毛 森，馬亞楠，王廣俊，牛國棟，朱 茜

(1.河南省計量科學(xué)研究院，河南 鄭州 450047；2.大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 大同 037003)

氣體滲透測試屬于阻隔性能檢測.阻隔性能檢測包括對氣體(氧氣、氮氣、二氧化碳等)與水蒸氣透過率測試兩類[1,2].阻隔性能是影響產(chǎn)品貨架期的重要因素之一，也是廠家分析產(chǎn)品貨架期的重要參考.阻隔性能的檢測廣泛涉及航空航天、特殊氣體保存、醫(yī)療器械、建筑等領(lǐng)域[3-5]，通過該項檢測能夠分析解決由于氧氣或水蒸氣敏感而產(chǎn)生的產(chǎn)品氧化變質(zhì)、受潮霉變等質(zhì)量問題.氧氣透過率試驗儀又可稱為透氧儀、氧氣透過率測試系統(tǒng)、透氧率測試儀等，適用于塑料薄膜、高阻隔性材料、太陽能背板、片材、復(fù)合材料、鍍鋁膜、共擠膜等膜、鋁箔、片狀材料及塑料、橡膠、紙質(zhì)、玻璃、金屬等材料的瓶、袋、罐、盒等包裝容器的氧氣透過率測試[6-8].由于缺少相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì),長期以來,氧氣透過率試驗儀的校準(zhǔn)僅僅只能針對儀器中某些部件，其校準(zhǔn)結(jié)果并不能反映其整機(jī)性能，從而造成儀器整機(jī)性能長期無法溯源.

2014年底，相關(guān)的氧氣透過率標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)獲得批準(zhǔn)并被生產(chǎn)，從而使得氧氣透過率試驗儀的整機(jī)性能校準(zhǔn)得到了保障.雖然有了標(biāo)物，但是國內(nèi)相關(guān)的技術(shù)法規(guī)一直處于空缺狀態(tài)，氧氣透過率測試儀地方校準(zhǔn)方法的研究是對氧氣透過率校準(zhǔn)技術(shù)的初步探索，能夠彌補(bǔ)國內(nèi)此類技術(shù)法規(guī)的空白，為此類大型儀器的溯源提供有效的支撐.

1 儀器工作原理及結(jié)構(gòu)

儀器依據(jù)庫侖電量法原理，用等壓法測試，測試腔分上下兩部分，薄膜固定在中間，高純氧氣在薄膜的上腔流動，高純氮氣在薄膜的下腔流動，氧分子透過薄膜擴(kuò)散到另一側(cè)的氮氣中，被流動的氮氣攜帶至傳感器，通過對傳感器測量到的氧氣濃度進(jìn)行分析，從而計算出氧氣透過量[9].原理如圖1 所示.

圖1 氧氣透過率試驗儀工作原理圖Fig.1 The working principle of Oxygen gas permeability characteristics

2 校準(zhǔn)項目

2.1 溫度穩(wěn)定性檢查

把溫度計的探頭固定在儀器的測試腔中，設(shè)定溫度為23 ℃[10]，待儀器溫度穩(wěn)定后連續(xù)測量10 min，每分鐘記錄一個數(shù)據(jù).按式(1)計算儀器溫度的穩(wěn)定性：

(1)

式中：Δt為溫度測量的平均值，℃；tmax為溫度測量的最高值，℃；tmin為溫度測量的最低值，℃.

2.2 測量相對誤差

根據(jù)氧氣透過率試驗儀的測量范圍，按儀器規(guī)定條件進(jìn)行設(shè)定，待儀器穩(wěn)定后，選擇標(biāo)準(zhǔn)值合適的有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)裝入儀器試驗儀腔體，進(jìn)行氧氣透過率測定，測量2次取平均值，計算平均值與標(biāo)準(zhǔn)值之間的相對誤差，公式為

(2)

2.3 測量重復(fù)性

在2.2的相同測量條件下，對氧氣透過率標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)重復(fù)測量2次的值，用式(3)計算測量重復(fù)性.按照極差法要求，根據(jù)式(2)計算各測量點氧氣透過率重復(fù)性.最終以各測量點測量重復(fù)性中的最大值作為儀器整體的測量重復(fù)性.

(3)

3 主要計量性能指標(biāo)及校準(zhǔn)結(jié)果驗證

3.1 主要計量性能指標(biāo)

儀器腔體內(nèi)溫度穩(wěn)定性應(yīng)不大于1.5%；測量值范圍在(0～20)cm3/(m2·24 h)時，測量相對誤差應(yīng)不大于±20%；測量值范圍大于20 cm3/(m2·24 h)時，測量相對誤差應(yīng)不大于±15%.

3.2 校準(zhǔn)結(jié)果驗證

3.2.1 試驗環(huán)境條件

溫度：15 ℃ ～ 25 ℃

濕度：40%RH ～ 60%RH

3.2.2 試驗設(shè)備

鉑電阻溫度計：MPE，±0.3 ℃；

氧氣透過率標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：國家有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，相對不確定度不大于8%.

試驗儀器：選取6臺不同廠家的氧氣透過率試驗儀，編號依次為A，B，C，D，E，F(xiàn).

3.2.3 校準(zhǔn)結(jié)果驗證

分別將6臺待校儀器腔體溫度設(shè)定為23 ℃，待儀器穩(wěn)定后，對儀器進(jìn)行“溫度穩(wěn)定性檢查”，計算得出結(jié)果如表1 所示.

表1 氧氣透過率試驗儀溫度穩(wěn)定性檢查驗證結(jié)果統(tǒng)計表Tab.1 The verification results statistics of the temperature stability

分別選取標(biāo)準(zhǔn)值為12.3 cm3/(m2·24 h)及標(biāo)準(zhǔn)值為62.8 cm3/(m2·24 h)的氧氣透過率標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)各2片，對6臺氧氣透過率試驗儀的“測量相對誤差”及“測量重復(fù)性”進(jìn)行驗證.測量及計算結(jié)果見表2，表3.

表2 氧氣透過率試驗儀測量相對誤差驗證結(jié)果統(tǒng)計表Tab.2 The verification results statistics of the relative error

表3 氧氣透過率試驗儀測量重復(fù)性驗證結(jié)果統(tǒng)計表Tab.3 The verification results statistics of the repeatability

4 結(jié) 論

采用文中給出的校準(zhǔn)方法，對儀器的計量性能進(jìn)行了驗證性試驗，試驗結(jié)果表明：6臺不同廠家功能正常的氧氣透過率試驗儀溫度穩(wěn)定性均小于1.5%；所選取的6臺儀器在不同測量段內(nèi)的相對誤差有較大差異，但均滿足文中給出的不同測量段內(nèi)的計量性能指標(biāo)；重復(fù)性指標(biāo)一般按誤差的1/2規(guī)定，所以氧氣透過率測量重復(fù)性指標(biāo)設(shè)定為不大于8%，被檢器該項性能均優(yōu)于此指標(biāo).綜上所述，文中所給校準(zhǔn)項目設(shè)置科學(xué)，計量性能指標(biāo)設(shè)定合理，具有廣泛的適用性，能使絕大多數(shù)儀器有效使用.