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简述台式离心机的关键技术及其进展

作者: 来源: 日期:2018-09-18 10:34:43 人气:163

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,成为科研实验室首选机型,如美国的SorvallST2l,德国 Heracus新机型 Biofuge Stratos等。 


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 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。

开环调速是最简单的调速方案,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,国外超速离心机中率先采用变频调速技术,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;四是变频调速专用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SIH4520Intel公司的SX196MCTI公司的 TMS 320C240电机控制单片机等,目前变频调速完全可以和直流调速相媲美。九十年代后,国外主要离心机厂商的全线产品几乎都采用变频调速的技术,不论超速、高速,还是低速离心机,如德国HeraeusHettich等,我国也将变频调速离心机列为攻关计划,部分厂家已经推出变频调速离心机,如上海安亭科学仪器厂,中科院生物物理所等。根据交流电机不同,变频调速也有所区别,目前变频调速离心机中所用电机主要有三种:异步感应电机、无刷直流电机和可变磁阻电机。1988SORVALL应用无刷直流电机首次推出RC285亚超速离心机,Beckman应用可变磁阻电机生产出转速高达三万转的Avanti系列离心机,其起制动加减速率比同类离心机快一倍,但目前应用最普及和最成熟还是异步感应电机。

 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HeraeusBiofugestratos离心机采用”EasyControl’臊作界面,全面显示和分别处理运行参数,采用国际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HettiCh1630F,为减少电机热传导和转头风阻产热对样品的影响,采用风冷降温技术,风冷离心机的风道设计是关键,一般风从顶部吸入,由底部排出,流动的气体将转头和电机的热量带走,科学的风道既可以降温,也可以减少噪音;有些离心机控制和显示转头内样品的温度(Sample Temperature),而有些是控制和显示转头腔体的温度,前者需做大量的实验,技术含量高,更受用户的欢迎。安全防护监控界面主要包括:超速、超温、转头不平衡、转头识别和门锁监控等。系统监控要监制系统自身的状态,及时保护和给出故障信息,方便维修。单片微机最好选择集程度高、专用及总线在内部的单片机,集程度高可以减少造价和提高可靠性,专用可以简化设计和提高集成度,内部总线通过I/O口与外部隔离,减轻电磁噪音对总线的干扰,eppendorf5415C控制系统的核心仅由一个带ADC的单片机(38ADP70)和一个外围集成块(ULN2802A组成,电路十分简单。

 3 、注意安全、环保和国际标准

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,国际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(UVVVBG 7Z),离心机和离心管的工业标准(DIN58970PARTI23and4)。

机械安全设计主要包括以下内容:

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。

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最广,HeraeusBiofuge 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;

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。eppendorf5415C将整个电机悬挂在橡胶支架上,Heraeus Biofuge Statos离心机首次采用称力“Spindie Driver”的抗震驱动系统,整个轴放在一个抗震缓冲容器中,克服了揉性轴易折、易断的缺点,因而更结实、更耐不平衡、起制动更快(约305);

转头识别系统可以自动的鉴别转头,限制转头的最高转速,有效地防止了用户的误操作。转头识别的基本原理是为每一个转头设唯一的编码,或在每一个转头底部镶嵌一定数量的小磁铁,用霍尔传感,或是采用光电折射环传感,更复杂的有超声和无线射频转头认别,转头不用运转即可识别,甚至连转头盖是否盖好都能探知。

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60p,公共气车行驶声为7080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(fiG10290),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,如国际电工委员会(International Electrotechnical Commission IEC)的“IEC医用电气设备安全通则。欧盟的“EN61010-且和610102020”,电磁兼容性标准有欧盟“EN55082-1等。我国也参照国际标准,制定了适合我国国情的电气安全和电磁兼容性标准,医用电气设备通用安全要求电动工具、家用电器和类似器具无线电干扰特性的测量方法和允许值(GM34384等。安全规则主要规定了绝缘电阻、漏电流、接地线电阻和接地电阻等四个指标,要求用户在大修后或定期检查这四个指标。19961月欧盟正式颁布并执行电磁兼容性指标,规定凡是通过“EN55082-二”EMC认证的设备,配发CE标志,并规定凡带有CE标志的产品,欧盟各加盟国应准许过境,不许留难。电磁标准要求电气设备不应对外界产生电磁干扰,同时自身也要有抗电磁干扰的能力。由于离心机既有产生强电磁干扰的电气传动系统,又有对电磁干扰敏感的微机弱电系统,所以不论是厂家还是用户都应关注离心机的电磁兼容性。总之离心机的机械和电气Heraeushighconic足人们对质量和安全日益严格的要求,取得标准认证的产品可以取得用户更多的信任。

 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,以及专用和近年发展的转头,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:BeckmanHitachi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;Heraeushighconic45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,要降低转头的最高转速: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;转头局部损伤或轻微腐蚀;使用不锈钢离心管和套管心样品平均密度超过1.2g/ml时。

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