溫濕度對棉花回潮率測定影響研究及新型電測器的研制

倪玉婷

編者：《溫濕度對棉花回潮率測量影響及新型電測器的研制》課題，其意義是通過全面系統的科學試驗和綜合分析，準確確定棉纖維的導電性能與其水分含量及與溫濕度之間的關系，進而在此基礎上研發出具有自主知識產權的，適合中國國情的，較寬溫、濕度適應范圍（溫度－30℃～50℃，濕度20%～95%）的棉花回潮率測定儀器，在國內全面推廣應用，把我國棉花回潮率測定方法提高到一個新的水平。

記者：根據棉花國家標準改革和棉花流通貿易的迫切需要，棉花回潮率檢測要著力解決測試快速和準確的問題。您能否談談溫濕度對棉花回潮率測量影響及新型電測器課題的研究工作？

徐總：好的。

我國棉花標準規定采用公定回潮率8.5%，對交易的棉花重量進行扣補。按目前棉花價格1.2萬元/噸計算，回潮率測試每1%的誤差，直接的價格差異達120元/噸。所以棉花回潮率的測試對棉花收購、加工、儲運及紡織交易結價意義重大。

目前回潮率的測試使用烘箱法和電測器法。烘箱法是回潮率測試的基準方法，但速度慢，需要復雜的條件和測試環境。電測器法是簡便快速的測試方法，目前在國內應用廣泛。電測器的原理是利用棉花在一定條件下的導電性能與其含水情況的關系，通過測量流過棉纖維的電流大小，間接地得出原棉的回潮率。

我國目前使用的電測器研發于20世紀60年代。由于當時科技水平的限制以及當時我國棉花主產區在長江和黃河流域，回潮率電測器設計工作條件為：－5℃～41℃。隨著棉花生產區域的轉移，目前新疆已成為我國棉花主產區。新疆的溫度和濕度的條件與長江和黃河流域有很大區別，突出體現在棉花收購加工季節溫度大都低于－10℃。其中，－20℃以下的天數約30天，部分時間甚至低于－30℃。現有儀器已不適應新疆的氣候條件，導致新疆棉花的回潮率測試成為目前重量結算的焦點問題。姚穆院士等許多專家對現行電測器存在的諸多問題都給予了密切關注，國家有關部門也多次強調要抓緊進行試驗研究并加以改進。

為此，2007年初以來,中纖局會同農業部種植業管理司、中國棉花協會、中國棉紡織行業協會等部門，組織陜西華斯特儀器公司等有關單位開展了《溫濕度對棉花回潮率測量影響及新型電測器》課題的研究工作，目的是通過全面系統的科學試驗和綜合分析，準確確定棉纖維的導電性能與其水分含量，及與溫濕度之間的關系。在此基礎上，進而研發出具有自主知識產權，適合中國國情以及較寬溫、濕度適應范圍（溫度－30℃～50℃，濕度20%～95%）的棉花回潮率測定儀器，在國內全面推廣應用，把我國棉花回潮率測定方法提高到一個新的水平。

記者：那么，目前的電測器有哪些問題亟待解決呢？

徐總：姚穆院士等多位業內專家共同研究，發現目前回潮率的測試使用電測器主要有8個問題亟待解決：

一是與烘箱測量比較存在較大誤差。長期以來，采用電阻法原理的棉花水分電測器因具有方便、快速的顯著特點，從上世紀60年代以來，特別是自GB?1103—1972 《棉花 細絨棉》國家標準實施以來，在國內獲得了廣泛的應用。但在長達40多年的應用過程中對其測量的準確度和溫度修正系數也不斷有所疑義。例如，使用中經常會發現對同一試樣，電測器法與烘箱法，兩者的測量結果存在較大差異。

二是低溫不能測量，常溫下溫度補償不準確。現行電測器工作溫度范圍一般在0℃～41℃，即使Y412B型電測器，其低溫也只能適應－10℃以上，而新疆許多棉區冬季氣溫在－20℃以下的天數達一個月以上，致使在此期間棉花回潮率無法用電測器測量。棉花的導電性主要是由其中所含水分決定的。理論分析和試驗結果均表明，棉花的回潮率越高，導電性能受溫度的影響應越大。但現行電測器在7%～13%回潮率范圍內，溫度修正系數均采用一個固定值，這是導致其測試誤差較大的主要原因之一。

三是回潮率數學模型不準確。試驗表明，現行電測器的測量誤差較大，除了溫度補償不準確之外，其各層測量的數學模型不準確是另一主要原因。

四是分度不科學，非線性問題按線性處理。現行電測器，特別是指針式電測器的7%以上回潮率的表頭刻度，在每1%之間是按線性處理，等間距繪制的。試驗表明，回潮率與導電性能之間的關系是非線性回歸關系，即使在每1%之間也不宜按線性處理。這種在每1%之間按線性處理的方法會產生0.05%～0.1%的測定誤差。

五是測試電壓等級高、種類多，對制造、使用和準確測量都帶來了不便。關于電測器的測量電壓，在國標GB?6102.2—1985《原棉回潮率試驗方法電測器法》中做出的規定是（360±5）V。但目前在用的各型號電測器所采用的測量電壓是：上層（360±5）V，下層（45±1）V，中層（90±2）V。這一測量電壓的規定，是受到上世紀七八十年代的電子技術的發展水平所限制的。多檔測量在使用中容易出現相鄰誤差，并給操作帶來麻煩。另外，上層測量采用的360V直流電壓存在著易使被測物質極化，加速棉纖維中分子離解，使測試過程不穩定，并存在安全隱患等弊端。

六是測量范圍不能滿足低溫測試的要求。現行電測器的回潮率測量下限是4%，但在新疆、甘肅等棉區由于氣候干燥，在溫度較高的環境下很容易出現棉花回潮率低于4%的情況。再者，由于溫度的影響，即使回潮率5%的棉花，在－20℃以下測量，其電測值也會在3%左右。現行電測器的習慣處理方法是低于4%按4%處理，缺乏科學性和公正性，特別是在低溫下測量時更易引起較大誤差。

七是缺少品級、品種等對電測法影響因素的處理。試驗表明，品級、品種等因素對棉花的電學性能有一定影響。但現行電測器對這些因素未加考慮，也會產生測試誤差。

八是技術落后，不能滿足棉花產業發展的需要。現行電測器，特別是采用電流表頭顯示測定結果的指針式電測器，其機電技術屬上世紀60或70年代水平，遠落后于時代發展的步伐。在此機型上難以實現溫度的非線性補償及其他如品級、品種等多因素的處理和修正，也無法實現測試結果與計算機通信。

記者：這個項目的研究大體經歷了幾個階段？每個階段要解決哪些問題？

徐總：主要是三個階段：前期研究階段、正式試驗階段和項目評審階段。

首先，前期研究階段。在中國纖維檢驗局的組織下，農業部種植業管理司、中國棉花協會、中國棉紡織行業協會等部門參與，于2007年1月啟動了本項目。從2007年1月到2007年9月，開展了本項目的前期研究工作，是項目的準備及初步試驗階段。在前期研究階段主要做了以下工作：一是于2007年5月底完成了本項目主要研究內容之一“寬幅步進式調濕調溫實驗室”的建設，為項目的開展創造了基礎條件；二是對不同品種、品級和不同軋工方式的9個類別的試樣進行了各回潮段的溫度對測量影響的試驗；三是對不同品種、品級和不同軋工方式的9個類別試樣進行了各回潮段20℃的標準溫度點的試驗。

2007年9月，中國纖維檢驗局組織在陜西咸陽召開了“溫濕度對棉花回潮率測定影響研究”項目試驗研究方案專家論證會。來自中國棉花協會、全國棉花交易市場、西安工程大學、中國棉紡織協會、 陜西纖維檢驗局、安徽財經大學等單位的12位專家參加了論證工作，西安工程大學姚穆院士為論證會專家組組長。與會專家聽取了《溫濕度對棉花回潮率測定影響研究》項目的初步研究情況匯報，并在現場考察用于項目研究的可調溫調濕實驗室后，對制定的項目試驗方案進行了認真論證。

通過與會專家論證，對試驗研究方案提出了下列6項完善和改進意見：一是建議對試驗過程中的輔助設備，如溫、濕度傳感器等進行計量鑒定，以確保試驗的科學、嚴謹和準確；二是建議新型電測器要注意改善絕緣條件，在低溫和高濕環境下仍應正確測量，電源電壓為90V，并使用多極穩壓，極板使用不銹鋼材料；三是建議對不同溫度和濕度樣品的真實回潮率考慮準確測量，在已知樣品干重的條件下，測量樣品的濕重時，要排除塑料袋內表面可能凝結的水、冰、濕氣對測量結果的影響，要避免測量環境因素造成試驗結果偏差；四是建議將對長絨棉回潮率的測試納入研究范圍；五是建議加快研究進度，盡快拿出樣機，進行較大范圍的試驗驗證工作；六是建議同步進行棉花回潮率電測器和在線檢測裝置的對比研究，確保不同檢測方法結果的一致性。對專家論證試驗研究方案所提出的意見，由中國纖維檢驗局會同有關部門和單位形成了會議紀要。

其次，是正式試驗研究階段。從2007年10月開始，項目組以此次論證會為新的起點，在認真總結前期研究工作的基礎上，按照中國纖維檢驗局的統一安排，依據專家論證會聯合制定的試驗研究方案，以科學嚴謹的態度和勇于創新的精神分三個階段展開了本項目的正式試驗研究工作。

第一階段：2007年10月～2008年2月，全面試驗階段。在本階段完成了以下三方面的試驗任務：一是在步進式寬幅調溫調濕實驗室內，按方案規定的方法步驟，完成了各項試驗內容。其間，中纖局組織相關行業的專家親臨試驗現場參與聯合試驗，對項目組的試驗工作進行了指導和督察。二是在試驗所在地的自然環境下，完成了3000個試樣的比對試驗。三是在全國4省區14個棉花加工廠現場，完成了1523個棉包試樣的比對試驗。

第二階段：2008年3月～2008年6月，建模和新型電測器樣機試制階段。在此階段主要完成了以下三方面的研究任務：一是對試驗數據進行匯總、統計分析，初步建立了項目研究任務要求的各種數學模型。二是依據數學模型完成了新型電測器的設計和試制。三是在實驗室中對樣機進行模擬大氣環境的全性能測試。

第三階段：2008年7月～2008年9月，新型電測器擴大驗證試驗階段。根據中國纖維檢驗局下發的《關于組織開展新型電測器擴大驗證試驗的通知》，從2008年7月～2008年9月，新疆、湖北、陜西等省（區）纖維檢驗局，南陽市纖維檢驗所、西北國棉一廠、南陽市棉花公司等國內纖檢、棉花和紡織方面的6個單位，按照《新型電測器擴大驗證試驗方案》開展了新型電測器的擴大驗證試驗工作。本次試驗中6個參加單位提供試樣421個，每一試樣均進行新型電測器與烘箱兩種試驗方法的測試，獲得了421對比較數據。通過全國4個試點6個參加單位在常規條件下新型電測器與烘箱421個試樣的測試比對，其平均差異為0.005%，在國標允許的范圍之內；相關系數r=0.9971，呈極顯著相關；用成對數據的t檢驗法分析，t值小于臨界值，無顯著差異。試驗結果表明：新型電測器設計參數合理，測試數據準確，特別是在回潮率的數學模型建立、溫濕度影響修正、單一90V測試電壓和測量環境適應性等方面有多項創新。

記者：這一階段是課題的關鍵所在，能否概括一下完成了哪些研究任務？

徐總：是的，經過近兩年的努力工作，圓滿完成了下列各項研究任務：

一是建立數學模型。通過對在模擬環境條件下達到調濕平衡的棉樣，在實驗室中進行導電性能和回潮率基準測試方法烘箱法的大量比較試驗（試驗數據在1萬份左右），建立數學模型。該模型解決了以下基礎性理論問題：A．建立了單一90V直流電壓作為測試電壓條件下，棉纖維導電性能與水分含量之間的函數關系，確定并繪制它們之間的關系曲線。B．建立了棉纖維導電性能與溫度之間關系的數學模型，繪制二者之間的關系曲線。C．確定了不同品種棉花在導電性能方面的差異規律。D．確定了不同品級棉花在導電性能方面的差異規律。E．確定了不同軋工方式加工的棉花在導電性能方面的差異規律。F．確定了長絨棉與細絨棉在導電性能方面的差異規律。

二是產品研發、驗證和定型。按照試驗結果建立的數學模型，進行儀器設計與樣機試制，開展樣機在模擬大氣環境實驗室中的全性能測試，并在全國選擇氣候不同的地區進行現場應用試驗。依據驗證結果，進行模型修正、產品定型。

記者：請您談談項目的評審情況。

徐總：第三階段就是項目的評審。2008年10月17日，由中國纖維檢驗局組織并主持，在陜西咸陽召開了“溫濕度對棉花回潮率測定影響研究及新型電測器研制”項目專家評審會。來自中國纖維檢驗局、農業部種植業管理司、中國棉花協會、中國棉紡織協會、國家纖維計量站、安徽財經大學、陜西省纖維檢驗局等單位的10位專家參加了評審工作。與會專家考察了陜西華斯特儀器公司的科研、生產現場；聽取并審查了該公司所作的研究工作報告、技術報告、試驗報告、用戶試用報告；專家測試組進行了現場檢測。在現場檢測中重點驗證了該項目研制的新型電測器在低溫－22℃和高溫38℃溫度條件下的測試性能。

與會專家一致認為，該項目建立的數學模型科學、嚴密、可信，填補了國內空白。研制的新型電測器設計合理，測量準確，主要技術指標處于國內領先水平。與會專家認為，該項目研究達到了預期效果，實現了棉花回潮率測試技術的重大創新，解決了我國棉花回潮率測定儀器亟待解決的問題，把我國棉花回潮率快速、準確測試技術提高到了一個新的水平。必將對我國棉花產業尤其是對國內棉花貿易產生重要影響，特別是對解決新疆棉花在貿易中存在的重量偏差問題，具有十分重要的現實意義。會議一致同意該項目通過技術成果鑒定，并希望有關單位配合《原棉回潮率試驗方法電測器法》國家新標準的實施，組織生產，滿足市場需求。

在此，我順便通報一下：目前，由我局主持會同相關部門專家制定的《原棉回潮率試驗方法電測器法》國家新標準已通過審定并報國家標準委審批；同時，新型電測器的計量檢定亦在制定當中，為2009新棉年度開始推行新型電測器作好相關準備。

記者：最后一個問題，您能否談談這一項目的技術難點和創新點？

徐總：本項目研究的難點和工作量均在試驗方法的確定和大量的試驗工作上。我國幅員遼闊，各地氣候差別很大，要想通過跟蹤氣候自然變化來進行本方案的溫濕度試驗幾乎是不可能的。為此，就必須建立模擬大氣環境，溫度在－30℃～50℃范圍內連續可調，相對濕度在15%～95%的范圍內連續可調的實驗室。棉樣可在此實驗室中平衡，整個試驗可在此實驗室中完成。

創新點就是借助現代科技水平，本研究得以建立溫度在－30℃～50℃范圍內連續可調，相對濕度在15%～95%的范圍內連續可調的實驗室。在模擬環境條件下建立棉花導電性能和回潮率的數學模型，目前國內外尚未開展類似研究工作。建立在新的數學模型基礎上的新型電測器，在適應測試環境條件和測試精度等方面將大幅度提高。屬國內首創。