離機(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)在離力場(chǎng)沉淀速度的差異，實(shí)現(xiàn)樣品的分析分離。離機(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)在離設(shè)備和離技術(shù)兩方，二者相輔相成。從轉(zhuǎn)速看，實(shí)驗(yàn)室離機(jī)基本屬于低速、速離機(jī)的范疇，因此具低速和速離機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)主要由電機(jī)驅(qū)動(dòng)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，與落地式離機(jī)相比只不過是尺寸和容量小點(diǎn)罷了。河南北弘實(shí)驗(yàn)室離機(jī)的發(fā)展已經(jīng)模糊了低速、速、微量和大容量離機(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，成為科研實(shí)驗(yàn)室機(jī)型。

　　本文將結(jié)合國內(nèi)外流行的實(shí)驗(yàn)室離機(jī)．著重從功能結(jié)構(gòu)，介紹實(shí)驗(yàn)室離機(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，提供益的型建議。

　　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)是離機(jī)的核部分，由控制、功率驅(qū)動(dòng)和電機(jī)三大要素組成，主要是控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在離機(jī)的發(fā)展進(jìn)程直流調(diào)速功不可沒，其主要特點(diǎn)是具良的起制動(dòng)、調(diào)速范圍寬、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、理論和實(shí)踐都比較成熟等，因此八十年代前在離機(jī)廣泛的應(yīng)用較成熟等，因此八十年代前在離機(jī)廣泛的應(yīng)用，至今仍在應(yīng)用和不斷的進(jìn)，如進(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，基本滿足離機(jī)調(diào)速的需求，因此在國內(nèi)外離機(jī)廣泛的應(yīng)用。其主要缺點(diǎn)是，整流波形差、電流脈動(dòng)大、輕負(fù)載時(shí)易出現(xiàn)斷流現(xiàn)象、為維持直流電機(jī)電流的連續(xù)，需加笨重的平滑電，增加了儀器的體積和重量。八十年代后，隨著控功率器件的發(fā)展，如功率晶體管和場(chǎng)應(yīng)管等，開關(guān)功率變換技術(shù)逐漸在離機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用，如德國eppendorf5410和5402離機(jī)，這種技術(shù)主要是通過頻直流斬波，調(diào)節(jié)脈沖占寬比，變輔出電壓，為直流電機(jī)供電。由于開關(guān)頻率很，般小于50KHZ僅靠電機(jī)自身的電濾波，即可獲平滑的直流電流，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。

　　開環(huán)調(diào)速是簡單的調(diào)速方案，甚至十幾個(gè)分立器件或個(gè)集成塊即可組成個(gè)系統(tǒng)，所以至今國內(nèi)某些低價(jià)位的離機(jī)仍采用這種方案，其主要缺點(diǎn)是需要手動(dòng)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)外大部分離機(jī)普遍采用既電流反饋又轉(zhuǎn)速反饋的雙閉環(huán)調(diào)速方案，其主要優(yōu)點(diǎn)是自動(dòng)調(diào)速、升速快、轉(zhuǎn)速超調(diào)小、精度、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，使早期的超速或速離機(jī)不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，國外超速離機(jī)率先采用變頻調(diào)速技術(shù)，主要通過變應(yīng)電機(jī)的供電頻率調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。由于應(yīng)電機(jī)無需機(jī)械整流子，不僅免去更換碳刷之煩，而且提了電機(jī)轉(zhuǎn)速，甚至十幾萬轉(zhuǎn)的超速離機(jī)，也能直接驅(qū)動(dòng)，大大簡化離機(jī)的結(jié)構(gòu)。

　　變頻調(diào)速的技術(shù)關(guān)鍵：是控功率器件的發(fā)展和應(yīng)用，簡化了調(diào)速的技術(shù)關(guān)鍵：是控功率器件的發(fā)展和應(yīng)用，簡化了逆變器的主電路；二是SPWM技術(shù)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，使應(yīng)電機(jī)的控制性能達(dá)或超過直流電機(jī)的水平；四是變頻調(diào)速專用大規(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、Intel公司的SX196MC和TI公司的TMS320C240電機(jī)控制單片機(jī)等，目前變頻調(diào)速完可以和直流調(diào)速相媲美。九十年代后，國外主要離機(jī)廠商的線產(chǎn)品幾乎都采用變頻調(diào)速的技術(shù)，不論超速、速，還是低速離機(jī)，如德國Heraeus、Hettich等，我國也將變頻調(diào)速離機(jī)列為攻關(guān)計(jì)劃，部分廠家已經(jīng)推出變頻調(diào)速離機(jī)，如上海亭科學(xué)儀器廠，科院生物物理所等。根據(jù)交流電機(jī)不同，變頻調(diào)速也所區(qū)別，目前變頻調(diào)速離機(jī)所用電機(jī)主要三種：異步應(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亞超速離機(jī)，Beckman應(yīng)用可變磁阻電機(jī)生產(chǎn)出轉(zhuǎn)速達(dá)三萬轉(zhuǎn)的Avanti系列離機(jī)，其起制動(dòng)加減速率比同類離機(jī)快倍，但目前應(yīng)用普及和成熟還是異步應(yīng)電機(jī)。

　　2、多功能、自動(dòng)化和微機(jī)控制

　　隨著離機(jī)制造和應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，離機(jī)不僅在調(diào)速技術(shù)方取進(jìn)展，而且在多功能和自動(dòng)化方也長足進(jìn)步，如可變速率起制動(dòng)、程序變速、直接輸入離力、操作程序的存儲(chǔ)和調(diào)用、儀器狀態(tài)的自動(dòng)診斷、要求盡可能的顯示離機(jī)的參數(shù)和狀態(tài)信息、更加完的保護(hù)功能等，些功能不僅是錦上添花，而且直接影響離果，如可變速率起制動(dòng)和程序變速可以區(qū)帶離果和縮短離時(shí)間等。早期離機(jī)控制系統(tǒng)由分立元件組成，電路復(fù)雜、成本、許多功能難以實(shí)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(shí)現(xiàn)的功能，如離機(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(dòng)化也成為現(xiàn)實(shí)。

　　般離機(jī)微機(jī)控制系統(tǒng)的核是單片微機(jī)，硬件系統(tǒng)包括：操作界、電機(jī)控制界、溫度控制界、防護(hù)監(jiān)控界、系統(tǒng)監(jiān)控等。操作界管理鍵盤和顯示器，為便干用戶操作和監(jiān)視運(yùn)行參數(shù)，操作界應(yīng)遵循簡單扼要，邏輯性強(qiáng)，參數(shù)目了然的原則。德國Heraeus的Biofugestratos離機(jī)采用”EasyCon－trol’臊作界，顯示和分別處理運(yùn)行參數(shù)，采用國際認(rèn)可的圖形語言和盡可能少的單功能操作鍵；德國Hettich離機(jī)僅用三個(gè)鍵即可處理操作參數(shù)；德國Hermle新款離機(jī)繼承傳統(tǒng)離機(jī)的操作特點(diǎn)，仍采用旋鈕調(diào)節(jié)參數(shù)。電機(jī)控制界的輸入是電機(jī)的電流和轉(zhuǎn)速信號(hào)，輸出是電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制信號(hào)，轉(zhuǎn)速傳般：同軸發(fā)電機(jī)測(cè)速、磁阻測(cè)速、霍爾器件測(cè)速、光電投射和折射式測(cè)速，由千光電和霍爾測(cè)速集成度、成本低、可靠和應(yīng)用簡單，所以日前應(yīng)用較多。

　　離機(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、精度更變頻壓機(jī)調(diào)溫技術(shù)：也應(yīng)用半導(dǎo)體（vehier）器件制冷，但不普遍；些離機(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(duì)樣品的影響，采用風(fēng)冷降溫技術(shù)，風(fēng)冷離機(jī)的風(fēng)道設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，般風(fēng)從頂部吸入，由底部排出，流動(dòng)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；些離機(jī)控制和顯示轉(zhuǎn)頭內(nèi)樣品的溫度（SampleTemperature），而些是控制和顯示轉(zhuǎn)頭腔體的溫度，前者需做大量的實(shí)驗(yàn)，技術(shù)含量，更受用戶的歡迎。防護(hù)監(jiān)控界主要包括：超速、超溫、轉(zhuǎn)頭不平衡、轉(zhuǎn)頭識(shí)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(shí)保護(hù)和給出故障信息，方便維修。單片微機(jī)擇集程度、專用及總線在內(nèi)部的單片機(jī)，集程度可以減少造價(jià)和提可靠性，專用可以簡化設(shè)計(jì)和提集成度，內(nèi)部總線通過Ｉ／Ｏ口與外部隔離，減輕電磁噪音對(duì)總線的干擾，eppendorf5415C控制系統(tǒng)的核僅由個(gè)帶ADC的單片機(jī)（38ADP70）和個(gè)外圍集成塊（ULN2802A組成，電路十分簡單。

　　3、注意、環(huán)保和國際標(biāo)準(zhǔn)

　　離機(jī)使用不當(dāng)，如轉(zhuǎn)頭超速、超載、不平衡等，都可能損壞儀器，甚至炸頭，威脅人身，所以廠商特別注意設(shè)計(jì)，國際上及各國也制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，如德國的離機(jī)意外事故防護(hù)規(guī)范（UVV，VBG7Z），離機(jī)和離管的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（DIN58970，PARTI，2，3and4）。

　　機(jī)械設(shè)計(jì)主要包括以下內(nèi)容：

　　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，離機(jī)才能啟動(dòng)，電機(jī)停止動(dòng)后，才可以開蓋。

　　離機(jī)腔體和蓋采用堅(jiān)固的裝甲鋼，以防轉(zhuǎn)頭飛逸轉(zhuǎn)頭的不平衡檢測(cè)至關(guān)重要，轉(zhuǎn)頭的不平衡會(huì)導(dǎo)致電機(jī)軸產(chǎn)生擺動(dòng)，影響離機(jī)壽命，嚴(yán)重時(shí)，會(huì)折斷電機(jī)軸，甚至炸頭。般通過檢測(cè)電機(jī)軸的擺動(dòng)探知不平衡，常用的方法：機(jī)械位置開關(guān)、磁電阻（MSR）、超聲測(cè)距、加速度傳等。

　　機(jī)械位置開關(guān)簡單實(shí)用應(yīng)用廣，Heraeus的BiofugeStratos離機(jī)采用加速度傳器配以數(shù)據(jù)處理軟件，研制出智能不平衡識(shí)別系統(tǒng)，可以針對(duì)每種轉(zhuǎn)頭的特定重量，在離的過程進(jìn)行監(jiān)控，以往機(jī)械位置不平衡識(shí)別系統(tǒng)需恨據(jù)軸的擺動(dòng)距離，而且只在加速階段才管用的缺點(diǎn)，使其在任何速度，甚至在速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，也能探測(cè)哪怕是試管破裂和樣品外溢而導(dǎo)致的不平衡；

　　提離機(jī)自身的抗不平衡能力，不僅可以提離機(jī)的堅(jiān)固性，同時(shí)由于轉(zhuǎn)頭操作時(shí)，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。般小型離機(jī)將整個(gè)電機(jī)放在抗震的彈性支架上，如橡膠墊等，速離機(jī)還往往采用揉性軸抗震。eppendorf5415C將整個(gè)電機(jī)懸掛在橡膠支架上，Heraeus的BiofugeStatos離機(jī)采用稱力“SpindieDriver”的抗震驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，整個(gè)軸放在個(gè)抗震緩沖容器，克服了揉性軸易折、易斷的缺點(diǎn)，因而更結(jié)實(shí)、更耐不平衡、起制動(dòng)更快（約305）；

　　轉(zhuǎn)頭識(shí)別系統(tǒng)可以自動(dòng)的鑒別轉(zhuǎn)頭，限制轉(zhuǎn)頭的轉(zhuǎn)速，地防止了用戶的誤操作。轉(zhuǎn)頭識(shí)別的基本原理是為每個(gè)轉(zhuǎn)頭設(shè)的編碼，或在每個(gè)轉(zhuǎn)頭底部鑲嵌定數(shù)量的小磁鐵，用霍爾傳，或是采用光電折射環(huán)傳，更復(fù)雜的超聲和無線射頻轉(zhuǎn)頭認(rèn)別，轉(zhuǎn)頭不用運(yùn)轉(zhuǎn)即可識(shí)別，甚至連轉(zhuǎn)頭蓋是否蓋都能探知。

　　環(huán)保主要表現(xiàn)在兩方，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)體制冷的離機(jī)尚不多見；二是降噪音，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(yàn)機(jī)構(gòu)計(jì)量認(rèn)證技術(shù)考核規(guī)范（fiG10290），測(cè)試實(shí)驗(yàn)室的噪音不大于70dBo通常離機(jī)采月的降噪音措施：外殼和轉(zhuǎn)動(dòng)頭腔體加吸音涂層；采用堅(jiān)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。般經(jīng)減震處理后，離機(jī)的噪音可以限制在60分貝以內(nèi)。

　　作為電氣設(shè)備，離機(jī)還滿足相應(yīng)的電氣和電磁兼容性（EMC）標(biāo)準(zhǔn)，如國際電工委員會(huì)（InternationalElectrotechnicalCommission，IEC）的“IEC醫(yī)用電氣設(shè)備通則”。歐盟的“EN61010－且和61010－2－020”，電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)歐盟“EN55082－１”等。我國也參照國際標(biāo)準(zhǔn)，制定了適合我國國情的電氣和電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)，“醫(yī)用電氣設(shè)備通用要求”及“電動(dòng)工具、家用電器和類似器具無線電干擾特性的測(cè)量方法和允許值（GM343－84）”等。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(gè)指標(biāo)，要求用戶在大修后或定期檢查這四個(gè)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(duì)外界產(chǎn)生電磁干擾，同時(shí)自身也要抗電磁干擾的能力。由于離機(jī)既產(chǎn)生強(qiáng)電磁干擾的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)，又對(duì)電磁干擾的微機(jī)弱電系統(tǒng)，所以不論是廠家還是用戶都應(yīng)關(guān)注離機(jī)的電磁兼容性?？傊x機(jī)的機(jī)械和電氣Heraeus的highconic足人們對(duì)質(zhì)量和日益嚴(yán)格的要求，取標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的產(chǎn)品可以取用戶更多的信任。

　　4、轉(zhuǎn)頭進(jìn)和種類增多

　　實(shí)驗(yàn)室常用的轉(zhuǎn)頭：角度頭、甩平頭、垂直頭，以及專用和近年發(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(cè)試頭、滾筒頭和生物頭等，轉(zhuǎn)頭種類增多，進(jìn)了離方法，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、造價(jià)低，但抗腐蝕和耐溫性差；鈦合金除具鋁合金的優(yōu)點(diǎn)外，還可以抗腐蝕和耐溫性，直接進(jìn)行壓溫，在溫下工作。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，重量只鋁合金頭的三分之；Sorval的系列超輕鋁制頭重量減少半；IEC研制出抗腐耐溫的聚丙烯頭，既可以漂白清洗，也可以直接壓溫；Heraeus的highconic（45度速角度頭）頭，采用空腔體結(jié)構(gòu)，在小離機(jī)，負(fù)荷6X50ml樣品，速運(yùn)轉(zhuǎn)；eppendorf采用薄鋁合金板，用模具壓成空角度頭；Hettich用薄鋼板周邊開槽掛吊藍(lán)的方法，制成甩平頭。其它方，Heraeus進(jìn)了生物頭的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)，解決生物頭速密封差的缺點(diǎn)，壓溫?cái)?shù)不限，并經(jīng)過獨(dú)立評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu)英國應(yīng)用微生物研制的CAMR測(cè)試。

　　轉(zhuǎn)頭在速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生離應(yīng)力，當(dāng)離應(yīng)力超過定的限度后，將引起轉(zhuǎn)頭過早失，甚至炸頭，所以用戶定要注意轉(zhuǎn)頭的正確使用和妥保管。轉(zhuǎn)頭使用后，應(yīng)及時(shí)清洗，切勿碰撞擦傷，如不慎失落，應(yīng)對(duì)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，應(yīng)及時(shí)終止超壽命轉(zhuǎn)頭的使用，通常廠家都注明轉(zhuǎn)頭的時(shí)數(shù)和離數(shù)，不論哪個(gè)指標(biāo)先，都說明轉(zhuǎn)頭壽命已。關(guān)干轉(zhuǎn)頭壽命的延長應(yīng)嚴(yán)格遵循廠家的說明，般在下列情況下，要降低轉(zhuǎn)頭的轉(zhuǎn)速：①轉(zhuǎn)頭的壽命已，但轉(zhuǎn)頭保存良，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使用不銹鋼離管和套管樣品平均密度超過1.2g/ml時(shí)。

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