织物透湿性能测试仪计量特性影响分析

文/邓力生

（作者单位：福建省纤维检验局）

1 引言

透湿性能测试仪（以下简称透湿仪）用于纺织品透湿性能测试，主要由恒温恒湿试验箱、旋转试样架及透湿杯组成。使用部门提出透湿仪申购需求时，是根据检验标准中描述的仪器计量特性，通常不够严谨，指标也比较粗放，其指标的偏离对检验结果影响量多大，并无深入分析，导致验收合格透湿仪投入使用后检验结果误差大。要进一步研究设备各项计量特性对检验结果影响，才能提出适用的具体计量特性指标，做到保证检验结果准确情况下经济合理选择仪器。

在织物透湿性能检验项目比对中，不仅检验机构之间比对结果离散性大，甚至同一人员在同一时间同一地点的同型号两台仪器上的比对，仍存在检验结果差异大的情况发生，分析原因，往往问题出在仪器上，即忽略了透湿仪计量结果的深入分析及精准应用。透湿仪的主要计量特性有：温度、相对湿度、风速、透湿杯有效直径。以下，结合标准[1-2]的试验条件为例，分别分析透湿仪各项计量特性指标的偏离对检验结果影响。

2 透湿杯有效直径影响

不做空白试验，试样透湿率按式（1）计算，试验结果以三块的平均值表示[1]。

式中：WVT——透湿率， g/(m2·h)；Δm——同一试验组合体两次称量之差，g；A——有效试验面积，m2；D——杯口内直径，m；t——试验时间，h。

为便于分析，排除检验员操作上引起的不确定度影响及样品不均匀、温湿度误差及称重影响，即不考虑Δm导致的不确定度分量影响，我们仅考虑由面积A及试验时间t两个计量特性导致的不确定度分量影响，并保证这两个计量特性合成相对不确定度分量小于1%，来反推求得计量特性的具体指标允差。根据不确定度传播律，式（1）转化为相对不确定分量形式来分析比较便捷：

按urel(WVT )≤1%来分析直径D及时间t校准允差。

试验时间t按检验标准是1h，按目前成熟的工业制造技术，透湿仪计时器示值允差达到±2s不成问题，设其不确定分量按平均分布，则

杯口内直径D标称值为60mm，如果其尺寸允差按±1mm制作，不确定度分量按平均分布，则

代入式（2）计算，urel(WVT)=1.9%，超出1%要求，故直径计量特性按（60±1）mm是不合适的，且直径误差是合成不确定度分量的主要来源，必须减少该分量。按允差±0.5mm计算， urel(WVT)=0.97% ，正好满足1%的预定要求，考虑到透湿杯制作加工工艺水平及常年使用过程会产生一定的形变、污渍或磨损，故杯口直径允差按±0.3mm，足以保证长期使用过程对检验结果影响的不确定贡献小于1%。

3 温湿度影响

试样透湿度按式（3）计算[1]

式中：WVP——透湿度，g/(m2·Pa·h)；Δp——试样两侧的水蒸气压差，Pa；pCB——在试验温度下的饱和水蒸气压力，Pa；R1——试验箱的相对湿度，%；R2——透湿杯内相对湿度，%；ΔR——透湿杯内外相对湿度差，%。

忽略其他因素影响，只考虑温度影响量pCB及相对湿度影响量ΔR，根据不确定度传播律，转化为相对不确定分量分析：

这里，在透湿仪检验要求的温度和湿度下，仪器实际值存在偏差，列出试验人员不考虑仪器偏差导致计算结果的相对误差表，分别见表1及表2。

表1 湿度偏差与相对误差

由表1发现，蒸发法A中，由于标准试验条件的湿度差50%RH比吸湿法条件90%RH小，湿度偏差的影响量更大。

由表1与表2对比数据发现，透湿仪温湿度数值对试验结果准确性的贡献是相当大的，尤其是温度，温度偏离1℃造成的相对误差影响要大于湿度偏离2%RH的影响。如果检验人员按试验设定值而不是按透湿仪温湿度计量结果实际值计算，结果会有较大偏差。假设透湿仪温湿度为40℃/52%RH，温度偏差+2℃，湿度偏差+2%RH，虽然指标满足检验标准要求，但温度偏差引入的相对标准不确定度分量达11.30%，湿度偏差引入的相对标准不确定度分量为4.00%，按式（4）计算出合成不确定度分量 urel(WVP)=12% ，这仅是温湿度偏差导致的透湿度相对不确定度分量理论值，再综合考虑其他人工操作、天平称重等各种标准不确定度分量影响，最终检验结果的不确定度更大。所以要提高检验结果准确度，需从各方面加以改进，对透湿仪，提高温湿度准确度，降低这12%影响是有意义的。考虑目前绝大多数厂家的技术水平，再进一步提高温湿度准确度不仅难度大，制造成本也急剧提高，故将透湿仪的温湿度计量特性指标定在±0.5℃/±2%RH。以38.5℃/52%RH为例计算， urel(WVP)=4.8% ，在尚可接受范围。所以，透湿仪温湿度必须定期校准，发现超差必须修正后才能使用。

表2 温度偏差与相对误差

4 风速影响

透湿仪的风速大小直接影响到试验数据，风速大增加了水的蒸发量。不同种类的织物，风速大小对其影响的程度不同。标准给出试验条件是气流速度(0.3～0.5)m/s，文献指出[3]，在风速1m/s内试验，风速每升高0.2m/s，织物透湿率的试验结果平均值升高了（1.8～4.6）%，原透湿率大的增加值也大，无试样的空白试验增加值达7.8%。透湿仪内气流分布非常复杂，存在湍流，各空间几何位置点流速差异大，总体是离入风口近端的位置气流流速大，远端流速低，即使是固定点也测不出稳定的气流流速，好在试验过程试样架不停匀速旋转，使得试样架上各透湿杯所受气流影响基本一致，给均衡了。温度湿度存在的少许不均匀，也是通过匀速旋转给均衡了。校准或核查时须旋转状态下测量，不用太纠结瞬间流速，应以较长时间段的平均值为准，当平均气流速度达（0.4±0.1）m/s时，固定透湿仪风速调整装置并做好标记。

5 结语

仪器设备申购前，须有计量参数对检验结果影响量的评估，投入使用的仪器设备须定期校准，且校准证书的校准结果须正确加以应用，这些是保障检验结果准确的基础。以上对结果影响量分析表明，透湿杯口径偏差1mm影响占比1.9%。在透湿度检验中，温度偏差2℃影响占比11.3%，湿度偏差2%RH影响占比4.0%，风速偏差0.2m/s根据不同试样影响占比在（1.8～4.6）%之间，温度偏差影响占比最大，却往往容易给忽视。建议透湿仪的计量，因透湿杯有效直径使用中变化不大，首次校准即可，后续定期校准温度、湿度、气流流速这3个计量参数。如果校准结果无法满足透湿仪温度误差±0.5℃、湿度误差±2%RH、气流速度符合(0.3～0.5)m/s，透湿仪必须根据校准结果校正或调修后使用。