[0001] Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur berührungslosen Unwuchtmessung an Zentrifugen
und dergleichen, insbesondere an Ultrazentrifugen.
[0002] 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.
[0003] 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.
[0004] 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.
[0005] 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.
[0006] 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.
[0007] Nachfolgend wird anhand der beiliegenden Zeichnung eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung beschrieben.
[0008] 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.
[0009] 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.
[0010] 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.
[0011] 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.
[0012] 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.
[0013] 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.
[0014] 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.
[0015] 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.
[0016] Eine schrägstehende Rotorachse kann dadurch entstehen, dass das Gerät nicht absolut
waagrecht steht oder auch dadurch, dass der Rotor ungleich gefüllt ist.
[0017] 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.
[0018] 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.
[0019] 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.
[0020] 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 V
R übersteigt, wird am Signalausgang 13 ein Warnsignal abgegeben.
[0021] Alternativ kann das am Ausgang des Verstärkers 11 zur Verfügung stehende Signal auch
über einen Mikroprozessor weiterverarbeitet werden.
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.