梁俊超 邵丹 蔡俊超

摘 要：為給一次性隨身保暖產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)定中溫度特性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)化提供理論依據(jù)，對(duì)暖貼發(fā)熱溫度檢測(cè)方法進(jìn)行研究。在相同實(shí)驗(yàn)條件下分別使用中心法、加權(quán)平均法和紅外成像法3種測(cè)試方案對(duì)暖貼產(chǎn)品發(fā)熱溫度進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)顯著性檢驗(yàn)評(píng)估各方案對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響并分析影響原因。研究表明，3種測(cè)試方案在各觀測(cè)時(shí)刻下總體均值間極顯著不一致；經(jīng)最小顯著差數(shù)法分析，中心法、加權(quán)平均法在各觀測(cè)時(shí)刻下不存在顯著性差異，但紅外成像法由于測(cè)試過(guò)程受外界環(huán)境影響，與另外2種方法存在極顯著差異；由于暖貼表面溫度不均勻，中心法測(cè)量結(jié)果重復(fù)性最差；加權(quán)平均法能有效適應(yīng)溫度不均勻的特點(diǎn)，測(cè)量結(jié)果變異系數(shù)較小，具有較好數(shù)據(jù)重復(fù)性和穩(wěn)定性，適合應(yīng)用于一次性隨身保暖產(chǎn)品溫度特性的標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)量。

關(guān)鍵詞：一次性隨身保暖產(chǎn)品；溫度檢測(cè)；顯著性檢驗(yàn)；方差分析；變異系數(shù)

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-5124（2017）12-0021-06

Abstract： In order to provide theoretical basis for temperature characteristic test standardization in quality evaluation of disposable body warmers， surface temperature measurement methods of disposable body warmers are researched. Center method， weighted average method and infrared imaging method are respectively used to measure the surface temperature of disposable body warmers under the same test conditions and significance test is conduced to assess the impact on measurement results of each method and analyze the impact causes. The research shows that there are significant differences in general mean values under each observation time. Analyzing based on least significant difference， there is no significant difference of center method and weighted average method under any observation time， but infrared imaging method has more significant differences than other two methods due to external factors. Center method has the worst repeatability because the surface temperature is uneven. Weighted average method can adapt to the uneven surface temperature with small variable coefficient of measurement results and excellent data repeatability and stability， thus it is applicable to the standard measurement of temperature characteristics of disposable body warmers.

Keywords： disposable body warmers； temperature detection； significance test； variance analysis； coefficient of variation

0 引 言

一次性隨身保暖產(chǎn)品源于日本，其原理是利用鐵氧化反應(yīng)發(fā)熱達(dá)到保暖的目的[1]，至今已有近30年歷史。一次性隨身保暖產(chǎn)品中的發(fā)熱物質(zhì)通常由鐵粉、活性炭、水、鹽和保水劑組成，封裝在透氣性內(nèi)包裝中，內(nèi)包裝封裝完成后置于氣密性外包裝中[2]。隨著應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展、人們接受程度逐漸提高以及銷售渠道多樣化，我國(guó)一次性隨身保暖產(chǎn)品年產(chǎn)量逐年遞增并連續(xù)多年超過(guò)5億片[3]。一次性隨身保暖產(chǎn)品不僅用于日常御寒保暖[4]，還用于健康護(hù)理和醫(yī)學(xué)研究[5-6]。隨著一次性隨身保暖產(chǎn)品使用越來(lái)越多，因其造成的低溫燙傷案例數(shù)量也在不斷增加[7-10]。造成低溫燙傷的主要原因一方面是消費(fèi)者使用方法不當(dāng)和缺乏自我保護(hù)意識(shí)[8]，另一方面是產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊。目前市面上銷售的三無(wú)產(chǎn)品、質(zhì)量不過(guò)關(guān)的不在少數(shù)[11]，亟需建立該類產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)定方法。

溫度特性是評(píng)定此類產(chǎn)品質(zhì)量的重要依據(jù)，發(fā)熱溫度作為表征溫度特性的關(guān)鍵參數(shù)，其檢測(cè)方法的選擇直接關(guān)系到檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，是建立標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試方法的基礎(chǔ)。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)一次性隨身保暖產(chǎn)品的研究方向主要有生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量影響因素[6]、發(fā)熱物質(zhì)最佳配比[12]和對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物皮膚的毒性作用[13]，未發(fā)現(xiàn)對(duì)發(fā)熱溫度檢測(cè)方法的相關(guān)研究。為給一次性隨身保暖產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)定中溫度特性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)化提供科學(xué)理論依據(jù)，本文以暖貼為研究對(duì)象，采用中心法、加權(quán)平均法和紅外成像法對(duì)暖貼發(fā)熱溫度進(jìn)行測(cè)量。首先對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行方差分析，確定不同測(cè)量方式對(duì)各觀測(cè)時(shí)刻下的發(fā)熱溫度是否產(chǎn)生顯著影響；再利用多重比較進(jìn)一步分析兩兩測(cè)量方式均值間的差異顯著性；最后分析測(cè)量方法對(duì)發(fā)熱溫度測(cè)量結(jié)果影響的原因。

1 發(fā)熱溫度測(cè)量方式

1.1 中心法

中心法屬于接觸式點(diǎn)溫法。采用一個(gè)鉑電阻置于暖貼里層中心位置，以測(cè)得的中心溫度為發(fā)熱溫度。

1.2 加權(quán)平均法

加權(quán)平均法屬于接觸式點(diǎn)溫法。將暖貼看作4個(gè)等分的區(qū)域，將4個(gè)鉑電阻分別置于暖貼里層每個(gè)區(qū)域中心，以4個(gè)鉑電阻的平均溫度為發(fā)熱溫度。

1.3 紅外成像法

紅外成像法屬于非接觸式面測(cè)法。采用紅外成像儀對(duì)暖貼外層進(jìn)行測(cè)量。此方法不需要與表面接觸，僅通過(guò)接收紅外輻射來(lái)測(cè)定溫度，能直接獲得發(fā)熱面平均溫度[14-15]，同時(shí)能夠獲得完整的暖貼發(fā)熱溫度分布圖。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

2.1 溫?zé)嵫b置

實(shí)驗(yàn)使用溫?zé)嵫b置模擬暖貼實(shí)際使用中的情況。該裝置由4部分構(gòu)成：水浴、測(cè)試面、覆蓋板及溫度采集處理模塊。水浴用于模擬人體皮膚溫度，溫度控制范圍可從常溫至100 ℃，內(nèi)置攪拌器使水浴內(nèi)溫度更均勻，加熱管PID溫控加熱，控溫精度為±0.1 ℃。水浴的3個(gè)立面為測(cè)試面，由于暖貼產(chǎn)品均不能直接貼于皮膚，因此工作面上包覆2層紗布，測(cè)試時(shí)將暖貼貼于紗布上，模擬實(shí)際使用中暖貼貼于內(nèi)衣上；每個(gè)測(cè)試面有4個(gè)PT100鉑電阻，采用中心法時(shí)最多同時(shí)測(cè)量12個(gè)樣品；采用加權(quán)平均法可同時(shí)測(cè)量3個(gè)樣品。覆蓋板由15層絨布組成，測(cè)試時(shí)完全覆蓋測(cè)試面，模擬實(shí)際使用中暖貼被覆蓋在外套下。溫度采集處理同時(shí)自動(dòng)采集12組發(fā)熱數(shù)據(jù)，發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行保存和處理。

2.2 恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室

恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室為發(fā)熱溫度測(cè)試提供穩(wěn)定可控的環(huán)境條件。實(shí)驗(yàn)室面積27.3 m2，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)任意兩點(diǎn)在任意瞬間溫度差≤0.5 ℃，相對(duì)濕度差≤1.5%RH；同一點(diǎn)任意30 min周期內(nèi)波動(dòng)值溫度≤0.5 ℃，相對(duì)濕度差≤1.5%RH；同一點(diǎn)24 h任意2個(gè)30 min周期內(nèi)波動(dòng)值溫度≤0.5 ℃，相對(duì)濕度差≤1.0%RH。

2.3 紅外成像儀

本實(shí)驗(yàn)中使用FLIR T425紅外成像儀，溫度范圍-20～1 200 ℃，紅外圖像分辨率為320×240，熱靈敏度為0.05 ℃，準(zhǔn)確度±2%，可自動(dòng)計(jì)算指定區(qū)域的平均溫度。

2.4 數(shù)字溫度計(jì)

采用中心法進(jìn)行溫度測(cè)量時(shí)，本實(shí)驗(yàn)使用CENTER 301數(shù)字溫度計(jì)測(cè)量暖貼的中心溫度。

3 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)驗(yàn)條件

皮膚溫度又稱體表溫度，是指皮膚最外面的一層表皮的溫度。皮膚分布在身體的外表面，容易受外界因素的影響，因此皮膚溫度變化范圍較大，一般在 20～40 ℃之間浮動(dòng)。為確定皮膚溫度與暖貼發(fā)熱溫度的測(cè)量值之間關(guān)系，將溫?zé)嵫b置溫度設(shè)置為25，30，

34 ℃，分別在上述溫度下測(cè)量同一批次暖貼發(fā)熱溫度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，溫?zé)嵫b置溫度越高，暖貼發(fā)熱溫度測(cè)量值越高，說(shuō)明皮膚溫度影響暖貼發(fā)熱溫度（見圖1）。中性皮膚溫度指人體處于不冷不熱狀態(tài)時(shí)所對(duì)應(yīng)的皮膚溫度，人體中性皮膚溫度為34.1 ℃[16]。因此溫?zé)嵫b置水浴溫度設(shè)置為34.1 ℃。恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室溫度設(shè)置為20 ℃，相對(duì)濕度為55%。

3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

本實(shí)驗(yàn)對(duì)來(lái)自同一批次的6個(gè)暖貼進(jìn)行測(cè)試。將待測(cè)樣品置于恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室中不少于2 h。打開暖貼外包裝并揭去明膠層剝離紙，按照?qǐng)D2在明膠層布置鉑電阻，1～4號(hào)鉑電阻用于加權(quán)平均法測(cè)量，5號(hào)鉑電阻用于中心法測(cè)量。鉑電阻布置完成后，將暖貼貼于測(cè)試面紗布上并合上覆蓋板（見圖3），開始計(jì)時(shí)。分別在開始測(cè)試后的1.5，2.5，3.5，4.5 h時(shí)刻打開覆蓋板，用紅外成像儀對(duì)樣品外層溫度進(jìn)行測(cè)量，并且記錄該時(shí)刻1～5號(hào)鉑電阻讀數(shù)后重新合上覆蓋板。

4 結(jié)果與分析

4.1 方差齊性檢驗(yàn)

方差分析的基本思想是通過(guò)分析研究不同來(lái)源的變異對(duì)總差異的貢獻(xiàn)大小，從而確定可控因素對(duì)研究結(jié)果影響力的大小。應(yīng)用方差分析的前提是數(shù)據(jù)應(yīng)滿足各個(gè)水平下的總體具有相同的方差，即方差齊性。采用Levene檢驗(yàn)法進(jìn)行方差齊性檢驗(yàn)，顯著性水平取0.05，各觀測(cè)時(shí)刻下檢驗(yàn)結(jié)果見表1。表中各觀測(cè)時(shí)刻的顯著性均大于顯著性水平0.05，因此認(rèn)為3種測(cè)量方式分別在各觀測(cè)時(shí)刻下的方差齊性，滿足方差分析前提條件。

4.2 方差分析

對(duì)各觀測(cè)時(shí)刻下的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行方差分析，分析結(jié)果見表2。由表可知，各觀測(cè)時(shí)刻下F值對(duì)應(yīng)的概率<0.01，即各處理總體均值間極顯著不一致，表明不同測(cè)量方式對(duì)各觀測(cè)時(shí)刻下的發(fā)熱溫度產(chǎn)生顯著影響。

4.3 多重比較

方差分析檢驗(yàn)結(jié)論為總體均值間極顯著不一致，并不意味著每?jī)蓚€(gè)處理均值間的差異都顯著或極顯著。為進(jìn)一步分析兩兩處理均值間的差異顯著性，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行多重比較。本實(shí)驗(yàn)多重比較采用最小顯著差數(shù)法（LSD），比較結(jié)果見表3。表中顯著性不大于顯著性水平0.05時(shí)，表明在此顯著性水平條件下，相應(yīng)的兩組均值存在顯著性差異。由此可見，在全部觀測(cè)時(shí)刻下，紅外成像法與中心法、加權(quán)平均法間均存在極顯著差異（P≤0.01），中心法與加權(quán)平均法之間沒(méi)有顯著性差異。

4.4 分 析

變異系數(shù)反映單位均值上的離散程度，變異系數(shù)小表明數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和重復(fù)性更高。不同觀測(cè)時(shí)刻下各測(cè)量方法的變異系數(shù)見表4。由表可知，在各觀測(cè)時(shí)刻下均呈現(xiàn)相同趨勢(shì)：加權(quán)平均法的變異系數(shù)最小，其次是紅外成像法，中心法變異系數(shù)最大。中心法變異系數(shù)較大，主要由于與加權(quán)平均法和紅外成像法相比，中心法僅采集暖貼中心溫度。以1.5 h時(shí)刻6個(gè)樣品的紅外成像圖為例（見圖4），圖中可見樣品表面顏色差異明顯并且分布不規(guī)則，這是由于樣品原料層各處厚度不一，導(dǎo)致樣品各處發(fā)熱溫度差異較大，中心法只采集中心溫度會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果離散程度增加。中心法與加權(quán)平均法測(cè)得的發(fā)熱溫度接近，且中心法測(cè)得的溫度較加權(quán)平均法測(cè)得溫度高；圖中紅外成像法測(cè)得的中心溫度同樣比紅外成像法測(cè)得的發(fā)熱區(qū)的平均溫度高。由此可見暖貼中心溫度比平均溫度高。因此中心法采集到的溫度并不能完全代表樣品實(shí)際發(fā)熱溫度，并且數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和重復(fù)性較低。

中心法與加權(quán)平均法相比較可得出與上述一致的結(jié)論。圖4（a）、圖4（b）、圖4（d）、圖4（e）表面溫度分布不均勻，對(duì)應(yīng)表5中樣品1、樣品2、樣品4、樣品5各個(gè)觀測(cè)時(shí)刻下加權(quán)平均法4個(gè)鉑電阻測(cè)得的最大溫差較大，同一樣品相同觀測(cè)時(shí)刻最大溫差可達(dá)2.59 ℃；圖4（c）、圖4（f）表面溫度分布較均勻，對(duì)應(yīng)表中樣品3、樣品6最大溫差較小。并且從表可見，不同觀測(cè)時(shí)刻下同一樣品最大溫差基本相同，但不同樣品間最大溫差不一致，與樣品發(fā)熱材料分布均勻程度有關(guān)。

紅外成像法變異系數(shù)比加權(quán)平均法大，部分觀測(cè)時(shí)刻與加權(quán)平均法接近，但紅外成像法的均值比另外兩種方法明顯較低，主要原因是暖貼里、外層溫度不一致。覆蓋板打開90 s后重新合上的過(guò)程里、外層溫度變化見圖5。由圖可知，打開覆蓋板前，里、外層溫度基本相等，由于覆蓋板的隔離，樣品周圍的氧氣含量比外界環(huán)境低。打開覆蓋板至重新合上前，樣品周圍氧含量升高，暖貼中的鐵粉氧化反應(yīng)加劇，里層溫度先升高后趨于穩(wěn)定；外層因外界溫度低且覆蓋板打開后空氣流動(dòng)，溫度升高不明顯并且迅速下降后趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后里、外層溫度相差約2 ℃。重新合上覆蓋板后，由于此前覆蓋板打開后一直降溫，所以重新合上后外層溫度迅速下降并逐漸上升；此時(shí)由于外層溫度低于里層溫度，里層溫度逐漸下降，直至里、外層溫度相同后共同升溫。紅外成像法測(cè)量時(shí)需打開覆蓋板，因此測(cè)得的溫度較低，并且由于打開覆蓋板后外層溫度變化速度快，所以數(shù)據(jù)重復(fù)性較低。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一次性隨身保暖產(chǎn)品的發(fā)熱溫度的3種測(cè)量方法，并以暖貼為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，對(duì)3種測(cè)量方法進(jìn)行比較。由方差分析結(jié)果可知，在相同實(shí)驗(yàn)條件下不同測(cè)量方法對(duì)發(fā)熱溫度測(cè)量結(jié)果有顯著影響。進(jìn)行多重比較發(fā)現(xiàn)，中心法與加權(quán)平均法之間不存在顯著性差異，但由于暖貼表面溫度不均勻，加權(quán)平均法數(shù)據(jù)重復(fù)性最好，中心法數(shù)據(jù)重復(fù)性最差；紅外成像法數(shù)據(jù)重復(fù)性比中心法好，但與中心法、加權(quán)平均法均存在極顯著差異。經(jīng)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，其主要原因是紅外成像法測(cè)試時(shí)需要打開覆蓋板，此時(shí)暖貼里、外層溫差變大且外層溫度變化較快。綜上所述，對(duì)一次性隨身保暖產(chǎn)品溫度特性進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)量時(shí)，為提高測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性和穩(wěn)定性，宜采用加權(quán)平均法。

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（編輯：劉楊）