| 摘要 |
本文結合ISO以及各國傳感器法透氣性測試標准，分析了目前該類標准在實際應用中遇到的幾個問題以及少數標准中存在的不足之處。 |
| 關鍵詞
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標准,傳感器法,透氣性,標定,氧傳感器
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傳感器法是等壓法中應用最廣泛的一種測試方法，始於上世紀70年代的美國，該種方法最常應用於利用氧傳感器檢測材料的透氧性能，ASTM標准機構制定了相關測試方法標准ASTM D 3985。隨著國際貿易的擴展，傳感器法逐漸推廣到全球，在以壓差法為基礎的透氣性測試中進一步拓寬了材料透氣性能的檢測方法。一些國家的標准機構為了進一步完善材料的透氣性測試標准，逐步將傳感器法引入各自的標准體系中，ISO也在2003年制定了包含傳感器法在內的等壓法標准ISO 15105-2。但在傳感器法實際應用的過程中，在標定方法、傳感器類型、標准通用性、測試時間的起止判定等方面也表現出了一些問題，蘭光實驗室在大量實際試驗的基礎上，提出了問題的分析和解決方案。
1．完善標定方法
由於傳感器法中采用的氧傳感器會隨著使用時間的延長出現損耗而不易被操作者察覺，而且當傳感器的損耗達到一定的程度時需要利用標定物質對設備的數據體系進行校正，因此制定穩定有效的標定方法是非常重要的。
在某些傳感器法透氣性測試標准中提供的標定方法是采用參考膜（Reference Material）標定。這種方法是采用一種透氧量已知的薄膜，在待標定的設備中進行檢測，將設備測得的試驗結果與已知的薄膜透氧量進行比較就可以判定設備工作是否正常、傳感器是否出現損耗。不過在實際應用中這種標定方法遇到了一些困難。首先，並不是世界各國的標准物質機構都選擇參考膜做為標准物質，在很多國家中根本無法獲得這種得到本國標准物質機構認可的參考膜，由此導致一些傳感器法設備由於無法獲得參考膜而處於一種無法標定的狀態。其次是參考膜的數據穩定性是有時間限制的，由於一些傳感器法設備是進口產品，所以即使獲得廠家提供的參考膜，也不能解決由於長期標定需求而產生的對設備生產廠商的依賴，從而造成使用成本的增加。所以，迫切需要尋求一種更有效、應用更寬的標定方法。
利用已知濃度的氣體進行標定可以很好地解決目前在參考膜標定中遇到的問題。標氣標定廣泛應用於微量氧探測領域中，是標定氧傳感器的最佳方法，它是通過幾種標准氣體（氧含量一定，ppm級）來進行傳感器標定的。由於傳感器法透氧性測試設備中最重要的探測元件是氧傳感器，因此我們完全可以采用這種方法來對傳感器法設備進行標定以解決目前在參考膜標定中遇到的問題。首先，標氣的來源廣泛，各地的標准氣體廠都能提供，因此就解決了標准物質來源匱乏的問題。其次，標准氣體中的氧濃度都是用ppm來表示的，ppm（10-6）是全世界通用的單位，解決了衡量標准不統一的情況。再者，標氣制作歷史悠久、方法成熟，標氣中氧含量准確、精度高，解決了權威效力的問題。所以在傳感器法透氣性測試標准中應使用參考膜標定和標准氣體兩種模式，這樣可以為傳感器法的應用推廣掃清障礙。而且標氣標定在德國標准DIN 53380-3中已有類似應用。
2．拓寬氧傳感器類型
正如一些人所津津樂道的那樣，在傳感器法標准ASTM D 3985中確實對氧傳感器類型進行了規定，然而這種規定在一定程度上限制了該標准的推廣，因為這樣一方面不利於新技術的及時應用，成為標准昇級的障礙，另一方面也會給市場壟斷提供條件。
目前多數傳感器法透氣性測試標准中對采用的氧傳感器類型沒有要求，個別標准要求使用庫侖傳感器，例如ASTM D 3985，這是一種依據Faraday定律根據氧含量產生線性輸出的庫侖裝置。在傳感器法的實際應用中，有些廠家采用的電化學傳感器也是依據Faraday定律根據氧含量產生線性輸出的裝置，這種傳感器同樣可以准確實現氧的定量檢測。一些人認為庫倫傳感器可以完全吸收氧氣，實際上這是無法實現的，即使是使用除氧劑也難以實現100％除氧，同時如果傳感器大量吸收氧氣，會使得傳感器中的檢測物質迅速損耗，傳感器的檢測壽命會大大縮短，可見對氧氣的完全吸收與傳感器較長的檢測壽命是相互矛盾的，無法兼得。部分標准中對氧傳感器的種類進行規定現在已經成為這些標准廣泛應用的一項制約。更值得一提的是，在最新制定的一些傳感器法測試標准中已經取消了對氧傳感器類型的限制，例如ISO 15105-2。
3．增強標准的通用性
限定物質來源對於標准的通用性是一種制約。通用性強的標准往往只關注能夠獲得的效果，而並不關注實際應用中所使用的手段，這給標准使用者提供了廣闊的設計空間，有助於新技術的突破性應用。在這一方面，ISO標准體現得非常好。
使用來源相同的物質對於進行更加廣泛的數據比對是有益的，然而這並不能成為限定物質來源的理由。由於這種做法存在使一些商業集團獲得壟斷利益的可能，例如ASTM D 3985中指定催化劑中的氧化鋁的唯一來源是Englehard Industries Division的化學部，又指定參考膜（Reference Material）的唯一來源是MOCON, Inc.,，因此是國際慣行的標准制定法則中極力避免的。通常標准只規定需要達到的效果而允許其他物質的等效使用，這被認為是更加科學合理的。
4．明確測試時間的范圍
傳感器法透氣性測試標准中普遍存在對測試時間定義不明以及試驗結束判定條件缺失的情況，這直接給測試方法帶來了兩方面的影響：一方面是無法計算試驗效率，有些人認為傳感器法測試效率極高，是因為他們僅計算了進入試驗過程的那段時間，而忽略了數小時甚至數十小時的系統吹掃時間；另一方面在獲得試驗結果時因為缺少判斷依據而存在隨機性。
傳感器法的測試時間分為系統吹掃時間和滲透測試時間兩部分。系統吹掃時間是將載氣引入傳感器中持續吹掃，使系統內部的氧含量達到極低的狀態所需要的持續吹掃時間，吹掃過程有助於獲得較高的測試精度，是傳感器法測試中非常關鍵的一步。測試標准中對於系統吹掃時間的要求非常明確，一般認為至少需要數小時。
Labthink蘭光在研發傳感器法透氧性測試設備時曾對系統吹掃時間進行了研究，結論是系統吹掃時間與材料的種類、測試項目有關，一般需要數小時到十幾小時，否則吹掃效果無法保證。
滲透測試時間就是從滲透過程開始一直到判定滲透達到平衡的時間。如果說明確測試時間是否從系統吹掃過程開始算起可以算作確定測試時間的“起點”，那麼只有確定試驗結束的判定條件纔能給測試時間定出一個“終點”。實際經驗表明，進入試驗狀態後測試時間越長，測試數據的穩定性越好，而在剛剛進入試驗狀態不久的時間點上取得的試驗結果往往會與試樣達到滲透平衡的真實試驗數據有一定的差距。可見如果滲透的穩定判定僅僅依靠操作者主觀判斷的話，會顯著影響測試數據的准確性。因此，增加試驗結束的判定條件是非常必要的。我們建議參照壓差法中滲透穩定的判定原則，按一定的時間間隔定時測量傳感器輸出信號的變化量，當相鄰3次信號采樣值波動幅度不大於某個特定百分數時（百分數設定越小，可視為判定越嚴格，信號波動越小，數據越穩定），可視為信號已保持恆定，氧氣滲透達到穩定狀態，此時記錄下電流值，按照標准給出的計算公式計算測試結果。