臺式離心機工作原理

    離心機是將樣品進行分離的儀器，廣泛應用干生物醫(yī)學、石油化工、農(nóng)業(yè)、食品衛(wèi)生等領域，它利用不同物質(zhì)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(jīng)低速、調(diào)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)主要由電機驅(qū)動系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、機械系統(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(jīng)模糊了低速、高速、微量和大容量離心機的界線，眾多的轉(zhuǎn)頭為科研人員提供相當廣泛的應用范圍，臺式離心機成為科研實驗室機型，如美國的Sorvall的 ST2l，德國 Heracus新機型 Biofuge Stratos等。

本文將結(jié)合國內(nèi)外流行的臺式離心機．著重從功能結(jié)構(gòu)，介紹臺式離心機的關鍵技術及其進展，并希望通過國內(nèi)外流行機型的技術總結(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)是離心機的核心部分，由控制、功率驅(qū)動和電機三大要素組成，主要是控制電機的轉(zhuǎn)速。在離心機的發(fā)展進程中直流調(diào)速功不可沒，其主要特點是具有良好的起制動、調(diào)速范圍寬、結(jié)構(gòu)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(diào)速是經(jīng)典的直流調(diào)速方案，結(jié)構(gòu)簡單、技術成熟，基本滿足離心機調(diào)速的需求，因此在國內(nèi)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(diào)速系統(tǒng)中得到應用，如德國 eppendorf 5410和 5402離心機，這種技術主要是通過高頻直流斬波，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(diào)速的缺點，因此轉(zhuǎn)速更平滑，調(diào)速范圍更寬。

    開關調(diào)速是zui簡單的調(diào)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(nèi)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(diào)速，不能控制電機的電流，轉(zhuǎn)速精度和技術附加值都比較低。鑒于開環(huán)調(diào)速的局限性，國內(nèi)外大部分離心機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)點是自動調(diào)速、升速快、轉(zhuǎn)速超調(diào)小、精度高、限流功能避免電機過電流損壞。

    雖然直流調(diào)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(zhuǎn)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，國外超速離心機中采用變頻調(diào)速技術，主要通過改變感應電機的供電頻率調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速，甚至十幾萬轉(zhuǎn)的超速離心機，也能直接驅(qū)動，大大簡化離心機的結(jié)構(gòu)。變頻調(diào)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(diào)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(diào)速大規(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(diào)制集成電路SIH4520、In公司的SX196MC和 TI公司的 TMS 320C240電機控制單片機等，目前變頻調(diào)速*可以和直流調(diào)速相媲美。九十年代后，國外主要離心機廠商的全線產(chǎn)品幾乎都采用變頻調(diào)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(diào)速離心機列為攻關計劃，部分廠家已經(jīng)推出變頻調(diào)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(diào)速也有所區(qū)別，目前變頻調(diào)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應用無刷直流電機推出RC－285亞超速離心機，Beckman應用可變磁阻電機生產(chǎn)出轉(zhuǎn)速高達三萬轉(zhuǎn)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zui普及和zui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(diào)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(diào)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(jié)構(gòu)，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(diào)節(jié)參數(shù)。電機控制界面的輸入是電機的電流和轉(zhuǎn)速信號，輸出是電機轉(zhuǎn)速的控制信號，轉(zhuǎn)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(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的、精度更高變頻壓機調(diào)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(zhuǎn)頭風阻產(chǎn)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(zhuǎn)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(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(zhuǎn)頭不平衡、轉(zhuǎn)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。單片微機選擇集程度高、及總線在內(nèi)部的單片機，集程度高可以減少造價和提高可靠性，可以簡化設計和提高集成度，內(nèi)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)保和標準

    離心機使用不當，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計，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， VBG 7Z），離心機和離心管的工業(yè)標準（DIN 58970，PARTI，2，3and4）。機械安全設計主要包括以下內(nèi)容：①門鎖防護系統(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g②離心機腔體和蓋采用堅固的裝甲鋼，以防轉(zhuǎn)頭飛逸心轉(zhuǎn)頭的不平衡檢測至關重要，轉(zhuǎn)頭的不平衡會導致電機軸產(chǎn)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zui廣，Heraeus的Biofuge Stratos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(zhuǎn)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(zhuǎn)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；④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(zhuǎn)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 Biofuge Statos離心機采用稱力“Spindie Driver”的抗震驅(qū)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(jié)實、更耐不平衡、起制動更快（約305）；⑤轉(zhuǎn)頭識別系統(tǒng)可以自動的鑒別轉(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)頭識別的基本原理是為每一個轉(zhuǎn)頭設*的編碼，或在每一個轉(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，更復雜的有超聲和無線射頻轉(zhuǎn)頭認別，轉(zhuǎn)頭不用運轉(zhuǎn)即可識別，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(chǎn)品質(zhì)量檢驗機構(gòu)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通常離心機采月的降噪音措施有：外殼和轉(zhuǎn)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(jīng)減震處理后，離心機的噪音可以限制在60分貝以內(nèi)。

作為電氣設備，離心機還必須滿足相應的電氣安全和電磁兼容性（EMC）標準，如電工委員會（International Electrotechnical Commission， IEC）的“IEC醫(yī)用電氣設備安全通則”。歐盟的“EN61010－且和61010－2－020”，電磁兼容性標準有歐盟“EN55082－１”等。我國也參照標準，制定了適合我國國情的電氣安全和電磁兼容性標準，“醫(yī)用電氣設備通用安全要求”及“電動工具、家用電器和類似器具無線電干擾特性的測量方法和允許值（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指標，要求用戶在大修后或定期檢查這四個指標。1996年1月歐盟正式頒布并執(zhí)行電磁兼容性指標，規(guī)定凡是通過“EN55082－二”EMC認證的設備，配發(fā)CE標志，并規(guī)定凡帶有CE標志的產(chǎn)品，歐盟各加盟國應準許過境，不許留難。電磁標準要求電氣設備不應對外界產(chǎn)生電磁干擾，同時自身也要有抗電磁干擾的能力。由于離心機既有產(chǎn)生強電磁干擾的電氣傳動系統(tǒng)，又有對電磁干擾敏感的微機弱電系統(tǒng)，所以不論是廠家還是用戶都應關注離心機的電磁兼容性。總之離心機的機械和電氣Heraeus的highconic足人們對質(zhì)量和安全日益嚴格的要求，取得標準認證的產(chǎn)品可以取得用戶更多的信任。

4．轉(zhuǎn)頭改進和種類增多   

實驗室常用的轉(zhuǎn)頭有：角度頭、甩平頭、垂直頭，以及和近年發(fā)展的轉(zhuǎn)頭，如連續(xù)流頭、淘洗頭、區(qū)帶頭、酶標板頭、毛細管頭、石油測試頭、滾筒頭和生物安全頭等，轉(zhuǎn)頭種類增多，改進了離心方法，拓寬了應用領域。除種類增多外，轉(zhuǎn)頭的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)也有很大的進展。轉(zhuǎn)頭的材質(zhì)主要是鋁合金和鈦合金。鋁合金重量輕、強度高、造價低，但抗腐蝕和耐高溫性差；鈦合金除具有鋁合金的優(yōu)點外，還可以抗腐蝕和耐高溫性，直接進行高壓高溫消毒，在高溫下工作。為減輕電機的負荷及增加樣品的容量，許多廠家改進了轉(zhuǎn)頭的材料和結(jié)構(gòu)，推出超輕轉(zhuǎn)頭：Beckman和Hitachi推出碳纖維轉(zhuǎn)頭，重量只有鋁合金頭的三分之一； Sorval的系列超輕鋁制頭重量減少一半； IEC研制出抗腐耐溫的聚丙烯頭，既可以漂白清洗消毒，也可以直接高壓高溫消毒；Heraeus的highconic（45度高速角度頭）頭，采用空腔體結(jié)構(gòu)，在小離心機中，負荷 6 X 50ml樣品，高速運轉(zhuǎn)； eppendorf采用薄鋁合金板，用模具壓成空心角度頭；Hettich用薄鋼板周邊開槽掛吊藍的方法，制成甩平頭。其它方面，Heraeus改進了生物頭的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)，解決生物頭高速密封差的缺點，高壓高溫消毒次數(shù)不限，并經(jīng)過獨立評價機構(gòu)英國應用微生物研制中心的CAMR測試。

    轉(zhuǎn)頭在高速運轉(zhuǎn)時，內(nèi)部會產(chǎn)生離心應力，當離心應力超過一定的限度后，將引起轉(zhuǎn)頭過早失效，甚至炸頭，所以用戶一定要注意轉(zhuǎn)頭的正確使用和妥善保管。轉(zhuǎn)頭使用后，應及時清洗，切勿碰撞擦傷，如不慎失落，應對轉(zhuǎn)頭進行X光檢查，確認內(nèi)部無創(chuàng)傷后，方可使用。使用中，應及時終止超壽命轉(zhuǎn)頭的使用，通常廠家都注明轉(zhuǎn)頭的時數(shù)和離心次數(shù)，不論哪一個指標先到，都說明轉(zhuǎn)頭壽命已到。關干轉(zhuǎn)頭壽命的延長應嚴格遵循廠家的說明，一般在下列情況下，要降低轉(zhuǎn)頭的zui高轉(zhuǎn)速：①轉(zhuǎn)頭的壽命已到，但轉(zhuǎn)頭保存良好，按廠家說明降速延長使用；②轉(zhuǎn)頭局部損傷或輕微腐蝕；③使用不銹鋼離心管和套管心樣品平均密度超過1.2g/ml時。