離心脫水機

簡述台式脫水離心機的關鍵技術及其進展

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簡述台式脫水離心機的關鍵技術及其進展

發布日期:2018-09-20 作者: 點擊:

脫水離心機是將樣品進行分離的儀器,廣泛應用幹生物醫學、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澱速度的差異,實現樣品的分析分離。脫水離心機自問世以來,曆經低速、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麵,二者相輔相成。從轉速看,台式離心機基本屬於低速、高速離心機的範疇,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係統、製冷係統、機械係統、轉頭和係統控製等幾部分組成,與落地式離心機相比隻不過是尺寸和容量小一點罷了。通用台式脫水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範圍,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。

本文脫水離心機廠家將結合國內外流行的台式脫水離心機.著重從功能結構,介紹台式脫水離心機的關鍵技術及其進展,並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

轉速調節係統是離心機的核心部分,由控製、功率驅動和電機三大要素組成,主要是控製電機的轉速。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製動、調速範圍寬、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。

可控矽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。八十年代後,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係統中得到應用,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,調節脈衝占寬比,改變輔出電壓,為直流電機供電。由於開關頻率很高,一般小於50KHZ僅靠電機自身的電感濾波,即可獲得平滑的直流電流,克服了可控矽相控直流調速的缺點,因此轉速更平滑,調速範圍更寬。

開環調速是簡單的調速方案,甚至十幾個分立器件或一個集成塊即可組成一個係統,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,不能控製電機的電流,轉速精度和技術附加值都比較低。鑒於開環調速的局限性,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。

雖然直流調速曆史悠久、技術成熟、但直流電機機械整流子換向是其致命的弱點,限製了電機的轉速,整流子帶來幹擾,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,國外超速離心機中率先采用變頻調速技術,主要通過改變感應電機的供電頻率調節轉速。由於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;三是控製技術的發展,如矢量控製技術等,使感應電機的控製性能達到或超過直流電機的水平;四是變頻調速專用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製集成電路SIH4520、Intel公司的SX196MC和TI公司的 TMS 320C240電機控製單片機等,目前變頻調速完全可以和直流調速相媲美。九十年代後,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應用無刷直流電機首次推出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係列離心機,其起製動加減速率比同類離心機快一倍,但目前應用普及和成熟還是異步感應電機。

2 、多功能、自動化和微機控製

隨著離心機製造和應用技術的發展,離心機不僅在調速技術方麵取得進展,而且在多功能和自動化方麵也有長足進步,如可變速率起製動、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,如可變速率起製動和程序變速可以改善區帶離心效果和縮短離心時間等。早期離心機控製係統由分立元件組成,電路複雜、成本高、許多功能難以實現。采用微機技術後,可由軟件替代硬件的功能或完成硬件難以實現的功能,如離心機程序控製、電機控製等,不僅大大簡化硬件的結構,而且多功能、自動化也成為現實。

一般離心機微機控製係統的核心是單片微機,硬件係統包括:操作界麵、電機控製界麵、溫度控製界麵、安全防護監控界麵、係統監控等。操作界麵管理鍵盤和顯示器,為便幹用戶操作和監視運行參數,操作界麵應遵循簡單扼要,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’臊作界麵,全麵顯示和分別處理運行參數,采用國際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。電機控製界麵的輸入是電機的電流和轉速信號,輸出是電機轉速的控製信號,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。

脫水離心機轉頭腔體溫度控製係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)器件製冷,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;有些離心機控製和顯示轉頭內樣品的溫度(Sample Temperature),而有些是控製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。安全防護監控界麵主要包括:超速、超溫、轉頭不平衡、轉頭識別和門鎖監控等。係統監控要監製係統自身的狀態,及時保護和給出故障信息,方便維修。單片微機好選擇集程度高、專用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,專用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幹擾,eppendorf5415C控製係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、環保和國際標準

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,國際上及各國也製定相應的安全標準,如德國的離心機意外事故防護規範(UVV,VBG 7Z),離心機和離心管的工業標準(DIN58970,PARTI,2,3and4)。

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,以及專用和近年發展的轉頭,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,重量隻有鋁合金頭的三分之一; Sorval的係列超輕鋁製頭重量減少一半; IEC研製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,製成甩平頭。其它方麵,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,並經過獨立評價機構英國應用微生物研製中心的CAMR測試。

轉頭在高速運轉時,內部會產生離心應力,當離心應力超過限度後,將引起轉頭過早失效,甚至炸頭,所以用戶要注意轉頭的正確使用和妥善保管。轉頭使用後,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,確認內部無創傷後,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。關幹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使用不鏽鋼離心管和套管心樣品平均密度超過1.2g/ml時。

簡述台式脫水離心機的關鍵技術及其進展



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