用于监测元件的转速的方法和设备与流程

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的用于监测元件的转速的方法以及一种根据权利要求7的前序部分所述的用于监测元件的转速的设备。

背景技术：

这种监测，尤其是电动机转速的监测，可以以多种方式使用，例如，用于确定和防止由超过某些最大转速引起的安全问题。例如，这种转速监测特别用于离心机中以防止碰撞。这对于与具有最大转速的离心机转子一起使用的实验用离心机尤其重要。

离心机转子用于离心机，特别是实验用离心机，以通过利用质量惯性分离在其中离心的样品的组分。在这样做时，越来越高的转速用于实现高的分离速率。实验用离心机是转子优选地以每分钟至少3000转，优选至少10000转，特别是至少15000转的速度运行并且通常放置在工作台上的离心机。为了将它们放置在工作台上，它们可能具有小于1mx1mx1m的形状因素；因此它们的安装空间有限。优选地，设备的深度限制为最大70cm。

这种离心机用于医学、药学、生物学和化学等领域。

待离心的样品存储在样品容器中，这些样品容器通过离心机转子旋转。因此，离心机转子通常借助于垂直驱动轴旋转，该驱动轴由电动电动机驱动。取决于预期应用，使用各种离心机转子。因此，样品容器可以直接包含样品，或者样品容器可以具有其自己的包含样品的样品容纳器，使得大量样品可以在一个样品容器中同时离心。通常固定角度转子和摆动转子形式的离心机转子是已知的。

在大多数情况下，样品在一定温度下离心。例如，含有蛋白质和类似有机物质的样品不得过热，因此这些样品的温度控制上限通常在+40℃的范围内。另一方面，某些样品通常在+4℃的范围内冷却(水的特殊情况开始于3.98℃)。

除了约+40℃的预定最高温度和+4℃的标准检测温度外，还提供其他标准检测温度，例如+11℃，以便在此温度下检查离心机的冷却单元是否在受控的基础上低于室温运行。另一方面，出于职业安全的原因，必须防止接触具有例如大于或等于+60℃的过高温度的元件。

原则上，主动和被动系统可用于温度控制。被动系统基于空气辅助通风。该空气直接通过离心机转子，由此进行温度控制。空气通过开口被吸入离心机器皿中，并且通过另外的开口，加热的空气在离心机器皿的另一个点处再次排出，其中空气通过离心机转子的旋转被自动吸入和排出。另一方面，被动冷却也可以通过经由一个或多个风扇引导空气通过离心机器皿的冷却翅片进行，其中离心机器皿形成为没有通风口。

另一方面，主动冷却系统具有调节离心机容器温度的制冷剂回路，其间接冷却离心机转子和容纳在其中的样品容器。许多不同的介质用作冷却介质或温度控制介质。

使用微控制器来监测转速是众所周知的。例如，us4700117a描述了使用磁体和霍尔传感器结合微控制器来监测离心机转子的转速。

这种解决方案的缺点在于微控制器需要必须经过认证的软件。如果更改此类软件，则需要新的认证。

因此，本发明的目的在于提出一种转速监测系统，该系统不需要重新认证，并且优选地也不需要认证。特别是，该监测系统应该是简单且具有成本效益的。

技术实现要素：

该目的通过如权利要求1所述的根据本发明的方法和如权利要求7所述的根据本发明的设备来实现。有利的附加形式在从属权利要求和以下描述中与附图一起示出。

发明人认识到，通过不确定转速本身，但是计算与转速相关的预定循环并将计数的循环与预定值进行比较以检测预定转速是否被超过，可以以惊人简单的方式实现这样的目的。这意味着不需要具有适当软件的微控制器；相反，可以选择纯硬件解决方案，使得在现有标准的框架内进行适当的功能测试后，不需要后续认证或重新认证。

根据本发明的用于监测元件的转速的方法，特别是在离心机中，优选地在实验用离心机中，其中检测到超过元件的预定转速的元件的转速，该方法的特征在于，

-生成具有特定频率的循环，

-循环在一个时间段内计数，该时间段由元件一次完整旋转的持续时间的分数或倍数定义，

-将在该时间段内计数的循环与预定的计数器值进行比较，以及

-通过计数的循环低于预定计数器值来检测出超过预定转速。

该循环不是必须计算一次完整的旋转；相反，它也可以计算几次旋转甚至是部分旋转。例如，围绕旋转轴间隔相同距离的若干磁体可用于检测一次旋转的分数，同时可以仅使用一个磁体来检测一次旋转。如果通过选择方式仅检测磁体的每第二次通过或每多次通过，则可以检测多次旋转。是否检测分数或倍数取决于可用的循环频率和预定的转速。

在本发明的范围内，“多个”不仅意味着两个(因子“2”)或多个，而且意味着简单因子；即因子“1”。

在本发明的范围内，“循环”是指任何脉冲，优选是电脉冲。

“元件”可以是任何旋转部分。该元件优选是电动机的驱动轴。严格地说，这涉及监测电动机的驱动轴的转速，在本发明的范围内，该术语缩写为“监测电动机的转速”。也可以监测由这种电动机驱动的任何元件的转速。

在一个有利的附加实施方式中，提供了预定的计数器值与在预定的转速和循环频率下旋转一周的持续时间产生的乘积成比例并且四舍五入为自然数，而优选地，预定的计数器值是与在预定的转速和循环频率下旋转一周的持续时间产生的乘积相同并且四舍五入为自然数。在这种情况下，可以特别容易地预定计数器值。

在一个有利的附加实施方式中，提供了元件的旋转是电磁地确定的，优选地通过与磁传感器，特别是霍尔传感器相互作用的至少一个磁体来确定。此时，可以特别容易地读出元件的旋转。

在一种有利的附加实施方式中，提供了预定的转速适用于所使用的元件和/或由该元件驱动的元件，优选为离心机转子。此时，监测可以容易地适应特定的现有需求。

在一个有利的附加实施方式中，提供了在元件和/或从动元件上在编码的基础上确定和读出预定的转速，而优选地提供了：i)编码由一个或多个磁体实现以及读出由霍尔传感器实现，或者ii)编码由rfid应答器实现以及读出由rfid接收器实现。这允许特别容易且自动地确定特定的现有需求。

在一个有利的附加实施方式中，提供了在低于预定的计数器值之后，减小元件的转速并且优选地将元件减速至静止。但是，不需要主动减速；也可以简单地让元件运转停止，即不提供驱动能量(被动减速)，这例如推荐用于离心机转子。因此，实现了转速的限制，并且优选地，实现了对操作临界的条件的特定保护。虽然也可以将转速降低到非临界范围，但这将涉及转速控制，这需要在这方面具有认证的相应的软件，如果转速降低到静止，则可以精确地避免转速控制。

在一个有利的附加实施方式中，提供了元件的预定转速被限定为最大转速加上公差，其中公差优选地为至多10％，优选地为至多5％，特别地为至多3％。这考虑了在元件加速时可能发生的元件侧的转速控制的过冲。

根据本发明的装置要求独立保护，该装置用于监测元件的转速，特别是在离心机，优选实验用离心机中，其中检测到元件的转速超过元件的预定转速，其特征在于

-具有一定频率的循环发生器，

-用于确定元件的一次完整旋转的分数或倍数的装置，

-用于在元件的完整旋转的分数或倍数的持续时间内计数循环的装置，以及

-用于将计数循环与预定计数值进行比较的装置，其中通过计数的循环低于预定计数值来检测超过预定转速。

在一个有利的附加实施方式中，提供了循环发生器是石英稳定的循环发生器。因此，可以在硬件方面非常精确地确定循环的频率。

在一个有利的附加实施方式中，提供了用于控制元件的装置，如果检测到超过预定的转速，则该装置适于降低元件的转速。此时，监测可以直接干预元件控制。

在一个有利的附加实施方式中，提供了用于确定元件的一个完整旋转的分数或倍数的装置，其适于仅对上升信号沿或下降信号沿作出反应，而优选存在d触发器。这补偿了关于确定旋转的公差。例如，如果使用磁体和霍尔传感器来确定旋转，则关于磁场强度，关于磁体和霍尔传感器之间的距离以及霍尔传感器存在公差。

在一个有利的附加实施方式中，提供了用于在元件的一个完整旋转的分数或倍数的持续时间内计数循环的装置适于在元件的完整旋转的分数或倍数的持续时间内计数，而不在元件的完整旋转的下一个分数或倍数的持续时间内计数。这样可以在循环计数后留出足够的时间进行评估。

在一个有利的附加实施方式中，提供了用于在元件的一个完整旋转的分数或倍数的持续时间内计数循环的装置包括二进制计数器，该二进制计数器优选地至少设计为4位二进制计数器，特别是至少为8位二进制计数器。当然，根据应用，也可以使用更高的分辨率。这使得该设备在设计上特别简单。

在一个有利的附加实施方式中，提供了用于将计数的循环与预定计数器值进行比较的装置包括比较器，该比较器优选地至少设计为4位二进制比较器，特别是至少为8位二进制比较器。这使得该设备在设计上特别简单。

在一个有利的附加实施方式中，提供了用于在元件的一个完整旋转的分数或倍数的持续时间内计数循环的装置包括溢出存储器。这防止了在非常低的转速下，循环计数器的溢出将导致在循环计数器读出时循环数太低，这将指示非常高的转速，但实际上不存在。在计数器溢出的情况下，溢出存储器因此可靠地确定转速不是太高，其作为结果是足够的。但是，通过添加循环计数器和溢出存储器，也可以确定计数的循环的实际数。

在一个有利的附加实施方式中，提供了用于复位的装置，其优选地复位用于对循环进行计数的装置、用于比较计数的循环和/或溢出存储器的装置。这允许连续监测。

在一个有利的附加实施方式中，提供了一种结果存储器，用于超过预定转速的元件转速的状态，这导致存储器优选地适于存储超过元件转速的状态，直到元件达到静止或达到非临界的外周速度，优选小于3米/秒，最优选小于2米/秒，而结果存储器特别适于通过离心机盖子的开口被擦除。因此，可以避免临界的安全条件。

根据本发明的离心机要求独立保护，其具有根据本发明的转速监测系统，而离心机优选是实验用离心机。

附图说明

基于结合附图的优选实施例的描述来说明本发明的特征和其他优点。以下是纯粹的示意图：

图1是根据本发明的实验用离心机，

图2是根据本发明的设备的框图，

图3是根据本发明的循环计数的图，以及

图4是旋转探测器的形成和转速释放。

具体实施方式

图1至4纯粹示意性地示出了根据本发明的实验用离心机10和用于其上的用于转速监测的根据本发明的装置100。

如图1和图4所示，离心机10形成为具有壳体12的实验用离心机，壳体12具有盖子14和操作前部15。在离心机10的离心机容器16中，离心机转子20布置在离心机电动机18的驱动轴17上，该离心机转子形成为具有离心机烧杯22的摆动转子。

这里的“元件”是离心机电动机18，或更确切地说是离心机电动机18的驱动轴17。“元件控制”是相应的电动机控制(未示出)，以及由该元件“驱动”的元件是离心机转子20。

分配有固定霍尔传感器26的永磁体24布置在驱动轴17上。

此外，在离心机转子20上布置有永磁体28，永磁体28又被分配有固定的霍尔传感器30。或者，永磁体28可以由rfid应答器代替，并且霍尔传感器30可以由rfid接收器(未在每种情况下示出)代替。也可以使用其他合适的编码装置，例如条形码扫描仪等。

用于监测离心机电动机18的转速或离心机电动机18的驱动轴17的设备100更具体地在图2到图4中示出。

可以看出，设备100具有旋转检测器102、循环发生器104、二进制计数器106、比较器108、参考值发送器110、序列控制器112、溢出存储器114、评估器116和结果存储器118。

旋转检测器102包括d触发器(未示出)。它从霍尔传感器26接收其输入信号120，霍尔传感器26被分配给布置在驱动轴17上的永磁体24。

循环发生器是石英稳定的以及具有频率为32.768khz的基本循环。该频率减半，循环发生器104通过其输出频率为16.384khz的电脉冲122。

二进制计数器106、比较器108和参考值发送器110均为数字范围为255的8位元件。

旋转检测器102同时将其输出信号124发送到二进制计数器106、序列控制器112和评估器116。二进制计数器106将输出信号126发送到比较器108，以及如果需要，将输出信号126’发送到溢出存储器114。比较器108从参考值发送器110接收参考值128。比较器108将其输出信号130发送到评估器116。此外，评估器116从溢出存储器114接收输出信号132以及从序列控制器112接收输出信号134。序列控制器112还将控制信号134'发送到二进制计数器106和溢出存储器114。评估器116将其输出信号136(结果)馈送到结果存储器118，其另外从离心机盖14的状态检测器(未示出)接收控制信号140。结果存储器118又将控制信号142发送到离心机电动机18的电动机控制(未示出)。

设备100现在如下工作。

霍尔传感器26检测围绕驱动轴17的永磁体24的相应旋转，并输出由转速检测器102处理的相应信号120。(图2示出了四个转数a、b、c、d用于说明。)其中，存在于转速检测器102中的d触发器仅对上升沿150作出反应，并且同时在每个新的上升沿150之后发生信号改变，使得输出相对于上升沿150具有一半的频率的上升沿的方波信号152。

这些措施具有以下优点：

磁场强度、永磁体24和霍尔传感器26之间的距离以及霍尔传感器26本身受到公差的影响，这可导致转速的不同占空比。但是，由于必须非常精确地设定一次旋转的时间，因此这种波动会导致很大的偏差。通过用仅对上升沿150作出反应的d触发器将循环频率120减半，所有上述公差都不适用，因为测量不再取决于转速的占空比。由此获得占空比精确为50％的半循环频率152，由此可以非常精确地监测转速。

该减半的循环频率152与循环发生器104的循环122一起被馈送到二进制计数器106，作为输出信号124。由于减半的循环频率152，输出信号124承载152低电平154，二进制计数器106现在对来自循环122的循环156的进入循环157进行计数。

由于二进制计数器106的数量范围限于255个循环157的计数，所以提供溢出存储器114；这可以确保溢出的数字也可以计入更大的传入循环数。一旦减半的循环频率152承载高电平158，二进制计数器106就停止计数。

二进制计数器106的结果126被传送到比较器108。

比较器108从参考值发送器110接收参考值128。参考值发送器110又保持可用的各种参考值128，例如“158”和“64”。使用控制信号160选择相应的参考值128，在该实施例中，参考值发送器110使用被分配给永磁体28的霍尔传感器30(在此使用单独的电路，其不需要详细描述)来接收该相应的参考值。如果永磁体28不存在于离心机转子20上，则参考值发送器110接收低电平，从而将“158”的参考值128输出到比较器108。如果永磁体28存在于离心机转子20上，则参考值发送器110接收高电平，从而将“64”的参考值128输出到比较器108。由此，设备100接收离心机转子20的增加的转速的释放。

代替通过一个或没有磁体28对释放进行编码，也可以使用一个或三个磁体28或任何其他磁体组合。其他编码，例如rfid应答器或条形码等也是可能的。

评估器116对旋转检测器102的输出信号124的高电平158和序列控制器112的控制信号134中的高电平作出反应，然后如果两个信号124、134中的每一个具有高电平则开始评估。在此过程中，实现了在电磁兼容性(emc)框架内的保护措施。在评估过程期间，评估器116检索比较器108的信号130和溢出存储器114的信号132，并评估比较器108是否指示二进制计数器106的计数器值126大于或等于参考值128，以及是否发生溢出。

如果计数器值126大于或等于参考值128，则评估器116确定转速不是太高。即使计数器值126小于参考值128，但是发生溢出132，转速也不是太高，因为溢出存储器114然后表示计数器值255，其在任何情况下都比两个参考值128中的一个更大。

但是，如果计数器值126小于参考值128并且没有发生溢出132，则转速过高。

根据结果，评估器116现在将控制信号136发送到结果存储器118，使得如果转速不是太高，结果存储器118在控制信号142中输出低电平。如果转速太高，则结果存储器118在控制信号142中输出高电平。因此，结果存储器118以这样的方式设计，即它可以从低电平重写到高电平，但并不是反之亦然。仅通过离心机盖14的状态检测器的相应控制信号140删除高电平；也就是说，如果这种状态检测器检测到打开的盖子14。其中，只有在离心机电动机18已经停止时才能打开盖子。但是，也可以规定，当离心机转子的外周速度降至2m/s以下时，会发生重写；然而，优选与盖开口联接。

结果存储器118的输出信号142直接且优先地输入到电动机控制中，使得它能够以输出信号142的低电平自由地调节，并且电动机转速减小到静止在输出信号142的高电平处自动发生。

序列控制器112对旋转检测器102的输出信号124的高电平158做出反应，并将时间延迟的控制信号134'发送到二进制计数器106和溢出存储器114，而以这样的方式确定时移，即溢出存储器114和比较器108的读出连同评估器116中的评估过程以及结果136及其到结果存储器118的传输完成。在该时间延迟过去之后，二进制计数器106和溢出存储器114由序列控制器112复位，序列控制器112因此在此连接中用作复位设备，通过该复位设备，当下一个低电平154到达控制信号124时可以进行下一次计数以及在下一个高电平158到达时，可以进行后续评估。

因此，必须设置具有溢出功能的监测，结合二进制计数器106和比较器108的数字范围的参考值128，使得参考值128包含在这样的数字范围内。

在这样做时，参考值128结合循环频率122以这样的方式选择，即它们对应于期望的极限速度。

例如，“158”的参考值128对应于每分钟6,223转的极限速度，而这个值是用非四舍五入的数值计算的，同时考虑了循环信号122中的公差。简单地说，循环频率16.384khz的持续时间大约为0.061ms，这意味着158个循环持续大约9.638ms。因此，在此时间内，执行电动机18的驱动轴17的一次完整旋转，由此在9.638ms内发生一次旋转，这相当于每分钟约6,223转。

这种每分钟6,223转的极限速度比每分钟6,000转的所需最大转速高约3.7％，因为在电动机18加速时总是预期有轻微的过冲。

“64”的参考值128又对应于每分钟15,361转的极限速度。这种15,361转/分钟的极限速度也比所需的最大转速15060转/分钟高约2％，因为在电动机18加速时总是预期有轻微的过冲。

这表明，在电动机18的一次旋转期间，进行计数，并且在电动机18的紧接着的旋转期间，进行评估，使得这两个处理步骤不会相互干扰。

从上面的介绍中可以清楚地看出，本发明提供了一种带有转速监测系统100的离心机10，利用该转速监测系统100不再需要在转速监测范围内的认证或重新认证。这是通过不确定转速本身来实现的；相反，相对于转速计数预定的循环，并且通过将计数的循环与预定值进行比较来确定超过预定的转速。这意味着不需要带有相应软件的微控制器；相反，可以选择纯硬件解决方案，这样就不需要认证或重新认证。

除非另有说明，否则本发明的所有特征可以彼此自由组合。除非另有说明，否则在附图的描述中描述的特征也可以与其他特征自由组合作为本发明的特征。因此，设备和离心机的当前特征也可以在该过程的框架内使用，重新配制为过程特征，并且过程特征也可以在设备和离心机的框架内使用，重新配制为设备或者离心机的特征，视情况而定。

参考标记清单

10根据本发明的离心机，实验用离心机

12壳体

14盖

15操作前部

16离心机容器

17驱动轴，元件

18离心机电动机，元件

20离心机电动机，摆动转子，从动元件

22离心烧杯

24永磁体

26霍尔传感器

28永磁体

30霍尔传感器

100根据本发明的设备，用于监测离心机电动机18或离心机电动机20的驱动轴17的转速，视情况而定

102旋转探测器，用于确定元件一次完整旋转的分数或倍数的装置

104循环发生器

106二进制计数器，用于计数循环的装置

108比较器，用于将计数的循环与预定计数器值进行比较的装置

110参考值发送器

112序列控制器，复位设备，用于复位的装置

114溢出存储器

116评估器

118结果存储器

120霍尔传感器26的输出信号，循环频率

122如果循环发生器的频率为16.384khz，则为电脉冲

124转数检测器102的输出信号

126二进制计数器106到比较器108的输出信号

126'二进制计数器106到溢出存储器114的输出信号

128参考值发送器110对比较器108的参考值

130比较器108到评估器116的输出信号

132溢出存储器114到评估器116的输出信号

134序列控制器112到评估器116的输出信号

134'序列控制器112到二进制计数器106和溢出存储器114的时移输出信号

136评估器116到结果存储器118的结果、输出信号

140状态检测器到结果存储器118的控制信号

142结果存储器118到离心机电动机18的电动机控制的控制信号

150霍尔传感器26的输出信号120的上升沿

152平方波信号，减半的循环频率

154减半的循环频率152的低电平

156电脉冲122的循环

157在平方波信号152的低电平154期间计数的循环

158减半循环频率152的高电平

160(从转子特性导出)到参考值发送器110的控制信号