織物透濕性能測試儀計量特性影響分析

文/鄧力生

（作者單位：福建省纖維檢驗局）

1 引言

透濕性能測試儀（以下簡稱透濕儀）用于紡織品透濕性能測試，主要由恒溫恒濕試驗箱、旋轉試樣架及透濕杯組成。使用部門提出透濕儀申購需求時，是根據檢驗標準中描述的儀器計量特性，通常不夠嚴謹，指標也比較粗放，其指標的偏離對檢驗結果影響量多大，并無深入分析，導致驗收合格透濕儀投入使用后檢驗結果誤差大。要進一步研究設備各項計量特性對檢驗結果影響，才能提出適用的具體計量特性指標，做到保證檢驗結果準確情況下經濟合理選擇儀器。

在織物透濕性能檢驗項目比對中，不僅檢驗機構之間比對結果離散性大，甚至同一人員在同一時間同一地點的同型號兩臺儀器上的比對，仍存在檢驗結果差異大的情況發生，分析原因，往往問題出在儀器上，即忽略了透濕儀計量結果的深入分析及精準應用。透濕儀的主要計量特性有：溫度、相對濕度、風速、透濕杯有效直徑。以下，結合標準[1-2]的試驗條件為例，分別分析透濕儀各項計量特性指標的偏離對檢驗結果影響。

2 透濕杯有效直徑影響

不做空白試驗，試樣透濕率按式（1）計算，試驗結果以三塊的平均值表示[1]。

式中：WVT——透濕率， g/(m2·h)；Δm——同一試驗組合體兩次稱量之差，g；A——有效試驗面積，m2；D——杯口內直徑，m；t——試驗時間，h。

為便于分析，排除檢驗員操作上引起的不確定度影響及樣品不均勻、溫濕度誤差及稱重影響，即不考慮Δm導致的不確定度分量影響，我們僅考慮由面積A及試驗時間t兩個計量特性導致的不確定度分量影響，并保證這兩個計量特性合成相對不確定度分量小于1%，來反推求得計量特性的具體指標允差。根據不確定度傳播律，式（1）轉化為相對不確定分量形式來分析比較便捷：

按urel(WVT )≤1%來分析直徑D及時間t校準允差。

試驗時間t按檢驗標準是1h，按目前成熟的工業制造技術，透濕儀計時器示值允差達到±2s不成問題，設其不確定分量按平均分布，則

杯口內直徑D標稱值為60mm，如果其尺寸允差按±1mm制作，不確定度分量按平均分布，則

代入式（2）計算，urel(WVT)=1.9%，超出1%要求，故直徑計量特性按（60±1）mm是不合適的，且直徑誤差是合成不確定度分量的主要來源，必須減少該分量。按允差±0.5mm計算， urel(WVT)=0.97% ，正好滿足1%的預定要求，考慮到透濕杯制作加工工藝水平及常年使用過程會產生一定的形變、污漬或磨損，故杯口直徑允差按±0.3mm，足以保證長期使用過程對檢驗結果影響的不確定貢獻小于1%。

3 溫濕度影響

試樣透濕度按式（3）計算[1]

式中：WVP——透濕度，g/(m2·Pa·h)；Δp——試樣兩側的水蒸氣壓差，Pa；pCB——在試驗溫度下的飽和水蒸氣壓力，Pa；R1——試驗箱的相對濕度，%；R2——透濕杯內相對濕度，%；ΔR——透濕杯內外相對濕度差，%。

忽略其他因素影響，只考慮溫度影響量pCB及相對濕度影響量ΔR，根據不確定度傳播律，轉化為相對不確定分量分析：

這里，在透濕儀檢驗要求的溫度和濕度下，儀器實際值存在偏差，列出試驗人員不考慮儀器偏差導致計算結果的相對誤差表，分別見表1及表2。

表1 濕度偏差與相對誤差

由表1發現，蒸發法A中，由于標準試驗條件的濕度差50%RH比吸濕法條件90%RH小，濕度偏差的影響量更大。

由表1與表2對比數據發現，透濕儀溫濕度數值對試驗結果準確性的貢獻是相當大的，尤其是溫度，溫度偏離1℃造成的相對誤差影響要大于濕度偏離2%RH的影響。如果檢驗人員按試驗設定值而不是按透濕儀溫濕度計量結果實際值計算，結果會有較大偏差。假設透濕儀溫濕度為40℃/52%RH，溫度偏差+2℃，濕度偏差+2%RH，雖然指標滿足檢驗標準要求，但溫度偏差引入的相對標準不確定度分量達11.30%，濕度偏差引入的相對標準不確定度分量為4.00%，按式（4）計算出合成不確定度分量 urel(WVP)=12% ，這僅是溫濕度偏差導致的透濕度相對不確定度分量理論值，再綜合考慮其他人工操作、天平稱重等各種標準不確定度分量影響，最終檢驗結果的不確定度更大。所以要提高檢驗結果準確度，需從各方面加以改進，對透濕儀，提高溫濕度準確度，降低這12%影響是有意義的。考慮目前絕大多數廠家的技術水平，再進一步提高溫濕度準確度不僅難度大，制造成本也急劇提高，故將透濕儀的溫濕度計量特性指標定在±0.5℃/±2%RH。以38.5℃/52%RH為例計算， urel(WVP)=4.8% ，在尚可接受范圍。所以，透濕儀溫濕度必須定期校準，發現超差必須修正后才能使用。

表2 溫度偏差與相對誤差

4 風速影響

透濕儀的風速大小直接影響到試驗數據，風速大增加了水的蒸發量。不同種類的織物，風速大小對其影響的程度不同。標準給出試驗條件是氣流速度(0.3～0.5)m/s，文獻指出[3]，在風速1m/s內試驗，風速每升高0.2m/s，織物透濕率的試驗結果平均值升高了（1.8～4.6）%，原透濕率大的增加值也大，無試樣的空白試驗增加值達7.8%。透濕儀內氣流分布非常復雜，存在湍流，各空間幾何位置點流速差異大，總體是離入風口近端的位置氣流流速大，遠端流速低，即使是固定點也測不出穩定的氣流流速，好在試驗過程試樣架不停勻速旋轉，使得試樣架上各透濕杯所受氣流影響基本一致，給均衡了。溫度濕度存在的少許不均勻，也是通過勻速旋轉給均衡了。校準或核查時須旋轉狀態下測量，不用太糾結瞬間流速，應以較長時間段的平均值為準，當平均氣流速度達（0.4±0.1）m/s時，固定透濕儀風速調整裝置并做好標記。

5 結語

儀器設備申購前，須有計量參數對檢驗結果影響量的評估，投入使用的儀器設備須定期校準，且校準證書的校準結果須正確加以應用，這些是保障檢驗結果準確的基礎。以上對結果影響量分析表明，透濕杯口徑偏差1mm影響占比1.9%。在透濕度檢驗中，溫度偏差2℃影響占比11.3%，濕度偏差2%RH影響占比4.0%，風速偏差0.2m/s根據不同試樣影響占比在（1.8～4.6）%之間，溫度偏差影響占比最大，卻往往容易給忽視。建議透濕儀的計量，因透濕杯有效直徑使用中變化不大，首次校準即可，后續定期校準溫度、濕度、氣流流速這3個計量參數。如果校準結果無法滿足透濕儀溫度誤差±0.5℃、濕度誤差±2%RH、氣流速度符合(0.3～0.5)m/s，透濕儀必須根據校準結果校正或調修后使用。