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Digitale ff Uberdrehzahl-Schutzschaltung, insbesondere für
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Zentrifugen Die Erfindung betrifft eine digitale Uberdrehzahl-Schutzechaltung
für Rotationskörper, insbesondere für Zentrifugen. Die Notwendigkeit eines Überdrehzahlßchutzes
besteht für alle Rotationskörper, die bis an die Grenze ihrer Zerreißfestigkeit
betrieben werden, wie z. B. Rotore von Zentrifugen, aber auch für rotierende Antriebselemente,
um Beschädigungen der von ihnen angetriebenen Elemente zu vermeiden.
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Eine Zentrifuge kann Rotoren mit unterschiedlichen Drehzahlwerten
und Größen aufnehmen, um eine Anpassung an die gewin.sch te spezielle Zentrifugenanwendung
zu ermöglichen. Jeder Rotor hat seinen eigenen maximalen Drehzahlwert (Grenzdrehzahl)
und muß gegen Uberdrehzahlen und sich daraus ergebenden Schäden geschützt werden.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wurden anfangs mechanische Abschalteinrichtungen
verwendet, wie beispielsweise in den US-PS 266 572 und 3 101 322 beschrieben. Derartige
Binrichtungen
weisen eine große Streuung der Abschaltdrehzanlen
auf, weil es praktisch unmöglich ist, die unter Spannung oder unter der Einwirkung
einer Scherkraft zerbrechenden Elemente für eine definierte Abschaltdrehzahl herzustellen.
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Zur Vermeidung dieser Nachteile wurden elektrisch/elektronische Schutzschaltungen
geschaffen. Diese enthalten eine drehzahlproportionale, rotorspezifische Impulse
erzeugende induktive oder fotoelektrische Abtaststufe in Rotornähe, eine Impulsformerstufe,
eine analoge Impulsbewerteschaltung und einen Abschaltkreis, z. B. DS-OS 2 415 934,
B 04 b - 9/10, DD-PS 200 111, II 02 H - 7/093. Sie können nicht über einen großen
Bereich von Abschaltdrehzahlen hinweg betrieben werden. Außerdem besitzen sie die
für analoge Schaltungen typischen Mängel der eingeschränkten Genauigkeit, der Störanfälligkeit
durch Fremdimpulse und der Drift der Funktionsparameter.
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Um diesen Nachteilen zu begegnen, wurde eine digitale Uberdrehzahl-Schutzschaltung
entwickelt (DE-OS 2 015 576, G 05 d-13/04). Diese setzt sich aus zwei Dekadenzählern,
einem binärcodierten Dezimal/Dezimal-Dekodierer, zwei Impulsformern, drei Flipflops,
drei NOR-Gattern, einem Differenzierglied, einem Bezugsfrequenzteiler, einem Räckstellimpulsgenerator,
einer Verriegelungs-, einer Entriegelungs-, einer Zeitver:zögerungs schaltung und
einem Abschaltkreis zusammen. Die den Zählern zugeführten Drehznhlimpulse werden
nicht aus der Rotordrehzahl, sondern aus der Motordrehzahl abgeleitet, und zadem
noch geteilt, so daß auf zehn Umdrehungen ein Impuls kommt. Die Schutzschaltung
zählt die zwischen den Rückstellimpulsen eintreffenden Eingangaimpulse und erzeugt
ein Signal für den Abschaltkreis, wenn die Impulszahl die am Dekodierer eingestellte
Abschaltdrehzahl zuzüglich einer am 1. Zähler eingestellten Uberdrehzahl länger
als 5 Sekunden überschreitet. Der Uberdrehzahlprosentsatz wird mit wachsender Abschaltdrehzahl
kleiner.
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Die Erkennung der Abschaltdrehzahl ist nicht rotorspezifisch ausgelegt.
Die Abschaltdrehzahl muß durch einen Bedienenden
vorgewählt werden.
Irrtümer des Bedienenden - z. B. zu hoch gewählte Abschaltdrehzahl - führen garantiert
zu einer Zerstörung der Zentrifuge und möglicherweise zu einer Verletzung von Personen.
Die Schutzschaltung ist durch einen relativ hohen Elementeaufwand und ßinytell-
sowie Abgleichaufwand gekennzeichnet. Mit dem hohen lementeaufwand ist eine gewisse
Ausfallhäufigkeit verbunden.
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Die Erfindung hat das Ziel, den Bauelementeaufwand sowie den Sinatell-
und Abgleichaufwand zu senken und die Ausfallhäufigkeit zu vermindern.
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Der erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine digitale über drehzahl-Schut
zschalt ung mit rotorspezifischer Abschaltdrehzahl, möglichst wenig Bauelementen
und ohne Sinstell- und Abgleichvorgänge zu entwickeln.
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Die Lösung dieser Aufgabe geht von folgenden Grundelementen aus: einer
Drehzahlabtaststufe, einem Impulaformer, einem Taktgeber, einer Impulsbewerteschaltung
und einem Abschaltkreis des Antriebsmotors. In Anlehnung an analoge Schutzschaltungen
wird die Abtaststufe nahe eines am Rotor befestigten Abtastelementes angeordnet.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen: Die Impulsbewerteschaltung ist aus
einem programmierten Teiler, einem retriggerbaren MonoSlop, zwei flankengetriggerten
D-Flipflops, einem Negator und zwei NAND-attern zusammengesetzt, Diese Elemente
sind wie folgt verknüpft: Der Ausgang des Impulsformers ist mit dem Takteingang
des Teilers und dem Eingang des Monoflops verbunden. Der Takt ausgang des Taktgebers
ist mit dem Setzeingang des Teilers, dem Reseteingang des ersten Flipflops und dem
Takteingang des zweiten Flipflops verknüpft. Der Ausgang des Monoflops steht mit
dem D-Singang des zweiten Flipflops in Verbindung. Der Teilerausgang ist an den
B-Gingang des ersten NAND-Gatters und über den Negator an den Takteingang des ersten
Flipflops geführt.
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Dessen Ausgang ist mit dem A-Singang des ersten NAND-Gatters verbunden.
Der Ausgang des zweiten Flipflops ist mit dem B-eingang des zweiten NAND-Gatters
verknüpft, dessen A-Singang an den Ausgang des ersten NAND-Gatters angeschlossen
ist.
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Der Ausgang des zweiten NAND-Gatters weist eine Verbindung zum Eingang
des Abschaltkreises auf. Ein zweiter Ausgang des Taktgebers ist mit dem Reseteingangdes
zweiten Flipflops verbunden.
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Ausfhhrungsbeispiel: In der zugehörigen Zeichnung zeigen: Fig. 1 das
Prinzipschaltbild der Überdrehzahl-Schutzschaltung Fig. 2 das Schaltbild einer konkreten
Ausführung der Impulsbewerteschaltung Fig. 3 das Impulsdiagramm der Impulsbewerteschaltung
nach Fig. 2 Fig. 1 veranschaulicht das Schaltungsprinzip in Verbindung mit einer
Zentrifuge. Von der Zentrifuge sind schematisch der Rotor 1, die Rotorwelle oder
-nadel 2 und der Antriebsmotor 3 einschließlich Getriebe dargestellt. Am Boden des
Rotors 1 ist als Abtastelement eine Sektoren abwechselnder magnetischer Eonsisteins
aufweisende Abtastscheibe 4 befestigt. In ihrer unmittelbaren Nähe ist die induktive
Abtaststufe 5 angeordnet. Ihr ist ein Impulsformer 6 nachgeschaltet, dessen Ausgang
17 den Informationseingang für die Impulsbewerteschaltung 7 bildet.
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Der Ausgang 19 dieser Schaltung ist an den Eingang des Abschaltkreises
8 gerührt, der ausgangsseitig mit einem Steuerkreis des Antriebsmotors 3 in Verbindung
steht.
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Kernstück der Schutzschaltung ist die Impulsbewerteschaltung 7 (Fig.
2). Sie ist aus integrierten Schaltkreisen aufgebaut, deren Typkennzeichen in der
Fig. 2 vermerkt sind.
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Der Ausgang 17 des Impulsformers 6 ist an den TakteingangIT1 des programmierbaren
teiler 9 und den Eingang B des retriggerbaren Monoflops 10 geführt. Der Taktausgang
20 des Taktgebers 16 ist mit dem Setzeingang Is1,2 des Teiler 9> dem Reseteingang
R des ersten Flipflops 11 und dem Takteingang 2 des zweiten Flipflops 12 verknüpft.
Der Ausgang a des retriggerbaren
Monoflops 10 ist mit dem D-Eingang
des zweiten Flipflops 12 verbunden. Der Teilerausgang OI steht mit dem 3-Eingang
des ersten NAND-Gatters 14 direkt und über den Negator 13 mit dem Takteingang T
des ersten Flipflops 11 in Verbindung. Der Ausgang Q des ersten Flipflops 11 ist
an den A-Eingang des ersten NAND-Gatters 14 geführt. Der Ausgang Q des zweiten Flipflops
12 ist mit dem B-Eingang des zweiten NAND;Gatters 15 verbunden, dessen A-i;ingang
an den Ausgang 18 des ersten NAND-Gatters 14 angeschlossen ist. Der Ausgang 19 des
zweiten NAND-Gatters 15 besitzt einen Anschluß an den Eingang des Abschaltkreises
8. Ein zweiter Ausgang 21 des Taktgebers 1Ç steht mit dem ReSkwingang R des zweiten
Flipflops 12 in Verbindung. Der Taktgeber 16 weist einen Start/Stopp-Singang 22
auf. Die weiteren in Fig. 2 dargestellten separaten Beschaltungen der Elemente 9;
10; 11 12 sind fachgemäß und nicht erfindungstypisoh.
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Die Funktionsweise der beschriebenen Schutzschaltung soll anhand der
Impulsdiagramme (Fig. 3) der Xingangs- und Ausgangssignale erläutert werden. Die
Signalamplituden sind wie üblich mit den Bezugszeichen der entsprechenden Ein- bzw
Ausgänge belegt. Unter diesen sind in Klammern die Bezugszeichen der zugehörigen
Bauelemente angegeben. Betrachtet werden drei funktionstypische Betriebszustände
a), b) und c), die in Fig. 3 nebeneinander dargestellt sind. Im Betriebszustand
a) bleibt die Rotordrehzahl unter ihrer Abschaltdrehzahl. Im Betriebszustand b)
überschreitet sie die Abschaltdrehzahl. Im Betriebazustand c) schließlich fallen
die Abtastimpulse 17 wegen Funktionsausfalls der Bauelemente 33 41 5 oder 6 oder
wegen Leitungsunterbrechung aus. Die Signalamplituden weisen entweder H- oder Pegel
auf.
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Die in der Abtaststufe 5 erzeugten und im Impulsformer 6 auf Rechteckform
gebrachten drehzahlproportionalen Abtastimpulse 17 werden zwecks Feststellung der
Zulässigkeit ihrer Anzahl während einer durch den Zeittakt 20 vorgegebenen Zeit
dem programmierbaren Teiler 9 zugeführt. Zur Feststellung eines Ausfalls der Abt
ast impulse 17 werden sie gleichzeitig auf den
Eingang B des Monoflops
10 gegeben. Der Zeittakt 20 mit der Periodendauer T und dem Tastverhältnis 1 : 1
weist eine 1-und eine E-Pegelphase auf. Er aktiviert und reaktiviert die Schaltung
in ständigem Wechsel, wobei die R-Pegelphase den Teiler 9 und die Flipflops 11;
12 in Aktion versetzt.
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Der Taktgeber 16 wird durch einen Startimpuls 22 in Betrieb gesetzt.
Er erzeugt am seinem zweiten Ausgang 21 ein Resetsignal R für den zweiten Flipflop
12, wodurch dessen Ausgang 4 auf jeden Fall H-Pegel erhält, welches am B-Eingang
des zweiten NÄND-Gatters 15 anliegt. In der I-Pegelphase des Zeittaktes 20 (1. Halbperiode)
liegt der Ausgang OI des Teilern 9 auf H-Pegel, am Ausgang Q des ersten Flipflops
11 ergibt sich Pegel.
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Beide Eingänge Ag B des ersten NAND-Gatters 14 weisen ungleiche Pegel
auf, so daß sein Ausgang 18 Pegel besitzt. Der B-'ingang des zweiten NAND-Gatters
15 führt infolge des vorangegangenen R-Signals am zweiten Flipflop 12 ebenfalls
H-Pegel, so daß sein Ausgang 19 Pegel annimmt und der Abschaltkreis 8 nicht wirkt.
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Mit Beginn der H-Pegelphase des Zeittaktes 20 (2. Halbperiode) erhält
der Setzeingang IS1,2 des Teiler 9 H-Pegel und bringt dessen Ausgang OI in L-Pegel,
jedoch nur, wenn am Takteingang 1T1 des Teilers 9 gleichzeitig ein Pegel der Abtastimpulse
17 vorliegt, oder bei H-Pegel erst dann, wenn die nächste H-L-Flanke dieser Impulsfolge
auftritt. Gleichzeitig bewirkt die H-Pegelphase des Zeittaktes 20 die Freigabe des
ersten Flipflops 11, wenn der Impuisformer 6 Impulse liefert, so daß der Pegelwechsel
H-L am Teilerausgang OI, durch den Negator 13 negiert, eine Umschaltung des ersten
Flipflops 11 auf den Zustand H-Pegel veranlaßt. Damit liegen vor dem Schalten des
ersten Flipflops 11 an beiden Eingängen A, B des -ersten NAND-Gatters 14 kurzzeitig
Pegel an, nach dem Schalter wieder ungleiche Pegel. Der Ausgang 18 bleibt dabei
auf H-Pegel. 9a am Ausgang Q des zweiten Flipflops 12 Pegel erhalten blieb, bleibt
auch der Pegel am Ausgang 19 des zweiten NAND-Gatters 15 bestehen.
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Die Abtastimpuisfolge 17 wird im Teiler 9 entsprechend dem programmierten
Untersetzungsfakor x untersetzt: ng.T.K x = 60 60 wo ag die Grenzdrehzahl des Rotors
in min 1, k die Anzahl der Segmente der Abtastscheibe 4 und T die Periodendauer
des Zeittaktes 20 in s ist.
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Ist die zweite Halbperiode des Zeittaktes 20 beendet, bevor eine Pegeländerung
am Ausgang OI des Teilers 9 auftrat, wird der Teiler 9 durch eine erneute 1-Pegelphase
des Zeittaktes 20 zurAckgesetzt und der erste Flipflop 11 wieder gesperrt. Dieser
Prozeß läuft nun kontinuierlich aller Halbperioden ab, wodurch eine passive und
aktive Phase der Impuisbewerteschaltung 7 existiert (Fig. 3a).
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Im Falle einer Überdrehzahl erscheinen am Takteingang 1T1 des Teilern
9 während der E-Pegelphase des Zeittaktes 20 mindestens soviel Abtastimpulse 17,
wie sie der Absohaltdrehzahl entsprechen. Es wird die gesamte programmierte Teilerkette
durchlaufen, der Ausgang OI des teilern 9 schaltet in den 11-Zustand, bevor dies
durch die H1-Flanke des Zeittaktes 20 geschehen kann. Da der Ausgang Q des ersten
Flipflops 11 ebenfalls Pegel aufweist, schaltet das erste NAND-Gatter 14 ausgangsseitig
auf Pegel.
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Nunmehr bestehen an den Eingängen A, B des zweiten NAND-Gatters 15
ungleiche Pegel, wodurch sein Ausgang 19 Pegel annimmt und den Abschaltkreis 8 aktiviert.
Über den Steuerkreis wird der Motor 3 abgeschaltet (Fig. 3b).
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Es ist ersichtlich, daß die maximale Ansprechzeit der Schaltung, bedingt
durch ihren Phasenwechsel, eine Ralbperiode des Zeittaktes 20 nicht überschreitet.
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Die gleichzeitig dem Monoflop 10 zugeführte Impulsfolge 17 erzeugt
an dessen Ausgang Q einen quasistatischen Zustand mit L-Pegel, solange diese Impulsfolge
anliegt. Dieser L-Segel am D-Eingang des zweiten Flipflops 12 bewirkt einen H-Pegel
an dessen Ausgang Q nach vorheriger Wegnahme des Resetsignals 21. Der 11-
Pegel
bleibt auch beim Auftreten der LH-Flanke des Zeittaktes 20 erhalten (Fig. 3a, b).
Beim Fehlen von Abtastimpulsen 17 am eingang B des retriggerbaren Monoflops 10 führt
dessen Ausgang 11-Pegel. Die nächste 111-Flanke des Zeittaktes 20 stellt den Ausgang
K des zweiten Flipflops 12 auf Pegel Damit liegen an den Eingängen A; B des zweiten
NAND-Gatters 15 ungleiche Eingangspegel, wodurch dessen Ausgang 19 auf H-Pegel umschaltet
und der Abschaltkreis 8 anspricht.
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Die Ansprechzeit vom letzten Abtastimpuls 17 bis zum H-Pegel am eingang
des Abschaltkreises kann nahezu eine Periode betragen, wenn der letzte Abtastimpuls
17 kurz vor einer 111-Taktflanke auftritt und der Monoflop 10 auf Grund seiner Verzögerungszeit
tv erst kurz nach dieser Taktflanke auf 11-Pegel umschaltet. Erst die nächste 111-Taktflanke
kippt den zweiten Flipflop 12.
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Durch die Wahl einer geeigneten Zeitbasis bzw durch die Wahl der Sektorenzahl
der Abtastscheibe 4 in Abhängigkeit möglicher programmierbarer Untersetzungsverhältnisse
x kann ein sehr breites Spektrum an Grensdrehzahlen mit hoher Genauigkeit erfaßt
werden. Der Überdrehzahlprozentsatz ist bei jeder Grenzdrehzahl gleich groß.
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In einem praktischen Beispiel wurde ein 6s-Zeittakt 20 und ein Untersetzungsfaktor
x = 1 : 2880 gewählt, so daß die kritische Frequenz der bewerteten Impulsfolge 17
480 IIz beträgt. Bei einer Anordnung von 4 Sektoren auf der Abt ast scheibe 4 tritt
eine Abschaltung des Antriebsmotors 3 beim Überschreiten einer Drehzahl von flg
= 7200 min-1, bei 7 Sektoren bei einer Drehzahl von ng = 4114,3 in 1 ein. Auf eine
maximale Normaldrehzahl von 7000 und 4000 min bezogen, erfolgt die Abschaltung bei
+ 2,78 Se.
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Aufstellung der verwendeten Bezugsseichen 1 Rotor 2 Rotorwelle bzw.
-nadel 3 Antriebsmotor 4 Abtastscheibe 5 Abtaststufe 6 Impulsformer 7 Impulsbewerteschaltung
8 Abschaltkreis 9 programmierbarer Teiler 10 retriggerbarer Monoflop 11 1. flankengetriggerter
Flipflop 12 2. flankengetriggerter Flipflop 13 Negator 14 1. NAND-Gatter 15 2, NAND-Gatter
16 Taktgeber 17 Ausgang von 6 18 Ausgang von 14 19 Ausgang von 15 20 Takt ausgang
von 16 21 2. Ausgang von 16 22 Start/Stopp-Eingaag von 16 23 Start/Stopp-ingang
von 8 A Eingänge von 14; 15 B Eingange von 14; 15 und 10 D D-hingaag von 12 IS1,2
Setzeingang von 9 IT1 Takteingang von 9 Ausgang von 9 Ausgänge von 10t 11; 12 Q
) R Reseteingänge von 11; 12 T Takteingänge von 11 12 tv Verzögerungszeit von 10
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