DE3210184A1

DE3210184A1 - Schaltungsanordnung zur drehzahlueberwachung

Info

Publication number: DE3210184A1
Application number: DE19823210184
Authority: DE
Inventors: Horst DDR-7127 Taucha Kache
Original assignee: Medizin und Labortechnik Leipzig VEB
Current assignee: Medizin und Labortechnik Leipzig VEB
Priority date: 1981-07-06
Filing date: 1982-03-19
Publication date: 1983-01-20
Also published as: ATA110182A; FR2509069A1; DD200111A1; GB2103855B; GB2103855A; AT376074B; FR2509069B1

Description

Schaltungsanordnung zur Drehzahlüberwachung

Anwendungsgebiet der Erfindung?

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Drehzahlüberwachung von Rotationskörpern, z.B. Zentrifugenrotoren. Die Notwendigkeit eines Überdrehzahlschutzes besteht für alle Rotationskörper, die bis an die Grenze ihrer Zerreißfestigkeit betrieben werden, wie z. B. Rotore von Ultrazentrifugen, aber auch von rotierenden Antriebseletnenten, um Beschädigungen der von ihnen angetriebenen Elemente zu vermeiden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen: Eine Zentrifuge kann Rotoren mit unterschiedlichen Drehzahlwerten und Größen aufnehmen, um eine Anpassung an die gewünschte spezielle Zentrifugenanwendung zu ermöglichen. Jeder Rotor hat seinen eigenen maximalen Drehzahlwert und muß gegen Überdrehzahlen und sich daraus ergebenden Schaden geschützt werden. Zur Erfassung einer drehzahlabhängigen

Größe ist es bekannt, am Boden der Rotore eine mit Sektoren versehene Abtastscheibe anzubringen und diese mit geeigneten Abtastmitteln abzutasten, die ein elektrisches Signal mit einer drehzahlproportionalen Frequenz erzeugen. Gemäß Dii-OS 2 415 934 wird dieses Signal nach Impulsformung gleichzeitig einem Verzögerungsnetzwerk und einem rücksteilearen monostabilen Multivibrator mit einer Impulsdauer von 3 ms zugeführt . Die Ausgänge beider Schaltungsstufen sind an die Eingänge eines ITAWD-Gatters geführt, dessen Ausgang die Eingänge für eine Mischstufe und eine Signalzuverlässigkeitsschaltuivj bildet. Die Ausgänge dieser Stufen sind mit den Eingängen eines Abschaltkreises der Antriebssteuerschaltung des Motors verbunden. Der Ausgang der Signalzuverlässigkeitsschaltung ist außerdem mit dem Rückstelleingang des Multivibrators verknüpft. Die Mischstufe weist einen zweiten iäingang für den Anschluß eines hochstabilen Oszillators auf. Der Ausgang der Mischstufe, ist an einen Tiefpaß vorbestimmter Frequenz geführt. Die Signalzuverlässigkeitsschaltung besteht aus einem Integrator und einer Schwellwertschaltung.

Diese Schaltungsanordnung erzeugt ein Abschaltbefeht in folgenden zwei Fällen:

1. Der Rotor erreicht die für ihn maximal zulässige Drehzahl.

2. Die Impulsbreite ist kleiner als 3 ^s und die Anzahl der Impulse so gering, daß die Schwellwertschaltung nicht anspricht .

Der zweite Fall tritt ein bei Ausfall der Abtastmittel und des Impulsformers, bei Leitungsunterbrechungen dieser Schaltungsstufen und beim Fehlen der Abtastscheibe. Die beschriebene Schaltungsanordnung ist durch einen hohen Aufwand gekennzeichnet, der besonders durch die Oszillatorschaltung mit ihrer hohen Frequenzkonstanz, den Tiefpaß mit eng tolerierten Induktivitäten und zwei Schaltungsstufen für die Störungssicherung der Überwachungsschaltung bedingt ict. Sie weist einen relativ langen Weg für impulsförmige Signale

auf, so daß eine Gefahr fehlerhaften Abschaltens durch Einstrahlung von Fremdimpulsen besteht.

Ziel der Erfindung:

Ziel der Erfindung ist es, den Bauelemente- und dem Fertigungsaufwand für Drehzahlüberwachungsschaltungen zu senken und die Störsicherheit gegenüber Fremdimpulen zu gewährleisten.

Darstellung des Wesens der Erfindung:

Der .Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Drehzahlüberwachung der Rotore von Ultrazentrifugen zu schaffen, die aus Standardbaueleinenten und -stufen aufgebaut ist, ohne Induktivitäten auskommt, einen kurzen Signalweg für Impulse aufweist und gegenüber Störungen infolge defekter Bauelemente bzw. -gruppen oder Leitungsverbindungen gesichert ist. Die Lösung dieser Aufgabe schließt folgende bekannte Elemente ein:

ein am Rotationskörper befestigtes, seine maximale Drehzahl charakterisierendes Muster, eine ein elektrisches Signal erzeugende Abtaststufe des Musters, einen Impulsformer der elektrischen Signale, eine Vergleichsschaltung, eine Bezugssignalquelle und einen Abschaltkreis. Diese Slemente, außer der Bezugssignalquelle, sind in der Reihenfolge ihrer Nennung miteinander verknüpft.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen:

Die Vergleichsschaltung ist ein Komparator. Zwischen dem Impulsformer und dem Komparator sind ein Laufzeitgenerator und ein Integrator geschaltet. Sin zweiter Ausgang des Impulsformers ist mit dem Eingang eines Frequenzschalters verbunden, dessen Ausgang an den ersten Eingang eines ODÄ-Gatters geführt ist. Bin Tachogenerator ist mechanisch mit der Motorwelle und elektrisch mit einem Drehzahlschalter gekoppelt, der ausgangsseitig an den zweiten Eingang des ODER-Gatters angeschlossen ist. Der Ausgang des ODER-Gatters bildet den zweiten

32101

Eingang eines UND-Gatters, dessen erster Eingang an den Ausgang des Komparators gelegt ist. Der Ausgang des UND-Gatters ist mit dem Abschältkreis verbunden. Die Schaltdrehzahl des Drehzahlschalters liegt zwischen der der Schaltfrequenz des Frequenzschalters entsprechenden Drehzahl und der Schaltdrehzahl des Komparators.

Ausführungsbeispiel:

In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig.1 ein Blockschaltbild der Schaltungsaaordnung Fig.2 ein Signal-Drehzahl-Diagramm der Schaltungsanordnung.

Als Ausführungsbeispiel wurde eine Schaltungsanordnung zur Drehzahlüberwachung von Ultrazentrifugen gewählt. In der Fig. sind schematisch nur die Teile der Zentrifuge dargestellt, die mit der Schaltungsanordnung zusammenwirken: der Rotor 1, die Rotorwelle oder -nadel 2, der Antriebsmotor 3 einschließlich Getriebe, die Motorwelle 26 und der Antriebssteuerkreis 4-, Am Boden des Rotors 1 ist eine Reflektorscheibe 5 befestigt, die als Muster abwechselnd mit reflektierenden und nicht reflektierenden Sektoren versehen ist. Unterhalb der Reflektorscheibe 5 ist ein Optokoppler 6 als Abtaststufe angeordnet. Sein Ausgang ist an den Eingang eines Impulsformers 7 geführt, der zwei Ausgänge 18; 19 besitzt. Der erste Ausgang 18 ist mit dem Jäingang eines Laufzeitgenerators 8, der zweite Ausgang mit dem .Eingang eines Frequenzschalters 13 verknüpft. An den Ausgang des Laufzeitgenerators 8 ist ein Integrator 9 angeschlossen, der ausgangsseitig mit dem zweiten Eingang 21 eines Komparators 10 verbunden ist. Der erste Eingang 20 des Komparators 10 ist an eine Bezugsspannungsquelle 11 gelegt. Der Ausgang des Frequenzschalters 13 ist an den ersten Eingang 22 eines ODSR-Gatters 16 geführt. Mit der Motorwelle ist mechanisch ein Tachogenerator 14 gekoppelt. Elektrisch ist er mit dem Eingang eines Drehzahlschalters 15 verbunden, der ausgangsseitig mit dem zweiten Eingang 23 des ODER-Gatters verknüpft ist. Der Ausgang desselben ist an den zweiten Ein-

gang 25 eines UND-Gatters 17 gelegt, dessen erster Eingang 24 mit dem Ausgang des !Comparators ΊΟ verbunden ist, Der Ausgang des UND-Gatters I7 ist mit dem Eingang eines Abschaltkreises 12 verknüpft, der ausgangsseitig mit dem Antriebssteuerkreis 4 verschaltet ist.

Die Arbeitsweise der Schaltungsanordnung soll in Verbindung mit dem Signal-Drehzahl-Diagramm (Fig. 2) erläutert werden: Der Optokoppler 6 erzeugt durch Abtastung der rotierenden Reflektorscheibe 5 ein periodisches elektrisches Signal, dessen Frequenz eine Funktion der Drehzahl des Eotors 1 ist. Das elektrische Signal erhält im Impulsformer 7 eine Rechteckform. Im Frequenzschalter 13 wird eine der Impulsfolge-frequenz proportionale Gleichspannung erzeugt und einem Schwellwertschalter zugeführt, dessen Ausgangspeg-el" u^ nur zwei Werte entnehmen kann, nämlich L- oder Η-Pegel entsprechend den Logikzuständen O und 1 (positive Logik). Erreicht der Rotor 1 eine Drehzahl n*, z. B. 4000 U/min, so überschreitet die erzeugte Spannung den Schwellwert, und der Ausgangspegel u,. springt von L auf H. Damit geht auch der Pegel am Eingang 22 des ODiR-Gatters 16 von L auf H über. Der Tachogenerator 14 erzeugt eine periodische elektrische Spannung, deren Amplitude und Frequenz ebenfalls der Drehzahl des Rotors 1 proportional sind, letztere allerdings mit einem anderen Proportionalitätsfaktor als die Impulsfrequenz, Die Spannung wird im Drehzahlschalter 15 gleichgerichtet und einem Differenzverstärker zugeführt. Bei einer Drehzahl n₂ des Rotors 1, z, B. I5OOO U/min, springt der Ausgangspegel Up des Drehzahlschalters 15 von H auf L, wodurch auch der Pegel am Eingang 23 des ODER-Gatters 16 von H auf L übergeht. Der Pegel u-, am Ausgang des ODER-Gatters 16 bleibt wegen H am ersten Eingang 22 auf H. Dies wäre nicht der Fall, wenn der Ausgangspegel u^ des Frequenzschalters 13 wegen fehlenden Eingangssignals auf L bliebe.

Das Ausgangssignal des Impulsformers 7 wird im Laufzeitgenerator 8 in Impulse konstanter Breite und Höhe umgewandelt.

Diese Impulse werden im Integrator 9 integriert. Die Integrationsspannung wird dem. zweiten Eingang 21 des !Comparators 10 zugeführt. Im Komparator 10 erfolgt ein Vergleich, mit einer am ersten Eingang 20 anliegenden Referenzspannung der Bezugsspannungsquelle 11. Wenn der Rotor 1 seine maximale Drehzahl η-,, z. B. 65000 U/min, überschreitet, dann übersteigt der Betrag der drehzahlproportionalen Integrationsspannung den Betrag der Referenzspannung, wodurch der Komparator 10 umschaltet. Sein Ausgangspegel u^ springt von H auf L. Damit geht auch der Pegel am ersten Eingang 24- des UND-Gatters 17 von H auf L über, an dessen zweiten Eingang 25 normalerweise H anliegt. Der Ausgangspegel Ur des TJID-Gatters 17 geht von H auf L über. Dieses Logiksignal bewirkt im Abschaltkreis 12 einen Abschaltbefehl, wodurch im Antriebssteuerkreis 4 die Stromzufuhr für den Antriebsmotor 3 unterbrochen wird. Durch die Verknüpfung des Logiksignals des Frequenzschalters 13 mit dem des Drehzahlschalters 15 wird verhindert, daß es in dem unteren Drehzahlbereich zu einem Abschalten des Motors 3 kommt. Ist die Funktion der Abtasteinrichtung (Reflektorscheibe 5» Optokoppler 6 und Leitungsverbindung zum Impulsformer 7) gestört, dann bleibt der Ausgangspegel u^ des Frequenz schalters 13 auf L (gestrichelt dargestellt), das am ersten Eingang 22 des ODER-Gatters 16 anliegt. Schaltet dann der Drehzahlschalter I5 bei seiner Schaltdrehzahl n₂ um, entsteht am zweiten Eingang 23 des ODER-Gatters 16 ebenfalls ein L-Pegel. Das dadurch am Ausgang des ODER-Gatters 16 hervorgerufene L schaltet über das UHD-Gatter 17 den Motor 3 ab.

„ „ « β ff »

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

1 Rotor

2 Rotorwelle

3 Antriebsmotor

4 Antriebssteuerkreis

5 Reflektorscheibe

6 Optokoppler

7 Impulsformer

8 Laufzeitgenerator

9 Integrator

10 Komparator

11 Bezugsspannungsquelle

12 Abschaltkreis

13 Frequenzschalter

14 Tachogenerator

15 Drehzahlschalter

16 ODER-Gatter

17 UND-Gatter

18 1. Ausgang von 7

19 2. Ausgang von 7

20 1. Eingang von 10

21 2. Eingang von 10

22 1. Eingang von 16

23 2. Eingang von 16

24 1. Eingang von 17

25 2. iiingang von 17

26 Motorwelle

u^ Ausgangspegel von

Up Ausgangspegel von

Uo Ausgangspegel von

Uy, Ausgeyigspegel von

Ur Ausgangspegel von

n^ Schaltdrehzahl von

n₂ Schaltdrehzahl von

n, Schaltdrehzahl von U/min. Umdrehungen pro Minute

Leerseite

Claims

3210154

Erfindungsanspruch:

Schaltungsanordnung zur Drehzahlüberwachung mit einem am Rotationskörper angebrachten, seine maximale Drehzahl charakterisierenden Muster, einer ein elektrisches Signal erzeugenden Abtaststufe des Musters, einem Impulsformer, einer Vergleichsschaltung, einer Bezugssignalquelle und einem Abschaltkreis, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsschaltung ein Komparator (10) ist, zwischen dem Impulsformer (7) und dem Komparator (10) ein Laufzeitgenerator (8) und ein Integrator (9) geschaltet sind, ein zweiter Ausgang (19) des Impulsformers (7) mit dem Eingang eines 3?requenzschalters (13) verbunden ist, dessen Ausgang an den ersten Eingang (22) eines ODER-Gatters (16) geführt ist, ein Tachogenerator (14) mechanisch mit der Motorwelle (26) und elektrisch mit einem Drehzahlschalter (15) gekoppelt ist, der ausgangsseitig an dem zweiten Eingang (23) des ODJSR-Gatters (16) angeschlossen ist, der Ausgang des ÖDER-Gatters (16) mit dem zweiten Eingang (25) eines UND-Gatters (17) verknüpft ist, dessen erster Eingang (24) an den Ausgang des !Comparators (10) gelegt ist, der Ausgang des UND-Gatters (17) mit dem Abschaltkreis (12) verbunden ist und die Schaltdrehzahl (n^) des Drehzahlschalters (15) zwischen der der Schaltfrequenz des Frequenzschalters (13) entsprechenden Drehzahl (n^) und der Schalt drehzahl (nO des Komparators (10) liegt.