臺式離心機(jī)工作原理

    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)在離心力場中沉淀速度的差異，實現(xiàn)樣品的分析分離。離心機(jī)自問世以來，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)相比只不過是尺寸和容量小一點(diǎn)罷了。通用臺式離心機(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，臺式離心機(jī)成為科研實驗室機(jī)型，如美國的Sorvall的 ST2l，德國 Heracus新機(jī)型 Biofuge Stratos等。

本文將結(jié)合國內(nèi)外流行的臺式離心機(jī)．著重從功能結(jié)構(gòu)，介紹臺式離心機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)及其進(jìn)展，并希望通過國內(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，其主要特點(diǎn)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(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)簡單、技術(shù)成熟，基本滿足離心機(jī)調(diào)速的需求，因此在國內(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、電流脈動大、輕負(fù)載時易出現(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，如功率晶體管和場效應(yīng)管等，開關(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 eppendorf 5410和 5402離心機(jī)，這種技術(shù)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(jī)供電。由于開關(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。

    開關(guān)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(jī)仍采用這種方案，其主要缺點(diǎn)是需要手動調(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。鑒于開環(huán)調(diào)速的局限性，國內(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，國外超速離心機(jī)中采用變頻調(diào)速技術(shù)，主要通過改變感應(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，甚至十幾萬轉(zhuǎn)的超速離心機(jī)，也能直接驅(qū)動，大大簡化離心機(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(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Heraeus、Hettich等，我國也將變頻調(diào)速離心機(jī)列為攻關(guān)計劃，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)、無刷直流電機(jī)和可變磁阻電機(jī)。1988年SORVALL應(yīng)用無刷直流電機(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)三萬轉(zhuǎn)的Avanti系列離心機(jī)，其起制動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化方面也有長足進(jìn)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(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(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(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)遵循簡單扼要，邏輯性強(qiáng)，參數(shù)一目了然的原則。德國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)可的圖形語言和盡可能少的單一功能操作鍵；德國Hettich離心機(jī)僅用三個鍵即可處理操作參數(shù)；德國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，輸出是電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制信號，轉(zhuǎn)速傳感一般有：同軸發(fā)電機(jī)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(yīng)用簡單，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)計是關(guān)鍵，一般風(fēng)從頂部吸入，由底部排出，流動的氣體將轉(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，前者需做大量的實驗，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(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和提高可靠性，可以簡化設(shè)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(jī)（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(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，上及各國也制定相應(yīng)的安全標(biāo)準(zhǔn)，如德國的離心機(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，電機(jī)停止動后，才可以開蓋g②離心機(jī)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(guān)重要，轉(zhuǎn)頭的不平衡會導(dǎo)致電機(jī)軸產(chǎn)生擺動，影響離心機(jī)壽命，嚴(yán)重時，會折斷電機(jī)軸，甚至炸頭。一般通過檢測電機(jī)軸的擺動探知不平衡，常用的方法有：機(jī)械位置開關(guān)、磁敏電阻（MSR）、超聲測距、加速度傳感等。機(jī)械位置開關(guān)簡單實用應(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(jìn)行監(jiān)控，一改以往機(jī)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(diǎn)，使其在任何速度，甚至在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時，也能探測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)的堅固性，同時由于轉(zhuǎn)頭操作時，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(diǎn)，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(shè)*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(fù)雜的有超聲和無線射頻轉(zhuǎn)頭認(rèn)別，轉(zhuǎn)頭不用運(yùn)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(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；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)我國產(chǎn)品質(zhì)量檢驗機(jī)構(gòu)計量認(rèn)證技術(shù)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(jī)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(jī)與機(jī)械框架用彈性減震器隔離；應(yīng)用無整流子電機(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（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。我國也參照標(biāo)準(zhǔn)，制定了適合我國國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(biāo)，要求用戶在大修后或定期檢查這四個指標(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“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，歐盟各加盟國應(yīng)準(zhǔn)許過境，不許留難。電磁標(biāo)準(zhǔn)要求電氣設(shè)備不應(yīng)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(jī)既有產(chǎn)生強(qiáng)電磁干擾的電氣傳動系統(tǒng)，又有對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。總之離心機(jī)的機(jī)械和電氣Heraeus的highconic足人們對質(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。

4．轉(zhuǎn)頭改進(jìn)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(biāo)板頭、毛細(xì)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(jìn)了離心方法，拓寬了應(yīng)用領(lǐng)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(jìn)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(qiáng)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(diǎn)外，還可以抗腐蝕和耐高溫性，直接進(jìn)行高壓高溫消毒，在高溫下工作。為減輕電機(jī)的負(fù)荷及增加樣品的容量，許多廠家改進(jìn)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(jī)中，負(fù)荷 6 X 50ml樣品，高速運(yùn)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(lán)的方法，制成甩平頭。其它方面，Heraeus改進(jìn)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(diǎn)，高壓高溫消毒次數(shù)不限，并經(jīng)過獨(dú)立評價機(jī)構(gòu)英國應(yīng)用微生物研制中心的CAMR測試。

    轉(zhuǎn)頭在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時，內(nèi)部會產(chǎn)生離心應(yīng)力，當(dāng)離心應(yīng)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(yīng)及時清洗，切勿碰撞擦傷，如不慎失落，應(yīng)對轉(zhuǎn)頭進(jìn)行X光檢查，確認(rèn)內(nèi)部無創(chuàng)傷后，方可使用。使用中，應(yīng)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(biāo)先到，都說明轉(zhuǎn)頭壽命已到。關(guān)干轉(zhuǎn)頭壽命的延長應(yīng)嚴(yán)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。