一次性隨身保暖產品發熱溫度檢測方法研究

梁俊超 邵丹 蔡俊超

摘 要：為給一次性隨身保暖產品質量評定中溫度特性測試標準化提供理論依據，對暖貼發熱溫度檢測方法進行研究。在相同實驗條件下分別使用中心法、加權平均法和紅外成像法3種測試方案對暖貼產品發熱溫度進行測量，通過顯著性檢驗評估各方案對測量結果的影響并分析影響原因。研究表明，3種測試方案在各觀測時刻下總體均值間極顯著不一致；經最小顯著差數法分析，中心法、加權平均法在各觀測時刻下不存在顯著性差異，但紅外成像法由于測試過程受外界環境影響，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，中心法測量結果重復性最差；加權平均法能有效適應溫度不均勻的特點，測量結果變異系數較小，具有較好數據重復性和穩定性，適合應用于一次性隨身保暖產品溫度特性的標準化測量。

關鍵詞：一次性隨身保暖產品；溫度檢測；顯著性檢驗；方差分析；變異系數

文獻標志碼：A 文章編號：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

一次性隨身保暖產品源于日本，其原理是利用鐵氧化反應發熱達到保暖的目的[1]，至今已有近30年歷史。一次性隨身保暖產品中的發熱物質通常由鐵粉、活性炭、水、鹽和保水劑組成，封裝在透氣性內包裝中，內包裝封裝完成后置于氣密性外包裝中[2]。隨著應用領域不斷拓展、人們接受程度逐漸提高以及銷售渠道多樣化，我國一次性隨身保暖產品年產量逐年遞增并連續多年超過5億片[3]。一次性隨身保暖產品不僅用于日常御寒保暖[4]，還用于健康護理和醫學研究[5-6]。隨著一次性隨身保暖產品使用越來越多，因其造成的低溫燙傷案例數量也在不斷增加[7-10]。造成低溫燙傷的主要原因一方面是消費者使用方法不當和缺乏自我保護意識[8]，另一方面是產品質量參差不齊。目前市面上銷售的三無產品、質量不過關的不在少數[11]，亟需建立該類產品質量評定方法。

溫度特性是評定此類產品質量的重要依據，發熱溫度作為表征溫度特性的關鍵參數，其檢測方法的選擇直接關系到檢測結果的準確性和可靠性，是建立標準化測試方法的基礎。目前國內外對一次性隨身保暖產品的研究方向主要有生產過程中的質量影響因素[6]、發熱物質最佳配比[12]和對實驗動物皮膚的毒性作用[13]，未發現對發熱溫度檢測方法的相關研究。為給一次性隨身保暖產品質量評定中溫度特性測試標準化提供科學理論依據，本文以暖貼為研究對象，采用中心法、加權平均法和紅外成像法對暖貼發熱溫度進行測量。首先對測試結果進行方差分析，確定不同測量方式對各觀測時刻下的發熱溫度是否產生顯著影響；再利用多重比較進一步分析兩兩測量方式均值間的差異顯著性；最后分析測量方法對發熱溫度測量結果影響的原因。

1 發熱溫度測量方式

1.1 中心法

中心法屬于接觸式點溫法。采用一個鉑電阻置于暖貼里層中心位置，以測得的中心溫度為發熱溫度。

1.2 加權平均法

加權平均法屬于接觸式點溫法。將暖貼看作4個等分的區域，將4個鉑電阻分別置于暖貼里層每個區域中心，以4個鉑電阻的平均溫度為發熱溫度。

1.3 紅外成像法

紅外成像法屬于非接觸式面測法。采用紅外成像儀對暖貼外層進行測量。此方法不需要與表面接觸，僅通過接收紅外輻射來測定溫度，能直接獲得發熱面平均溫度[14-15]，同時能夠獲得完整的暖貼發熱溫度分布圖。

2 實驗設備

2.1 溫熱裝置

實驗使用溫熱裝置模擬暖貼實際使用中的情況。該裝置由4部分構成：水浴、測試面、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 ℃，內置攪拌器使水浴內溫度更均勻，加熱管PID溫控加熱，控溫精度為±0.1 ℃。水浴的3個立面為測試面，由于暖貼產品均不能直接貼于皮膚，因此工作面上包覆2層紗布，測試時將暖貼貼于紗布上，模擬實際使用中暖貼貼于內衣上；每個測試面有4個PT100鉑電阻，采用中心法時最多同時測量12個樣品；采用加權平均法可同時測量3個樣品。覆蓋板由15層絨布組成，測試時完全覆蓋測試面，模擬實際使用中暖貼被覆蓋在外套下。溫度采集處理同時自動采集12組發熱數據，發送至上位機進行保存和處理。

2.2 恒溫恒濕實驗室

恒溫恒濕實驗室為發熱溫度測試提供穩定可控的環境條件。實驗室面積27.3 m2，實驗室內任意兩點在任意瞬間溫度差≤0.5 ℃，相對濕度差≤1.5%RH；同一點任意30 min周期內波動值溫度≤0.5 ℃，相對濕度差≤1.5%RH；同一點24 h任意2個30 min周期內波動值溫度≤0.5 ℃，相對濕度差≤1.0%RH。

2.3 紅外成像儀

本實驗中使用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 ℃，準確度±2%，可自動計算指定區域的平均溫度。

2.4 數字溫度計

采用中心法進行溫度測量時，本實驗使用CENTER 301數字溫度計測量暖貼的中心溫度。

3 實驗方案設計

3.1 實驗條件

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。為確定皮膚溫度與暖貼發熱溫度的測量值之間關系，將溫熱裝置溫度設置為25，30，

34 ℃，分別在上述溫度下測量同一批次暖貼發熱溫度。實驗結果表明，溫熱裝置溫度越高，暖貼發熱溫度測量值越高，說明皮膚溫度影響暖貼發熱溫度（見圖1）。中性皮膚溫度指人體處于不冷不熱狀態時所對應的皮膚溫度，人體中性皮膚溫度為34.1 ℃[16]。因此溫熱裝置水浴溫度設置為34.1 ℃。恒溫恒濕實驗室溫度設置為20 ℃，相對濕度為55%。

3.2 實驗步驟

本實驗對來自同一批次的6個暖貼進行測試。將待測樣品置于恒溫恒濕實驗室中不少于2 h。打開暖貼外包裝并揭去明膠層剝離紙，按照圖2在明膠層布置鉑電阻，1～4號鉑電阻用于加權平均法測量，5號鉑電阻用于中心法測量。鉑電阻布置完成后，將暖貼貼于測試面紗布上并合上覆蓋板（見圖3），開始計時。分別在開始測試后的1.5，2.5，3.5，4.5 h時刻打開覆蓋板，用紅外成像儀對樣品外層溫度進行測量，并且記錄該時刻1～5號鉑電阻讀數后重新合上覆蓋板。

4 結果與分析

4.1 方差齊性檢驗

方差分析的基本思想是通過分析研究不同來源的變異對總差異的貢獻大小，從而確定可控因素對研究結果影響力的大小。應用方差分析的前提是數據應滿足各個水平下的總體具有相同的方差，即方差齊性。采用Levene檢驗法進行方差齊性檢驗，顯著性水平取0.05，各觀測時刻下檢驗結果見表1。表中各觀測時刻的顯著性均大于顯著性水平0.05，因此認為3種測量方式分別在各觀測時刻下的方差齊性，滿足方差分析前提條件。

4.2 方差分析

對各觀測時刻下的測量結果進行方差分析，分析結果見表2。由表可知，各觀測時刻下F值對應的概率<0.01，即各處理總體均值間極顯著不一致，表明不同測量方式對各觀測時刻下的發熱溫度產生顯著影響。

4.3 多重比較

方差分析檢驗結論為總體均值間極顯著不一致，并不意味著每兩個處理均值間的差異都顯著或極顯著。為進一步分析兩兩處理均值間的差異顯著性，對測量結果進行多重比較。本實驗多重比較采用最小顯著差數法（LSD），比較結果見表3。表中顯著性不大于顯著性水平0.05時，表明在此顯著性水平條件下，相應的兩組均值存在顯著性差異。由此可見，在全部觀測時刻下，紅外成像法與中心法、加權平均法間均存在極顯著差異（P≤0.01），中心法與加權平均法之間沒有顯著性差異。

4.4 分 析

變異系數反映單位均值上的離散程度，變異系數小表明數據的穩定性和重復性更高。不同觀測時刻下各測量方法的變異系數見表4。由表可知，在各觀測時刻下均呈現相同趨勢：加權平均法的變異系數最小，其次是紅外成像法，中心法變異系數最大。中心法變異系數較大，主要由于與加權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時刻6個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則，這是由于樣品原料層各處厚度不一，導致樣品各處發熱溫度差異較大，中心法只采集中心溫度會導致測量結果離散程度增加。中心法與加權平均法測得的發熱溫度接近，且中心法測得的溫度較加權平均法測得溫度高；圖中紅外成像法測得的中心溫度同樣比紅外成像法測得的發熱區的平均溫度高。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際發熱溫度，并且數據穩定性和重復性較低。

中心法與加權平均法相比較可得出與上述一致的結論。圖4（a）、圖4（b）、圖4（d）、圖4（e）表面溫度分布不均勻，對應表5中樣品1、樣品2、樣品4、樣品5各個觀測時刻下加權平均法4個鉑電阻測得的最大溫差較大，同一樣品相同觀測時刻最大溫差可達2.59 ℃；圖4（c）、圖4（f）表面溫度分布較均勻，對應表中樣品3、樣品6最大溫差較小。并且從表可見，不同觀測時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，與樣品發熱材料分布均勻程度有關。

紅外成像法變異系數比加權平均法大，部分觀測時刻與加權平均法接近，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加劇，里層溫度先升高后趨于穩定；外層因外界溫度低且覆蓋板打開后空氣流動，溫度升高不明顯并且迅速下降后趨于穩定，穩定后里、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。紅外成像法測量時需打開覆蓋板，因此測得的溫度較低，并且由于打開覆蓋板后外層溫度變化速度快，所以數據重復性較低。

5 結束語

本文提出了一次性隨身保暖產品的發熱溫度的3種測量方法，并以暖貼為實驗對象，對3種測量方法進行比較。由方差分析結果可知，在相同實驗條件下不同測量方法對發熱溫度測量結果有顯著影響。進行多重比較發現，中心法與加權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，加權平均法數據重復性最好，中心法數據重復性最差；紅外成像法數據重復性比中心法好，但與中心法、加權平均法均存在極顯著差異。經進一步研究發現，其主要原因是紅外成像法測試時需要打開覆蓋板，此時暖貼里、外層溫差變大且外層溫度變化較快。綜上所述，對一次性隨身保暖產品溫度特性進行標準化測量時，為提高測量結果的重復性和穩定性，宜采用加權平均法。

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（編輯：劉楊）