罗维朋颜色体系实验研究

高红波，周 彦，曾丽梅，吴伟钢

(中国测试技术研究院， 四川 成都 610021)

1 引 言

罗维朋比色计具有操作简单、实用性高、能够量化等特点，逐渐被世界各国广泛采用，取代了以往用眼睛观察菜籽油颜色的习惯[1,2]。

罗维朋比色计(Lovibond colorimeter)已成为目前国际上通用的油脂颜色测量设备，也是GB 1536—2004《菜籽油》和GB/T 22460—2008《动植物油脂罗维朋色泽的测定》规定的油脂色泽检验用计量器具，罗维朋比色计量值是否准确可靠，关系着我国食用油进出口贸易和食品安全[3,4]。

我国于1988年展开对罗维朋颜色系统研究， 1991年发布了JJG 758—1991《罗维朋比色计检定规程》，但是一直未找出罗维朋颜色系统和其它国际通用颜色体系(如CIE色度系统)之间的关系，无法溯源至我国现有的色度基准[5～8]。

Gree E[9]最早提出用光谱光度计研究罗维朋颜色系统，Lowry O H等[10]使用该方法进行了深入研究。Deane B等[11]指出罗维朋色度系统和CIE色度系统存在对应关系。文献[1,2]作者方谊筠也指出用光谱光度计来仲裁对仪器颜色量值的方法是可行的。在国内外有关专家研究成果的基础上，本文提出了用光谱光度法研究光密度和罗维朋颜色体系之间的关系。

2 研究方向

传统的罗维朋比色计为目视式，近年来，英国Lovibond公司生产了PFXi系列全自动色度仪和美国Hunterlab公司生产了Vista系列全自动色度仪均为电子式。它们操作简单、使用方便、功能强大，能同时测量CIE、罗维朋、加德纳和赛波特等多种色度系统，且能在各系统间自由切换，被各大实验室广泛选用。该类仪器采用了光谱光度法。实验数据表明该类仪器与目视仪器的测量结果基本一致，同时，也说明各色度系统之间有某种转换关系，并确定研究方向为光谱光度法[12～14]。

罗维朋滤色片是罗维朋比色计的主要部件，它是带有罗维朋数值的标准器，有红色、黄色、蓝色、中性色4种颜色共计84片。其中，红色片有0.1～0.9罗维朋单位、1～9罗维朋单位、10～70罗维朋单位共25片，用R表示；黄色片有0.1～0.9罗维朋单位、1～9罗维朋单位、10～70罗维朋单位共25片，用Y表示；蓝色片有0.1～0.9罗维朋单位、1～9罗维朋单位、10～40罗维朋单位共22片，用B表示；中性色片有0.1～0.9罗维朋单位、1～3罗维朋单位共12片，用N表示，中性色片由其它3种色片组合而成。研究罗维朋颜色体系就必须先从罗维朋滤色片着手。

罗维朋滤色片实际上起着滤光作用，研究滤光性，关系到的主要参数有：中心波长、峰值波长、最大透射比、区间半宽等。

对罗维朋公司生产的多套标准滤光片，用光谱光度法测量每一片的光谱透过率，先研究单波长光谱透射比和罗维朋数的关系，分析其整体趋势；再计算每片罗维朋色片在特定光源和视场下的积分透射比，研究其与罗维朋数之间的关系[15～20]。

3 实验过程和数据分析

用色度工作基准装置测量英国Lovibond公司生产的2套MODEL E型罗维朋滤色片和10套MODEL F型罗维朋滤色片，在380～780 nm波长范围内间隔10 nm扫描，每套测量84次，共得到1008组数据。色度工作基准装置结构图如图1所示。

图1 色度工作基准装置结构图Fig.1 Structure chart of chromaticity working reference device

数据表明不同套罗维朋滤色片之间并没有很好的一致性，尤其在罗维朋数值越小时，滤色片精度并不高，一致性较差，但还是可以从整个数据图中发现它们有一定的整体趋势，通过分散的点绘制渐近线来调整不规则的点。从备选的12套滤色片中挑选表面平整光滑、厚度均匀、光学畸变小、无气泡、无污染、无腐蚀等，质量较好的一套作为重点研究对象，以10.0罗维朋单位的红、黄、蓝3种罗维朋滤色片为例，得到的典型光谱透射比τλ如图2所示。

图2 光谱透射比图Fig.2 Spectral transmittance diagram

从图2可看出，黄色片在450 nm以下光谱透射比很低，说明吸收蓝紫色光较好；红色片在500～550 nm形成波谷，说明吸收绿色光较好；蓝色片在580～600 nm光谱透射比很低，说明吸收橙红色光较好。

研究罗维朋颜色系统是为了规范市场，解决因检测结果不一致而引起的各种纠纷。现有相关标准GB 1536—2004《菜籽油》和GB/T 22460—2008《动植物油脂罗维朋色泽的测定》中对油脂色泽等级的判定指标要求并不高。因此，对于离散性较大的0.1～0.9罗维朋单位可以先不考虑，重点研究R：1～20罗维朋单位，Y：1～20罗维朋单位，B：1～20罗维朋单位和N：1～3罗维朋单位。

先测出它们的光谱透射比，绘制曲线，找到光谱透射比和罗维朋数之间的对应关系，再把曲线延伸，就可得到整个测量范围内，光谱透射比和罗维朋数之间的对应关系。以1.0、5.0、10.0、15.0罗维朋单位和20.0罗维朋单位的红色片为例，波长在380～780 nm范围内，光谱透射比τλ的测量数据如表1所示。

光谱密度Dλ和τλ有如下的关系：

Dλ=-logτλ

(1)

以530 nm波长下的红色片的光谱透射比τλ为例，绘制罗维朋数与τλ的关系图如图3所示。

通过图3可看出，在530nm下光谱透射比τλ和罗维朋数并没有明显的线性关系，关系图呈弧线。

表1 光谱透射比Tab.1 Spectral transmittance

如果把图3中的纵坐标取对数，罗维朋数与光谱密度Dλ的线性关系图如图4所示。

图3 τλ与罗维朋数关系图Fig.3 Relationship diagram of τλ and Lovibond number

图4 Dλ与罗维朋数关系图Fig.4 Relationship diagram of Dλ and Lovibond number

由图4可以看出，在530 nm下Dλ和罗维朋数有明显的线性关系，它们之间的线性拟合方程为：y=0.110 5x+0.050 4,相关性系数的平方R2=0.996 8，表明该方程的可靠性很高。

整个可见光区的积分透射比研究环境条件如下：通常罗维朋比色计都是在实验室内使用，室内日光条件下一般采用C光源2°视场条件(如gardner色标、saybold色标、pt-co色标等都采用C光源2°视场条件)。A光源为黑体辐射光，而C光源为平均昼光，更符合罗维朋比色计的使用环境条件。

在C光源，2°视场条件下，根据下式计算每个罗维朋滤色片的积分透射比τd。

(2)

式中：Eλ表示光源的相对光谱能量分布；Vλ表示视觉函数；τλ表示光谱透射比；∑表示求和。

积分光密度和积分透射比有如下的关系：

Dd=-logτd

(3)

式中Dd表示积分光密度。

将表1中的数据代入公式(2)计算出每个罗维朋滤色片的积分透射比，再根据公式(3)计算出积分光密度，绘制红色片的积分光密度与罗维朋数的关系图如图5所示。

图5 Dd与罗维朋数关系图Fig.5 Relationship diagram of optical densityand Lovibond number

由图5可以看出，红色片的Dd与罗维朋数有明显的线性关系，其关系式为

NR=(Dd-0.104 8)/0.034 3

(4)

同理，可以推导出黄色片、蓝色片和中性片的积分光密度与罗维朋数的关系式分别为

NY=(Dd-0.053 7)/0.005

(5)

NB=(Dd-0.091 8)/0.058 8

(6)

NN=(Dd-0.171 3)/0.125 6

(7)

式中：NR表示红色片的罗维朋值；NY表示黄色片的罗维朋值；NB表示蓝色片的罗维朋值；NN表示中性色片的罗维朋值。

由公式(3)～公式(7)可看出，只要测出滤色片的积分透射比就可求出给滤色片的罗维朋数值。

4 实验结果验证

根据美国油品化学协会的一项标准AOCS Cc 13e-92(2002)中所提供的标准罗维朋滤色片在C光源，2°视场条件下的τd值，代入公式(3)计算Dd值，再分别代入公式(4)～公式(7)计算出罗维朋数值,并与出厂数值进行比较，以红色片为例，得到验证结果如表2所示。表2中，出厂值和计算值单位为罗维朋单位。

表2 验证结果Tab.2 The verification results

将表2数据绘制在图5中得到图6所示验证结果。

图6 红色片验证结果图Fig.6 Verification result diagram of red film

由图6可看出，标准AOCS Cc 13e-92(2002)中所提供的标准罗维朋滤色片值均匀地落在关系曲线图的左右两侧，把黄色片和蓝色片代入验证，也得到了同样的结果，这说明上述关系式是可靠的。

5 结 论

以罗维朋滤色片为研究对象，利用光谱光度法研究了罗维朋颜色体系。实验数据分析表明：单波长下，罗维朋滤色片的光谱密度和罗维朋数之间有明显的线性关系；在380～780 nm波长范围内，罗维朋滤色片的积分光密度和罗维朋数之间也有明显的线性关系。通过美国油品化学协会所提供的数据验证了关系式的可靠性，为罗维朋比色计和罗维朋滤色片的量值溯源提供了另一种方案。