温湿度对棉花回潮率测定影响研究及新型电测器的研制

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编者：《温湿度对棉花回潮率测量影响及新型电测器的研制》课题，其意义是通过全面系统的科学试验和综合分析，准确确定棉纤维的导电性能与其水分含量及与温湿度之间的关系，进而在此基础上研发出具有自主知识产权的，适合中国国情的，较宽温、湿度适应范围（温度－30℃～50℃，湿度20%～95%）的棉花回潮率测定仪器，在国内全面推广应用，把我国棉花回潮率测定方法提高到一个新的水平。

记者：根据棉花国家标准改革和棉花流通贸易的迫切需要，棉花回潮率检测要着力解决测试快速和准确的问题。您能否谈谈温湿度对棉花回潮率测量影响及新型电测器课题的研究工作？

徐总：好的。

我国棉花标准规定采用公定回潮率8.5%，对交易的棉花重量进行扣补。按目前棉花价格1.2万元/吨计算，回潮率测试每1%的误差，直接的价格差异达120元/吨。所以棉花回潮率的测试对棉花收购、加工、储运及纺织交易结价意义重大。

目前回潮率的测试使用烘箱法和电测器法。烘箱法是回潮率测试的基准方法，但速度慢，需要复杂的条件和测试环境。电测器法是简便快速的测试方法，目前在国内应用广泛。电测器的原理是利用棉花在一定条件下的导电性能与其含水情况的关系，通过测量流过棉纤维的电流大小，间接地得出原棉的回潮率。

我国目前使用的电测器研发于20世纪60年代。由于当时科技水平的限制以及当时我国棉花主产区在长江和黄河流域，回潮率电测器设计工作条件为：－5℃～41℃。随着棉花生产区域的转移，目前新疆已成为我国棉花主产区。新疆的温度和湿度的条件与长江和黄河流域有很大区别，突出体现在棉花收购加工季节温度大都低于－10℃。其中，－20℃以下的天数约30天，部分时间甚至低于－30℃。现有仪器已不适应新疆的气候条件，导致新疆棉花的回潮率测试成为目前重量结算的焦点问题。姚穆院士等许多专家对现行电测器存在的诸多问题都给予了密切关注，国家有关部门也多次强调要抓紧进行试验研究并加以改进。

为此，2007年初以来,中纤局会同农业部种植业管理司、中国棉花协会、中国棉纺织行业协会等部门，组织陕西华斯特仪器公司等有关单位开展了《温湿度对棉花回潮率测量影响及新型电测器》课题的研究工作，目的是通过全面系统的科学试验和综合分析，准确确定棉纤维的导电性能与其水分含量，及与温湿度之间的关系。在此基础上，进而研发出具有自主知识产权，适合中国国情以及较宽温、湿度适应范围（温度－30℃～50℃，湿度20%～95%）的棉花回潮率测定仪器，在国内全面推广应用，把我国棉花回潮率测定方法提高到一个新的水平。

记者：那么，目前的电测器有哪些问题亟待解决呢？

徐总：姚穆院士等多位业内专家共同研究，发现目前回潮率的测试使用电测器主要有8个问题亟待解决：

一是与烘箱测量比较存在较大误差。长期以来，采用电阻法原理的棉花水分电测器因具有方便、快速的显著特点，从上世纪60年代以来，特别是自GB 1103―1972 《棉花 细绒棉》国家标准实施以来，在国内获得了广泛的应用。但在长达40多年的应用过程中对其测量的准确度和温度修正系数也不断有所疑义。例如，使用中经常会发现对同一试样，电测器法与烘箱法，两者的测量结果存在较大差异。

二是低温不能测量，常温下温度补偿不准确。现行电测器工作温度范围一般在0℃～41℃，即使Y412B型电测器，其低温也只能适应－10℃以上，而新疆许多棉区冬季气温在－20℃以下的天数达一个月以上，致使在此期间棉花回潮率无法用电测器测量。棉花的导电性主要是由其中所含水分决定的。理论分析和试验结果均表明，棉花的回潮率越高，导电性能受温度的影响应越大。但现行电测器在7%～13%回潮率范围内，温度修正系数均采用一个固定值，这是导致其测试误差较大的主要原因之一。

三是回潮率数学模型不准确。试验表明，现行电测器的测量误差较大，除了温度补偿不准确之外，其各层测量的数学模型不准确是另一主要原因。

四是分度不科学，非线性问题按线性处理。现行电测器，特别是指针式电测器的7%以上回潮率的表头刻度，在每1%之间是按线性处理，等间距绘制的。试验表明，回潮率与导电性能之间的关系是非线性回归关系，即使在每1%之间也不宜按线性处理。这种在每1%之间按线性处理的方法会产生0.05%～0.1%的测定误差。

五是测试电压等级高、种类多，对制造、使用和准确测量都带来了不便。关于电测器的测量电压，在国标GB 6102.2―1985《原棉回潮率试验方法电测器法》中做出的规定是（360±5）V。但目前在用的各型号电测器所采用的测量电压是：上层（360±5）V，下层（45±1）V，中层（90±2）V。这一测量电压的规定，是受到上世纪七八十年代的电子技术的发展水平所限制的。多档测量在使用中容易出现相邻误差，并给操作带来麻烦。另外，上层测量采用的360V直流电压存在着易使被测物质极化，加速棉纤维中分子离解，使测试过程不稳定，并存在安全隐患等弊端。

六是测量范围不能满足低温测试的要求。现行电测器的回潮率测量下限是4%，但在新疆、甘肃等棉区由于气候干燥，在温度较高的环境下很容易出现棉花回潮率低于4%的情况。再者，由于温度的影响，即使回潮率5%的棉花，在－20℃以下测量，其电测值也会在3%左右。现行电测器的习惯处理方法是低于4%按4%处理，缺乏科学性和公正性，特别是在低温下测量时更易引起较大误差。

七是缺少品级、品种等对电测法影响因素的处理。试验表明，品级、品种等因素对棉花的电学性能有一定影响。但现行电测器对这些因素未加考虑，也会产生测试误差。

八是技术落后，不能满足棉花产业发展的需要。现行电测器，特别是采用电流表头显示测定结果的指针式电测器，其机电技术属上世纪60或70年代水平，远落后于时展的步伐。在此机型上难以实现温度的非线性补偿及其他如品级、品种等多因素的处理和修正，也无法实现测试结果与计算机通信。

记者：这个项目的研究大体经历了几个阶段？每个阶段要解决哪些问题？

徐总：主要是三个阶段：前期研究阶段、正式试验阶段和项目评审阶段。

首先，前期研究阶段。在中国纤维检验局的组织下，农业部种植业管理司、中国棉花协会、中国棉纺织行业协会等部门参与，于2007年1月启动了本项目。从2007年1月到2007年9月，开展了本项目的前期研究工作，是项目的准备及初步试验阶段。在前期研究阶段主要做了以下工作：一是于2007年5月底完成了本项目主要研究内容之一“宽幅步进式调湿调温实验室”的建设，为项目的开展创造了基础条件；二是对不同品种、品级和不同轧工方式的9个类别的试样进行了各回潮段的温度对测量影响的试验；三是对不同品种、品级和不同轧工方式的9个类别试样进行了各回潮段20℃的标准温度点的试验。

2007年9月，中国纤维检验局组织在陕西咸阳召开了“温湿度对棉花回潮率测定影响研究”项目试验研究方案专家论证会。来自中国棉花协会、全国棉花交易市场、西安工程大学、中国棉纺织协会、 陕西纤维检验局、安徽财经大学等单位的12位专家参加了论证工作，西安工程大学姚穆院士为论证会专家组组长。与会专家听取了《温湿度对棉花回潮率测定影响研究》项目的初步研究情况汇报，并在现场考察用于项目研究的可调温调湿实验室后，对制定的项目试验方案进行了认真论证。

通过与会专家论证，对试验研究方案提出了下列6项完善和改进意见：一是建议对试验过程中的辅助设备，如温、湿度传感器等进行计量鉴定，以确保试验的科学、严谨和准确；二是建议新型电测器要注意改善绝缘条件，在低温和高湿环境下仍应正确测量，电源电压为90V，并使用多极稳压，极板使用不锈钢材料；三是建议对不同温度和湿度样品的真实回潮率考虑准确测量，在已知样品干重的条件下，测量样品的湿重时，要排除塑料袋内表面可能凝结的水、冰、湿气对测量结果的影响，要避免测量环境因素造成试验结果偏差；四是建议将对长绒棉回潮率的测试纳入研究范围；五是建议加快研究进度，尽快拿出样机，进行较大范围的试验验证工作；六是建议同步进行棉花回潮率电测器和在线检测装置的对比研究，确保不同检测方法结果的一致性。对专家论证试验研究方案所提出的意见，由中国纤维检验局会同有关部门和单位形成了会议纪要。

其次，是正式试验研究阶段。从2007年10月开始，项目组以此次论证会为新的起点，在认真总结前期研究工作的基础上，按照中国纤维检验局的统一安排，依据专家论证会联合制定的试验研究方案，以科学严谨的态度和勇于创新的精神分三个阶段展开了本项目的正式试验研究工作。

第一阶段：2007年10月～2008年2月，全面试验阶段。在本阶段完成了以下三方面的试验任务：一是在步进式宽幅调温调湿实验室内，按方案规定的方法步骤，完成了各项试验内容。其间，中纤局组织相关行业的专家亲临试验现场参与联合试验，对项目组的试验工作进行了指导和督察。二是在试验所在地的自然环境下，完成了3000个试样的比对试验。三是在全国4省区14个棉花加工厂现场，完成了1523个棉包试样的比对试验。

第二阶段：2008年3月～2008年6月，建模和新型电测器样机试制阶段。在此阶段主要完成了以下三方面的研究任务：一是对试验数据进行汇总、统计分析，初步建立了项目研究任务要求的各种数学模型。二是依据数学模型完成了新型电测器的设计和试制。三是在实验室中对样机进行模拟大气环境的全性能测试。

第三阶段：2008年7月～2008年9月，新型电测器扩大验证试验阶段。根据中国纤维检验局下发的《关于组织开展新型电测器扩大验证试验的通知》，从2008年7月～2008年9月，新疆、湖北、陕西等省（区）纤维检验局，南阳市纤维检验所、西北国棉一厂、南阳市棉花公司等国内纤检、棉花和纺织方面的6个单位，按照《新型电测器扩大验证试验方案》开展了新型电测器的扩大验证试验工作。本次试验中6个参加单位提供试样421个，每一试样均进行新型电测器与烘箱两种试验方法的测试，获得了421对比较数据。通过全国4个试点6个参加单位在常规条件下新型电测器与烘箱421个试样的测试比对，其平均差异为0.005%，在国标允许的范围之内；相关系数r=0.9971，呈极显著相关；用成对数据的t检验法分析，t值小于临界值，无显著差异。试验结果表明：新型电测器设计参数合理，测试数据准确，特别是在回潮率的数学模型建立、温湿度影响修正、单一90V测试电压和测量环境适应性等方面有多项创新。

记者：这一阶段是课题的关键所在，能否概括一下完成了哪些研究任务？

徐总：是的，经过近两年的努力工作，圆满完成了下列各项研究任务：

一是建立数学模型。通过对在模拟环境条件下达到调湿平衡的棉样，在实验室中进行导电性能和回潮率基准测试方法烘箱法的大量比较试验（试验数据在1万份左右），建立数学模型。该模型解决了以下基础性理论问题：A．建立了单一90V直流电压作为测试电压条件下，棉纤维导电性能与水分含量之间的函数关系，确定并绘制它们之间的关系曲线。B．建立了棉纤维导电性能与温度之间关系的数学模型，绘制二者之间的关系曲线。C．确定了不同品种棉花在导电性能方面的差异规律。D．确定了不同品级棉花在导电性能方面的差异规律。E．确定了不同轧工方式加工的棉花在导电性能方面的差异规律。F．确定了长绒棉与细绒棉在导电性能方面的差异规律。

二是产品研发、验证和定型。按照试验结果建立的数学模型，进行仪器设计与样机试制，开展样机在模拟大气环境实验室中的全性能测试，并在全国选择气候不同的地区进行现场应用试验。依据验证结果，进行模型修正、产品定型。

记者：请您谈谈项目的评审情况。

徐总：第三阶段就是项目的评审。2008年10月17日，由中国纤维检验局组织并主持，在陕西咸阳召开了“温湿度对棉花回潮率测定影响研究及新型电测器研制”项目专家评审会。来自中国纤维检验局、农业部种植业管理司、中国棉花协会、中国棉纺织协会、国家纤维计量站、安徽财经大学、陕西省纤维检验局等单位的10位专家参加了评审工作。与会专家考察了陕西华斯特仪器公司的科研、生产现场；听取并审查了该公司所作的研究工作报告、技术报告、试验报告、用户试用报告；专家测试组进行了现场检测。在现场检测中重点验证了该项目研制的新型电测器在低温－22℃和高温38℃温度条件下的测试性能。

与会专家一致认为，该项目建立的数学模型科学、严密、可信，填补了国内空白。研制的新型电测器设计合理，测量准确，主要技术指标处于国内领先水平。与会专家认为，该项目研究达到了预期效果，实现了棉花回潮率测试技术的重大创新，解决了我国棉花回潮率测定仪器亟待解决的问题，把我国棉花回潮率快速、准确测试技术提高到了一个新的水平。必将对我国棉花产业尤其是对国内棉花贸易产生重要影响，特别是对解决新疆棉花在贸易中存在的重量偏差问题，具有十分重要的现实意义。会议一致同意该项目通过技术成果鉴定，并希望有关单位配合《原棉回潮率试验方法电测器法》国家新标准的实施，组织生产，满足市场需求。

在此，我顺便通报一下：目前，由我局主持会同相关部门专家制定的《原棉回潮率试验方法电测器法》国家新标准已通过审定并报国家标准委审批；同时，新型电测器的计量检定亦在制定当中，为2009新棉年度开始推行新型电测器作好相关准备。

记者：最后一个问题，您能否谈谈这一项目的技术难点和创新点？

徐总：本项目研究的难点和工作量均在试验方法的确定和大量的试验工作上。我国幅员辽阔，各地气候差别很大，要想通过跟踪气候自然变化来进行本方案的温湿度试验几乎是不可能的。为此，就必须建立模拟大气环境，温度在－30℃～50℃范围内连续可调，相对湿度在15%～95%的范围内连续可调的实验室。棉样可在此实验室中平衡，整个试验可在此实验室中完成。

创新点就是借助现代科技水平，本研究得以建立温度在－30℃～50℃范围内连续可调，相对湿度在15%～95%的范围内连续可调的实验室。在模拟环境条件下建立棉花导电性能和回潮率的数学模型，目前国内外尚未开展类似研究工作。建立在新的数学模型基础上的新型电测器，在适应测试环境条件和测试精度等方面将大幅度提高。属国内首创。