氧氣透過率試驗儀校準方法研究

毛 森，馬亞楠，王廣俊，牛國棟，朱 茜

(1.河南省計量科學研究院，河南 鄭州 450047；2.大同煤礦集團有限責任公司，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].阻隔性能是影響產品貨架期的重要因素之一，也是廠家分析產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、醫療器械、建筑等領域[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生的產品氧化變質、受潮霉變等質量問題.氧氣透過率試驗儀又可稱為透氧儀、氧氣透過率測試系統、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、復合材料、鍍鋁膜、共擠膜等膜、鋁箔、片狀材料及塑料、橡膠、紙質、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].由于缺少相關標準物質,長期以來,氧氣透過率試驗儀的校準僅僅只能針對儀器中某些部件，其校準結果并不能反映其整機性能，從而造成儀器整機性能長期無法溯源.

2014年底，相關的氧氣透過率標準物質獲得批準并被生產，從而使得氧氣透過率試驗儀的整機性能校準得到了保障.雖然有了標物，但是國內相關的技術法規一直處于空缺狀態，氧氣透過率測試儀地方校準方法的研究是對氧氣透過率校準技術的初步探索，能夠彌補國內此類技術法規的空白，為此類大型儀器的溯源提供有效的支撐.

1 儀器工作原理及結構

儀器依據庫侖電量法原理，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，氧分子透過薄膜擴散到另一側的氮氣中，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 校準項目

2.1 溫度穩定性檢查

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

(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

根據氧氣透過率試驗儀的測量范圍，按儀器規定條件進行設定，待儀器穩定后，選擇標準值合適的有證標準物質裝入儀器試驗儀腔體，進行氧氣透過率測定，測量2次取平均值，計算平均值與標準值之間的相對誤差，公式為

(2)

2.3 測量重復性

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

(3)

3 主要計量性能指標及校準結果驗證

3.1 主要計量性能指標

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

3.2 校準結果驗證

3.2.1 試驗環境條件

溫度：15 ℃ ～ 25 ℃

濕度：40%RH ～ 60%RH

3.2.2 試驗設備

鉑電阻溫度計：MPE，±0.3 ℃；

氧氣透過率標準物質：國家有證標準物質，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.

3.2.3 校準結果驗證

分別將6臺待校儀器腔體溫度設定為23 ℃，待儀器穩定后，對儀器進行“溫度穩定性檢查”，計算得出結果如表1 所示.

表1 氧氣透過率試驗儀溫度穩定性檢查驗證結果統計表Tab.1 The verification results statistics of the temperature stability

分別選取標準值為12.3 cm3/(m2·24 h)及標準值為62.8 cm3/(m2·24 h)的氧氣透過率標準物質各2片，對6臺氧氣透過率試驗儀的“測量相對誤差”及“測量重復性”進行驗證.測量及計算結果見表2，表3.

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

表3 氧氣透過率試驗儀測量重復性驗證結果統計表Tab.3 The verification results statistics of the repeatability

4 結 論

采用文中給出的校準方法，對儀器的計量性能進行了驗證性試驗，試驗結果表明：6臺不同廠家功能正常的氧氣透過率試驗儀溫度穩定性均小于1.5%；所選取的6臺儀器在不同測量段內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的計量性能指標；重復性指標一般按誤差的1/2規定，所以氧氣透過率測量重復性指標設定為不大于8%，被檢器該項性能均優于此指標.綜上所述，文中所給校準項目設置科學，計量性能指標設定合理，具有廣泛的適用性，能使絕大多數儀器有效使用.