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解析Waters 510泵，带你深入内部识元件学原理

sc360xp

2015/09/07

私聊

液相色谱（LC）

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！）

精
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私聊

sc360xp

第1楼2015/09/07

（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。）