離心機關鍵技術及發(fā)展情況綜述

　　離心機是將樣品進行分離的儀器，廣泛應用于生物醫(yī)學,、石油化工,、農業(yè)、食品衛(wèi)生等領域,，

    它利用不同物質在離心力場中沉淀速度的差異,，實現(xiàn)樣品的分析分離。

    離心機自問世以來,，歷經低速,、調整、超速的變遷,，其進展主要體現(xiàn)在離心設備和離心技術兩方面,，二者相輔相成。從轉速看,，臺式離心機基本屬于低速,、高速離心機的范疇，因此具有低速和高速離心機的技術特點,，其結構主要由電機驅動系統(tǒng),、制冷系統(tǒng),、機械系統(tǒng)、轉頭和系統(tǒng)控制等幾部分組成,，與落地式離心機相比只不過是尺寸和容量小一點罷了,。通用臺式離心機的發(fā)展已經模糊了低速、高速,、微量和大容量離心機的界線,，眾多的轉頭為科研人員提供相當廣泛的應用范圍，成為科研實驗室首選機型,。
　　本文將結合國內外流行的臺式離心機．著重從功能結構,，介紹臺式離心機的關鍵技術及其進展，并希望通過國內外流行機型的技術總結和比較,，提供有益的選型建議,。
　　1、交流變頻調速將逐步取代直流調速
　　轉速調節(jié)系統(tǒng)是離心機的核心部分,，由控制,、功率驅動和電機三大要素組成，主要是控制電機的轉速,。在離心機的發(fā)展進程中直流調速功不可沒，其主要特點是具有良好的起制動,、調速范圍寬,、結構簡單、成本低,、理論和實踐都比較成熟等,，因此八十年代前在離心機中得到廣泛的應用較成熟等，因此八十年代前在離心機中得到廣泛的應用,，至今仍在應用和不斷的改進,，如改進直流電機銅頭和碳刷的耐磨性，以延長電機的壽命和碳刷的更換周期等,。
　　可控硅相控直流調速是經典的直流調速方案,，結構簡單、技術成熟,，基本滿足離心機調速的需求,，因此在國內外離心機中得到廣泛的應用。其主要缺點是,，整流波形差,、電流脈動大、輕負載時易出現(xiàn)斷流現(xiàn)象,、為維持直流電機電流的連續(xù),，需加一笨重的平滑電感,，增加了儀器的體積和重量。八十年代后,，隨著全控功率器件的發(fā)展,，如功率晶體管和場效應管等，開關功率變換技術逐漸在離心機直流調速系統(tǒng)中得到應用,，如德國eppendorf5410和5402離心機,，這種技術主要是通過高頻直流斬波，調節(jié)脈沖占寬比,，改變輔出電壓,，為直流電機供電。由于開關頻率很高,，一般小于50KHZ僅靠電機自身的電感濾波,，即可獲得平滑的直流電流，克服了可控硅相控直流調速的缺點,，因此轉速更平滑,，調速范圍更寬。
　　開環(huán)調速是最簡單的調速方案,，甚至十幾個分立器件或一個集成塊即可組成一個系統(tǒng),，所以至今國內某些低價位的離心機仍采用這種方案，其主要缺點是需要手動調速,，不能控制電機的電流,，轉速精度和技術附加值都比較低。鑒于開環(huán)調速的局限性,，國內外大部分離心機普遍采用既有電流反饋又有轉速反饋的雙閉環(huán)調速方案,，其主要優(yōu)點是自動調速、升速快,、轉速超調小,、精度高、限流功能避免電機過電流損壞,。
　　雖然直流調速歷史悠久,、技術成熟、但直流電機機械整流子換向是其致命的弱點,，限制了電機的轉速,，整流子帶來干擾，需要更換碳刷等,，使得早期的超速或高速離心機不得不采用如齒輪變速的間接提速方案或其它方法,，增加了成本和體積，降低了壽命和可靠性。七十年代末,，國外超速離心機中率先采用變頻調速技術,，主要通過改變感應電機的供電頻率調節(jié)轉速。由于感應電機無需機械整流子,，不僅免去更換碳刷之煩,，而且提高了電機轉速，甚至十幾萬轉的超速離心機,，也能直接驅動,，大大簡化離心機的結構。變頻調速的技術關鍵：一是全控功率器件的發(fā)展和應用,，簡化了調速的技術關鍵：一是全控功率器件的發(fā)展和應用,，簡化了逆變器的主電路；二是SPWM技術改進了逆變器的性能指標,；三是控制技術的發(fā)展,，如矢量控制技術等，使感應電機的控制性能達到或超過直流電機的水平,；四是變頻調速專用大規(guī)模集成電路和微處理器大大簡化了變頻電路,，如西門子三相可編程脈寬調制集成電路SIH4520、Intel公司的SX196MC和TI公司的TMS320C240電機控制單片機等,，目前變頻調速完全可以和直流調速相媲美,。九十年代后，國外主要離心機廠商的全線產品幾乎都采用變頻調速的技術,，不論超速,、高速，還是低速離心機,，如德國Heraeus、Hettich等,，我國也將變頻調速離心機列為攻關計劃,，部分廠家已經推出變頻調速離心機，如上海安亭科學儀器廠,，中科院生物物理所等,。根據(jù)交流電機不同，變頻調速也有所區(qū)別,，目前變頻調速離心機中所用電機主要有三種：異步感應電機,、無刷直流電機和可變磁阻電機。1988年SORVALL應用無刷直流電機首次推出RC－285亞超速離心機,，Beckman應用可變磁阻電機生產出轉速高達三萬轉的Avanti系列離心機,，其起制動加減速率比同類離心機快一倍，但目前應用最普及和最成熟還是異步感應電機。
　　
　　2,、多功能,、自動化和微機控制
　　隨著離心機制造和應用技術的發(fā)展，離心機不僅在調速技術方面取得進展,，而且在多功能和自動化方面也有長足進步,，如可變速率起制動、程序變速,、直接輸入離心力,、操作程序的存儲和調用、儀器狀態(tài)的自動診斷,、要求盡可能全的顯示離心機的參數(shù)和狀態(tài)信息,、更加完善的安全保護功能等，有些功能不僅是錦上添花,，而且直接影響離心效果,，如可變速率起制動和程序變速可以改善區(qū)帶離心效果和縮短離心時間等。早期離心機控制系統(tǒng)由分立元件組成,，電路復雜,、成本高、許多功能難以實現(xiàn),。
　　采用微機技術后,，可由軟件替代硬件的功能或完成硬件難以實現(xiàn)的功能，如離心機程序控制,、電機控制等,，不僅大大簡化硬件的結構，而且多功能,、自動化也成為現(xiàn)實,。一般離心機微機控制系統(tǒng)的核心是單片微機，硬件系統(tǒng)包括：操作界面,、電機控制界面,、溫度控制界面、安全防護監(jiān)控界面,、系統(tǒng)監(jiān)控等,。操作界面管理鍵盤和顯示器,，為便干用戶操作和監(jiān)視運行參數(shù)，操作界面應遵循簡單扼要,，邏輯性強,，參數(shù)一目了然的原則。德國Heraeus的Biofugestratos離心機采用”EasyCon－trol’臊作界面,，全面顯示和分別處理運行參數(shù)，采用國際認可的圖形語言和盡可能少的單一功能操作鍵,；德國Hettich離心機僅用三個鍵即可處理操作參數(shù)；德國Hermle新款離心機繼承傳統(tǒng)離心機的操作特點,，仍采用旋鈕調節(jié)參數(shù)。電機控制界面的輸入是電機的電流和轉速信號,，輸出是電機轉速的控制信號，轉速傳感一般有：同軸發(fā)電機測速,、磁阻測速、霍爾器件測速,、光電投射和折射式測速，由千光電和霍爾測速集成度高,、成本低、可靠和應用簡單,，所以日前應用較多,。離心機轉頭腔體溫度控制系統(tǒng)的原理和結構與普通冰箱大致相同,，但尚未普遍采用先進的、精度更高變頻壓機調溫技術：也有應用半導體(vehier)器件制冷,，但不普遍；有些離心機,，如德國HettiCh的16和30F，為減少電機熱傳導和轉頭風阻產熱對樣品的影響,，采用風冷降溫技術,，風冷離心機的風道設計是關鍵,，一般風從頂部吸入，由底部排出，流動的氣體將轉頭和電機的熱量帶走,，科學的風道既可以降溫，也可以減少噪音,；

    有些離心機控制和顯示轉頭內樣品的溫度(SampleTemperature)，

    而有些是控制和顯示轉頭腔體的溫度,，

    前者需做大量的實驗，技術含量高,，更受用戶的歡迎。

    安全防護監(jiān)控界面主要包括：超速,、超溫,、轉頭不平衡、轉頭識別和門鎖監(jiān)控等,。系統(tǒng)監(jiān)控要監(jiān)制系統(tǒng)自身的狀態(tài)，及時保護和給出故障信息,，方便維修。單片微機最好選擇集程度高,、專用及總線在內部的單片機，集程度高可以減少造價和提高可靠性,，專用可以簡化設計和提高集成度，內部總線通過Ｉ／Ｏ口與外部隔離,，減輕電磁噪音對總線的干擾,，eppendorf5415C控制系統(tǒng)的核心僅由一個帶ADC的單片機(38ADP70)和一個外圍集成塊(ULN2802A組成,，電路十分簡單3,、注意安全,、環(huán)保和國際標準
　　離心機使用不當,，如轉頭超速,、超載、不平衡等,，都有可能損壞儀器,，甚至炸頭，威脅人身安全,，所以廠商特別注意安全設計，國際上及各國也制定相應的安全標準,，如德國的離心機意外事故防護規(guī)范(UVV，VBG7Z),，離心機和離心管的工業(yè)標準(DIN58970,，PARTI，2,，3and4)。

　　機械安全設計主要包括以下內容：
　?、匍T鎖防護系統(tǒng)，采用機械和電子雙層門鎖,，要求門鎖關閉后，離心機才能啟動,，電機停止動后，才可以開蓋g
　?、陔x心機腔體和蓋采用堅固的裝甲鋼，以防轉頭飛逸心轉頭的不平衡檢測至關重要,，轉頭的不平衡會導致電機軸產生擺動，影響離心機壽命,，嚴重時，會折斷電機軸,，甚至炸頭,。一般通過檢測電機軸的擺動探知不平衡,，常用的方法有：機械位置開關、磁敏電阻(MSR),、超聲測距,、加速度傳感等。機械位置開關簡單實用應用最廣,，
    Heraeus的BiofugeStratos離心機采用加速度傳感器配以數(shù)據(jù)處理軟件，研制出智能不平衡識別系統(tǒng),，可以針對每一種轉頭的特定重量，在離心的全過程進行監(jiān)控,，一改以往機械位置不平衡識別系統(tǒng)需恨據(jù)軸的擺動距離，而且只有在加速階段才管用的缺點,，使其在任何速度，甚至在高速運轉時,，也能探測到哪怕是試管破裂和樣品外溢而導致的不平衡；
　  ?提高離心機自身的抗不平衡能力,，不僅可以提高離心機的堅固性，同時由于轉頭操作時,，不需嚴格的平衡，甚至目視平衡即可,，因而方便了用戶操作。一般小型離心機將整個電機放在抗震的彈性支架上,，如橡膠墊等,，高速離心機還往往采用揉性軸抗震,。eppendorf5415C將整個電機懸掛在橡膠支架上，Heraeus的BiofugeStatos離心機首次采用稱力“SpindieDriver”的抗震驅動系統(tǒng),，整個軸放在一個抗震緩沖容器中,，克服了揉性軸易折、易斷的缺點,，因而更結實,、更耐不平衡,、起制動更快(約305)；
　?、苻D頭識別系統(tǒng)可以自動的鑒別轉頭,，限制轉頭的最高轉速，有效地防止了用戶的誤操作,。轉頭識別的基本原理是為每一個轉頭設唯一的編碼,，或在每一個轉頭底部鑲嵌一定數(shù)量的小磁鐵，用霍爾傳感,，或是采用光電折射環(huán)傳感,，更復雜的有超聲和無線射頻轉頭認別，轉頭不用運轉即可識別,，甚至連轉頭蓋是否蓋好都能探知,。

　　環(huán)保主要表現(xiàn)在兩方面，
　　一是制冷系統(tǒng)采用無氟制冷劑或半導體(Peltier)制冷,，但目前采用半導體制冷的離心機尚不多見,；二是降噪音，一般通常談話聲為60分p,，公共氣車行駛聲為70至80分貝,，醫(yī)學研究表明，70分貝以上的噪音能干擾談話,，造成心煩意亂,，影響工作，甚至引起事故,，根據(jù)我國產品質量檢驗機構計量認證技術考核規(guī)范(fiG102一90),，測試實驗室的噪音不得大于70dBo通常離心機采用的降噪音措施有：外殼和轉動頭腔體加吸音涂層；采用堅固穩(wěn)重的抗震底座噸機與機械框架用彈性減震器隔離,；應用無整流子電機等,。一般經減震處理后，離心機的噪音可以限制在60分貝以內,。