一種消防服熱防護(hù)性能檢測系統(tǒng)及方法
本發(fā)明涉及一種消防服熱防護(hù)性能檢測儀器，上下結(jié)構(gòu)，輻射熱源在下，試樣在上，輻射熱源溫度位置可調(diào)節(jié)，模擬火場熱環(huán)境，將試樣放置在此環(huán)境中，在輻射熱的作用下，試樣的溫度逐漸升高，然后通過熱通量傳感器檢測穿過試樣的熱通量。并根據(jù)生物醫(yī)學(xué)工程中，人體在標(biāo)準(zhǔn)熱通量情況下達(dá)到二度燒傷時所需的時間來判斷試樣的優(yōu)劣。具有精確度高，重復(fù)性好，操作簡單，結(jié)果顯示清晰等特點(diǎn)。
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種檢測技術(shù)，特別涉及一種消防服熱防護(hù)性能檢測系統(tǒng)及方法。 背景技術(shù)
消防服主要用來減少熱量在人體皮膚上的積聚，保護(hù)皮膚不被燒傷或灼傷，因此 消防服不僅要求其阻燃性好，且要具有高的隔熱性能。人體皮膚對溫度非常敏感。當(dāng)人體皮 膚的熱流密度達(dá)到2. 68J/cm2,即皮膚溫度達(dá)到45°C時，人就會有灼痛感；當(dāng)熱流密度增大 到5. 02J/cm2,即人體皮膚溫度達(dá)72°C時，就會造成皮膚的二度燒傷。TPP檢測是在2. Ocal/ cm2 ? s(84Kff/m2)標(biāo)準(zhǔn)熱源環(huán)境下，檢測通過試樣的能量累積，最終達(dá)到二度燒傷的時間來 評價消防服的熱防護(hù)性能。這種方法的是通過測量穿過織物的能量來評價燒傷的 程度。
消防服是消防戰(zhàn)士火場防護(hù)裝備中最基本的、最重要的一類防護(hù)裝備，是每個進(jìn) 入火場的消防戰(zhàn)士必需配備的安全裝備。這類防護(hù)裝備性能的優(yōu)劣，特別是熱防護(hù)性能的 優(yōu)劣，直接關(guān)系到消防戰(zhàn)士的生命安全。如何檢測這些消防服的熱防護(hù)性能就是很緊迫的 問題。
發(fā)明內(nèi)容：
本發(fā)明是針對現(xiàn)在缺乏對消防服性能檢測儀器的問題，提出了一種消防服熱防護(hù) 性能檢測系統(tǒng)及方法，通過輻射熱源模擬火場熱環(huán)境，將試樣放置在此環(huán)境中，在輻射熱的 作用下，試樣的溫度逐漸升高，然后通過熱通量傳感器檢測穿過試樣的熱通量。并根據(jù)生物 醫(yī)學(xué)工程中，人體在標(biāo)準(zhǔn)熱通量情況下達(dá)到二度燒傷時所需的時間來判斷試樣的優(yōu)劣。
本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種消防服熱防護(hù)性能檢測儀器，分為上下兩個箱體，下箱 分為左中右三個箱體，左箱體是測試儀的電氣控制部分，中箱體放置電爐加熱裝置，右箱放 置水循環(huán)裝置，上箱為一個防護(hù)罩，左右和前面為有機(jī)玻璃，頂部開有一通風(fēng)口，通風(fēng)口內(nèi) 裝一個排風(fēng)扇，上箱里邊有一個滑動測試小車和導(dǎo)軌，滑動測試小車上裝有耐火磚，并在左 邊開有放置環(huán)境熱通量傳感器的小孔，在滑動小車右邊開有放置試樣的凹槽，凹槽內(nèi)有一 個試樣固定裝置，在試樣固定裝置上開有一個放置試樣熱通量傳感器的小孔，在導(dǎo)軌的左 側(cè)裝有一個行程開關(guān)，數(shù)據(jù)采集盒安放在測試儀后方，數(shù)據(jù)采集盒內(nèi)有電源板，環(huán)境熱通量 傳感器變換器、試樣熱通量傳感器變換器和接線端子，變換器輸出信號和行程開關(guān)觸發(fā)信 號通過接線端子傳送到數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后，送入計 算機(jī)處理。
所述電爐加熱裝置包括電爐、升降機(jī)構(gòu)、電爐溫度傳感器、溫控儀，升降機(jī)構(gòu)置于 電爐的下部，可調(diào)節(jié)電爐高度，電爐溫度傳感器采集電爐溫度送入溫控儀，溫控儀輸出控制 電爐上的電熱絲。
所述電氣控制部分包括電爐溫度控制器、恒溫水浴溫控器、行程開關(guān)、繼電器、環(huán) 境熱通量傳感器、試樣熱通量傳感器、密封罩及排氣扇、數(shù)據(jù)采集卡、計算機(jī)、液晶顯示器和4打印機(jī)。
一種消防服熱防護(hù)性能檢測方法，包括消防服熱防護(hù)性能檢測儀器，具體方法步 驟如下： [0009]1)安全檢查：檢查電器接線是否正確，水循環(huán)系統(tǒng)是否正常，通風(fēng)情況是否良好；
2)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備：樣品大小應(yīng)為150mm* 150mm，在20°C 士2°C和65士5%的相對濕度條 件下保持24小時，然后放置在小車右側(cè)的位置上，用式樣固定裝置壓好，打開電腦，啟動熱 防護(hù)性能測試系統(tǒng)；
3)實(shí)驗(yàn)開始：
a)工作環(huán)境溫度設(shè)定：利用熱源溫控器上的溫度設(shè)定裝置進(jìn)行溫度設(shè)定，一般設(shè) 在850?1050°C的范圍內(nèi)；
b)利用水循環(huán)裝置的溫控器設(shè)定循環(huán)水的水溫，一般設(shè)定在31°C ；
c)小車的隔熱保溫部分正對電爐，接通電爐電源，開始升溫；
d)工作環(huán)境熱通量標(biāo)定：當(dāng)加熱源溫度器上的溫度顯示值接近工作范圍時，右移 小車，將環(huán)境熱通量傳感器（100kW/m2)正對電爐，觀察測試系統(tǒng)界面上的環(huán)境熱通量值，是 否滿足2. Ocal/cm2 · s 士0. lcal/cm2 · s，如滿足，則進(jìn)入下一步；如不滿足，則相應(yīng)調(diào)節(jié)溫控 器的設(shè)定溫度，直至環(huán)境熱通量值在1. 9cal/cm2 · s?2. lcal/cm2 · s范圍內(nèi)，并記住工作 環(huán)境熱通量值滿足時所對應(yīng)的溫度；
e)左移小車，使裝置再次處于保溫狀態(tài)，當(dāng)電爐處于通電升溫狀態(tài)并觀察到工作 環(huán)境熱通量值滿足時所對應(yīng)的溫度時，左移小車直至觸發(fā)限位開關(guān)，啟動二度燒傷實(shí)時跟 蹤積分曲線，此時被測材料正對電爐，同時觀察實(shí)測曲線的變化情況，一旦積分曲線與理論 上的人體二度燒傷曲線相交時，右移小車，使裝置處于保溫狀態(tài)，并記錄測試結(jié)果；
f)更換被測材料，重復(fù)e)步驟；
g)同一材料進(jìn)行三次測量，并求取三次測得的TPP值的平均值，TPP值的求?。篢PP =F*T，式中TPP ：熱防護(hù)能力(cal/cm2)，F(xiàn) ：環(huán)境熱通量(cal/cm2 · s)，T ：導(dǎo)致二度燒傷的 時間（s)，得到的導(dǎo)致二度度燒傷的時間精確到0. ls，測量結(jié)果如平均值> 28cal/cm2，則可 以判定該材料合格；如平均值< 28cal/cm2，則可以判定該材料不合格；
h)測試結(jié)束：關(guān)掉電源開關(guān)。
本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明消防服熱防護(hù)性能檢測系統(tǒng)及方法，具有精確度 高，重復(fù)性好，操作簡單，結(jié)果顯示清晰等特點(diǎn)。
根據(jù)中華人民共和國公共安全行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GA10-2002《消防員滅火》要求，消 防布料在2. Ocal/cm2 · s標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下，導(dǎo)致皮膚二度燒傷時間應(yīng)彡14S，即熱防護(hù)能力TPP 值應(yīng)大于28cal/cm2，布料合格，如果二度燒傷時間< 14S (TPP值小于28)為不合格。TPP試 驗(yàn)告訴我們：模擬人體皮膚透過各種不同的布料達(dá)到 二度燒傷所須吸收能量越多，也就是 說TPP值越高，則布料對于身體曝露于高溫及高熱的火焰下，保護(hù)性越高。圖1所示為研究 獲得的二度燒傷曲線。
在實(shí)際測量過程中，當(dāng)試樣熱通量傳感器（15kW/m2)的輸出信號對時間的積分曲 線與理論上的人體二度燒傷曲線相交時，該交點(diǎn)即為人體二度燒傷的臨界點(diǎn)。相應(yīng)的橫坐 標(biāo)值即為導(dǎo)致二度燒傷所需的時間；相應(yīng)的縱坐標(biāo)值即為在一定時間內(nèi)透過消防服作用在 人體皮膚單位面積上的熱能量。圖2為實(shí)際檢測中的測試曲線。
如圖3所示消防服熱防護(hù)性能檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)前視圖，整個為鋼架支撐結(jié)構(gòu)1，分為 上下兩個箱體，下箱分為左中右三個箱體：
1、左箱體是測試儀的電氣控制部分12，主要包括電源開關(guān)，電爐溫控儀和4個繼 電器。（水泵，電爐，恒溫水浴加熱棒和排風(fēng)扇）。
2、中箱體放置電爐加熱裝置3，主要是由一臺1500W(交流220V)的電爐組成，加熱 爐絲采用高溫鎳鉻絲（耐1300°C?1400°C的高溫）。電爐高度可以通過下部的升降機(jī)構(gòu) 13進(jìn)行調(diào)節(jié)，以改變其與試樣和保溫裝置的距離，防止熱量的散失，提高升溫的速度。電爐 溫度可以通過電爐溫度傳感器和溫控儀調(diào)節(jié)控制，以滿足熱源為2. Ocal/cm2 · s標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度， 其作用是保證測量環(huán)境維持在一個相對平衡位置（溫度）附近。
3、右箱放置水循環(huán)裝置2，由磁力循環(huán)水泵，水箱，恒溫水浴加熱棒，水浴溫度傳感 器，水浴溫度控制器組成。磁力循環(huán)泵，其作用主要是對15kW/m2的材料熱通量傳感器6進(jìn) 行水循環(huán)冷卻，保證其測量精度。水浴溫度設(shè)定在31°C (模擬消防員皮膚溫度）。
上箱為一個防護(hù)罩，左右和前面為有機(jī)玻璃，頂部開有一通風(fēng)口 7，并加裝一個排 風(fēng)扇8。其作用是排出實(shí)驗(yàn)過程中試樣燃燒產(chǎn)生的有毒氣體，減少對實(shí)驗(yàn)操作人員的傷害和 對環(huán)境的污染。里邊有一個滑動測試小車4和導(dǎo)軌?；瑒訙y試小車4上裝有耐火磚10，并 在左邊開有放置環(huán)境熱通量傳感器9的小孔。在滑動小車4右邊開有放置試樣的凹槽，并 增加一個試樣固定裝置5，在試樣固定裝置5上開有一個放置試樣熱通量傳感器6的小孔。 在導(dǎo)軌的左側(cè)裝有一個行程開關(guān)11。如圖5所示滑動測試小車4的結(jié)構(gòu)圖，包括滑動小車 滾輪15、試樣固定裝置提手16、滑動小車手柄17，方便操作。
數(shù)據(jù)采集處理及顯示部分包括以下內(nèi)容：數(shù)據(jù)采集盒14安放在測試儀后方，如圖 4所示，數(shù)據(jù)采集盒內(nèi)主要包括電源板，環(huán)境熱通量傳感器變換器、試樣熱通量傳感器變換 器和接線端子。變換器輸出信號和行程開關(guān)觸發(fā)信號通過接線端子傳送到數(shù)據(jù)采集卡。
數(shù)據(jù)處理及顯示部分包括數(shù)據(jù)采集卡，計算機(jī)，顯示器 和相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件。試樣熱通量傳感器6和環(huán)境熱通量傳感器9數(shù)據(jù)經(jīng)過前置放大器 后到數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡可以對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后送入計算機(jī)處理。顯示 器可以實(shí)時顯示試樣獲得的熱量和達(dá)到二度燒傷時的時間。打印機(jī)可以對測試的結(jié)果進(jìn)行 打印。
下箱表面有電爐溫度控制器18和恒溫水浴溫控器19，控制系統(tǒng)有電爐加熱裝置3、電爐溫度控制器18、水循環(huán)裝置2、恒溫水浴溫控器19、行程開關(guān) 11、繼電器、環(huán)境熱通量傳感器9、試樣熱通量傳感器6、滑動測試小車4、密封罩及排氣扇8、 數(shù)據(jù)采集卡、計算機(jī)、液晶顯示器和打印機(jī)組成。其中電爐溫度控制器18可以對電爐溫度 進(jìn)行控制，使其達(dá)到2. Ocal/cm2 · s的標(biāo)準(zhǔn)火場熱通量要求。顯示器可以顯示測試試樣在 此標(biāo)準(zhǔn)熱通量的環(huán)境中，達(dá)到二度燒傷時所需的時間。 [0038]滑動測試小車4有左中右三個工位。實(shí)驗(yàn)開始時，先將滑動小車處于中間位置，小 車中部的耐火磚可以蓋住下箱中部的電爐，達(dá)到保溫效果。當(dāng)電爐溫度達(dá)到預(yù)設(shè)值時，將環(huán) 境熱通量傳感器放置在滑動小車左側(cè)位置孔中，并將小車滑到導(dǎo)軌右側(cè)。此時環(huán)境熱通量 傳感器9開始檢測電爐是否達(dá)到2. Ocal/cm2 · s標(biāo)準(zhǔn)熱源，否則調(diào)節(jié)電爐溫度直至滿足該 要求。此時將150mm*150mm試樣放置在滑動小車右部試樣槽內(nèi)，用試樣固定裝置壓緊，使試 樣與熱通量傳感器6距離為6mm。此距離是為了模擬消防員皮膚與消防服之間的距離。然 后滑動測試小車滑動至導(dǎo)軌的左側(cè)，并觸發(fā)行程開關(guān)。此時采集系統(tǒng)開始采集并且記錄試 樣獲得的熱通量。
具體測試方法步驟如下：
1)安全檢查：檢查電器接線是否正確，水循環(huán)系統(tǒng)是否正常，通風(fēng)情況是否良好。
2)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備：樣品大小應(yīng)為150mm*150mm，包括代表實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的所有各層。 在20°C 士2°C和65士5%的相對濕度條件下保持24小時。然后放置在小車右側(cè)的相應(yīng) 位置上，用式樣固定裝置壓好。打開電腦，啟動熱防護(hù)性能測試系統(tǒng)，進(jìn)入操作界面，點(diǎn)擊 “START”按鈕，進(jìn)入測試等待狀態(tài)。
3)實(shí)驗(yàn)開始：
a)工作環(huán)境溫度設(shè)定：利用熱源溫控器上的溫度設(shè)定裝置進(jìn)行溫度設(shè)定，一般設(shè) 在850?1050°C的范圍內(nèi)。
b)利用水循環(huán)裝置的溫控器設(shè)定循環(huán)水的水溫，一般設(shè)定在31°C
c)小車的隔熱保溫部分正對電爐，接通電爐電源，開始升溫。
d)工作環(huán)境熱通量標(biāo)定：當(dāng)加熱源溫度器上的溫度顯示值接近工作范圍時，右移 小車，將環(huán)境熱通量傳感器（100kW/m2)正對電爐，觀察測試系統(tǒng)界面上的環(huán)境熱通量值，是 否滿足2. Ocal/cm2 · s 士0. lcal/cm2 · s。如滿足，則進(jìn)入下一步；如不滿足，則相應(yīng)調(diào)節(jié)溫 控器的設(shè)定溫度，直至環(huán)境熱通量值在1. 9cal/cm2 · s?2. lcal/cm2 · s范圍內(nèi)。并記住工 作環(huán)境熱通量值OK時所對應(yīng)的溫度。
e)左移小車，使裝置再次處于保溫狀態(tài)。當(dāng)電爐處于通電升溫狀態(tài)并觀察到工作 環(huán)境熱通量值OK時所對應(yīng)的溫度時，左移小車直至觸發(fā)限位開關(guān)，啟動二度燒傷實(shí)時跟蹤 積分曲線，此時被測材料正對電爐。同時觀察實(shí)測曲線的變化情況，一旦積分曲線與理論上 的人體二度燒傷曲線相交時，右移小車，使裝置處于保溫狀態(tài)，并記錄測試結(jié)果。
f)更換被測材料，重復(fù)e)步驟。
g)同一材料進(jìn)行三次測量，并求取三次測得的TPP值的平均值。TPP值的求?。篢PP =F*T，式中TPP ：熱防護(hù)能力(cal/cm2)，F(xiàn) ：環(huán)境熱通量(cal/cm2 · s)，T ：導(dǎo)致二度燒傷的 時間（s)，得到的導(dǎo)致二度度燒傷的時間精確到0. ls，如平均值> 28cal/cm2，則可以判定該 材料合格；如平均值< 28cal/cm2，則可以判定該材料不合格。
h)測試結(jié)束：關(guān)掉電源開關(guān)，整理工作臺。[0051]注意事項(xiàng)：
a)所有實(shí)驗(yàn)和校準(zhǔn)都應(yīng)在一個通風(fēng)柜內(nèi)進(jìn)行，以便帶走燃燒產(chǎn)物煙或煙氣；
b)環(huán)境熱通量傳感器的黑體部分不耐濕，所以務(wù)必保持通風(fēng)柜左上側(cè)環(huán)境熱通量 傳感器安放孔干燥，以防傳感器黑體受損。在每次測量材料之后，擦干傳感器上的水氣；
c)傳感器的引線不可用力拉拽或者扭曲 ，否則容易損壞；
d)傳感器滿量程輸出時，持續(xù)時間不可超過30s。
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