離機是將樣品進行分離的儀器，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)在離力場沉淀速度的差異，實現(xiàn)樣品的分析分離。離機自問世以來，歷經(jīng)低速、調(diào)整、超速的變遷，其進展主要體現(xiàn)在離設(shè)備和離技術(shù)兩方，二者相輔相成。從轉(zhuǎn)速看，實驗室離機基本屬于低速、速離機的范疇，因此具低速和速離機的技術(shù)特點，其結(jié)構(gòu)主要由電機驅(qū)動系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、機械系統(tǒng)、轉(zhuǎn)頭和系統(tǒng)控制等幾部分組成，與落地式離機相比只不過是尺寸和容量小點罷了。河南北弘實驗室離機的發(fā)展已經(jīng)模糊了低速、速、微量和大容量離機的界線，眾多的轉(zhuǎn)頭為科研人員提供相當廣泛的應(yīng)用范圍，成為科研實驗室機型。
本文將結(jié)合國內(nèi)外流行的實驗室離機．著重從功能結(jié)構(gòu)，介紹實驗室離機的關(guān)鍵技術(shù)及其進展，并希望通過國內(nèi)外流行機型的技術(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)是離機的核部分，由控制、功率驅(qū)動和電機三大要素組成，主要是控制電機的轉(zhuǎn)速。在離機的發(fā)展進程直流調(diào)速功不可沒，其主要特點是具良的起制動、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機廣泛的應(yīng)用較成熟等，因此八十年代前在離機廣泛的應(yīng)用，至今仍在應(yīng)用和不斷的進，如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(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，基本滿足離機調(diào)速的需求，因此在國內(nèi)外離機廣泛的應(yīng)用。其主要缺點是，整流波形差、電流脈動大、輕負載時易出現(xiàn)斷流現(xiàn)象、為維持直流電機電流的連續(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，如功率晶體管和場應(yīng)管等，開關(guān)功率變換技術(shù)逐漸在離機直流調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用，如德國eppendorf5410和5402離機，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，為直流電機供電。由于開關(guān)頻率很，般小于50KHZ僅靠電機自身的電濾波，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，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，甚至十幾個分立器件或個集成塊即可組成個系統(tǒng)，所以至今國內(nèi)某些低價位的離機仍采用這種方案，其主要缺點是需要手動調(diào)速，不能控制電機的電流，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)點是自動調(diào)速、升速快、轉(zhuǎn)速超調(diào)小、精度、限流功能避免電機過電流損壞。
雖然直流調(diào)速歷史悠久、技術(shù)成熟、但直流電機機械整流子換向是其致命的弱點，限制了電機的轉(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，國外超速離機率先采用變頻調(diào)速技術(shù)，主要通過變應(yīng)電機的供電頻率調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。由于應(yīng)電機無需機械整流子，不僅免去更換碳刷之煩，而且提了電機轉(zhuǎn)速，甚至十幾萬轉(zhuǎn)的超速離機，也能直接驅(qū)動，大大簡化離機的結(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)進了逆變器的性能指標；三是控制技術(shù)的發(fā)展，如矢量控制技術(shù)等，使應(yīng)電機的控制性能達或超過直流電機的水平；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電機控制單片機等，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，如德國Heraeus、Hettich等，我國也將變頻調(diào)速離機列為攻關(guān)計劃，部分廠家已經(jīng)推出變頻調(diào)速離機，如上海亭科學(xué)儀器廠，科院生物物理所等。根據(jù)交流電機不同，變頻調(diào)速也所區(qū)別，目前變頻調(diào)速離機所用電機主要三種：異步應(yīng)電機、無刷直流電機和可變磁阻電機。1988年SORVALL應(yīng)用無刷直流電機推出RC－285亞超速離機，Beckman應(yīng)用可變磁阻電機生產(chǎn)出轉(zhuǎn)速達三萬轉(zhuǎn)的Avanti系列離機，其起制動加減速率比同類離機快倍，但目前應(yīng)用普及和成熟還是異步應(yīng)電機。
2、多功能、自動化和微機控制
隨著離機制造和應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，離機不僅在調(diào)速技術(shù)方取進展，而且在多功能和自動化方也長足進步，如可變速率起制動、程序變速、直接輸入離力、操作程序的存儲和調(diào)用、儀器狀態(tài)的自動診斷、要求盡可能的顯示離機的參數(shù)和狀態(tài)信息、更加完的保護功能等，些功能不僅是錦上添花，而且直接影響離果，如可變速率起制動和程序變速可以區(qū)帶離果和縮短離時間等。早期離機控制系統(tǒng)由分立元件組成，電路復(fù)雜、成本、許多功能難以實現(xiàn)。采用微機技術(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，如離機程序控制、電機控制等，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。
般離機微機控制系統(tǒng)的核是單片微機，硬件系統(tǒng)包括：操作界、電機控制界、溫度控制界、防護監(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)視運行參數(shù)，操作界應(yīng)遵循簡單扼要，邏輯性強，參數(shù)目了然的原則。德國Heraeus的Biofugestratos離機采用”EasyCon－trol’臊作界，顯示和分別處理運行參數(shù)，采用國際認可的圖形語言和盡可能少的單功能操作鍵；德國Hettich離機僅用三個鍵即可處理操作參數(shù)；德國Hermle新款離機繼承傳統(tǒng)離機的操作特點，仍采用旋鈕調(diào)節(jié)參數(shù)。電機控制界的輸入是電機的電流和轉(zhuǎn)速信號，輸出是電機轉(zhuǎn)速的控制信號，轉(zhuǎn)速傳般：同軸發(fā)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、成本低、可靠和應(yīng)用簡單，所以日前應(yīng)用較多。
離機轉(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的、精度更變頻壓機調(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，如德國HettiCh的16和30F，為減少電機熱傳導(dǎo)和轉(zhuǎn)頭風阻產(chǎn)熱對樣品的影響，采用風冷降溫技術(shù)，風冷離機的風道設(shè)計是關(guān)鍵，般風從頂部吸入，由底部排出，流動的氣體將轉(zhuǎn)頭和電機的熱量帶走，科學(xué)的風道既可以降溫，也可以減少噪音；些離機控制和顯示轉(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，前者需做大量的實驗，技術(shù)含量，更受用戶的歡迎。防護監(jiān)控界主要包括：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)，及時保護和給出故障信息，方便維修。單片微機擇集程度、專用及總線在內(nèi)部的單片機，集程度可以減少造價和提可靠性，專用可以簡化設(shè)計和提集成度，內(nèi)部總線通過Ｉ／Ｏ口與外部隔離，減輕電磁噪音對總線的干擾，eppendorf5415C控制系統(tǒng)的核僅由個帶ADC的單片機（38ADP70）和個外圍集成塊（ULN2802A組成，電路十分簡單。
3、注意、環(huán)保和國際標準
離機使用不當，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，國際上及各國也制定相應(yīng)的標準，如德國的離機意外事故防護規(guī)范（UVV，VBG7Z），離機和離管的工業(yè)標準（DIN58970，PARTI，2，3and4）。
機械設(shè)計主要包括以下內(nèi)容：
門鎖防護系統(tǒng)，采用機械和電子雙層門鎖，要求門鎖關(guān)閉后，離機才能啟動，電機停止動后，才可以開蓋。
離機腔體和蓋采用堅固的裝甲鋼，以防轉(zhuǎn)頭飛逸轉(zhuǎn)頭的不平衡檢測至關(guān)重要，轉(zhuǎn)頭的不平衡會導(dǎo)致電機軸產(chǎn)生擺動，影響離機壽命，嚴重時，會折斷電機軸，甚至炸頭。般通過檢測電機軸的擺動探知不平衡，常用的方法：機械位置開關(guān)、磁電阻（MSR）、超聲測距、加速度傳等。
機械位置開關(guān)簡單實用應(yīng)用廣，Heraeus的BiofugeStratos離機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別系統(tǒng)，可以針對每種轉(zhuǎn)頭的特定重量，在離的過程進行監(jiān)控，以往機械位置不平衡識別系統(tǒng)需恨據(jù)軸的擺動距離，而且只在加速階段才管用的缺點，使其在任何速度，甚至在速運轉(zhuǎn)時，也能探測哪怕是試管破裂和樣品外溢而導(dǎo)致的不平衡；
提離機自身的抗不平衡能力，不僅可以提離機的堅固性，同時由于轉(zhuǎn)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。般小型離機將整個電機放在抗震的彈性支架上，如橡膠墊等，速離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BiofugeStatos離機采用稱力“SpindieDriver”的抗震驅(qū)動系統(tǒng)，整個軸放在個抗震緩沖容器，克服了揉性軸易折、易斷的缺點，因而更結(jié)實、更耐不平衡、起制動更快（約305）；
轉(zhuǎn)頭識別系統(tǒng)可以自動的鑒別轉(zhuǎn)頭，限制轉(zhuǎn)頭的轉(zhuǎn)速，地防止了用戶的誤操作。轉(zhuǎn)頭識別的基本原理是為每個轉(zhuǎn)頭設(shè)的編碼，或在每個轉(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)頭認別，轉(zhuǎn)頭不用運轉(zhuǎn)即可識別，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)量檢驗機構(gòu)計量認證技術(shù)考核規(guī)范（fiG10290），測試實驗室的噪音不大于70dBo通常離機采月的降噪音措施：外殼和轉(zhuǎn)動頭腔體加吸音涂層；采用堅固穩(wěn)重的抗震底座噸機與機械框架用彈性減震器隔離；應(yīng)用無整流子電機等。般經(jīng)減震處理后，離機的噪音可以限制在60分貝以內(nèi)。
作為電氣設(shè)備，離機還滿足相應(yīng)的電氣和電磁兼容性（EMC）標準，如國際電工委員會（InternationalElectrotechnicalCommission，IEC）的“IEC醫(yī)用電氣設(shè)備通則”。歐盟的“EN61010－且和61010－2－020”，電磁兼容性標準歐盟“EN55082－１”等。我國也參照國際標準，制定了適合我國國情的電氣和電磁兼容性標準，“醫(yī)用電氣設(shè)備通用要求”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。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，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(zhí)行電磁兼容性指標，規(guī)定凡是通過“EN55082－二”EMC認證的設(shè)備，配發(fā)CE標志，并規(guī)定凡帶CE標志的產(chǎn)品，歐盟各加盟國應(yīng)準許過境，不許留難。電磁標準要求電氣設(shè)備不應(yīng)對外界產(chǎn)生電磁干擾，同時自身也要抗電磁干擾的能力。由于離機既產(chǎn)生強電磁干擾的電氣傳動系統(tǒng)，又對電磁干擾的微機弱電系統(tǒng)，所以不論是廠家還是用戶都應(yīng)關(guān)注離機的電磁兼容性。總之離機的機械和電氣Heraeus的highconic足人們對質(zhì)量和日益嚴格的要求，取標準認證的產(chǎn)品可以取用戶更多的信任。
4、轉(zhuǎn)頭進和種類增多
實驗室常用的轉(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、酶標板頭、毛細管頭、石油測試頭、滾筒頭和生物頭等，轉(zhuǎn)頭種類增多，進了離方法，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、強度、造價低，但抗腐蝕和耐溫性差；鈦合金除具鋁合金的優(yōu)點外，還可以抗腐蝕和耐溫性，直接進行壓溫，在溫下工作。為減輕電機的負荷及增加樣品的容量，許多廠家進了轉(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，負荷6X50ml樣品，速運轉(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的方法，制成甩平頭。其它方，Heraeus進了生物頭的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)，解決生物頭速密封差的缺點，壓溫數(shù)不限，并經(jīng)過獨立評價機構(gòu)英國應(yīng)用微生物研制的CAMR測試。
轉(zhuǎn)頭在速運轉(zhuǎn)時，內(nèi)部會產(chǎn)生離應(yīng)力，當離應(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)及時清洗，切勿碰撞擦傷，如不慎失落，應(yīng)對轉(zhuǎn)頭進行X光檢查，確認內(nèi)部無創(chuàng)傷后，方可使用。使用，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)和離數(shù)，不論哪個指標先，都說明轉(zhuǎn)頭壽命已。關(guān)干轉(zhuǎn)頭壽命的延長應(yīng)嚴格遵循廠家的說明，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。
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