Способ управления лабораторным встряхивателем и устройство его осуществления Российский патент 2025 года по МПК B04B9/02 

Изобретение относится к оборудованию для подготовки лабораторных образцов и может быть использовано в химических, биологических, медицинских, пищевых и других лабораториях для встряхивания, перемешивания, и осаждения образцов в пробирках при проведении исследований.

Из уровня техники (US 8519651 В2, приоритет от: 11.10.2011, Н02Р 23/08) известна система управления асинхронным трехфазным двигателем Dephasing control, включающая в себя: умножитель напряжения, повышающий уровень напряжения выпрямленного линейного тока и выдающий напряжение постоянного тока (DC) и Способ управления торможением трехфазного двигателя, работающего на частоте F, который включает в себя: измерение и сравнение текущей частоты F с заданной низкой частотой Flow, если F<Flow, подача тормозного сигнала постоянного тока на двигатель.

Из уровня техники (DE 102014011493 В4, приоритет 05.08.2014, Н02Р 29/00, Н02Р 27/08, B23D 49/16) известно устройство привода двигателя Motorbetriebenes Gerat, содержащее датчик замеряющий физические величины работы электродвигателя, работающее параллельно с резистором и передающее эти значения в микропроцессор.

Из уровня техники (RU 212095, приоритет от: 06.12.2021, B01L 9/06, В04В 7/08) известно устройство лабораторная центрифуга. Устройство содержит корпус, двигатель, расположенный внутри корпуса, вал двигателя, выведенный за пределы корпусной части двигателя и адаптированный для многоярусного ротора, включающего съемные пластины с гнездами для пробирок, пластины выполнены с отверстием по центру для возможности их фиксации на валу двигателя и на адаптере, перпендикулярно валу двигателя и адаптеру одна над другой при помощи адаптера, устанавливаемого между упомянутыми пластинами, и заглушки, фиксирующей верхнюю пластину.

Из уровня техники (патент Латвии №12536, приоритет от: 05.06.2000, МПК: B01L 11/00, B01L 9/00; опубл. 20.01.2001), известно устройство лабораторная центрифуга-смеситель. Лабораторная центрифуга-смеситель, содержит смонтированный на валу двигателя модуль вращения ротора и эксцентриковое устройство в виде цилиндрического наконечника с эксцентриковой конической выемкой.

Из уровня техники (патент RU 2819973 С1, приоритет от: 18.08.2023, МПК: G01N 1/36, B01L 9/00; опубл. 28.05.2024) известен лабораторный встряхиватель. Лабораторный встряхиватель содержит двигатель и держатель для крепления пробирок с образцом, корпус, а также входной вал, соосные промежуточные валы, выходной вал и зубчатые колеса являющиеся частями редуктора.

Недостатками приведенных аналогов является отсутствие способа управления однофазным асинхронным электродвигателем в части определения продолжительности торможения на основании измеренного изменения силы тока при пуске электродвигателя и реализации торможения за счет подачи импульсов постоянного тока на обмотки электродвигателя и реализация этого способа на лабораторном встряхивателе.

Техническая проблема, решаемая заявленным лабораторным встряхивателем, заключается в том, что после отключения питания ротор встряхивателя по инерции продолжает вращаться до полной остановки, что составляет значительное время, которое входит во время лабораторных исследований.

В лабораториях операторы пытаются сократить время остановки ротора за счет торможения ротора рукой. Это приводит к травмам рук и взбалтыванию содержимого пробирок.

Технический результат заключается в:

- сокращении времени остановки ротора;

- плавной остановке ротора без перемешивания материала в пробирках;

- задании длительности вращения ротора;

- защите электродвигателя от перегрева.

Указанные технические результаты достигаются за счет способа управления лабораторным встряхивателем реализующим подачу сигнала от контроллера для включения/выключения подачи на электродвигатель переменного тока и подачу сигнала от контроллера для включения/выключения подачи на электродвигатель по крайней мере одного импульса постоянного тока, для остановки электродвигателя, при этом, продолжительность подачи по крайней мере одного импульса постоянного тока, для остановки электродвигателя, при этом, продолжительность подачи по крайней мере одного импульса постоянного тока пропорциональна силе тока, которая требуется для разгона электродвигателя.

Для осуществления описанного выше способа встряхиватель содержит корпус, опоры корпуса, электродвигатель, смонтированный на валу электродвигателя ротор и эксцентриковое устройство в виде цилиндрического наконечника с эксцентриковой конической выемкой, а также панель управления, плату с электронными компонентами на которой размещен по крайней мере один контроллер, по крайней мере один датчик тока, по крайней мере один диод, по крайней мере один конденсатор, по крайней мере один оптрон, по крайней мере один транзистор, по крайней мере одна оптопара, по крайней мере один симистор и по крайней мере один терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления.

Заявленный способ управления лабораторным встряхивателем и способ его осуществления поясняется на графических материалах, где:

на фиг. 1 - Общий вид лабораторного встряхивателя.

на фиг. 2 - Детализация лабораторного встряхивателя, где:

1 - Верхняя часть корпуса;

2 - Нижняя часть корпуса;

3 - Опора корпуса;

4 - Электродвигатель;

5 - Плата с электронными компонентами;

6 - Панель управления;

7 - Вал электродвигателя;

8 - Ротор с гнездами для установки пробирок с образцами;

9 - Эксцентриковое устройство для встряхивания и перемешивания;

на фиг. 3 - Вид сзади лабораторного встряхивателя, где:

10 - Разъем для сетевого провода;

11 - Тумблер сети.

на фиг. 4 - Панель управления лабораторным встряхивателем, где:

12 - Кнопка «импульсный» это управление работой встряхивателя (вращение ротора при удерживании кнопки);

13 - Кнопка выбора длительности работы: 3, 5 и 10 секунд или неограниченное время;

14 - Кнопка начала работы (кнопка прекращения работы),

на фиг. 5 - Схема управления электродвигателем, где:

15 - Схема включения электродвигателя;

16 - Схема торможения электродвигателя;

17 - Панель управления;

18 - Контроллер;

19 - Электродвигатель.

Указанный технический результат, сокращение времени остановки ротора, заключается в уменьшении времени остановки ротора относительно работы встряхивателя без использования описываемого способа управления, это достигается за счет прекращения подачи управляющего сигнала от контроллера на Схему включения электродвигателя, что ведет к прекращению подачи переменного тока на обмотки электродвигателя и подачу контроллером управляющего сигнала на Схему торможения электродвигателя, что приводит к подаче по крайней мере одного импульса постоянного тока на обмотки электродвигателя.

Указанный технический результат, плавная остановка ротора без перемешивания материала в пробирках, заключается в уменьшении скорости вращения электродвигателя вплоть до полной остановки с учетом величины загрузки ротора пробирками с образцами, что реализуется за счет прекращения подачи управляющего сигнала от контроллера на Схему включения электродвигателя, что ведет к прекращению подачи переменного тока на обмотки электродвигателя и подачу контроллером управляющего сигнала на Схему торможения электродвигателя, что приводит к подаче по крайней мере одного импульса постоянного тока на обмотки электродвигателя. При этом продолжительность и количество импульсов постоянного тока, зависит от величины и продолжительности силы тока, который потребовался для разгона ротора с исследуемыми материалами до максимальных оборотов.

Указанный технический результат, задание длительности вращения ротора, заключается в подаче управляющего сигнала от контроллера на Схему включения электродвигателя, что ведет к подаче переменного тока на обмотки электродвигателя, при этом, время подачи управляющего сигнала от контроллера задается оператором на панели управления.

Указанный технический результат, защита электродвигателя от перегрева, заключается в прекращении работы электродвигателя, посредством ограничения подачи переменного тока на электродвигатель. Данный технический результат достигается за счет программирования контроллера по времени, который прекращает подавать сигнал на Схему включения электродвигателя и переменный ток на обмотки электродвигателя перестает поступать. Или же, указанный технический результат, может достигаться за счет срабатывания терморезистора с положительным температурным коэффициентом сопротивления, который включен в Схему включения электродвигателя и ограничивает подачу переменного тока на обмотки электродвигателя при повышении температуры.

Схема управления электродвигателем представлена на фиг. 5. На плате с электронными компонентами 5 реализована Схема включения электродвигателя и Схема торможения электродвигателя. Управление схемами включения и торможения реализует программируемый контроллер. Сигналы на контроллер поступают с панели управления и со Схема включения электродвигателя.

Плата с электронными компонентами 5, для реализации схемы включения и торможения электродвигателя, содержит следующие электронные компоненты:

По крайней мере один варистор - для защиты платы с электронными компонентами от скачков в питающей сети.

По крайней мере один сглаживающий конденсатор - для фильтрации импульсных помех пришедших от питающей сети.

По крайней мере один терморезистор с положительным температурным коэффициентом сопротивления (терморезистор РТС) для защиты платы с электронными компонентами от перегрева при работе.

По крайней мере один терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (терморезистор NTC) для защиты платы с электронными компонентами, где организована схема торможения электродвигателя, от больших токов при включении режима торможения.

По крайней мере один диод и по крайней мере один конденсатор - работающие в паре, для создания постоянного тока используемого для торможения электродвигателя.

По крайней мере один стабилитрон для стабилизации постоянного напряжения, установлен в цепи после диода и работающий в паре по крайней мере с одним конденсатором.

По крайней мере один транзистор - для управления подачи постоянного тока на электродвигатель, работающий в паре с оптроном.

По крайней мере один оптрон - для защиты участка цепи постоянного тока в случае перегорания транзистора и работающий в паре с ним. Оптрон получает управляющий сигнал от контроллера.

По крайней мере один фильтр низких частот, а именно RC - цепь, для защиты платы с электронными компонентами от импульсных выбросов при переключении электродвигателя между режимами работы (при переключении подачи на электродвигатель с переменного на постоянный ток и обратно).

По крайней мере одна оптопара - для управления подачи переменного тока на электродвигатель, работает в паре с симистором и предназначенная для защиты участка цепи переменного тока в случае перегорания симистора и работающая в паре с ним. Оптопара получает управляющий сигнал от контроллера.

По крайней мере один симистор - для управления подачи переменного тока на электродвигатель, работает в паре с оптопарой.

По крайней мере один преобразователь переменного тока в постоянный (AC/DC преобразователь) питающий часть платы с электронными компонентами на которой размещены компоненты отвечающей за управление и работающие на постоянном токе.

По крайней мере один датчик тока для определения величины тока при работе на режиме разгона встряхивателя и режиме встряхивания. Датчик тока работает в паре с резистором и соединен с ним параллельно.

По крайней мере один контроллер для программирования работы электродвигателя. Контроллер управляет работой электродвигателя через оптопару и оптрон. Получает сигнал от датчика тока и от панели управления.

Панель управления содержит:

По крайней мере один емкостной датчик (кнопка на панели управления) расположенный на панели управления, с него идет сигнал на контроллер.

По крайней мере один светодиод расположенный на панели управления и показывающий выбранный режим работы он получает сигнал от контроллера.

Панель управления, плата с электронными компонентами, электродвигатель и источник питания соединяются между собой посредством шлейфа проводов, проводных клемм и зажимов.

Работа лабораторного встряхивателя состоит из следующих режимов:

Режим разгона ротора - набор скорости ротором с установленными на нем образцами. Начинается с нулевой скорости и продолжается до выхода на постоянные обороты. Характеризуется максимальными пусковыми токами и их уменьшением по мере увеличения оборотов ротора до максимальных.

Режим стряхивания-осаждения. На роторе размещены пробирки с образцами, частота вращения ротора постоянная на максимальных оборотах. Этот режим начинается после завершения режима разгона и продолжается до отключения переменного тока, питающего электродвигатель.

Режим торможения. Работа встряхивателя с плавным снижением частоты вращения электродвигателя (ротора) с максимальных оборотов до полной остановки. Интенсивность снижения оборотов ротора зависит от загруженности ротора пробирки с образцами и регулируется за счет продолжительности и частоты подачи импульсов постоянного тока на обмотки электродвигателя.

Режим встряхивания-перемешивания - работа встряхивателя с постоянной частотой вращения. На роторе отсутствуют пробирки с образцами. Оператор, держит пробирки с образцами в руке и поочередно, по одной, касается пробирками эксцентрикового устройства 9 для встряхивания пробирок и перемешивания содержимого.

Режимы работы лабораторного встряхивателя реализуются с помощью следующих схем работы:

Схема включения электродвигателя позволяет реализовать режимы работы встряхивателя: режим разгона встряхивателя, режим стряхивания-осаждения, режим встряхивания-перемешивания и режим торможения.

Схема включения электродвигателя реализуется за счет подачи переменного тока на однофазный асинхронный электродвигатель. Управление этим процессом происходит следующим образом. Оператор на панели управления воздействует на емкостной датчик, с него сигнал поступает на контроллер, с контроллера один сигнал поступает обратно на панель управления на светодиод, а второй сигнал поступает на оптопару с которой сигнал приходит на симистор. Симистор замыкает цепь питания и переменный ток поступает на обмотки электродвигателя. При этом, ток поступающий на обмотки электродвигателя проходит через датчик тока. С датчика тока сигнал поступает на контроллер.

На режиме разгона встряхивателя, размещенные на роторе пробирки с образцами имеют массу, и электродвигателю потребуется время на разгон ротора до максимальных оборотов. При этом на режиме разгона сила тока в цепи питания, по мере увеличения оборотов, будет снижаться с максимальных до минимальных значений (здесь, минимальное значение силы тока это значение силы тока при постоянных оборотах). Динамику изменения значения силы тока в цепи питания электродвигателя будет фиксировать датчик тока и отправлять эту информацию в контроллер. Эта информация будет учтена контроллером и будет использована для управления режимом торможения.

Режим стряхивания-осаждения наступает после режима разгона. Семистор продолжает замыкать цепь питания электродвигателя и ротор с пробирками продолжит вращение.

Режим стряхивания-перемешивания реализуется оператором включением встряхивателя, при отсутствии на роторе пробирок с образцами. При этом режиме, оператор использует только эксцентриковое устройство для встряхивания и перемешивания 9.

Схема торможения электродвигателя позволяет реализовать режим торможения.

Для торможения ротора применено динамическое торможение асинхронного электродвигателя за счет подачи на его обмотки постоянного тока (Расчет пусковых, тормозных и регулировочных устройств для электродвигателей [Текст]: [Учеб. пособие для энерг. и электротехн. вузов и фак.] / Г.П. Хализев, В.И. Серов. - Москва: Высш. школа, 1966. - 308 с.: ил.; 22 см). Режим торможения начинается или по сигналу от оператора или по алгоритму, записанному в контроллере:

1. Оператор на панели управления воздействует на емкостной датчик (кнопка на панели управления) с него сигнал поступает на контроллер. С контроллера перестает поступать сигнал на оптопару, далее симистор разрывает цепь переменного тока и прекращается подача переменного тока на электродвигатель. С контроллера поступает сигнал на оптрон, а с него на транзистор. Транзистор замыкает цепь постоянного тока и постоянный ток поступает на обмотки однофазного электродвигателя. Начинается торможение.

2. Без участия оператора, через заранее заданный промежуток времени, после включения электродвигателя сигнал с контроллера перестает поступать на оптопару, что приводит к разрыву цепи переменного тока с помощью симистора. Далее с контроллера поступает сигнал на оптрон, а с него на транзистор. Транзистор замыкает цепь постоянного тока, и постоянный ток поступает на обмотки однофазного электродвигателя. Начинается торможение.

Постоянный ток на режиме торможения, так долго поступает на электродвигатель, сколько сигнал от контроллера поступает на оптрон. Продолжительность и частота подачи сигнала от контроллера на оптрон определяется алгоритмом в контроллере. Продолжительность торможения электродвигателя пропорционально тому, какая величина тока была в Схеме включения электродвигателя при разгоне электродвигателя. Чем больше был ток на режиме разгона, тем дольше длиться режим торможения. При этом, контроллер может кратковременно прекращать подачу сигнала на оптрон. Сигнал не поступает на транзистор и цепь питания, по которой идет постоянный ток, разрывается. В это момент, постоянный ток на электродвигатель перестает поступать и электродвигатель принудительно не затормаживаться, но продолжает вращение по инерции. После небольшой временной паузы контроллер вновь подает сигнал на оптрон, далее транзистор замыкает цепь постоянного тока и принудительное торможение продолжается.

Контроллер никогда не подает одновременно управляющий сигнал на Схему включения электродвигателя и Схему торможения электродвигателя. Контроллер подает либо сигнал на Схему включения электродвигателя, либо на Схему торможения электродвигателя.

Схема управления электродвигателем приведенная на фиг. 5. Работает следующим образом.

В процессе работы лабораторного встряхивателя на электродвигатель 19 подается переменный ток, постоянный ток или вообще не подается ток. Переменный ток на электродвигатель 19 подается через «Схема включения электродвигателя» 15. Постоянный ток подается на электродвигатель 19 через «Схема торможения электродвигателя» 16. Управление схемами включения 15 и торможения 16 электродвигателя осуществляется за счет подачи сигнала с контроллера 18.

«Схема включения электродвигателя» 15 имеет обратную связь с контроллером 18 в виде подачи в контроллер 15 информации о величине силы тока на обмотках электродвигателя 19 на режиме разгона встряхивателя. Значение силы тока на режиме разгона встряхивателя коррелирует с продолжительностью и количеством импульсов постоянного тока, которые нужно подавать для торможения ротора. Чем больше ротор загружен пробирками с образцами при разгоне, тем больше будет пусковой ток и, следовательно, дольше надо будет подавать постоянный ток на электродвигатель 19 на режиме торможения.

Управление оператором электродвигателем 19 происходит через панель управления 17 и, далее через контроллер 18 с которого идет сигнал или на «Схема включения электродвигателя» 15 или «Схема торможения электродвигателя» 16.

Панель управления 17 также имеет обратную связью. При выборе режима оператором, когда контроллер 17 включает, ту или иную схему управления электродвигателем 19, то информация об этом поступает на панель управления 17 и на светодиоды.

Порядок работы

Лабораторный встряхиватель предназначен для стряхивания капель на дно пробирок, сепарации (осаждения, разделения на фракции) и перемешивания (встряхивания) различных растворов и суспензий содержащихся в пробирках.

После расфасовки жидкого материала по пробиркам, в виду малых габаритов пробирок, часть материала за счет поверхностного натяжения, в виде капель, удерживается на стенках пробирок и не опускается на дно пробирок. Для перемещения жидкого материала со стенок на дно пробирок, за счет центробежных сил, используется лабораторный встряхиватель.

Пред началом работы прибор включается в сеть через разъем 10 и включается тумблер 11. Далее пробирки с материалом устанавливаются в гнезда в роторе 8. На панели управления 6 выбирается режим работы за счет использования кнопок 12, 13 и 14. Ток на электродвигатель 4, для раскручивания ротора 8, подается от платы с электронными компонентами 5. Оператор на панели управления 6 кнопкой 13 выбирает длительность работы встряхивателя. После выбора длительности работы оператор нажимает кнопку 14, и встряхиватель начинает работать. Для остановки ротора 8, который жестко связан с электродвигателем 4, прекращается подача переменного тока, и начинает поступать по крайней мере один импульс постоянного тока за счет которого происходит принудительная остановка ротора 8. Скорость принудительной остановки ротора 8 определяется продолжительностью и частотой импульсов постоянного тока, которые поступают на электродвигатель 4 с платы 5.

При включении оператором лабораторного встряхивателя без ограничения времени возможен перегрев электродвигателя 4 в связи с длительной работой. Что 6 этого не случилось, через заранее заданный временной промежуток, записанный в контроллере, с платы 5 перестает поступать переменный ток на электродвигатель 4 и ротор 8 останавливается.

Также возможно отключение двигателя за счет работы терморезистора РТС. При работе встряхивателя на режиме стряхивания-осаждения, когда возможно повышение температуры обмоток электродвигателя и прилегающих деталей. Что 6 защитить от перегрева детали встряхивателя, терморезистор с положительным температурным коэффициентом сопротивления (терморезистор РТС) при увеличении температуры, повышает сопротивление и переменный ток приходящий на электродвигатель уменьшается, что приводит к остановке электродвигателя и снижению температуры электродвигателя.

Использование терморезистора с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (терморезистор NTC) установленного в Схеме торможения электродвигателя позволяет защитить плату с электронными компонентами 5 от больших токов при подаче постоянного тока на электродвигатель 4.

Использование диода в паре с конденсатором позволяет создать постоянный ток в Схеме торможения электродвигателя, который используется для торможения электродвигателя.

Использование стабилитрона в паре с конденсатором позволяет стабилизировать постоянное напряжение в Схеме торможения электродвигателя.

Использование оптрона в Схеме торможения электродвигателя позволяет создать гальваническую развязку между котроллером, подающим сигнал на подачу постоянного тока и участком цепи, подающей постоянный тока на электродвигатель.

Использование транзистора в Схеме торможения электродвигателя позволяет низковольтным управляющим сигналом пришедшим от контроллера и прошедший через оптрон управлять подачей постоянного тока на электродвигатель.

Использование фильтров низких частот, а именно RC - цепь позволяет защитить Схему торможения электродвигателя и Схему включения электродвигателя от импульсных выбросов при переключении электродвигателя между режимами работы (при переключении электродвигателя с переменного на постоянный ток и обратно).

Использование оптопары в Схеме включения электродвигателя позволяет создать гальваническую развязку между котроллером, подающим сигнал на подачу переменного тока и участком цепи, подающей переменный ток на электродвигатель.

Использование симистора в Схеме включения электродвигателя позволяет низковольтным управляющим сигналом пришедшим от контроллера и прошедший через оптопару управлять подачей переменного тока на электродвигатель.

Использование преобразователя переменного тока в постоянный (AC/DC преобразователь) позволяет запитать часть платы с электронными компонентами которая работает на постоянном токе и отвечает за управление.

Использование датчика тока в Схеме включения электродвигателя позволяет замерить динамику изменения силы тока на режиме разгона встряхивателя для определения продолжительности и количества импульсов постоянного тока, которые будут поданы на режиме торможения.

Использование контроллера позволяет управлять продолжительностью остановки ротора, достигать плавной остановки ротора без перемешивания и взбалтывания материала, содержащегося в пробирках, задавать длительность вращения ротора, и реализовывать защиту электродвигателя от перегрева.

Перемешивание различных смесей, на режиме встряхивания-перемешивания, происходит за счет взаимодействия пробирки, в которой находится смесь, и эксцентрикового устройства 9. Оператор держит пластиковую пробирку в руке и касается ее нижней частью конической выемки эксцентрикового устройства 9. За счет того, что поверхность пробирки касается поверхности эксцентрикового устройства 9 с частотой вращения электродвигателя, пробирка немного проворачивается, а это приводит к вращению жидкости в пробирке. Что приводит к образованию в пробирке вихревого движения жидкости и к перемешиванию содержимого в пробирке.

Изобретение относится к оборудованию для встряхивания, перемешивания и сепарации образцов в пробирках при проведении исследований. Способ управления лабораторным встряхивателем включает подачу сигнала от контроллера для включения/выключения подачи переменного тока на электродвигатель и подачу сигнала от контроллера для включения/выключения подачи на электродвигатель по крайней мере одного импульса постоянного тока, для остановки электродвигателя, при этом продолжительность подачи по крайней мере одного импульса постоянного тока пропорциональна силе тока, которая требуется для разгона электродвигателя. Технический результат - сокращение времени остановки ротора и плавной остановке ротора без перемешивания материала. 2 н.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ управления лабораторным встряхивателем, включающий подачу и отключение переменного тока питающего однофазный асинхронный электродвигатель, отличающийся тем, что реализуется подача сигнала от контроллера для включения/выключения подачи переменного тока на электродвигатель и подача сигнала от контроллера для включения/выключения подачи на электродвигатель по крайней мере одного импульса постоянного тока, для остановки электродвигателя, при этом продолжительность подачи по крайней мере одного импульса постоянного тока пропорциональна силе тока, которая требуется для разгона электродвигателя.

2. Лабораторный встряхиватель содержит корпус, опоры корпуса, электродвигатель, смонтированный на валу электродвигателя ротор и эксцентриковое устройство в виде цилиндрического наконечника с эксцентриковой конической выемкой, отличающийся тем, что содержит панель управления, плату с электронными компонентами, на которой размещен по крайней мере один контроллер, по крайней мере один датчик тока, по крайней мере один диод, по крайней мере один конденсатор, по крайней мере один оптрон, по крайней мере один транзистор, по крайней мере одна оптопара, по крайней мере один симистор и по крайней мере один терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления.