主题:【第八届原创】解析Waters 510泵,带你深入内部识元件学原理

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sc360xp
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9月二等奖
      高效液相色谱分析仪(HPLC),由于色谱柱内的填充物对流动相的阻力很大,需要压力很高的液体输送泵,通常为数十MPa左右(即每平方厘米几百公斤压力),所以,又称高压液相。并且在工作时,应保持流量、压力平稳,使用故障率低、便于更换易损零件,所以对泵的设计、制造要求较高。
      Waters510泵压力0~45MPa,流速0~9.9 mL/min,流速可变值为0.1mL/min。510泵号称不死鸟,可见其质量过硬、经久耐用,口碑比较好。其许多设计在Waters新型号仪器中看得见它的影子。岁月不饶人,公司有好几台510泵更换下来放置在角落。将一台正常的510泵拆开看看内部结构,并作一定分析,绘出部分电路图,测量相关电路参数,供还在使用中的单位和专业人士保养、维修时参考。
由于篇幅较长,阅读目录如下:
一、外貌
二、510泵工作原理
三、拆解及简要分析
1、抽液阀、参比阀
2、泵头
3、泵机械驱动系统
4、脉动阻尼器
5、压力传感器
6、泵电机
7、电气控制箱
8、供电电源
9、主电路板
10、泵电机电源及驱动电路
11、泵驱动脉冲产生电路及泵流速设置电路
12、压力报警电路
四、各单元电路参数
结束语
一、外貌
放在角落的三台510泵:

拆解这一台,仪器各部分名称:

仪器后部:

二、510泵工作原理
510泵工作示意图如下,510泵是恒流往复式并联柱塞泵。首先设置好面板上的流速、压力限制,准备好流动相等工作,当打开机器电源开关后,步进电机带动驱动齿轮及两个非圆齿轮转动,非圆齿轮再带动A、B两个泵头的柱塞杆运动,将流动相抽进泵内并压出,A、B两个泵头压出的流动相经过混合器(或使用参比阀)混合、脉动阻尼器平稳波动、压力传感器测压,然后送入下级。

三、拆解及简要分析
(为了避免遗失,有的零件拆开拍照后,及时装回去了,看起来顺序会有点不协调)
1、抽液阀、参比阀
抽液阀、参比阀结构示意图如下:

拆下抽液阀:



抽液阀常见故障:堵塞,清洗干净即可。
拆下参比阀:


参比阀结构分解图如下:

底部的密封子及连接螺纹:

卸下固定螺栓:

分开阀体:

移开膜片,下面是密封垫片:

膜片中心的金箔层已经脱落,并已经受到腐蚀。看情况膜片用金量还不少呢:


参比阀常见故障:堵塞,膜片和垫片损坏。
2、泵头
警示:
为了避免损坏宝石柱塞杆,拆泵头前应将柱塞杆指示杆(白色)最大限度地缩回泵头内。方法1:慢速转动,待白色指示杆缩回泵头内就切断电源开关;方法2:机器有故障不能转动,卸下电机后(后面有拆解过程阐述),用手拨动驱动齿轮,使白色指示杆缩回泵头。




泵头的结构示意图如下:

拆下左泵头固定螺栓:

慢慢地、小心地移开泵头:

取下的泵头:

泵头背面:

旋下输出单向阀:

这是金属过滤芯:

取出滤芯后,下面的垫片:

输出单向阀零件顺序:

旋下输入单向阀:

输入单向阀零件顺序:

这是红宝石阀球、蓝宝石阀座。阀座口有一圈斜坡,确保与阀球接触紧密,清洗安装时,这一面不要安装反了!

泵头全部零件,左边是输出单向阀零件,右边是输入单向阀零件,中间是泵体:

进一步卸下泵基座:


泵头常见故障:输入阀和输出阀内部的过滤头被堵塞(有晶体颗粒或发霉);宝石阀杆磨损产生溶剂泄漏;泵垫圈磨损,压力不稳或起不来(一般情况下,拆泵两次以上应更换新垫圈,确保泵运行正常);使用不当,某些流动相与泵垫圈不协调,造成垫圈被溶解变质。
还有的故障是人为的,比如清洗完后,把输入阀与输出阀的零件装反了,没有流速;装少了零件,流速不正常;或安装不当,宝石阀杆被卡住,不能运行。


3、泵机械驱动系统

机械驱动部分:

510泵机械驱动系统示意图如下:

Waters 510机械驱动系统采用非圆齿轮(其他公司大多数采用凸轮),这是Waters的专利技术,它充分利用两泵头非线性运动产生的加速度变化,进行流量及压力的交叉互补,克服了凸轮设计中的失速问题;并联泵的设计使系统脉动更低、流量均匀;采用了低摩擦轴承和免维护润滑系统;步进电机供电回路有过流检测并控制;机械系统故障率低。
4、脉动阻尼器
Waters510泵采用了并联双泵系统,压力脉动较低,加装脉动阻尼器后,使压力更加平稳。
拆下机箱前板:

脉动阻尼器与压力传感器紧挨在一起:

脉动阻尼器是一个长方体,内部为机械阻尼结构。脉动阻尼器失效后,系统的细小压力波动会上升;脉动阻尼器损坏后,有时还有漏液的现象:

5、压力传感器
Waters510泵使用的是布尔登压力传感器,这与大多数HPLC高压输液泵管路上采用硅扩散式压力传感器的情况不同。
拆下压力传感器后盖螺丝:

金属压力管一头为进、另一头为出,头部折叠呈扁型,安装在小钨灯和两只光敏电阻之间。金属管受到压力作用时,其位置发生变化,使下面的光敏电阻接受到的光线也发生变化:

拆下压力传感器:

中心是一个微调电位器调整孔:

蓝色的方形元件是压力表调零电位器:

小钨灯采用5V直流供电,亮灯的情况:

这是压力表,采用卧式电磁指针仪表:

压力传感器工作原理:压力检测部分电路图如下所示,当传感器的不锈钢细管内部压力发生变化时,不锈钢细管会发生微量的移位,这一位置变动引起两只差分光敏电阻接受到的光量变化,其电阻值发生变化,桥路输出一个差动电压信号,经前级电路处理后,送入压力控制电路(PRES端)和压力表显示电路。该压力传感器的特点是,灵敏度较高,对压力波动特别敏感,但不锈钢细管耐压力变动冲击不够高。当色谱柱的过滤头堵塞时,过高的压力往往会引起不锈钢细管变形,严重时会引发停泵故障。

常见故障:由于小钨灯灯丝烧断,细钢管变形移位,光敏电阻表面有灰尘,出现压力表不能调零、泵无法启动等问题。
(未完,请移步楼下观看!)
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(接楼上,继续发。)
6、泵电机
为了精确控制转速和调速,采用步进电机驱动柱塞泵。
泵驱动电机采用四相步进电机,美国Superior Electric公司的产品,直流电压1.7V、电流4.7A:

拆下电机的四颗固定螺丝:

电机轴上的动力齿轮:

电机的转子:

这是电机的四相定子绕组(四对磁极):

泵电机故障:该电机结构牢实,又有过流保护电路,故障很少。极个别情况有轴承磨损、运行时哗哗响,定子绕组短路烧毁、不能工作。
7、电气控制箱
先卸下电机旁边的接地线:

取出电气控制箱,灰尘很多,看来以前没有定期清洁,保养得不好:


厂家制造签,标示拷机4小时:

8、供电电源
电源插座上集成了EMI低通滤波电路,对电源高频干扰有抑制作用:

整机采用一台E型铁芯工频变压器供电,功率大约60VA:

散热风扇采用110V交流风机,噪声小风量大,质量很好:

供电电路图如下,K是双联电源开关,KX是电源电压等级(110V/220V)切换开关。次级有三组供电,双9.3V绕组经整流稳压后,为电路提供±5V直流电源;单21V绕组为步进电机提供电源;双21V绕组经整流稳压后,为电路运放提供±15V直流电源:

9、主电路板
从电气控制箱上取下主电路板,清除灰尘:


电路板上主要功能元件分布:

电路板背面,没有电子元件:

10、泵电机电源及驱动电路
①泵电机电源电路
电源变压器次级21V交流电经CR18、CR19两只金属封装双整流二极管组成的桥式整流电路整流,C21、C22两只电解电容滤波,为步进电机提供直流电源。由R49、U1、Q1、Q11、VR1等元件组成工作电流过流检测、控制电路,起到保护电机的作用。电路图如下:

泵电机电源电路主要元件参数:
双整流二极管CR18、CR19采用R716E, 30安培600伏;
电流调整三极管Q11是NPN型,2N5881 15A/60V;
电路取样集成电路U1使用3/4 LM348N(即采用内部第3运放);
滤波电容C21、C22使用4700μF/50V电解电容。

②泵电机驱动电路
泵电机驱动电路工作原理:见下面电路图,工作脉冲经C6、Q3到达触发器SN74107N的触发端CK,按照四相分频后,控制信号经与非门DM7400N倒相,逐一控制步进电机驱动管Q4、Q5、Q6、Q7的通断。

TI(美国德州仪器)公司的双JK负边沿触发器SN74107N构成四相分频器,倒相器采用AB(美国国家半导体)公司的四与非门集成电路DM7400N:

驱动管Q4~Q7采用TI公司的达林顿管TIP122,图中F1是泵电机电源电路8A保险管:

常见故障:开机发出“嘎嘎嘎”响声,电机不转动,严重时烧保险管。通常故障原因是脉冲电路、驱动电路、泵电机电源电路有故障,或控制电路缺相造成的。
11、泵驱动脉冲产生电路及泵流速设置电路
510泵属于手动控制,通过流速设置拨轮设定流速,电路相对比较简单,实质是可调模拟电路脉冲发生器。脉冲发生器采用可编程单结晶体管2N6028(主板上编号Q2)和可变电阻网络(流速设置拨轮盒)等元件构成。当压力超出警告设置值、泵电流超负荷,电路中的U1(第2个运放)会终止脉冲电路工作,从而停止泵的驱动。该机还可以通过外部控制器控制泵的运行。绘出电路图如下:

这是摩托罗拉公司的可编程单结晶体管2N6028,紧挨在U1(LM358N)旁边:

这是取下的流速设置拨轮盒:

拨轮盒背后的电阻,一共有9只1KΩ(精度为±1%)电阻。通过拨轮接入不同阻值的电阻,改变脉冲发生器频率,达到调速的目的:

拆下拨轮盒外盖,看见PCB拨盘,担心内部机械零件散落,就没有继续拆了:

12、压力报警电路
压力报警电路用面板上的电位器设定压力报警值,压力检测电路送来的信号“PRES”与设定值比较,当系统压力值大于设定值, 集成电路U4(LM348N)的第3运放输出高电位,三极管Q10导通,点亮红色LED报警灯;同时保护电路动作,停止输液泵工作。电路图如下:

这是集成电路U4(LM348N)和硅NPN三极管Q10(2N1711):

红报警灯是与复位按钮集成在一起的:

四、各单元电路参数
1、电源变压器各输出电压(从主板上拔下变压器次级插头,再开机测量):

2、主电路板检查点电压值(电气控制箱与泵箱脱离,主电路板只接变压器次级插头J2,不接J1、J3,开机测对地电压,主板上DS1四只红发光二极管全亮):

结束语:waters 510泵是早期的产品,手动操作,自动化程度不高,故障率较低。另一方面,该机是模拟电路,维修难度小、费用低,第三方维修也完全可以胜任。相关零件的拆解顺序,可供拆其它机型类似零件借鉴。希望该文能对你学习掌握HPLC输液泵相关知识和维修有一定帮助。
(由于不是厂家设计人员,错误难免,欢迎指正。)
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2015/9/7 19:56:10 Last edit by sc360xp
abcde
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给力
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第一次见到沃特斯这么老的仪器,用了多少年了,这样修了,还可以用是吧
sc360xp
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原文由 给力(huojuncai) 发表:
第一次见到沃特斯这么老的仪器,用了多少年了,这样修了,还可以用是吧
该仪器是1992年的,还能用。但本单位购了新机,这个就闲置了。也有一些单位还在使用,是很经典的一款泵,用两台能方便地组成二元高压梯度。
cauliflower
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一片枫叶
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坼机图文,详细解读;结构原理,更加清晰;收藏学习,感谢分享!
changineer
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nixiaolong
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写的不错 楼主从事液相工作多长时间了