離心機(jī)是將樣品進(jìn)行分離的儀器，廣泛應(yīng)用干生物醫(yī)學(xué),、石油化工,、農(nóng)業(yè)、食品衛(wèi)生等領(lǐng)域，它利用不同物質(zhì)在離心力場(chǎng)中沉淀速度的差異,，實(shí)現(xiàn)樣品的分析分離,。離心機(jī)自問(wèn)世以來(lái)，歷經(jīng)低速,、調(diào)整,、超速的變遷，其進(jìn)展主要體現(xiàn)在離心設(shè)備和離心技術(shù)兩方面,，二者相輔相成,。從轉(zhuǎn)速看，臺(tái)式離心機(jī)基本屬于低速,、高速離心機(jī)的范疇,，因此具有低速和高速離心機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)主要由電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),、制冷系統(tǒng),、機(jī)械系統(tǒng)、轉(zhuǎn)頭和系統(tǒng)控制等幾部分組成,，與落地式離心機(jī)相比只不過(guò)是尺寸和容量小一點(diǎn)罷了,。通用臺(tái)式離心機(jī)的發(fā)展已經(jīng)模糊了低速、高速,、微量和大容量離心機(jī)的界線,，眾多的轉(zhuǎn)頭為科研人員提供相當(dāng)廣泛的應(yīng)用范圍，成為科研實(shí)驗(yàn)室機(jī)型,。
本文將結(jié)合國(guó)內(nèi)外流行的臺(tái)式離心機(jī)．著重從功能結(jié)構(gòu),，介紹臺(tái)式離心機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)及其進(jìn)展，并希望通過(guò)國(guó)內(nèi)外流行機(jī)型的技術(shù)總結(jié)和比較,，提供有益的選型建議,。
1、交流變頻調(diào)速將逐步取代直流調(diào)速
轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)是離心機(jī)的核心部分,，由控制,、功率驅(qū)動(dòng)和電機(jī)三大要素組成，主要是控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速,。在離心機(jī)的發(fā)展進(jìn)程中直流調(diào)速功不可沒(méi),，其主要特點(diǎn)是具有良好的起制動(dòng)、調(diào)速范圍寬,、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,、成本低、理論和實(shí)踐都比較成熟等,，因此八十年代前在離心機(jī)中得到廣泛的應(yīng)用較成熟等,，因此八十年代前在離心機(jī)中得到廣泛的應(yīng)用,，至今仍在應(yīng)用和不斷的改進(jìn)，如改進(jìn)直流電機(jī)銅頭和碳刷的耐磨性,，以延長(zhǎng)電機(jī)的壽命和碳刷的更換周期等,。
可控硅相控直流調(diào)速是經(jīng)典的直流調(diào)速方案，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,、技術(shù)成熟,，基本滿足離心機(jī)調(diào)速的需求,，因此在國(guó)內(nèi)外離心機(jī)中得到廣泛的應(yīng)用,。其主要缺點(diǎn)是，整流波形差,、電流脈動(dòng)大,、輕負(fù)載時(shí)易出現(xiàn)斷流現(xiàn)象、為維持直流電機(jī)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(chǎng)效應(yīng)管等，開(kāi)關(guān)功率變換技術(shù)逐漸在離心機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)中得到應(yīng)用,，如德國(guó)eppendorf 5410和5402離心機(jī),，這種技術(shù)主要是通過(guò)高頻直流斬波，調(diào)節(jié)脈沖占寬比,，改變輔出電壓,，為直流電機(jī)供電。由于開(kāi)關(guān)頻率很高,，一般小于50KHZ僅靠電機(jī)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(diào)速的缺點(diǎn),，因此轉(zhuǎn)速更平滑,，調(diào)速范圍更寬。
開(kāi)環(huán)調(diào)速是zui簡(jiǎn)單的調(diào)速方案,，甚至十幾個(gè)分立器件或一個(gè)集成塊即可組成一個(gè)系統(tǒng),，所以至今國(guó)內(nèi)某些低價(jià)位的離心機(jī)仍采用這種方案，其主要缺點(diǎn)是需要手動(dòng)調(diào)速,，不能控制電機(jī)的電流,，轉(zhuǎn)速精度和技術(shù)附加值都比較低。鑒于開(kāi)環(huán)調(diào)速的局限性,，國(guó)內(nèi)外大部分離心機(jī)普遍采用既有電流反饋又有轉(zhuǎn)速反饋的雙閉環(huán)調(diào)速方案,，其主要優(yōu)點(diǎn)是自動(dòng)調(diào)速,、升速快、轉(zhuǎn)速超調(diào)小,、精度高,、限流功能避免電機(jī)過(guò)電流損壞。
雖然直流調(diào)速歷史悠久,、技術(shù)成熟,、但直流電機(jī)機(jī)械整流子換向是其致命的弱點(diǎn)，限制了電機(jī)的轉(zhuǎn)速,，整流子帶來(lái)干擾,，需要更換碳刷等，使得早期的超速或高速離心機(jī)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(guó)外超速離心機(jī)中采用變頻調(diào)速技術(shù),，主要通過(guò)改變感應(yīng)電機(jī)的供電頻率調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。由于感應(yīng)電機(jī)無(wú)需機(jī)械整流子,，不僅免去更換碳刷之煩,，而且提高了電機(jī)轉(zhuǎn)速，甚至十幾萬(wàn)轉(zhuǎn)的超速離心機(jī),，也能直接驅(qū)動(dòng),，大大簡(jiǎn)化離心機(jī)的結(jié)構(gòu)。變頻調(diào)速的技術(shù)關(guān)鍵：一是全控功率器件的發(fā)展和應(yīng)用,，簡(jiǎn)化了調(diào)速的技術(shù)關(guān)鍵：一是全控功率器件的發(fā)展和應(yīng)用,，簡(jiǎn)化了逆變器的主電路；二是SPWM技術(shù)改進(jìn)了逆變器的性能指標(biāo),；三是控制技術(shù)的發(fā)展,，如矢量控制技術(shù)等，使感應(yīng)電機(jī)的控制性能達(dá)到或超過(guò)直流電機(jī)的水平,；四是變頻調(diào)速大規(guī)模集成電路和微處理器大大簡(jiǎn)化了變頻電路,，如西門子三相可編程脈寬調(diào)制集成電路SIH4520、In公司的SX196MC和TI公司的 TMS320C240電機(jī)控制單片機(jī)等,，目前變頻調(diào)速*可以和直流調(diào)速相媲美,。九十年代后，國(guó)外主要離心機(jī)廠商的全線產(chǎn)品幾乎都采用變頻調(diào)速的技術(shù),，不論超速,、高速，還是低速離心機(jī),，如德國(guó)Heraeus,、Hettich等,，我國(guó)也將變頻調(diào)速離心機(jī)列為攻關(guān)計(jì)劃，部分廠家已經(jīng)推出變頻調(diào)速離心機(jī),，如上海安亭科學(xué)儀器廠,，中科院生物物理所等。根據(jù)交流電機(jī)不同,，變頻調(diào)速也有所區(qū)別,，目前變頻調(diào)速離心機(jī)中所用電機(jī)主要有三種：異步感應(yīng)電機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)和可變磁阻電機(jī),。1988年SORVALL應(yīng)用無(wú)刷直流電機(jī)推出RC－285亞超速離心機(jī),，Beckman應(yīng)用可變磁阻電機(jī)生產(chǎn)出轉(zhuǎn)速高達(dá)三萬(wàn)轉(zhuǎn)的Avanti系列離心機(jī)，其起制動(dòng)加減速率比同類離心機(jī)快一倍,，但目前應(yīng)用zui普及和zui成熟還是異步感應(yīng)電機(jī),。
2,、多功能,、自動(dòng)化和微機(jī)控制
隨著離心機(jī)制造和應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，離心機(jī)不僅在調(diào)速技術(shù)方面取得進(jìn)展,，而且在多功能和自動(dòng)化方面也有長(zhǎng)足進(jìn)步,，如可變速率起制動(dòng)、程序變速,、直接輸入離心力,、操作程序的存儲(chǔ)和調(diào)用、儀器狀態(tài)的自動(dòng)診斷,、要求盡可能全的顯示離心機(jī)的參數(shù)和狀態(tài)信息,、更加完善的安全保護(hù)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(dòng)和程序變速可以改善區(qū)帶離心效果和縮短離心時(shí)間等。早期離心機(jī)控制系統(tǒng)由分立元件組成,，電路復(fù)雜,、成本高、許多功能難以實(shí)現(xiàn),。
采用微機(jī)技術(shù)后,，可由軟件替代硬件的功能或完成硬件難以實(shí)現(xiàn)的功能，如離心機(jī)程序控制,、電機(jī)控制等,，不僅大大簡(jiǎn)化硬件的結(jié)構(gòu)，而且多功能,、自動(dòng)化也成為現(xiàn)實(shí),。一般離心機(jī)微機(jī)控制系統(tǒng)的核心是單片微機(jī),，硬件系統(tǒng)包括：操作界面、電機(jī)控制界面,、溫度控制界面,、安全防護(hù)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(yùn)行參數(shù)，操作界面應(yīng)遵循簡(jiǎn)單扼要,，邏輯性強(qiáng),，參數(shù)一目了然的原則。德國(guó)Heraeus的Biofugestratos離心機(jī)采用”EasyCon－trol’臊作界面,，全面顯示和分別處理運(yùn)行參數(shù),，采用認(rèn)可的圖形語(yǔ)言和盡可能少的單一功能操作鍵；德國(guó)Hettich離心機(jī)僅用三個(gè)鍵即可處理操作參數(shù),；德國(guó)Hermle新款離心機(jī)繼承傳統(tǒng)離心機(jī)的操作特點(diǎn),，仍采用旋鈕調(diào)節(jié)參數(shù)。電機(jī)控制界面的輸入是電機(jī)的電流和轉(zhuǎn)速信號(hào),，輸出是電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制信號(hào),，轉(zhuǎn)速傳感一般有：同軸發(fā)電機(jī)測(cè)速、磁阻測(cè)速,、霍爾器件測(cè)速,、光電投射和折射式測(cè)速，由千光電和霍爾測(cè)速集成度高,、成本低,、可靠和應(yīng)用簡(jiǎn)單，所以日前應(yīng)用較多,。離心機(jī)轉(zhuǎn)頭腔體溫度控制系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)與普通冰箱大致相同,，但尚未普遍采用先進(jìn)的、精度更高變頻壓機(jī)調(diào)溫技術(shù)：也有應(yīng)用半導(dǎo)體（vehier）器件制冷,，但不普遍,；有些離心機(jī)，如德國(guó)HettiCh的16和30F,，為減少電機(jī)熱傳導(dǎo)和轉(zhuǎn)頭風(fēng)阻產(chǎn)熱對(duì)樣品的影響,，采用風(fēng)冷降溫技術(shù)，風(fēng)冷離心機(jī)的風(fēng)道設(shè)計(jì)是關(guān)鍵,，一般風(fēng)從頂部吸入,，由底部排出，流動(dòng)的氣體將轉(zhuǎn)頭和電機(jī)的熱量帶走,，科學(xué)的風(fēng)道既可以降溫,，也可以減少噪音,；有些離心機(jī)控制和顯示轉(zhuǎn)頭內(nèi)樣品的溫度（Sample Temperature），而有些是控制和顯示轉(zhuǎn)頭腔體的溫度,，前者需做大量的實(shí)驗(yàn),，技術(shù)含量高，更受用戶的歡迎,。安全防護(hù)監(jiān)控界面主要包括：超速,、超溫、轉(zhuǎn)頭不平衡,、轉(zhuǎn)頭識(shí)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(shí)保護(hù)和給出故障信息,，方便維修,。單片微機(jī)選擇集程度高、及總線在內(nèi)部的單片機(jī),，集程度高可以減少造價(jià)和提高可靠性,，可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和提高集成度，內(nèi)部總線通過(guò)Ｉ／Ｏ口與外部隔離,，減輕電磁噪音對(duì)總線的干擾,，eppendorf5415C控制系統(tǒng)的核心僅由一個(gè)帶ADC的單片機(jī)（38ADP70）和一個(gè)外圍集成塊（ULN2802A組成,，電路十分簡(jiǎn)單3,、注意安全、環(huán)保和標(biāo)準(zhǔn)
離心機(jī)使用不當(dāng),，如轉(zhuǎn)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(shè)計(jì),，上及各國(guó)也制定相應(yīng)的安全標(biāo)準(zhǔn)，如德國(guó)的離心機(jī)意外事故防護(hù)規(guī)范（UVV,，VBG 7Z）,，離心機(jī)和離心管的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（DIN 58970，PARTI,，2,，3and4）。
機(jī)械安全設(shè)計(jì)主要包括以下內(nèi)容：
①門鎖防護(hù)系統(tǒng),，采用機(jī)械和電子雙層門鎖,，要求門鎖關(guān)閉后,，離心機(jī)才能啟動(dòng)，電機(jī)停止動(dòng)后,，才可以開(kāi)蓋g
②離心機(jī)腔體和蓋采用堅(jiān)固的裝甲鋼,，以防轉(zhuǎn)頭飛逸心轉(zhuǎn)頭的不平衡檢測(cè)至關(guān)重要，轉(zhuǎn)頭的不平衡會(huì)導(dǎo)致電機(jī)軸產(chǎn)生擺動(dòng),，影響離心機(jī)壽命,，嚴(yán)重時(shí)，會(huì)折斷電機(jī)軸,，甚至炸頭,。一般通過(guò)檢測(cè)電機(jī)軸的擺動(dòng)探知不平衡，常用的方法有：機(jī)械位置開(kāi)關(guān),、磁敏電阻（MSR）,、超聲測(cè)距、加速度傳感等,。機(jī)械位置開(kāi)關(guān)簡(jiǎn)單實(shí)用應(yīng)用zui廣,，Heraeus的Biofuge Stratos離心機(jī)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(shí)別系統(tǒng),，可以針對(duì)每一種轉(zhuǎn)頭的特定重量,，在離心的全過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，一改以往機(jī)械位置不平衡識(shí)別系統(tǒng)需恨據(jù)軸的擺動(dòng)距離,，而且只有在加速階段才管用的缺點(diǎn),，使其在任何速度，甚至在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),，也能探測(cè)到哪怕是試管破裂和樣品外溢而導(dǎo)致的不平衡,；
④提高離心機(jī)自身的抗不平衡能力，不僅可以提高離心機(jī)的堅(jiān)固性,，同時(shí)由于轉(zhuǎn)頭操作時(shí),，不需嚴(yán)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(jī)將整個(gè)電機(jī)放在抗震的彈性支架上，如橡膠墊等,，高速離心機(jī)還往往采用揉性軸抗震,。eppendorf5415C將整個(gè)電機(jī)懸掛在橡膠支架上，Heraeus的 Biofuge Statos離心機(jī)采用稱力“Spindie Driver”的抗震驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),，整個(gè)軸放在一個(gè)抗震緩沖容器中,，克服了揉性軸易折、易斷的缺點(diǎn)，因而更結(jié)實(shí),、更耐不平衡,、起制動(dòng)更快（約305）；
⑤轉(zhuǎn)頭識(shí)別系統(tǒng)可以自動(dòng)的鑒別轉(zhuǎn)頭,，限制轉(zhuǎn)頭的zui高轉(zhuǎn)速,，有效地防止了用戶的誤操作。轉(zhuǎn)頭識(shí)別的基本原理是為每一個(gè)轉(zhuǎn)頭設(shè)*的編碼,，或在每一個(gè)轉(zhuǎn)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(fù)雜的有超聲和無(wú)線射頻轉(zhuǎn)頭認(rèn)別,，轉(zhuǎn)頭不用運(yùn)轉(zhuǎn)即可識(shí)別，甚至連轉(zhuǎn)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(wú)氟制冷劑或半導(dǎo)體（Peltier）制冷，但目前采用半導(dǎo)體制冷的離心機(jī)尚不多見(jiàn),；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(xué)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(guó)產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)計(jì)量認(rèn)證技術(shù)考核規(guī)范（fiG102一90）,，測(cè)試實(shí)驗(yàn)室的噪音不得大于70dBo通常離心機(jī)采月的降噪音措施有：外殼和轉(zhuǎn)動(dòng)頭腔體加吸音涂層,；采用堅(jiān)固穩(wěn)重的抗震底座噸機(jī)與機(jī)械框架用彈性減震器隔離；應(yīng)用無(wú)整流子電機(jī)等,。一般經(jīng)減震處理后，離心機(jī)的噪音可以限制在60分貝以內(nèi),。
作為電氣設(shè)備,，離心機(jī)還必須滿足相應(yīng)的電氣安全和電磁兼容性（EMC）標(biāo)準(zhǔn)，如電工委員會(huì)（International Electrotechnical Commission,，IEC）的“IEC醫(yī)用電氣設(shè)備安全通則”,。歐盟的“EN61010－且和61010－2－020”，電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)有歐盟“EN55082－１”等,。我國(guó)也參照標(biāo)準(zhǔn),，制定了適合我國(guó)國(guó)情的電氣安全和電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)，“醫(yī)用電氣設(shè)備通用安全要求”及“電動(dòng)工具、家用電器和類似器具無(wú)線電干擾特性的測(cè)量方法和允許值（GM343－84）”等,。安全規(guī)則主要規(guī)定了絕緣電阻,、漏電流、接地線電阻和接地電阻等四個(gè)指標(biāo),，要求用戶在大修后或定期檢查這四個(gè)指標(biāo),。1996年1月歐盟正式頒布并執(zhí)行電磁兼容性指標(biāo)，規(guī)定凡是通過(guò)“EN55082－二”EMC認(rèn)證的設(shè)備,，配發(fā)CE標(biāo)志,，并規(guī)定凡帶有CE標(biāo)志的產(chǎn)品，歐盟各加盟國(guó)應(yīng)準(zhǔn)許過(guò)境,，不許留難,。電磁標(biāo)準(zhǔn)要求電氣設(shè)備不應(yīng)對(duì)外界產(chǎn)生電磁干擾，同時(shí)自身也要有抗電磁干擾的能力,。由于離心機(jī)既有產(chǎn)生強(qiáng)電磁干擾的電氣傳動(dòng)系統(tǒng),，又有對(duì)電磁干擾敏感的微機(jī)弱電系統(tǒng)，所以不論是廠家還是用戶都應(yīng)關(guān)注離心機(jī)的電磁兼容性,?？傊x心機(jī)的機(jī)械和電氣Heraeus的highconic足人們對(duì)質(zhì)量和安全日益嚴(yán)格的要求，取得標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的產(chǎn)品可以取得用戶更多的信任,。
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