离心机几种转速测量方法的比较
2019-01-08上海市计量测试技术研究院
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0 引言
转速是离心机非常重要的技术参数，离心力的大小与转速成正比。如果转速达不到规定要求，样本就不能被彻底分离，所以离心机转速的准确与否直接影响样本的检验。离心机有很多种类，本文探讨的是实验室离心机的转速测量。按照国标GB/T 30099-2013对实验室离心机的分类方式，离心机按转速可分为低速离心机、高速离心机和超速离心机。低速离心机的转速范围小于等于10 000 r/min，最大允许误差±2.5%。高速离心机的转速范围小于等于30 000 r/min，最大允许误差±1%。离心机的转速一般用光电测量法进行非接触式测量，因为很多离心机上盖有观察孔可以接收转速表的光电信号。观察孔能透过光源并且可以通过其观察离心机的工作情况。如果没有观察孔，测量离心机转速时常用的方法是强制打开离心机上盖，用光电测量法测量。此种方法的缺点是不安全，容易造成事故，故需要寻找合适的测量方法解决该类离心机的转速测量问题。
1 测量方法
1.1 带观察孔的离心机转速测量方法
离心机的转速一般采用光电测量法测量，这是校准实验室常用的测量方法，用带有光电传感器的电子计数式转速表测量转鼓转速。在离心机的主轴或与主轴刚性连接的零部件上贴上反光标签，转速表的光电式转速传感器通过离心机上盖可以透过光源的孔（以下称为观察孔）接收到反光标签的反射信号，将机械旋转频率转换为电脉冲信号，通过电子计数器计数并显示相应的转速。此方法有测量方便可靠、响应速度快、灵敏度高等优点。但是也有测量局限性，有时会受限于离心机上盖观察孔的大小及光电传感器的光反射角度等原因，使得转速显示不稳定致无法准确测量。又由于离心机所有外露的转动件在离心机工作时有可能会对人体产生危害，为了安全使用离心机，出厂使用说明书中会有告知旋转时禁止打开上盖。如果离心机上盖没有观察孔，光电传感器就无法探测到旋转信号，所以此方法目前只能测量上盖带有观察孔的实验室离心机的转速。
1.2 无观察孔离心机转速测量方法的选择
磁电测量方法是采用电子计数式转速表与磁电式传感器测量转鼓转速。在离心机内壁贴有磁体，把磁电式转速传感器安装在离心机转动轴的试管内测量转速。此种方法可以测量无观察孔离心机的转速，缺点是安装不方便，抗干扰能力较差，因随机误差较大使得测量结果不准确。又由于医用离心机的内部污染严重，所以在离心机内部安装传感器对校准人员会带来健康安全风险，故不推荐使用此方法。
因光电式测量和磁电式测量这两种方法都不适用于无观察孔离心机转速的测量，故选择采用测振方法解决测量问题。用压电加速度传感器与相配套的电子计数式转速表组成测量标准器。其工作原理是压电加速度传感器采集离心机旋转时产生的正弦振动信号并转换成电压信号，电子计数式转速表将接收到的电压信号进行数字信号处理（傅立叶变换）后直接显示转速。此方法是接触式测量，在测量时可以将传感器平稳可靠地放置在离心机的上盖或者能够正确接受到振动信号的平面，使用方便，可以任意摆放。由于离心机产生振动的因素不只是由主轴旋转产生的，还有其他原因会产生振动，导致信号叠加，为了能使转速表正确稳定地显示转速，在测量转速时应根据传感器得到信号的效果调整摆放的位置。选用的电子计数式转速表要有调节灵敏度的功能，以便得到最佳测量结果。
2 振动测量法和光电测量法的实验比较
2.1 实验用标准器
比较实验是通过分别用FT-2500型转速表和HT-5500型转速表测量同一台离心机进行数据比较。采用日本小野公司生产的FT-2500型电子计数式转速表和与该表配套使用的NP-3120型压电加速度传感器（以下简称振动式转速表），以及HT-5500型手持电子计数式转速表（以下简称手持式转速表），分别对高速离心机和低速离心机进行测量。
2.2 实验步骤
在实验室环境条件下将离心机平稳地安放在工作台上，内部离心管（杯）内的物体对称放置，以保证离心机旋转平稳。在离心机工作前将门盖密闭盖好，以免在运行情况下发生人身伤害事故。
用手持式转速表测量时需在离心机的旋转体上贴反射标签，启动离心机将转速调整到测量点，用手持式转速表对准门盖上的观察孔，不断调整位置直至转速表能稳定地接受反射光信号，每个测量点记录三个数据用于数据分析。
用振动式转速表测量时将压电加速度传感器直接放在离心机的门盖上，启动离心机将转速调整到测量点，待转速表显示稳定后读取三个数据。
2.3 实验数据分析
2.3.1 高速离心机的转速测量
以德国eppendorf公司生产的Centrifuge 5417R型高速离心机作为被测对象。用手持式转速表和振动式转速表测得的数据见表1，比对结果见表2。
2.3.2 低速离心机的转速测量
以北京时代北利离心机有限公司生产的DT5-6型低速离心机作为被测对象。用以上两种方法测得的数据见表3，比对结果见表4。
表1 两种测量方法测得的数据 单位：r·min-1
表2 两种测量方法的比对结果 单位：r·min-1
表3 两种测量方法测得的数据 单位：r·min-1
表4 两种测量方法的比对结果 单位：r·min-1
2.3.3 比对结果说明
以上两组比对实验是基于以常用的0.1级手持电子计数式转速表作为参考标准，验证同样是0.1级的电子计数式转速表通过振动传感器测量转速的可靠性。通过比对实验数据可以看出验证结果都满足要求，说明在一般实验室条件下用振动式转速表测量结果与用手持式转速表测量的结果一样可靠，且振动式转速表响应速度更快。
3 结语
受制于国内仪器仪表的发展，目前转速校准实验室基本没有使用振动测量法测量离心机转速。从实验结果看振动式转速表测量完全满足校准要求，因振动传感器可以不接触离心机的内腔，所以用此方法测量既干净卫生又使用方便，可以广泛用于无观察孔离心机和受污染离心机的校准。
