台式离心机工作原理
台式离心机工作原理
离心机是将样品进行分离的仪器,广泛应用干生物医学、石油化工、农业、食品卫生等领域,它利用不同物质在离心力场中沉淀速度的差异,实现样品的分析分离。离心机自问世以来,历经低速、调整、超速的变迁,其进展主要体现在离心设备和离心技术两方面,二者相辅相成。从转速看,台式离心机基本属于低速、高速离心机的范畴,因此具有低速和高速离心机的技术特点,其结构主要由电机驱动系统、制冷系统、机械系统、转头和系统控制等几部分组成,与落地式离心机相比只不过是尺寸和容量小一点罢了。通用台式离心机的发展已经模糊了低速、高速、微量和大容量离心机的界线,众多的转头为科研人员提供相当广泛的应用范围,台式离心机成为科研实验室机型,如美国的Sorvall的 ST
本文将结合国内外流行的台式离心机.着重从功能结构,介绍台式离心机的关键技术及其进展,并希望通过国内外流行机型的技术总结和比较,提供有益的选型建议。
1.交流变频调速将逐步取代直流调速
转速调节系统是离心机的核心部分,由控制、功率驱动和电机三大要素组成,主要是控制电机的转速。在离心机的发展进程中直流调速功不可没,其主要特点是具有良好的起制动、调速范围宽、结构简单、成本低、理论和实践都比较成熟等,因此八十年代前在离心机中得到广泛的应用较成熟等,因此八十年代前在离心机中得到广泛的应用,至今仍在应用和不断的改进,如改进直流电机铜头和碳刷的耐磨性,以延长电机的寿命和碳刷的更换周期等。
可控硅相控直流调速是经典的直流调速方案,结构简单、技术成熟,基本满足离心机调速的需求,因此在国内外离心机中得到广泛的应用。其主要缺点是,整流波形差、电流脉动大、轻负载时易出现断流现象、为维持直流电机电流的连续,需加一笨重的平滑电感,增加了仪器的体积和重量。八十年代后,随着全控功率器件的发展,如功率晶体管和场效应管等,开关功率变换技术逐渐在离心机直流调速系统中得到应用,如德国 eppendorf 5410和 5402离心机,这种技术主要是通过高频直流斩波,调节脉冲占宽比,改变辅出电压,为直流电机供电。由于开关频率很高,一般小于50KHZ仅靠电机自身的电感滤波,即可获得平滑的直流电流,克服了可控硅相控直流调速的缺点,因此转速更平滑,调速范围更宽。
开关调速是zui简单的调速方案,甚至十几个分立器件或一个集成块即可组成一个系统,所以至今国内某些低价位的离心机仍采用这种方案,其主要缺点是需要手动调速,不能控制电机的电流,转速精度和技术附加值都比较低。鉴于开环调速的局限性,国内外大部分离心机普遍采用既有电流反馈又有转速反馈的双闭环调速方案,其主要优点是自动调速、升速快、转速超调小、精度高、限流功能避免电机过电流损坏。
虽然直流调速历史悠久、技术成熟、但直流电机机械整流子换向是其致命的弱点,限制了电机的转速,整流子带来干扰,需要更换碳刷等,使得早期的超速或高速离心机不得不采用如齿轮变速的间接提速方案或其它方法,增加了成本和体积,降低了寿命和可靠性。七十年代末,国外超速离心机中采用变频调速技术,主要通过改变感应电机的供电频率调节转速。由于感应电机无需机械整流子,不仅免去更换碳刷之烦,而且提高了电机转速,甚至十几万转的超速离心机,也能直接驱动,大大简化离心机的结构。变频调速的技术关键:一是全控功率器件的发展和应用,简化了调速的技术关键:一是全控功率器件的发展和应用,简化了逆变器的主电路;二是SPWM技术改进了逆变器的性能指标;三是控制技术的发展,如矢量控制技术等,使感应电机的控制性能达到或超过直流电机的水平;四是变频调速大规模集成电路和微处理器大大简化了变频电路,如西门子三相可编程脉宽调制集成电路SIH4520、In公司的SX196MC和 TI公司的 TMS
2.多功能、自动化和微机控制
随着离心机制造和应用技术的发展,离心机不仅在调速技术方面取得进展,而且在多功能和自动化方面也有长足进步,如可变速率起制动、程序变速、直接输入离心力、操作程序的存储和调用、仪器状态的自动诊断、要求尽可能全的显示离心机的参数和状态信息、更加完善的安全保护功能等,有些功能不仅是锦上添花,而且直接影响离心效果,如可变速率起制动和程序变速可以改善区带离心效果和缩短离心时间等。早期离心机控制系统由分立元件组成,电路复杂、成本高、许多功能难以实现。采用微机技术后,可由软件替代硬件的功能或完成硬件难以实现的功能,如离心机程序控制、电机控制等,不仅大大简化硬件的结构,而且多功能、自动化也成为现实。一般离心机微机控制系统的核心是单片微机,硬件系统包括:操作界面、电机控制界面、温度控制界面、安全防护监控界面、系统监控等。操作界面管理键盘和显示器,为便干用户操作和监视运行参数,操作界面应遵循简单扼要,逻辑性强,参数一目了然的原则。德国Heraeus的Biofugestratos离心机采用”EasyCon-trol’臊作界面,全面显示和分别处理运行参数,采用认可的图形语言和尽可能少的单一功能操作键;德国Hettich离心机仅用三个键即可处理操作参数;德国Hermle新款离心机继承传统离心机的操作特点,仍采用旋钮调节参数。电机控制界面的输入是电机的电流和转速信号,输出是电机转速的控制信号,转速传感一般有:同轴发电机测速、磁阻测速、霍尔器件测速、光电投射和折射式测速,由千光电和霍尔测速集成度高、成本低、可靠和应用简单,所以日前应用较多。离心机转头腔体温度控制系统的原理和结构与普通冰箱大致相同,但尚未普遍采用先进的、精度更高变频压机调温技术:也有应用半导体(vehier)器件制冷,但不普遍;有些离心机,如德国HettiCh的16和
3.注意安全、环保和标准
离心机使用不当,如转头超速、超载、不平衡等,都有可能损坏仪器,甚至炸头,威胁人身安全,所以厂商特别注意安全设计,上及各国也制定相应的安全标准,如德国的离心机意外事故防护规范(UVV, VBG 7Z),离心机和离心管的工业标准(DIN 58970,PARTI,2,3and4)。机械安全设计主要包括以下内容:①门锁防护系统,采用机械和电子双层门锁,要求门锁关闭后,离心机才能启动,电机停止动后,才可以开盖g②离心机腔体和盖采用坚固的装甲钢,以防转头飞逸心转头的不平衡检测至关重要,转头的不平衡会导致电机轴产生摆动,影响离心机寿命,严重时,会折断电机轴,甚至炸头。一般通过检测电机轴的摆动探知不平衡,常用的方法有:机械位置开关、磁敏电阻(MSR)、超声测距、加速度传感等。机械位置开关简单实用应用zui广,Heraeus的Biofuge Stratos离心机采用加速度传感器配以数据处理软件,研制出智能不平衡识别系统,可以针对每一种转头的特定重量,在离心的全过程进行监控,一改以往机械位置不平衡识别系统需恨据轴的摆动距离,而且只有在加速阶段才管用的缺点,使其在任何速度,甚至在高速运转时,也能探测到哪怕是试管破裂和样品外溢而导致的不平衡;④提高离心机自身的抗不平衡能力,不仅可以提高离心机的坚固性,同时由于转头操作时,不需严格的平衡,甚至目视平衡即可,因而方便了用户操作。一般小型离心机将整个电机放在抗震的弹性支架上,如橡胶垫等,高速离心机还往往采用揉性轴抗震。eppendorf
环保主要表现在两方面,一是制冷系统采用无氟制冷剂或半导体(Peltier)制冷,但目前采用半导体制冷的离心机尚不多见;二是降噪音,一般通常谈话声为60分p,公共气车行驶声为70至80分贝,医学研究表明,70分贝以上的噪音能干扰谈话,造成心烦意乱,影响工作,甚至引起事故,根据我国产品质量检验机构计量认证技术考核规范(fiG102一90),测试实验室的噪音不得大于70dBo通常离心机采月的降噪音措施有:外壳和转动头腔体加吸音涂层;采用坚固稳重的抗震底座吨机与机械框架用弹性减震器隔离;应用无整流子电机等。一般经减震处理后,离心机的噪音可以限制在60分贝以内。
作为电气设备,离心机还必须满足相应的电气安全和电磁兼容性(EMC)标准,如电工委员会(International Electrotechnical Commission, IEC)的“IEC医用电气设备安全通则”。欧盟的“EN61010-且和61010-2-
4.转头改进和种类增多
实验室常用的转头有:角度头、甩平头、垂直头,以及和近年发展的转头,如连续流头、淘洗头、区带头、酶标板头、毛细管头、石油测试头、滚筒头和生物安全头等,转头种类增多,改进了离心方法,拓宽了应用领域。除种类增多外,转头的材质和结构也有很大的进展。转头的材质主要是铝合金和钛合金。铝合金重量轻、强度高、造价低,但抗腐蚀和耐高温性差;钛合金除具有铝合金的优点外,还可以抗腐蚀和耐高温性,直接进行高压高温消毒,在高温下工作。为减轻电机的负荷及增加样品的容量,许多厂家改进了转头的材料和结构,推出超轻转头:Beckman和Hitachi推出碳纤维转头,重量只有铝合金头的三分之一; Sorval的系列超轻铝制头重量减少一半; IEC研制出抗腐耐温的聚丙烯头,既可以漂白清洗消毒,也可以直接高压高温消毒;Heraeus的highconic(45度高速角度头)头,采用空腔体结构,在小离心机中,负荷 6 X 50ml样品,高速运转; eppendorf采用薄铝合金板,用模具压成空心角度头;Hettich用薄钢板周边开槽挂吊蓝的方法,制成甩平头。其它方面,Heraeus改进了生物头的材质和结构,解决生物头高速密封差的缺点,高压高温消毒次数不限,并经过独立评价机构英国应用微生物研制中心的CAMR测试。
转头在高速运转时,内部会产生离心应力,当离心应力超过一定的限度后,将引起转头过早失效,甚至炸头,所以用户一定要注意转头的正确使用和妥善保管。转头使用后,应及时清洗,切勿碰撞擦伤,如不慎失落,应对转头进行X光检查,确认内部无创伤后,方可使用。使用中,应及时终止超寿命转头的使用,通常厂家都注明转头的时数和离心次数,不论哪一个指标先到,都说明转头寿命已到。关干转头寿命的延长应严格遵循厂家的说明,一般在下列情况下,要降低转头的zui高转速:①转头的寿命已到,但转头保存良好,按厂家说明降速延长使用;②转头局部损伤或轻微腐蚀;③使用不锈钢离心管和套管心样品平均密度超过
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