/ 上海市計量測試技術(shù)研究院

0 引言

轉(zhuǎn)速是離心機非常重要的技術(shù)參數(shù)，離心力的大小與轉(zhuǎn)速成正比。如果轉(zhuǎn)速達不到規(guī)定要求，樣本就不能被徹底分離，所以離心機轉(zhuǎn)速的準確與否直接影響樣本的檢驗。離心機有很多種類，本文探討的是實驗室離心機的轉(zhuǎn)速測量。按照國標GB/T 30099-2013對實驗室離心機的分類方式，離心機按轉(zhuǎn)速可分為低速離心機、高速離心機和超速離心機。低速離心機的轉(zhuǎn)速范圍小于等于10 000 r/min，最大允許誤差±2.5%。高速離心機的轉(zhuǎn)速范圍小于等于30 000 r/min，最大允許誤差±1%。離心機的轉(zhuǎn)速一般用光電測量法進行非接觸式測量，因為很多離心機上蓋有觀察孔可以接收轉(zhuǎn)速表的光電信號。觀察孔能透過光源并且可以通過其觀察離心機的工作情況。如果沒有觀察孔，測量離心機轉(zhuǎn)速時常用的方法是強制打開離心機上蓋，用光電測量法測量。此種方法的缺點是不安全，容易造成事故，故需要尋找合適的測量方法解決該類離心機的轉(zhuǎn)速測量問題。

1 測量方法

1.1 帶觀察孔的離心機轉(zhuǎn)速測量方法

離心機的轉(zhuǎn)速一般采用光電測量法測量，這是校準實驗室常用的測量方法，用帶有光電傳感器的電子計數(shù)式轉(zhuǎn)速表測量轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速。在離心機的主軸或與主軸剛性連接的零部件上貼上反光標簽，轉(zhuǎn)速表的光電式轉(zhuǎn)速傳感器通過離心機上蓋可以透過光源的孔（以下稱為觀察孔）接收到反光標簽的反射信號，將機械旋轉(zhuǎn)頻率轉(zhuǎn)換為電脈沖信號，通過電子計數(shù)器計數(shù)并顯示相應的轉(zhuǎn)速。此方法有測量方便可靠、響應速度快、靈敏度高等優(yōu)點。但是也有測量局限性，有時會受限于離心機上蓋觀察孔的大小及光電傳感器的光反射角度等原因，使得轉(zhuǎn)速顯示不穩(wěn)定致無法準確測量。又由于離心機所有外露的轉(zhuǎn)動件在離心機工作時有可能會對人體產(chǎn)生危害，為了安全使用離心機，出廠使用說明書中會有告知旋轉(zhuǎn)時禁止打開上蓋。如果離心機上蓋沒有觀察孔，光電傳感器就無法探測到旋轉(zhuǎn)信號，所以此方法目前只能測量上蓋帶有觀察孔的實驗室離心機的轉(zhuǎn)速。

1.2 無觀察孔離心機轉(zhuǎn)速測量方法的選擇

磁電測量方法是采用電子計數(shù)式轉(zhuǎn)速表與磁電式傳感器測量轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速。在離心機內(nèi)壁貼有磁體，把磁電式轉(zhuǎn)速傳感器安裝在離心機轉(zhuǎn)動軸的試管內(nèi)測量轉(zhuǎn)速。此種方法可以測量無觀察孔離心機的轉(zhuǎn)速，缺點是安裝不方便，抗干擾能力較差，因隨機誤差較大使得測量結(jié)果不準確。又由于醫(yī)用離心機的內(nèi)部污染嚴重，所以在離心機內(nèi)部安裝傳感器對校準人員會帶來健康安全風險，故不推薦使用此方法。

因光電式測量和磁電式測量這兩種方法都不適用于無觀察孔離心機轉(zhuǎn)速的測量，故選擇采用測振方法解決測量問題。用壓電加速度傳感器與相配套的電子計數(shù)式轉(zhuǎn)速表組成測量標準器。其工作原理是壓電加速度傳感器采集離心機旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的正弦振動信號并轉(zhuǎn)換成電壓信號，電子計數(shù)式轉(zhuǎn)速表將接收到的電壓信號進行數(shù)字信號處理（傅立葉變換）后直接顯示轉(zhuǎn)速。此方法是接觸式測量，在測量時可以將傳感器平穩(wěn)可靠地放置在離心機的上蓋或者能夠正確接受到振動信號的平面，使用方便，可以任意擺放。由于離心機產(chǎn)生振動的因素不只是由主軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的，還有其他原因會產(chǎn)生振動，導致信號疊加，為了能使轉(zhuǎn)速表正確穩(wěn)定地顯示轉(zhuǎn)速，在測量轉(zhuǎn)速時應根據(jù)傳感器得到信號的效果調(diào)整擺放的位置。選用的電子計數(shù)式轉(zhuǎn)速表要有調(diào)節(jié)靈敏度的功能，以便得到最佳測量結(jié)果。

2 振動測量法和光電測量法的實驗比較

2.1 實驗用標準器

比較實驗是通過分別用FT-2500型轉(zhuǎn)速表和HT-5500型轉(zhuǎn)速表測量同一臺離心機進行數(shù)據(jù)比較。采用日本小野公司生產(chǎn)的FT-2500型電子計數(shù)式轉(zhuǎn)速表和與該表配套使用的NP-3120型壓電加速度傳感器（以下簡稱振動式轉(zhuǎn)速表），以及HT-5500型手持電子計數(shù)式轉(zhuǎn)速表（以下簡稱手持式轉(zhuǎn)速表），分別對高速離心機和低速離心機進行測量。

2.2 實驗步驟

在實驗室環(huán)境條件下將離心機平穩(wěn)地安放在工作臺上，內(nèi)部離心管（杯）內(nèi)的物體對稱放置，以保證離心機旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)。在離心機工作前將門蓋密閉蓋好，以免在運行情況下發(fā)生人身傷害事故。

用手持式轉(zhuǎn)速表測量時需在離心機的旋轉(zhuǎn)體上貼反射標簽，啟動離心機將轉(zhuǎn)速調(diào)整到測量點，用手持式轉(zhuǎn)速表對準門蓋上的觀察孔，不斷調(diào)整位置直至轉(zhuǎn)速表能穩(wěn)定地接受反射光信號，每個測量點記錄三個數(shù)據(jù)用于數(shù)據(jù)分析。

用振動式轉(zhuǎn)速表測量時將壓電加速度傳感器直接放在離心機的門蓋上，啟動離心機將轉(zhuǎn)速調(diào)整到測量點，待轉(zhuǎn)速表顯示穩(wěn)定后讀取三個數(shù)據(jù)。

2.3 實驗數(shù)據(jù)分析

2.3.1 高速離心機的轉(zhuǎn)速測量

以德國eppendorf公司生產(chǎn)的Centrifuge 5417R型高速離心機作為被測對象。用手持式轉(zhuǎn)速表和振動式轉(zhuǎn)速表測得的數(shù)據(jù)見表1，比對結(jié)果見表2。

2.3.2 低速離心機的轉(zhuǎn)速測量

以北京時代北利離心機有限公司生產(chǎn)的DT5-6型低速離心機作為被測對象。用以上兩種方法測得的數(shù)據(jù)見表3，比對結(jié)果見表4。

表1 兩種測量方法測得的數(shù)據(jù) 單位：r·min-1

表2 兩種測量方法的比對結(jié)果 單位：r·min-1

表3 兩種測量方法測得的數(shù)據(jù) 單位：r·min-1

表4 兩種測量方法的比對結(jié)果 單位：r·min-1

2.3.3 比對結(jié)果說明

以上兩組比對實驗是基于以常用的0.1級手持電子計數(shù)式轉(zhuǎn)速表作為參考標準，驗證同樣是0.1級的電子計數(shù)式轉(zhuǎn)速表通過振動傳感器測量轉(zhuǎn)速的可靠性。通過比對實驗數(shù)據(jù)可以看出驗證結(jié)果都滿足要求，說明在一般實驗室條件下用振動式轉(zhuǎn)速表測量結(jié)果與用手持式轉(zhuǎn)速表測量的結(jié)果一樣可靠，且振動式轉(zhuǎn)速表響應速度更快。

3 結(jié)語

受制于國內(nèi)儀器儀表的發(fā)展，目前轉(zhuǎn)速校準實驗室基本沒有使用振動測量法測量離心機轉(zhuǎn)速。從實驗結(jié)果看振動式轉(zhuǎn)速表測量完全滿足校準要求，因振動傳感器可以不接觸離心機的內(nèi)腔，所以用此方法測量既干凈衛(wèi)生又使用方便，可以廣泛用于無觀察孔離心機和受污染離心機的校準。