纸张透气度测试仪的设计原理与技术实现

一、透气度测试的核心原理

纸张透气度测试仪的本质是测定特定压差下单位时间内通过单位面积纸张的气体流量。根据国际标准（如ISO 5636、GB/T 458等），主流的测试方法分为以下两类：

1. ‌Gurley法（延时法）‌
   通过测量固定体积（通常100 mL）空气透过纸张所需的时间（单位：秒/100mL），时间越长，透气度越低。该方法适用于低透气度纸张（如防油纸）。

2. ‌Bendtsen法（流量法）‌
   在恒定压差下（通常为1.22 kPa），直接测量单位时间内通过纸张的空气流量（单位：mL/min）。适用于高透气度纸张（如滤纸）。

两种方法的数学表达分别为：

• ‌Gurley值‌

   $𝑇=\frac{𝑉}{𝑄}$（$𝑄$为流量，$𝑉$为固定体积）

• ‌Bendtsen值‌

   $𝑄=𝑘\cdot \frac{\mathrm{\Delta }𝑃\cdot 𝐴}{𝜇\cdot 𝐿}$（$\mathrm{\Delta }𝑃$为压差，$𝐴$为面积，$𝜇$为空气黏度，$𝐿$为纸张厚度）

• 

二、硬件系统设计要点

1. ‌气路结构设计‌

• ‌恒压控制模块‌

  ：采用比例积分微分（PID）算法调节气泵或真空发生器的输出，确保测试腔内的压差稳定在±0.5%误差范围内。

• ‌流量传感器‌

  ：选用热式质量流量计（如Sensirion SFM3000系列），量程需覆盖0.1~1000 mL/min，分辨率达到0.1 mL/min。

• ‌密封测试腔‌

  ：腔体材质为硬质铝合金，配合O型硅胶密封圈，确保测试区域（ISO标准为2 cm²）无侧向泄漏。

2. ‌环境补偿模块‌
   温度与湿度变化会显著影响空气黏度和纸张孔隙结构。设计中需集成温湿度传感器（如SHT35），并通过以下公式修正数据：

   $${𝑄}_{\text{修正}}={𝑄}_{\text{实测}}\cdot \frac{{𝜇}_{\text{标准}}}{{𝜇}_{\text{实际}}}\cdot \frac{{𝑃}_{\text{实际}}}{{𝑃}_{\text{标准}}}$$

   其中，$𝜇$为空气动力黏度，$𝑃$为大气压。

3. ‌机械执行机构‌
   采用步进电机驱动压板，确保纸张夹持力均匀（推荐值：5~10 N/cm²），并配备压力传感器实时监测夹持状态，避免因过度压缩导致孔隙变形。