离心机技术的揭秘
变频调速器能红极一时，是因为旋转电枢直流电动机的寿命太短。事实是直流电动机的调速成本zui低 精度zui高 设备zui简单。只要直流电动机能长寿，变频调速器就是废铜烂铁。 离心机是将样品停止分散的仪器，广泛应用干生物医学、煤油化工、农业、食物卫生等范畴，它使用分歧物质在离心力场中积淀速度的差别，实现样品的阐发结合。离心机自问世以来，历经低速、调解、超速的变化，其进展主要表现在离心设备和离心技术两方面，二者相辅相成。从转速看，台式离心机根本属于低速、高速离心机的领域，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外是尺寸和容量小一点而已。通用台式离心机的发展已经含糊了低速、高速、微量和大容量离心机的界限，浩繁的转头为科研职员提供相称广泛的应用范围，成为科研实验室机型，如美国的Sorvall的 ST2l，德国 Heracus新机型 Biofuge Stratos等。 本文将联合国表里盛行的台式离心机．偏重从功能结构，先容台式离心机的要害技术及其希望，并盼望通过海内外风行机型的技术总结和比较，供给有益的选型发起。 1．交换变频调速将渐渐代替直流调速 转速调治体系是离心机的焦点局部，由控制、功率驱动和电机三大概素构成，主要是控制电机的转速。在离心机的生长历程中直流调速功不行没，其主要特性是拥有精良的起制动、调速范畴宽、布局简朴、本钱低、实践和实际都比拟成熟等，因而八十年月前在离心机中获得遍及的应用较成熟等，因此八十年月前在离心机中得到普遍的利用，至今仍在应用和不停的革新，如改良直流电机铜头和碳刷的耐磨性，以延伸电机的寿命和碳刷的调换周期等。 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，根本餍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、轻负载时易呈现断流征象、为保持直流电机电流的一连，需加一粗笨的平滑电感，增长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，开关功率变更技术渐渐在离心机直流调速系统中得到应用，如德国 eppendorf 5410和 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，转变辅出电压，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，即可得到腻滑的直流电流，降服了可控硅相控直流调速的缺点，因此转速更腻滑，调速规模更宽。 开环调速是zui简略的调速方案，乃至十多少个分立器件或一个集成块即可构成一个体系，以是至今海内某些廉价位的离心思仍接纳这种计划，其重要缺陷是必要手动调速，不克不及节制电机的电流，转速精度和技能附加值都比力低。鉴于开环调速的范围性，国表里大部门离心机广泛采纳既有电流反应又有转速反馈的双闭环调速方案，其重要好处是主动调速、升速快、转速超调小、精度高、限流功效制止电机配件过电流破坏。 固然直流调速汗青久长、技术成熟、但直流电机机械整流子换向是其致命的缺点，限制了电机的转速，整流子带来干扰，须要更换碳刷等，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，增多了成本和体积，低落了寿命和可靠性。七十年代末，国外超速离心机中采用变频调速技术，主要通过转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，不仅免除改换碳刷之烦，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机能指标；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到达或凌驾直流电机的程度；四是变频调速专用大范围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SIH4520、In公司的SX196MC和 TI公司的 TMS 320C240电机控制单片机等，今朝变频调速完全可以和直流调速相媲美。九十年代后，外洋主要离心机厂商的全线产品险些都采用变频调速的技术，不管超速、高速，照样低速离心机，如德国Heraeus、Hettich等，我国也将变频调速离心机列为攻关筹划，部分厂家曾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。凭据交流电机差别，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：异步感到电机、无刷直流电机和可变磁阻电机。1988年SORVALL应用无刷直流电机初次推出RC－285亚超速离心机，Beckman应用可变磁阻电机分娩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，但现在应用zui提高和zui成熟同时是异步感到电机。 2．多功能、自动化和微机控制 跟着离心机制作和应用技术的生长，离心机不只在调速技术方面获得希望，并且在多功能和自动化方面也有长足前进，如可变速度起制动、法式变速、直接输入向心力、操作程序的存储和挪用、仪器状况的主动诊断、请求尽大概全的显示离心机的参数和状态信息、越发美满的平安掩护功能等，有些功能不但是如虎添翼，并且直接影响离心结果，如可变速率起制动和步伐变速可以改进区带离心结果和收缩离心时候等。早期离心机控制系统由分立元件组成，电路庞大、成本高、很多功能难以完成。采用微机技巧后，可由软件替换硬件的功能或实现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、自动化也成为实际。一样平常离心机微机控制系统的焦点是单片微机，硬件系统包罗：操作界面、电机控制界面、温度控制界面、宁静防护监控界面、系统监控等。操作界面办理键盘和表现器，为便干用户操作和监督运转参数，操作界面应遵照简单简要，逻辑性强，参数一览无余的准则。德国Heraeus的Biofugestratos离心机采用”EasyCon－trol’臊作界面，周全表现和分手处置惩罚运行参数，采用国际承认的图形言语和尽可能少的单一功用操纵键；德国Hettich离心机仅用三个键即可处置惩罚操作参数；德国Hermle新款离心机承继传统离心机的操作特点，仍采用旋钮调理参数。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旌旗灯号，转速传感一样平常有：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、本钱低、牢靠和应用简略，以是日前应用较多。离心机转头腔体温度控制系统的道理和构造与平凡冰箱大抵雷同，但尚未广泛采用先辈的、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HettiCh的16和30F，为缩小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，风冷离心机的风道计划是要害，一般风从顶部吸入，由底部排挤，活动的气体将转头和电机的热量带走，科学的风道既能够降温，也可以淘汰乐音；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，更受用户的接待。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，实时维护和给出妨碍信息，方便维修。单片微机挑选集水平高、专用及总线在内部的单片机，集水平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，电路非常简单。 3．留意安全、环保和国际标准 离心机利用不妥，如转头超速、超载、不屈衡等，都有可能损坏仪器，乃至炸头，要挟人身安全，所以厂商分外细致安全设计，国际上及列国也订定响应的安全尺度，如德国的离心机不测变乱防护范例（UVV， VBG 7Z），离心机和离心管的工业标准（DIN 58970，PARTI，2，3and4）。机械安全设计主要囊括以下内容：①门锁防护系统，采用机械和电子双层门锁，要求门锁封闭后，离心机才气启动，电机制止动后，才可以开盖g②离心机腔体和盖采用结实的装甲钢，以防转头飞逸心转头的不平衡检测至关紧张，转头的不平衡会导致电机轴产生摆动，影响离心机寿命，紧张时，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，罕用的方法有：机械位置开关、磁敏电阻（MSR）、超声测距、加快度传感等。机械位置开关简单实用应用zui广，Heraeus的Biofuge Stratos离心机采用加速率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分量，在离心的全历程举行监控，一改以往机械地位不均衡识别系统需恨据轴的摆动间隔，而且只要在加快阶段才管用的缺点，使其在任何速率，甚至在高速运转时，也能探测到哪怕是试管破碎和样品外溢而招致的不平衡；④进步离心机自身的抗不平衡威力，不仅可以进步离心机的结实性，同时由于转头操作时，不需严厉的平衡，甚至目视平衡即可，因而便当了用户操作。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，高速离心机还每每采用揉性轴抗震。eppendorf5415C将整个电机吊挂在橡胶支架上，Heraeus的 Biofuge Statos离心机初次采用称力“Spindie Driver”的抗震驱动系统，整个轴放在一个抗震缓冲容器中，降服了揉性轴易折、易断的缺点，因此更壮实、更耐不均衡、起制动更快（约305）；⑤转头辨认系统可以自动的辨别转头，制约转头的zui高转速，有用地防备了用户的误操作。转头识另外基来源根基理是为每一个转头设惟一的编码，或在每一个转头底部镶嵌一定命量的小磁铁，用霍尔传感，或是采用光电折射环传感，更庞杂的有超声和无线射频转头认别，转头不消运转即可辨认，甚至连转头盖能否盖好都能探知。 环保主要体现在两方面，一是制冷系统采用无氟制冷剂或半导体（Peltier）制冷，但目前采用半导体系体例冷的离心机尚未几见；二是降噪音，一般通常发言声为60分p，大众气车行驶声为70至80分贝，医学研讨评释，70分贝以上的噪音醒目扰发言，形成心乱如麻，影响事情，甚至引发难故，依据我国产品格量检验机构计量认证技术稽核标准（fiG102一90），测试实行室的噪音不得大于70dBo平日离心机采月的降噪音步伐有：外壳和迁移转变头腔体加吸音涂层；采用牢固慎重的抗震底座吨机与机械框架用弹性减震器断绝；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定在60分贝以内。 旋转磁场直流电动机，具有异步电动机的耐久性能和旋转电枢直流电动机的转矩性能于调速性能，是性能zui的电动机，直流变压调速不会产生谐波污染电网，调速成本非常的低。它可以把有限的原材料制造成更有市场价值的商品，可成为企业会下金蛋的鹅，在整个工业领域将引发一场电动机革命，旋转磁场直流电动机以当今IEGT的功率容量4500v5500A，单机功率做到50000KW是轻而易举。从事电机研究的工作人员来南召县云阳镇看一看我的科技成果，就知道这一切都是真的。 此项技术如果让西门子 东芝 等大公司购买，中国的电机制造企业就会遭受毁灭性的打击，成千上万的工人会失去生活来源。这是因为我国大功率IGBT IEGT制造几乎是空白，而西门子 东芝 英飞凌---具有先天优势。 变频调速器淘汰有如下原因 1价格昂贵 变频器比电机还贵 多数企业难以承受 2产生谐波严重污染电网 破坏电网功率因数 使电气设备误动作 大幅度增加供电消耗 3低速转矩太弱 需要重负荷启动设备不能应用 4低速转矩波动严重 高精度控制领域不能应用 5高达2000-20000赫兹的载波频率 产生严重的电磁辐射危害人体 干扰电子设备正常工作 6载波频率导致涡流消耗和磁滞消耗增加 线圈的趋肤效应猛增导致电机发热严重 致使电机的工作效率底下 7功率模块经常烧坏 需要增加巨大的维护成本 一些企业哭笑不是 8轴流引起电机轴承加速损坏 使用变频器的异步电动机需要经常更换轴承 9变压调速的旋转磁场直流电动机问世 变频调速器已是穷途末路 作为电气设备，离心机还必需满意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医用电气设备安全公则”。欧盟的“EN61010－且和61010－2－020”，电磁兼容性标准有欧盟“EN55082－１”等。我国也参照国际标准，制订了得当我国国情的电气安全和电磁兼容性标准，“医用电气设施通用安全要求”及“电动东西、家用电器和雷同用具无线电干扰特点的丈量法子和容许值（GM343－84）”等。安全规矩主要划定了绝缘电阻、泄电流、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查抄这四个指标。1996年1月欧盟正式颁发并实行电磁兼容性指标，划定通常经过“EN55082－二”EMC认证的设备，配发CE标记，并规定凡带有CE标记的产物，欧盟各加友邦应答应过境，不许留难。电磁规范要求电气设置装备摆设不该对外界孕育发生电磁干扰，还本身也要有抗电磁干扰的本领。因为离心机既有孕育发生强电磁滋扰的电气传动系统，又有对电磁滋扰敏感的微机弱电系统，所以岂论是厂家照旧用户都应存眷离心机的电磁兼容性。总之离心机的机械和电气Heraeus的highconic足人们对证量和安整日益严酷的要求，取得标准认证的产物可以取得用户更多的信托。 4．回头改进和品种增加 实验室常用的转头有：角度头、甩平头、垂直头，以及专用和比年发展的转头，如间断流头、淘洗头、区带头、酶标板头、毛细管头、煤油测试头、滚筒头和生物安全头号，转头种类增多，改进了离心方法，拓宽了应用范畴。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，但抗腐化和耐高温性差；钛合金除具有铝合金的长处外，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，很多厂家改进了转头的质料和结构，推出超轻转头：Beckman和Hitachi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，既可以漂白洗濯消毒，也可以直接高压高温消毒；Heraeus的highconic（45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，高速运行； 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要领,http://www.airfilterscn.com，制成甩平头。别的方面，Heraeus改进了生物头的材质和结构，办理生物头高速密封差的缺点，高压高温消毒次数不限，并颠末自力评估机构英国应用微生物研制中间的CAMR测试。 转头在高速运转时，内部会产生离心应力，当离心应力超越肯定的限度后，将惹起转头过早失效，甚至炸头，所以用户肯定要注意转头的使用和妥帖保存。转头使用后，应实时荡涤，切勿碰撞擦伤，如失慎掉，应答转头进行X光搜检，确认内部无创伤后，方可使用。使用中，应及时停止超寿命振荡培养箱转头的使用，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，都阐明转头寿命已到。关干转头寿命的延长应严格遵照厂家的说明，一般在下列环境下，要低落转头的zui高转速：①转头的寿命已到，但转头生存良好，按厂家阐明降速耽误运用；②转头部分毁伤或轻细腐化；③使用不锈钢离心管和套管心样品均匀密度超过1.2g/ml时。 7参考文献 1吴安顺，适用交流调速系统，机械工业出版社， 1998. 8 2宋凯等，感应电机变频调速方法的比较及选用，微电讥，1997.2 3变频凋速技术专辑,电子工业东西， 1996.10 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