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臺式離心機工作原理

    離心機是將樣品進行分離的儀器，廣泛應用干生物醫學、石油化工、農業、食品衛生等領域，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、制冷系統、機械系統、轉頭和系統控制等幾部分組成，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，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

    轉速調節系統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、輕負載時易出現斷流現象、為維持直流電機電流的連續，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，調節脈沖占寬比，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。

    開關調速是zui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，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調速方案，其主要優點是自動調速、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展和應用，簡化了調速的技術關鍵：一是全控功率器件的發展和應用，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；四是變頻調速大規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、In公司的SX196MC和 TI公司的 TMS 320C240電機控制單片機等，目前變頻調速*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。根據交流電機不同，變頻調速也有所區別，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、儀器狀態的自動診斷、要求盡可能全的顯示離心機的參數和狀態信息、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帶離心效果和縮短離心時間等。早期離心機控制系統由分立元件組成，電路復雜、成本高、許多功能難以實現。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、自動化也成為現實。一般離心機微機控制系統的核心是單片微機，硬件系統包括：操作界面、電機控制界面、溫度控制界面、安全防護監控界面、系統監控等。操作界面管理鍵盤和顯示器，為便干用戶操作和監視運行參數，操作界面應遵循簡單扼要，邏輯性強，參數一目了然的原則。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，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；德國Hermle新款離心機繼承傳統離心機的操作特點，仍采用旋鈕調節參數。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（Sample Temperature），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。安全防護監控界面主要包括：超速、超溫、轉頭不平衡、轉頭識別和門鎖監控等。系統監控要監制系統自身的狀態，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、環保和標準

    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，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范（UVV， VBG 7Z），離心機和離心管的工業標準（DIN 58970，PARTI，2，3and4）。機械安全設計主要包括以下內容：①門鎖防護系統，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zui廣，Heraeus的Biofuge Stratos離心機采用加速度傳感器配以數據處理軟件，研制出智能不平衡識別系統，可以針對每一種轉頭的特定重量，在離心的全過程進行監控，一改以往機械位置不平衡識別系統需恨據軸的擺動距離，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；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”的抗震驅動系統，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）；⑤轉頭識別系統可以自動的鑒別轉頭，限制轉頭的zui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*的編碼，或在每一個轉頭底部鑲嵌一定數量的小磁鐵，用霍爾傳感，或是采用光電折射環傳感，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。

    環保主要表現在兩方面，一是制冷系統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，根據我國產品質量檢驗機構計量認證技術考核規范（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：外殼和轉動頭腔體加吸音涂層；采用堅固穩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。

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。安全規則主要規定了絕緣電阻、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行電磁兼容性指標，規定凡是通過“EN55082－二”EMC認證的設備，配發CE標志，并規定凡帶有CE標志的產品，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。由于離心機既有產生強電磁干擾的電氣傳動系統，又有對電磁干擾敏感的微機弱電系統，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足人們對質量和安全日益嚴格的要求，取得標準認證的產品可以取得用戶更多的信任。

4．轉頭改進和種類增多   

實驗室常用的轉頭有：角度頭、甩平頭、垂直頭，以及和近年發展的轉頭，如連續流頭、淘洗頭、區帶頭、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，轉頭的材質和結構也有很大的進展。轉頭的材質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，許多廠家改進了轉頭的材料和結構，推出超輕轉頭：Beckman和Hitachi推出碳纖維轉頭，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，采用空腔體結構，在小離心機中，負荷 6 X 50ml樣品，高速運轉； 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和結構，解決生物頭高速密封差的缺點，高壓高溫消毒次數不限，并經過獨立評價機構英國應用微生物研制中心的CAMR測試。

    轉頭在高速運轉時，內部會產生離心應力，當離心應力超過一定的限度后，將引起轉頭過早失效，甚至炸頭，所以用戶一定要注意轉頭的正確使用和妥善保管。轉頭使用后，應及時清洗，切勿碰撞擦傷，如不慎失落，應對轉頭進行X光檢查，確認內部無創傷后，方可使用。使用中，應及時終止超壽命轉頭的使用，通常廠家都注明轉頭的時數和離心次數，不論哪一個指標先到，都說明轉頭壽命已到。關干轉頭壽命的延長應嚴格遵循廠家的說明，一般在下列情況下，要降低轉頭的zui高轉速：①轉頭的壽命已到，但轉頭保存良好，按廠家說明降速延長使用；②轉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。