Bereich mit Aufnahmen zum Einsetzen von Gefäßen ausgerüstet, welche im Betrieb der Zentrifuge das in seine Bestandteile zu zerlegende Stoffgemisch enthalten und es ist der Rotor im allgemei­ nen auswechselbar auf der Antriebswelle, im Regelfall kraftschlüssig befestigt. Einzelne Rotoren weisen unter­ schiedliche höchstzulässige Drehzahlen auf und es sind diese beispielsweise unterseitig mit maschinell lesbaren Informationsträgern versehen, welche berührungslos über einen ortsfest angeordneten Sensor abgetastet werden, so daß auf diesem Wege in einem übergeordneten Steuerkreis Informationen zur Verfügung stehen, welche eine automa­ tisierte Identifikation des jeweils eingesetzten Rotors sowie dessen höchstzulässiger Drehzahl ermöglichen. Auf diese Weise wird Bedienungsfehlern entgegengewirkt, die auf Irrtümern betreffend den Typ des jeweils eingesetz­ ten Rotors beruhen.

Aus der DE 32 10 184 AI und der DE 38 15 449 A1 sind derartige Rotoranordnungen bekannt. Die auf der Unter­ seite des Rotors angeordneten Informationsträger sind hiernach optisch oder induktiv wirksame Reflektorschei­ ben bzw. Magnetkörper und es stehen somit in einem übergeordneten Steuerkreis des Zentrifugenantriebs Informationen betreffend den jeweils eingesetzten Rotor sowie dessen höchstzulässige Drehzahl und über einen, mit der Motorantriebswelle zusammenwirkenden Drehzahlge­ ber weitere Informtionen betreffend die jeweilige tat­ sächliche Motordrehzahl zur Verfügung, welche zwecks Steuerung des Motors umgesetzt werden.

Ein besonderes Gefahrenmoment beim Betrieb derartiger Zentrifugen besteht darin, daß sich der Befestigungszu­ stand des Rotors auf der Antriebswelle verändert, insbe­ sondere daß es zu einem Lösen des Rotors kommen kann. Eine solche Lösung kann beispielsweise als Folge von Vibrationen auftreten, welche das Gesamtsystem bestehend aus Motor und Rotor zu Schwingungen anregen, die schließlich in gefährliche, die Gefahr einer Zerstörung des Rotors sowie des Zentrifugengehäuses mit sich brin­ gende Betriebszustände übergehen können.

Derartige Schwingungen können auch Ursache von Kabelbrü­ chen oder vergleichbaren mechanischen Beschädigungen von Bauteilen und Leitungsverbindungen in elektrischen Schaltkreisen des Zentrifugenantriebs sein. Gefährliche Betriebszustände können insbesondere dann entstehen, wenn solche Schäden Meß- und/oder Steuerleitungen be­ treffen, von deren einwandfreiem Zustand Sicherheits- und Überwachungsfunktionen abhängig sind.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Zentrifuge der eingangs bezeichneten Art dahingehend auszugestalten, daß in einfacher Weise der Betriebszustand sicher­ heitsrelevanter Schaltkreise und der Befestigungszustand des Rotors auf der Antriebswelle des zugeordneten Motors kontrollierbar sind, so daß Veränderungen dieser Zustän­ de auch in kleinsten Dimensionen automatisiert erkennbar sind und nach Maßgabe dieser Veränderung in den Steuer­ kreis des Motors eingegriffen werden kann. Gelöst ist diese Aufgabe bei einer gattungsgemäßen Zentrifuge durch die Merkmale des Kennzeichnungsteils des Anspruchs 1.

Erfindungswesentlich und Ausgangspunkt der Erfindung ist, daß die Drehzahlen des Rotors einerseits und dieje­ nige der Antriebswelle des Motors andererseits gemessen werden, wobei nach Maßgabe einer festgestellten Diffe­ renz der Meßwerte dieser beiden Drehzahlen in den Steu­ erkreis des Motors eingegriffen wird. Diese Meßwerte bilden die entscheidenden Parameter, die zur Beurteilung der eingangs genannten Zustände benutzt werden, wobei die Auswertung, insbesondere die Interpretation dieser Meßwerte, automatisiert erfolgt. Zu diesem Zweck ist der genannte Schaltkreis u. a. mit einer Vergleichsschal­ tung zur Differenzbildung der genannten Meßwerte ausge­ rüstet, welche ein, diese Differenz beschreibendes Signal bildet und es steht die Vergleichsschaltung ausgangsseitig mit dem Steuerkreis des Motors in Verbin­ dung. Die schaltungstechnische Realisierung dieser Funktionen kann auf unterschiedlichste Weise erfolgen, insbesondere unter Nutzung eines, in dem Steuerkreis des Motors ohnehin vorhandenen Mikrorechners, eines Mikro­ prozessors oder dergleichen, in welchem die oben darge­ legten Rechen- und Steueroperationen in einfachster Weise realisierbar sind. Es wird mit anderen Worten ein Schlupf zwischen Rotor und Antriebswelle überwacht, der bei ordnungsgemäßem Befestigungszustand Null betragen sollte. Kommt es - aus welchen Gründen auch immer - zu Relativbewegungen und damit zu einem Schlupf zwischen der Antriebswelle und dem Rotor, wird dies - entspre­ chend der installierten Meßgenauigkeit - auch bei klein­ sten Winkelveränderungen erkannt und beispielsweise zum Abschalten sowie sofortigen Abbremsen oder Auslaufen­ lassen des Motors bis zum Stillstand benutzt. Auf diese Weise kann beispielsweise auf eine erkannte, sich anbah­ nende Lösung des Rotors von der Antriebswelle schnellst­ möglich automatisiert reagiert werden, und zwar bevor gefährliche Schwingungszustände angefacht worden sind. Bei der technischen Realisierung der Erfindung kann weitestgehend von ohnehin vorhandenen Baukomponenten einer Zentrifuge, z. B. einer Laborzentrifuge Gebrauch gemacht werden, nachdem ein, mit der Antriebswelle zusammenwirkender Drehzahlgeber ohnehin Bestandteil der Motorsteuerung ist und nachdem berührungslos abtastbare, an dem Rotor angeordnete Informationsträger ebenfalls Bestandteile der Zentrifuge sind, wobei letztere in an sich bekannter Weise beispielsweise als diskrete, op­ tisch oder induktiv abtastbare, sich mit dem Rotor drehende Informationsträger ausgebildet sind, aus deren Impulsfolge ein Signal ableitbar ist, über welches die Rotordrehzahl errechenbar ist. Die praktische Ausführung des Erfindungsgegenstands wird damit im Rahmen des erwähnten Schaltkreises vollzogen bzw. rein softwaremä­ ßig und bedarf keinerlei konstruktiver Eingriffe im Be­ reich des Motors oder des Rotors. Anhand der ermittelten Meßwerte kann auch ein Kabelbruch erkannt werden und damit ein Betriebszustand, bei dem sicherheitsrelevante elektrische Funktionen nicht mehr erfüllt werden können. Auch dies kann zu einem sofortigen Abschalten und Ab­ bremsen des Zentrifugenantriebs benutzt werden, wobei aus Sicherheitsgründen der Deckel des Zentrifugengehäu­ ses bis zum völligen Stillstand geschlossen bleibt. Schließlich können die eingangs genannten beiden Meßwer­ te auch zur Plausibilitätskontrolle benutzt werden und auf diese Weise zum Erkennen von Fehlfunktionen elektri­ sche Schaltkreise benutzt werden, beispielsweise, um Steuerungsfehler zu vemeiden.

Gemäß den Merkmalen des Anspruchs 2 liegen die Drehzahl­ meßwerte für den Rotor und die Antriebswelle des Motors in digital kodierter Form vor, welches bekanntlich eine sehr einfache rechen- und auswertetechnische Umsetzung ermöglicht.

Ein durch eine Drehzahlabweichung zwischen Rotor und Antriebswelle gekennzeichneter Störungszustand kann entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 3 zusätzlich akustisch oder optisch angezeigt werden.

Die Merkmale des Anspruchs 5 verdeutlichen, daß die Funktionen des Sensors und des Drehzahlgebers austausch­ bar sind, so daß beispielsweise im Fall eines Kabel­ bruchs die Funktion des Drehzahlgebers 10 durch den Sensor 7 und umgekehrt ersetzbar ist und in Verbindung mit dem Schaltkreis 9 ein definiertes Abbremsen des Rotors bis zum Stillstand bewirkt. Auch in einem solchen Störfall unterliegt der Rotor somit einer Überwachung und wird in einen gefahrlosen Betriebszustand überführt.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf das in der Zeichnung schematisch wiedergegebene Ausführungs­ beispiel näher erläutert werden.

Mit 1 ist in der Zeichnungsfigur ein Rotor einer Labor­ zentrifuge bezeichnet, die um eine Achse 2, die im allgemeinen vertikal orientiert ist, drehbar gelagert ist. Der Rotor trägt in an sich bekannter Weise in seinem Umfangsbereich auswechselbare Gefäße, welche ein Stoffgemisch enthalten, das durch Zentrifugation in seine Bestandteile zu zerlegen ist. Hierauf soll jedoch im folgenden nicht näher eingegangen werden.

Der Rotor 1 ist in zeichnerisch nicht dargestellter Weise auf einer Welle 3 gelagert, die sich koaxial zu der Achse 2 erstreckt und die Antriebswelle eines Motors 4 bildet. Zeichnerisch nicht dargestellt ist ein, den Motor 4 nebst Rotor 1 umgebendes Gehäuse, in welchem der Motor 4 in geeigneter Weise befestigt ist. Der Zentrifu­ gationsprozeß findet innerhalb dieses, mit einem Deckel verschließbaren Gehäuses statt.

Mit 5, 6 sind auf der Unterseite des Rotors 1 - in gleichmäßiger Verteilung entlang eines Teilkreises - angeordnete Magnetkörper jeweils wechselnder Polarität bezeichnet, die mit einem, auf dem Gehäuse des Motors 4, somit ortsfest angeordneten, magnetisch wirksamen Sensor 7 berührungslos zusammenwirken. Es sind mehrere Magnet­ körper 5, 6 entlang des genannten Teilkreises angeordnet und es steht der Sensor 7 über eine Leitung 8 mit einem schematisch angedeuteten Schaltkreis 9 in Verbindung. Der Schaltkreis 9, der unter anderem einen Mikroprozes­ sor bzw. einen Mikrorechner enthalten kann, wird zwar im Detail im folgenden nicht beschrieben werden - sein schaltungstechnischer Aufbau wird jedoch anhand dessen Zweckbestimmung deutlich werden.

Die Magnetkörper 5, 6 sind - in einer solchen Polari­ tätsfolge - in Umfangsrichtung gesehen - angeordnet, die jeweils rotorspezifisch ist und ein Bitmuster bildet, welches wenigstens zwei voneinander unterscheidbare Informationsanteile enthält, nämlich einen ersten, der dem speziellen Rotortyp zugeordnet ist und beispielswei­ se eine höchstzulässige Drehzahl signalisiert und einen zweiten, der den Beginn und das Ende eines Lesevorgangs dieser Information darstellt. Die Auswertung dieser Information erfolgt über den Schaltkreis 9, in dem somit Daten betreffend den jeweiligen Rotortyp und dessen höchstzulässige Drehzahl anstehen, die in schaltungs­ technisch nachgeordneten Funktionseinheiten, insbesonde­ re einem Rechner weiter verarbeitet werden können, beispielsweise zwecks Steuerung des Motors 4.

Anstelle der magnetischen bzw. induktiven Abtastung des Rotors 1 mittels der Elementenpaarung Magnetkörper 5, 6/ Sensor 7 kann naturgemäß auch eine optische, beispiels­ weise auf Reflexen beruhende Abtastung definierter Zonen eines Teilkreises erfolgen, so daß auf diesem Wege nach entsprechender Umsetzung dieser Signale in elektrische Impulse vergleichbare Informationen über die Leitung B in den Schaltkreis 9 gelangen.

Mit 10 ist ein Drehzahlgeber für die Welle 3 bezeichnet, welcher als Tachogenerator oder als sonstiger, vorzugs­ weise ein digitales Ausgangssignal liefernde Meßeinrich­ tung ausgebildet sein kann. Der Drehzahlgeber steht über eine Leitung 11 ebenfalls mit dem Schaltkreis 9 in Verbindung und es kann aus dem, über die Leitung 11 übertragenen Drehzahlmeßwert unter anderem die Zeitbasis für die Auswertung der über die Leitung 8 übertragenen Impulse abgeleitet werden.

Erfindungsgemäß werden nunmehr innerhalb des Schaltkrei­ ses 9 die, über die Leitungen 8, 11 übertragenen Meßwer­ te jeweils in Drehzahlmeßwerte jeweils des Rotors und der Antriebswelle, hier der Welle 3 des Motors umgerech­ net und miteinander verglichen. Da der Rotor 1 ohne Zwischenanordnung eines Getriebes auf der Welle 3 befe­ stigt ist, müssen beide Drehzahlen dann und solange identisch sein, wie eine zuverlässige Befestigung des Rotors auf der Welle 3 gegeben ist. Differenzen zwischen diesen beiden Drehzahlen signalisieren somit Relativbe­ wegungen des Rotors 1 gegenüber der Welle 3 und damit eine beginnende Lösung dieser Verbindung. Wird somit über den Mikrorechner des Schaltkreises 9 eine solche Drehzahldifferenz festgestellt, löst dies über eine zeichnerisch nicht dargestellte Leitung unmittelbar eine sofortige Abbremsung des Motors 4 bis zum Stillstand aus, so daß ein Entstehen gefährlicher Betriebszustände, insbesondere unkontrollierbarer Schwingungen unterdrückt wird. Entsprechend dem Auflösungsvermögen der beiden digitalen Drehzahlmessungen können kleinste Drehwinkel­ veränderungen zwischen dem Rotor 1 und der Welle 3 des Motors 4 erkannt und steuerungstechnisch umgesetzt werden, und zwar unter gleichzeitiger optischer und/oder akustischer Signalisierung eines solchen Störungszu­ stands.

Man erkennt aus obigen Ausführungen, daß eine in diesem Sinne ausgerüstete Laborzentrifuge ein zuverlässiges Erkennen des Verbindungszustands zwischen Rotor und Antriebswelle sowie ein automatisiertes Einleiten von Maßnahmen zur Verhinderung gefährlicher Betriebszustände beinhaltet, wobei hardwaremäßig von ohnehin vorhandenen Komponenten eines Zentrifugenantriebs Gebrauch gemacht wird, nämlich von Einrichtungen zur Rotoridentifiketion und zur Drehzahlmessung des Motors, so daß eine Ausrü­ stung einer Zentrifuge im Sinne der Erfindung im wesent­ lichen softwareseitig in der Programmierung des dem Schaltkreis 9 zuzuordnenden Mikrorechners, somit der Definition eines zu beobachtenden Betriebszustands und deren Einbindung in den Steuerungskreis des Motors 4 bestehen kann.

Alternativ hierzu kann der Schaltkreis 9 über die Lei­ tungen 8, 11 auch mit zwei gleichartigen Drehzahlgebern in Verbindung stehen, deren einer die Drehzahl der Welle 3 und deren anderer die Drehzahl des Rotors 1 erfaßt. Die Auswertung dieser beiden Drehzahlmeßwerte kann wie oben bereits dargelegt erfolgen.

Die Auswertung der über die Leitungen 8, 11 übertragenen Meßwerte kann über den Schaltkreis 9 auch in allgemeine­ rer Weise erfolgen. Sie kann in einer Überwachung des Sensors 7 bzw. des Drehzahlgebers 10 bestehen, so daß bei Störungen im Bereich eines dieser beiden Komponenten in den Steuerkreis des Motors 4 automatisch eingegriffen werden kann. In diese Überwachung sind sämtliche Verbin­ dungsleitungen zwischen den genannten Komponenten und dem Schaltkreis 9 einbezogen. Schließlich kann eine Plausibilitätskontrolle für Steuerungsfunktionen, über welche der Schaltkreis auf den Motor 4 einwirkt, aus diesen Meßwerten abgeleitet werden.

Die Auswertung muß nicht in jedem Fall über eine Diffe-
renzbildung erfolgen - die Meßwerte können auch in anderer Weise miteinander verknüpft werden, um Informa­ tionen über den Zustand der genannten Komponenten und/ oder des Rotors und/oder sonstiger Teile des Zentrifu­ genantriebs zu gewinnen. Schließlich können - mit dem gleichen Ziel - die Meßwerte auch einzeln im Zeitablauf betrachtet werden, um hieraus Steuerungsfunktionen abzuleiten.

Im Falle einer festgestellten Betriebsstörung, sei es ein beginnendes Lösen des Rotors, ein Kabelbruch oder ein sonstiger mechanischer Schaden, wird vorzugsweise ein sofortiges kontrolliertes Abbremsen des Rotors bis zum Stillstand ausgelöst.

Claims (5)

1. Zentrifuge mit einem Rotor (1), der mit einem Motor (4) in Antriebsverbindung steht, wobei an dem Rotor (1) berührungslos abtastbare Informationsträger angeordnet sind, die mit einem ortsfesten Sensor (7) in Wirkverbindung stehen, wobei die Antriebswelle (3) des Motors (4) mit einem Drehzahlgeber (10) ausgerüstet ist und wobei der Sensor (7) und der Drehzahlgeber (10) über Leitungen (8,11) mit einem, der Auswertung der übertragenen Signale dienenden Schaltkreis (9) in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet,

• - daß der Schaltkreis (9) eine Vergleichsschaltung zur Differenzbildung der als Drehzahlmeßwerte jeweils des Rotors (1) und der Antriebswelle (3) umgerechneten, über die Leitungen (8,11) übertrage­ nen Eingangssignale beinhaltet und
• - daß die ausgangsseitig ein aus der Drehzahldiffe­ renz abgeleitetes Ausgangssignal führende Ver­ gleichsschaltung mit einem Steuerkreis des Motors (4) in Verbindung steht.

2. Zentrifuge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehzahlgeber (10) und/oder der Sensor (7) als ausgangsseitig digital kodierte Signale bereit­ stellende Meßeinrichtungen ausgebildet sind.

3. Zentrifuge nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Vergleichsschaltung ausgangsseitig zusätzlich mit einer, eine optisch und/oder akustisch wirksame Warn- oder Hinweisfunktion ausübenden Anzei­ geeinrichtung in Verbindung steht.

4. Zentrifuge nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal der Ver­ gleichsschaltung zur Erkennung des Befestigungszu­ stands des Rotors (1) auf der Antriebswelle des Motors (4). zur Erkennung eines Kabelbruchs oder zur Plausibilitätskontrolle von Steuerungsfunktionen verwendet wird.

5. Zentrifuge nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel eines Zentrifugenge­ häuses erst bei Stillstand des Rotors (1) entriegelt ist, daß im Fall einer Störung, z. B. eines Kabel­ bruchs, der Rotor (1) in definierter Weise abbremsbar ist, und daß letztgenannter Vorgang über den Sensor (7) und/oder den Drehzahlgeber (10) ausführbar ist.