实验室离心机关键技术及其发展情况

实验室离心机关键技术及其发展情况 | 时间: September-25 12:27:22 | 分类:技术栏目

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    实验室离心机是将样品进行分离的仪器,广泛应用干生物医学、石油化工、农业、食品卫生等领域,它利用不同物质在离心力场中沉淀速度的差异,实现样品的分析分离。离心机自问世以来,历经低速、调整、超速的变迁,其进展主要体现在离心设备和离心技术两方面,二者相辅相成。从转速看,台式离心机基本属于低速、高速离心机的范畴,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。通用台式离心机的发展已经模糊了低速、高速量离心机的界线,众多的转头为科研人员提供相当广泛的应用范围,成为科研实验室首选机型。

交流变频调速将逐步取代直流调速。转速调节系统是离心机的核心部分,由控制、功率驱动和电机三大要素组成,主要是控制电机的转速。在离心机的发展进程中直流调速功不可没,其主要特点是具有良好的起制动、调速范围宽、结构简单、成本低、理论和实践都比较成熟等,因此八十年代前在离心机中得到广泛的应用,至今仍在应用和不断的改进,如改进直流电机铜头和碳刷的耐磨性,以延长电机的寿命和碳刷的更换周期等。   
可控直流调速是经典的直流调速方案,结构简单、技术成熟,基本满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、轻负载时易出现断流现象、为维持直流电机电流的连续,需加一笨重的平滑电感,增加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,开关功率变换技术逐渐在离心机直流调速系统中得到应用,这种技术主要是通过高频直流斩波,调节脉冲占宽比,改变辅出电压,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,即可获得平滑的直流电流,克服了直流调速的缺点,因此转速更平滑,调速范围更宽。   
开环调速是最简单的调速方案,甚至十几个分立器件或一个集成块即可组成一个系统,所以至今国内某些低价位的离心机仍采用这种方案,其主要缺点是需要手动调速,不能控制电机的电流,转速精度和技术附加值都比较低。鉴于开环调速的局限性,国内外大部分离心机普遍采用既有电流反馈又有转速反馈的双闭环调速方案,其主要优点是自动调速、升速快、转速超调小、精度高、限流功能避免电机过电流损坏。   
虽然直流调速历史悠久、技术成熟、但直流电机机械整流子换向是其致命的弱点,限制了电机的转速,整流子带来干扰,需要更换碳刷等,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,增加了成本和体积,降低了寿命和可靠性。七十年代末,国外超速离心机中率先采用变频调速技术,主要通过改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,不仅免去更换碳刷之烦,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性能指标;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达到或超过直流电机的水平;四是变频调速专用大规模集成电路和微处理器大大简化了变频电路,目前变频调速完全可以和直流调速相媲美。九十年代后,国外主要离心机厂商的全线产品几乎都采用变频调速的技术,不论超速、高速,还是低速离心机,我国也将变频调速离心机列为攻关计划,部分厂家已经推出变频调速离心机。根据交流电机不同,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:异步感应电机、无刷直流电机和可变磁阻电机。1988年2、多功能、自动化和微机控制   
随着离心机制造和应用技术的发展,离心机不仅在调速技术方面取得进展,而且在多功能和自动化方面也有长足进步,如可变速率起制动、程序变速、直接输入离心力、操作程序的存储和调用、仪器状态的自动诊断、要求尽可能全的显示离心机的参数和状态信息、更加完善的安全保护功能等,有些功能不仅是锦上添花,而且直接影响离心效果,如可变速率起制动和程序变速可以改善区带离心效果和缩短离心时间等。早期离心机控制系统由分立元件组成,电路复杂、成本高、许多功能难以实现。   
采用微机技术后,可由软件替代硬件的功能或完成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、自动化也成为现实。一般离心机微机控制系统的核心是单片微机,硬件系统包括:操作界面、电机控制界面、温度控制界面、安全防护监控界面、系统监控等。操作界面管理键盘和显示器,为便干用户操作和监视运行参数,操作界面应遵循简单扼要,逻辑性强,参数一目了然的原则。
离心机使用不当,如转头超速、超载、不平衡等,都有可能损坏仪器,甚至炸头,威胁人身安全,所以厂商特别注意安全设计,国际上及各国也制定相应的安全标准,离心机和离心管的工业标准。
机械安全设计主要包括以下内容:   
①门锁防护系统,采用机械和电子双层门锁,要求门锁关闭后,离心机才能启动,电机停止动后, 才可以开盖
②离心机腔体和盖采用坚固的装甲钢,以防转头飞逸心转头的不平衡检测至关重要,转头的不平 衡会导致电机轴产生摆动,影响离心机寿命,严重时,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。
④提高离心机自身的抗不平衡能力,不仅可以提高离心机的坚固性,同时由于转头操作时,不需 严格的平衡,甚至目视平衡即可,因而方便了用户操作。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,高速离心机还往往采用揉性轴抗震。
⑤转头识别系统可以自动的鉴别转头,限制转头的最高转速,有效地防止了用户的误操作。转头 识别的基本原理是为每一个转头设一个的编码,或在每一个转头底部镶嵌一定数量的小磁铁,用传感,或是采用光电折射环传感,更复杂的有超声和无线射频转头认别,转头不用运转 即可识别,甚至连转头盖是否盖好都能探知。   
环保主要表现在两方面,   
降噪音,一般通常谈话声为60分p,公共气车行驶声为70至80分贝,医学研究表明,70分贝以上的噪音能干扰谈话,造成心烦意乱,影响工作,甚至引起事故,根据我国产品质量检验机构计量认证技术考核规范(fiG102一90),测试实验室的噪音不得大于70dBo通常离心机采月的降噪音措施有:外壳和转动头腔体加吸音涂层;采用坚固稳重的抗震底座吨机与机械框架用弹性减震器隔离;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制在60分贝以内。   
严格的要求,取得标准认证的产品可以取得用户更多的信任。
 

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