恒美智造残氧仪-顶空气体分析仪知识图谱与原理

一、一包食品的保质期，先看顶空里那几个数

一袋薯片放上货架，决定它几个月之后还脆不脆的，不是袋子的厚度，而是袋子里剩下多少氧。包装里那点空隙叫顶空，顶空里通常充的是氮气或者氮气加二氧化碳的混合气，剩下的氧越少，油脂氧化越慢，风味保得越久。所以食品厂、药厂、包装材料厂都盯这个数：顶空残氧量。它不是一个实验室里的研究指标，而是每批货都要抽几包验的出货条件。

残氧这个数为什么值得单独拿一台仪器去测。因为它看不见、摸不着，只能靠仪器读；而它的后果又要等一阵才显形——胀袋、哈败、变色、结块，往往在出厂两三周后才出现，那时货已经铺出去了。用一台几百克的手持仪器，在封口后半小时抽一包，几秒钟读出一个数，就能把问题拦在仓里。这道工序的价值不在仪器本身，在于把退货成本从市场拉回车间。

恒美智造这台机器做的事，是把包装顶空里的气体抽出来，送进传感器，换算成浓度。做法很直接：一根取样针扎进包装的空隙层，内置泵抽几毫升气体，气体在传感器上产生信号，屏幕给出百分比。难点不在原理，在细节：针扎在哪、抽多少、等多久读、读数稳不稳。四个细节里任何一个松了，屏幕照样给一个数，只是那个数不代表袋子里真实的气体。

这类仪器常被叫作残氧仪，也叫顶空气体分析仪或者顶空分析仪，叫法不同，指的是同一件事。它测的对象是包装里的气体，不是环境空气，所以取样方式与常规气体检测仪不一样：要能穿刺、要取样量小、要能封住针孔。三个要求决定了它的形态——手持、轻、电池供电、带一根细针。恒美智造把三个型号装进同一副机身，0.5 千克、180×106×80 毫米，装几个传感器就测几项气体。

表1 三种气体各自的测法与用处

表注：三个数里只有两个是直接测的。氮气是算出来的，所以前两项不准，第三项一定不准。

二、氧气用电化学，二氧化碳用红外，氮气靠反算

氧气用电化学传感器。氧分子透过薄膜进到电极表面，在电极上发生反应，产生与氧浓度成正比的电流，仪器把这个电流换算成百分比。这种传感器体积小、耗电低、读数快，适合手持设备；代价是寿命有限，通常两年左右，且怕液体、怕高浓度溶剂蒸气。所以取样时不能把液体吸进去，也不能在刚喷过酒精的包装上立刻测。二氧化碳用非色散红外传感器。二氧化碳分子对特定波长的红外光有吸收，吸收强度与浓度相关，仪器比较透过与未透过的光强就能算出浓度。这种传感器寿命长，通常十年上下，稳定性好，不怕一般的粉尘；代价是取样量比测氧大一些，测氧用不到 5 毫升，测二氧化碳要 13 毫升以内。两个数一起测时，取样量按大的那个算。

氮气不直接测，是算出来的。包装里充的气体基本只有三种：氧、二氧化碳、氮气，三者加起来接近 100%。所以氮气的比例用 100 减去氧与二氧化碳的读数即可。这个算法有一个前提：包装里没有别的气体，也没有水蒸气占位。生鲜包装里若含水汽与挥发性物质，反算出来的氮气会偏低，这时要把它当成参考值，而不是数值。

三个数放在一起看，能判出工艺上的问题：氧高、氮低，说明置换不彻底，充气时间不够或者袋子漏；氧正常、二氧化碳偏高，说明混合比例配错；三项加起来明显不到 100%，说明包装里有水汽或者别的气体，也可能是取样时混进了外界空气。恒美智造在说明书里给了一张三项组合的判读表，用户照着看就能大致定位问题出在哪一段工序。

表2 三个型号与主要参数

表注：三个型号的机身、电池、屏幕都一样，差别只在装了几个传感器。选型就是选装几个传感器。

三、一台机身，装几个传感器

HM-DK1 只装氧传感器，标价一万一，测的是残留氧。脱氧剂包装、真空包装、简单的充氮包装，用这一台就够：它们的判定条件就是残氧低于某个值，氧够了，别的不用看。这一台重量 0.5 千克，连续使用 16 小时，量程 0 到 100%，分辨率 0.01%，氧气精度 ±0.2%，取样量小于 5 毫升。HM-DK2 在氧之外加了二氧化碳，标价一万三千八，测的是气调比例。气调包装里氧与二氧化碳是配着用的：氧太低，果蔬会无氧呼吸；二氧化碳太高，叶菜会伤。所以只看氧判不了，必须两个数一起看。加二氧化碳之后，取样量上限提到 13 毫升，机身与电池不变，传感器寿命上二氧化碳能到十年，比氧长得多，换件成本主要在氧那边。

HM-DK3 再加氮气，标价一万六，三个数一起给。它的用处是判置换是否彻底：充氮包装的目标是把氧压到很低、氮提到很高，只看氧容易漏掉一种情况——袋子里其实混进了别的气体，氧不高但氮也不高。三个数一起看，氮低就露出来了。三台机身尺寸、重量、电池完全一样，差别只在传感器上，所以选型其实是一句话：包装里充的是什么气。

三个型号都带开机 30 秒倒计时显示、三个按键、2000 条存储、USB 导出、可选蓝牙打印。三个按键是开始、翻页、开关机，长按开关机；界面支持中英文切换。这些配置看着不起眼，落到产线上却决定效率：抽检的人一只手拿包装、一只手拿仪器，按键越少越快；打印出来贴在记录本上，比手抄可靠。恒美智造把打印做成选配，用户按自己的留证要求定。

表3 从取样针到读数的四步

表注：四步里穿刺考的是手上功夫。针尖扎到酱料或粉末，过滤器和针头就废，传感器也可能被污染。

四、穿刺、抽气、读数：气路上四个动作

头一个是穿刺。针要扎在包装的空隙层，不扎到内容物。软包装袋选袋角或者平整处，避开折痕与封边；硬质罐选罐盖中心；安瓿瓶扎颈部熔封处上方。扎的时候要快，但不要用力过猛，针尖弯了就得换。这一动作看着简单，实际是这类仪器出问题的主要来源：扎进酱料、扎进粉末，针头与过滤器当场就废，清理不当还会把传感器带坏。第二个是抽气。内置泵按设定的次数把顶空气体抽进传感器，取样量小，测氧 5 毫升以内、测二氧化碳 13 毫升以内。抽少了，传感器接触的气体不够，读数偏低；抽多了，包装里的气体被抽走太多，压力变化会让外界空气从针孔渗进去，读数反而不准。所以抽气量是有一个合适区间的，不是越多越好。做法是按说明书给定的次数抽，不要凭感觉。

第三个是等读数稳定。氧气传感器响应几秒，二氧化碳传感器稍慢，屏幕上数字跳动时读出来的值不可靠。恒美智造的做法是等数字不动两秒再按保存，仪器把这一条写进开机提示。第四个是封针孔。穿刺后立刻用胶垫或者胶带把针孔封住，不让外界空气顺着孔进去；如果是抽检同一条产线的多个包装，每个都要封，别图快跳过。四个动作连起来，一次测量大约十几秒。这个速度让它可以上产线抽检：一条线一小时抽十包，一个人就能做完。但快不等于可以省步骤，四个动作里任何一步省掉，数就会偏，而偏的方向不一样：穿刺扎深了读数偏低，抽气不够读数偏低，等得不够读数跳动，没封孔读数偏高。恒美智造在随机资料里把这四种偏差写成一页表，用户遇到异常时先对着表自查。

表4 机身四样与用起来的手感

表注：四样里过滤容易被忽略。过滤堵了，抽气变慢，读数迟迟不上去，操作的人常误以为传感器坏了。

五、两份规程与一套验收动作

这个行当常引两份规程。JJG 365-2008 是电化学氧测定仪的检定规程，讲的是零点与量程怎么校、允许多大偏差、用什么气；JJG 635-2011 是一氧化碳、二氧化碳红外气体分析器的检定规程，讲的是红外通道的校准与干扰。两份规程一份管氧、一份管二氧化碳，合起来覆盖了这类仪器的两个传感器。规程里的两个动作要记住：零点校准与量程校准。零点用不含氧的气体，比如纯氮；量程点用已知浓度的标准气，比如 5% 氧或者 20% 氧。两点校完，仪器的读数才与标准气对齐。只校零点不校量程，低浓度准、高浓度偏；只校量程不校零点，高浓度准、低浓度偏。所以校准要两点一起做，这是规程反复强调的地方。

验收做三件事。头一件是标准气比对：用已知浓度的气测三点，看偏差在不在允许范围内。第二件是重复性：同一包装连测五次，算极差。第三件是取样量：测同一包装的耗气与响应时间，看是不是在说明书给的范围内。三件事都有数，签字才算完成交付。只测一次就签字，等数据飘了再回头找，说不清是仪器的事还是包装的事。随机文件要看四样：装箱单、说明书、合格证、校准记录。四样齐了，这台仪器才算有身份。恒美智造另附一页抽检计划模板，把取样位置、抽气次数、等待秒数、判定线四项留空，用户填自己的数。这一页贴在产线旁边，抽检的人照着做，不必每次问一遍，也不会因为换班而变手法。

六、把残氧测成能判定的数据，要定五件事

头一件是判定线。产品标准或者客户要求写的是残氧低于多少，就按那个数判，不能拿仪器的分辨率当判定线。分辨率 0.01% 不等于要求 0.01%；多数食品包装的判定线在 1% 到 3% 之间，做到那么细只是浪费读数时间。判定线要写在抽检计划上，与产品标准对齐，两处不一致时以标准为准。第二件是取样时间。刚封口的包装，袋内气体还没扩散均匀，测出来偏高；放半小时到两小时再测，数才稳定。不同产品、不同袋型，平衡时间不一样，所以要试：同一批封十包，第 0、0.5、1、2、4 小时各测两包，看数什么时候不再变，那个时间点就是自家产品的取样时间。第三件是取样位置。袋角与袋面中间的读数可能不一样，位置定了就不换。

第四件是抽气次数与等待秒数。抽几次、等几秒，写进作业卡，不凭手感。第五件是记录。批号、封口时间、检测时间、气体项、读数、判定，六项写全。出了客诉才查得动：是这一批的封口有问题，还是这一天的气调配比跑偏了，还是某一台包装机漏气。恒美智造把六项印成一页表格，填完随批归档，不必另做模板。五件事定完，还要落到一张纸上。这张纸上的数不是抄来的，是试出来的：判定线从产品标准来，取样时间从试跑来，取样位置与抽气次数从重复性试验来。恒美智造在交付培训时陪着用户把这张纸填完，填的过程本身就是一次工艺梳理，常常能发现原先含糊的地方——比如一直没人说清封口后多久检测，不同班次各按各的习惯做。

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www.hmdzkj.cn

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