RM-1500型转速表测量医用离心机RCF示值误差的不确定度评定

RM-1500型转速表测量医用离心机RCF示值误差的不确定度评定

陈冠宇1

(1. 珠海市质量计量监督检测所 广东珠海 519000)

摘要 RM-1500型转速表是一种非接触式转速表，在计量检测活动中经常用于测量医用离心机转速。主要工作原理将反光纸粘贴于旋转部件上，将转速表发射出的指示光照射到反光纸上，再由光敏元件接收并记录反射光的出现频率以此获得转速值。因有些离心机转子材质表面的反光率高，导致测量值会几倍于离心机示值并且测量值跳动太大。本文作者经过大量实验数据，依据JJG 972-2002《离心式恒加速度试验机检定规程》，以适当的测量方法，并采用最小二乘法拟合获得离心机示值与转速表测量值的函数关系，对医用离心机的RCF示值误差测量结果作不确定度评定。结合评定结果，总结得出光电转速表测量医用离心机转速的方法确实有一定局限性，应寻求更好的测量方法

关键词医用离心机；最小二乘法；不确定度

0 引言

医用离心机是一种重要的医学实验器，利用旋转产生的离心效果，分离生物样品中的不同组分，如细胞、细菌、病毒、内源酶等。它作为一种工具，能够提高医学研究的效率和准确性，对医学研究和治疗具有重要的意义。医用离心机广泛应用于医院、生物技术公司、大学和科研机构等场所，是生物医学领域不可缺少的实验设备之一。因此，相对离心力的测量是校准医用离心机计量性能的重要部分。目前，地方发布的医用离心机的校准规范都不要求计量相对离心力，只对转速示值误差作要求，这显然是不够的，本文选择依据《JJG 972-2002 离心式恒加速度试验机》来对医用离心机的RCF校准。依据规程要求，采用转速表来测量转速，换算成离心力的方法。                                                             

RM-1500型转速表是一种常用的非接触式转速表，主要工作原理是先将反光纸粘贴在旋转部件上，当旋转部件上的反光贴纸经过光电传感器前时，转速表发射的指示光照射到反光纸上，反射光被转速表的光敏元件接收从而输出信号至MCU，转速表以此来记录频率。

在实际使用RM-1500光电式转速表对医用离心机测量转速时，常常会出现转速表示值稳定性差和离心机转速示值误差超差几倍的现象。排除测量方法的原因，分析是由现场测量中的不确定因素——手持转速表的不稳定性、反射光强度不足、多反射光源干扰造成。

人手持转速表照射反光片时往往会有抖动，抖动方向和旋转切线方向一致会导致测量的转速值偏小，反之偏大。若未与反光片垂直照射而是成一定角度倾斜也会导致转速测量不准确。

反射光强度不足一般是窥孔或者盖板的透光性不足造成的。若无法对离心机开盖测量，在这种情况下读数将可能不显示、不稳定或者出现较大偏差。

在某些检测场合中，比如离心机转子的材质表面反光率很高或者环境有其他频闪光源，经过转子或者反光纸的反射后光线入射到转速表接收头，将导致测量结果成倍数的增加。

本文以实验室实际工作环境下的测量结果来作不确定度评定，并探究实际工作中降低测量结果不确定度的方法。

1概述

1.1测量依据

JJG 972-2002《离心式恒加速度试验机检定规程》[1]

1.2环境条件

温度：(10～40)℃，相对湿度：(30～85)%。

1.3  测量标准

转速表，型号：RM-1500，测量范围：(100～20000)r/min；

游标卡尺，测量范围：(0～200)mm。

1.4 被测对象

医用离心机，型号：L530。

1.5 测量方法

将检定用负载安装在离心机转子上并且重量配平,测量检定负载的安装半径。在规定的转速范围内均匀地选取5个转速设定值(含上限和下限转速值),每个转速点测量3次,记录离心机转速示值和检定用转速表的测量示值平均值,按以下数学模型计算加速度示值误差。

2数学模型

加速度示值误差的数学模型：

其中

（1）

式中：

——被检离心机加速度的示值误差；

——离心机加速度示值，m/；

——离心机检定装置的加速度实测值，m/；

——离心机检定装置回转速度3次测量平均值，r/min；

——安装计算半径，m。

3不确定度传播率

式中：

——被校离心机加速示值的不确定度分量；

——离心机加速度实测值的不确定度分量。

灵敏系数：，

因此

（2）

4标准不确定度的来源以及评定

4.1离心机检定装置引入的不确定度

由得方差

（3）

式中：

——标准转速值引入的不确定度分量；

——安装计算半径引入的不确定分量。

传播系数：

；

。

4.1.1离心机检定装置转速测量引入的不确定度分量

4.1.2转速表准确度引入的标准不确定度

根据上级计量检定部门的检定结果，标准转速表满足0.1级合格，则在1000r/min时的示值最大允许误差为±1r/min，按均匀分布估计，则

4.1.3用最小二乘法拟合获得转速的估计值引入的不确定度

在引言中谈到的多反射光源干扰方面，在开盖测量的前提下，把反光纸粘贴在离心机转子上，转子旋臂的材质反光率过高会导致测量结果不准确，在排除环境有其他频闪光源之后，通常和旋臂数的相关性最大——转速测量值≈离心机转速示值×悬臂数。因此，在这种情况下采用最小二乘法拟合得到转速测量值与离心机示值的函数关系，从而推导出转速测量值的最佳估计值。现对一台型号为L530湘仪牌离心机进行六个转速点的测量，如表1。

表1

经过最小二乘法拟合，如图1所示：

图1 线性拟合

拟合直线方程为：

（）

说明：因排除其他频闪光源干扰后，离心机示值为0时，转速表测量值也为0，因此拟合直线截距是0。直线方程y的实验标准差

其中

经计算得

r/min

是非常有用的一个参数，可用于评价所有的随机因素对单次观测的平均差的大小，值越小，回归直线的准确度越高。当回归直线方程的稳定性较好时，标准差可作为应用回归方程时的不确定度评定参数[2]。由于最小二乘法拟合直线和转速表准确度引入的不确定度本质上都是转速表示值变动性造成的不确定因素，两者相关，但拟合直线的不确定度评定包含的随机因素更多并且远大于，因此本着不遗漏、不重复计算原则，两者取较大值作为转速测量引入的标准不确定度，所以：

r/min

4.1.4离心机检定装置半径测量准确度带来的不确定度分量

根据上级计量检定机构的证书，游标卡尺的准确度满足最大允许误差±0.03mm，所以：

4.1.5由离心机检定装置引入的标准不确定度

当离心机转速示值为时，转速表测量值的平均值为，离心机安装半径测量值为。根据公式（1）计算得加速度实测值为。代入公式（3）中可得：

.2%

4.2被检离心机加速度示值引入的不确定度分量

4.2.1被检离心机加速度示值重复性引入的不确定度分量

表2为对一台型号为L530的湘仪牌离心机回转速度设定值为1000r/min,使用4号转子，重复10次的加速度测量结果。

表2 测量结果

由表2的数据，用贝塞尔公式计算离心机加速度单次测量相对标准偏差为

检定时，测量次数m为1，所以被检离心机加速度示值重复性引入的不确定度分量为：

4.2.2被检离心机示值分辨力引入的相对标准不确定度

被检离心机的示值分辨力为1m/s2,按均匀分布估计，可得：

由于被检离心机示值分辨力引入的标准不确定度太小，可忽略不计。

所以，被检离心机加速度示值引入的相对不确定度分量为

5标准不确定度分量表

表3

6合成标准不确定度的评定

以上各项标准不确定度分量互不相关，离心机加速度显示值为1969.8m/，加速度实测值为1941.1m/，根据公式（2），可得：

.3%

7加速度示值误差的扩展不确定度

一般取包含因子k=2，则

8测量仪器示值误差符合性判定

依据JJG 972-2002《离心式恒加速度试验机检定规程》中的计量特性要求和JJF 1094-2002《测量仪器特性评定》的规定。本论文评定的扩展不确定度（4.6%）与离心机加速度示值误差最大允许误差（±10%）之比不满足小于或等于1：3的要求，所以合格判据为：

MPEVU95

已知离心机加速度显示值为1969.8m/，加速度实测值为1941.1m/，代入上式中可得：

所以该离心机的加速度示值误差满足检定规程要求，结论为合格。

9结束语

在引言中总结的三个方面的不确定因素都在实际检测中影响着测量结果，其中手持转速表的不稳定和反射光强度不足这两点较容易改善。手持转速表抖动产生的示值不稳定性，可以用支架固定转速表，同时转速表的示值显示选择为平均值模式，这样因抖动产生的示值小波动被平均之后可忽略不计。另一方面为了保证转速表接收到足够的反射光，实际测量中尽量要开盖测量，即便有些离心机机盖带有窥孔，受透光效果的影响，转速表示值跳变较大，造成读数困难，测量结果可靠性不高。不过大部分离心机都有开盖保护，应用工具把安全锁解锁即可，但会伴有安全隐患，不建议测量转速超1000r/min。多反射光源干扰方面的影响，本论文提供的思路是在开盖测量的前提下，首先保证实验室环境没有其他明显的频闪干扰，然后采用最小二乘法拟合直线获得测量值与示值的函数关系，从而得到最佳估计值来计算示值误差。此方法得到的不确定度偏大，反映了在实际检测医用离心机时，若在上述那些干扰因素共同作用下，测量结果的可靠性并不高，我们应考虑不确定度对符合性判定的影响。同时我们应该寻求一种可靠性更高，环境条件适应性更好的测量方法，例如振动法——一种基于转子不平衡振动与转子转速相一致的测量原理，将测量传感器置于医用离心机机体表面，不需开盖，通过分析和测量转子的不平衡振动得到转子转速，这种原理的测速仪表也可称为振动式转速表[3]。希望本论文提供的思路与经验可以给从事医疗仪器计量工作的人员帮助。

参考文献

[1]JJG 972-2002《离心式恒加速度试验机检定规程》

[2]米娟层. 一元线性回归中的不确定度分析.煤质技术，2014，1：21-22.

[3]程宏，李朴，刘颖，朱沙. 医用离心机校准的理论和实践.中国测试，2022，48（11）：134-137.