氧气透过率试验仪校准方法研究

　　摘要：氧气透过率试验仪是测定材料阻隔性能的重要仪器，校准方法的缺失使其测量结果的准确性无法得到保障.在目前尚无相关校准规范的大背景下，本文介绍了一种氧气透过率试验仪的校准方法.选取能够反映仪器主要性能的温度稳定性、测量相对误差、测量重复性作为氧气透过率试验仪的主要校准项目;对上述校准项目提供了具体操作方法;对测量数据给出了计算公式;对结果判定提供了较为科学的指标.通过选取不同厂家的氧气透过率试验仪对校准方法进行逐项验证，结果表明：文中所设计的校准方法科学合理，能够为此类阻隔性能检测设备的性能确认提供较为可靠的参考.

　　关键词：氧气透过率;阻隔性;校准方法;计量指标

　　气体渗透测试属于阻隔性能检测.阻隔性能检测包括对气体(氧气、氮气、二氧化碳等)与水蒸气透过率测试两类[1，2].阻隔性能是影响产品货架期的重要因素之一，也是厂家分析产品货架期的重要参考.阻隔性能的检测广泛涉及航空航天、特殊气体保存、医疗器械、建筑等领域[3-5]，通过该项检测能够分析解决由于氧气或水蒸气敏感而产生的产品氧化变质、受潮霉变等质量问题.氧气透过率试验仪又可称为透氧仪、氧气透过率测试系统、透氧率测试仪等，适用于塑料薄膜、高阻隔性材料、太阳能背板、片材、复合材料、镀铝膜、共挤膜等膜、铝箔、片状材料及塑料、橡胶、纸质、玻璃、金属等材料的瓶、袋、罐、盒等包装容器的氧气透过率测试[6-8].

　　由于缺少相关标准物质，长期以来，氧气透过率试验仪的校准仅仅只能针对仪器中某些部件，其校准结果并不能反映其整机性能，从而造成仪器整机性能长期无法溯源.2014年底，相关的氧气透过率标准物质获得批准并被生产，从而使得氧气透过率试验仪的整机性能校准得到了保障.虽然有了标物，但是国内相关的技术法规一直处于空缺状态，氧气透过率测试仪地方校准方法的研究是对氧气透过率校准技术的初步探索，能够弥补国内此类技术法规的空白，为此类大型仪器的溯源提供有效的支撑.

　　1仪器工作原理及结构仪器依据

　　库仑电量法原理，用等压法测试，测试腔分上下两部分，薄膜固定在中间，高纯氧气在薄膜的上腔流动，高纯氮气在薄膜的下腔流动，氧分子透过薄膜扩散到另一侧的氮气中，被流动的氮气携带至传感器，通过对传感器测量到的氧气浓度进行分析，从而计算出氧气透过量[9].

　　2校准项目

　　2.1温度稳定性检查

　　把温度计的探头固定在仪器的测试腔中，设定温度为23℃[10]，待仪器温度稳定后连续测量10min，每分钟记录一个数据.按式(1)计算仪器温度的稳定性：Δt=tmax-tmint，(1)式中：Δt为温度测量的平均值，℃;tmax为温度测量的最高值，℃;tmin为温度测量的最低值，℃.

　　2.2测量相对误差

　　根据氧气透过率试验仪的测量范围，按仪器规定条件进行设定，待仪器稳定后，选择标准值合适的有证标准物质装入仪器试验仪腔体，进行氧气透过率测定，测量2次取平均值，计算平均值与标准值之间的相对误差，公式为δ=R-O2-RO2RO2，(2)式中：δ为示值误差，%;RO2为两次测量平均值，cm3/(m2·24h);RO2为标准物质标准值，cm3/(m2·24h).

　　2.3测量重复性

　　在2.2的相同测量条件下，对氧气透过率标准物质重复测量2次的值，用式(3)计算测量重复性.按照极差法要求，根据式(2)计算各测量点氧气透过率重复性.最终以各测量点测量重复性中的最大值作为仪器整体的测量重复性.S=|RO21-RO22|1.13RO2，(3)式中：S为氧气透过率测量重复性;RO21为第1次测量的氧气透过率值，cm3/(m2·24h);RO22为第2次测量的氧气透过率值，cm3/(m2·24h);R-O2为2次测量的氧气透过率平均值，cm3/(m2·24h).

　　3主要计量性能指标及校准结果验证

　　3.1主要计量性能指标

　　仪器腔体内温度稳定性应不大于1.5%;测量值范围在(0~20)cm3/(m2·24h)时，测量相对误差应不大于±20%;测量值范围大于20cm3/(m2·24h)时，测量相对误差应不大于±15%.

　　3.2校准结果验证

　　3.2.1试验环境条件温度：15℃~25℃湿度：40%RH~60%RH

　　3.2.2试验设备

　　铂电阻温度计：MPE，±0.3℃;氧气透过率标准物质：国家有证标准物质，相对不确定度不大于8%.试验仪器：选取6台不同厂家的氧气透过率试验仪，编号依次为A，B，C，D，E，F.

　　3.2.3校准结果验证

　　分别将6台待校仪器腔体温度设定为23℃，待仪器稳定后，对仪器进行“温度稳定性检查”。分别选取标准值为12.3cm3/(m2·24h)及标准值为62.8cm3/(m2·24h)的氧气透过率标准物质各2片，对6台氧气透过率试验仪的“测量相对误差”及“测量重复性”进行验证.测量及计算。

　　4结论

　　采用文中给出的校准方法，对仪器的计量性能进行了验证性试验，试验结果表明：6台不同厂家功能正常的氧气透过率试验仪温度稳定性均小于1.5%;所选取的6台仪器在不同测量段内的相对误差有较大差异，但均满足文中给出的不同测量段内的计量性能指标;重复性指标一般按误差的1/2规定，所以氧气透过率测量重复性指标设定为不大于8%，被检器该项性能均优于此指标.综上所述，文中所给校准项目设置科学，计量性能指标设定合理，具有广泛的适用性，能使绝大多数仪器有效使用.

　　参考文献：

　　[1]陈默，王志伟，胡长鹰，等.湿度对聚乙烯醇膜阻隔性能的影响[J].高分子材料科学与工程，2009，25(8)：61-63，67.ChenMo，WangZhiwei，HuChangying，etal.Effectofrelativehumidityonbarrierpropertiesofpolyvinylalcoholfilms[J].PolymerMaterialsScience&Engineering，2009，25(8)：61-63，67.(inChinese)

　　[2]吕艳娜，周学成.等压法氧气透过率测定仪的温湿度控制技术[J].中国包装，2012，32(4)：59-63.LvYanna，ZhouXuecheng.ThetemperatureandhumiditycontroltechnologyofOxygengaspermeabilitycharacteristics[J].ChinaPackaging，2012，32(4)：59-63.(inChinese)

　　[3]王微山，赵江.特殊气体透过率的检测方法及设备选择[J].中国包装，2009(4)：53-54.WangWeishan，ZhaoJiang.Detectionmethodandequipmentselectionofspecialgaspermeability[J].ChinaPackaging，2009(4)：53-54.(inChinese)

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