锥形量热仪

一、锥形量热仪简介：

锥形量热仪是美国国家标准与技术研究院，简称NIST，原美国国家标准局的V. Babrauskas等人于1982年研制的, 是基于耗氧原理的材料燃烧性能测试仪器，经过30多年的不断改进和完善,锥形量热仪已经成为研究材料燃烧性能最重要的试验仪器之一。锥形量热仪是以氧消耗原理为基础的，采用耗氧量原理测量材料的热释放速率。所谓耗氧量原理就是：材料燃烧时消耗每一单位的氧气所释放的热量基本是相同的。Hugget在1980年发表的文章指出建筑业和商业中普遍使用的大多数塑料和其他固体材料都遵循这个规律，并测出这个值为13.1MJ/kg±5%。在实验中，将所有燃烧产生的烟气都收集起来并在排气管中经过充分混合后，精确的测出其质量流量和组分，同时将O2的浓度测出来，通过计算可得到燃烧过程中消耗的氧气质量，运用氧消耗原理，即可得到材料燃烧过程中的热释放速率，同时还能给出其它许多参数。

目前,表征材料燃烧性能的试验方法较多,如氧指数法、UL94标准中的水平垂直燃烧法、垂直燃烧法及NBS 烟密度箱法等。它们多是传统的小型试验方法,试验操作环境与真实火灾相差较大,试验获得的数据也只能用于一定试验条件下材料间燃烧性能的相对比较,不能作为评价材料在真实火灾中行为的依据，锥形量热仪法由于具有参数测定值受外界因素影响小,与大型实验结果相关性好等优点被应用于很多领域的研究。

二、锥形量热仪标准技术参数：

2.1、锥形量热仪采用分柜式设计方式，分析柜可移动，既可应用于锥形量热仪测试使用，也可连接大型热释放速率测试系统，符合ISO 5660、ASTM E1354、GB/T16172等现行国内外测试标准。

2.2、集成测试机体和19英寸分析柜，内嵌PC型15英寸工业触摸屏电脑，用于整个控制和测试过程。

2.3、锥形加热器额定功率5000W，热输出量0～100kW/m2，采用PID温度控制器控制，同时辐射锥可水平或垂直放置；

2.4、暴露试样表面的中心部位50X50mm的范围内，于中心处辐照偏差不超过±2%；

2.5、样品盒可放置最大100mm x 100mm x 50mm的样品；

2.6、样品称量范围 0～3000g；精度：0.1g；

2.7、点火系统带有安全切断装置的高压火花发生器，自动定位；

2.8、德国ABB顺磁性氧气分析器，采用顺磁压力变化的方法来测量气体中的氧浓度。浓度范围0-25%，

2.9、德国ABB非色散红外线CO和CO2分析器 CO：0～1％；CO2：0～10％；

2.10、烟密度分析使用激光系统测量烟雾密度，系统由光电二极管、0.5mW氦氖激光器、主探测器和辅助探测器组成

2.11、排气系统由风机、集烟罩、风机的进气与排气管道及孔板流量计等所组成。排烟风机流量0～50g/s可调，精度0.1g/s；

2.12、环形取样器应装在距集烟罩685 mm处的进气管道内,取样器上应有12个小孔以均化气流组份；

2.13、排气流量应通过测量风机上方350 mm处的锐缘孔板两侧的压差来确定，锐缘孔板的内径为57mm±1mm；

2.14、气流的温度应由直径为1.6 mm封闭节点的恺装热电偶测量，热电偶应安装于测流孔板上方100 mm处；

2.15、气体取样系统包括环形取样器、取样泵、过滤器、冷阱、废水排泄、水分过滤器和co2过滤器；

2.16、德国ABB一体化预处理系统，包含M&C冷凝器: 0~5度，KNF隔膜泵，流量率:3 l/min，M&C转子流量计，带报警单元，湿度报警单元，蠕动泵可自动排除水分；

2.17、选用卡登型箔式热流计，设计量程0^100k W/m',辐射接收靶的直径为12.5 mm，表面覆有耐久的无光泽黑色涂层。辐射接收靶为水冷式。热流计的准确度为士3% ，重复性为士0.5%，附带可追溯至NIST的校准报告一份。

2.18、原厂配备便携式水冷却系统，当使用热流计时，用户无需外接自来水源和配备水管。

2.19、断面也为方形的黄铜管作为标定燃烧器，用于测量C-系数数值。

2.20、数据采集系统应能记录氧分析仪、孔板流量计、热电偶等仪器的输出。

2.21、配备软件操作系统，测试结果包含：热释放速率、烟道气体流速、C系数、试样点燃时间和熄灭时间、总耗氧量、总发烟量、质量损失速率、热释放总量、有效燃烧热、二氧化碳生成量及一氧化碳生成量。

三、锥形量热仪软件说明：

3.1、设置为对各个传感器校准模式，包括氧气分析仪、二氧化碳分析仪、一氧化碳分析仪、微压差传感器、烟密度测量系统、称重装置、质量流量控制的单点或双点校准，以获得最佳线性；

3.2、C-系数校准，软件可自动设定C系数测量时的燃气流量，如1KW、3KW或5KW，电脑系统自动计算ISO 5660 C系数以及平均C系数，同时可保存记录；

3.3、软件可自动生成C-系数日志，便于用户自行查看锥形量热仪历史状态，辨别自己系统的准确性及稳定性；

3.4、系统可自行计算氧气分析仪、二氧化碳分析仪、一氧化碳分析仪的延迟时间，便于同步计算使用；

3.5、状态检查界面，可一目了然的获取仪器的各个传感器部件的工作状态；

3.6、可记录各个传感器的工作数值，包括微压差传感器、烟囱温度、氧气分析仪、二氧化碳分析仪、一氧化碳分析仪；

3.7、报告模板为EXCELL格式，可显示图形及数值模式。

四、锥形量热仪的构造：

锥形量热仪主要由燃烧室、载重台、氧分析仪、烟测量系统、通风装置及有关辅助设备等六部分组成。

4.1、燃烧室：锥形加热器、10KV点火器、控制电路、挡风罩等构成了燃烧室。入射热流强度可根据不同的试验要求适当选择，样品放在燃烧平台上由点火器点燃,燃烧产物由通风系统排走。

4.2、氧分析仪：氧分析仪是锥形量热仪的核心部分,它是一种高精度的气体分析仪,由氧分析仪可精确检验燃烧时通气管道中氧的的百分含量随时间的变化,进而由即时氧气浓度和氧耗原理测定出材料的燃烧放热情况。

4.3、载重台：载重台是测定样品质量变化的装置,它可以准确记录样品在燃烧过程中的质量变化情况。燃烧时,样品放置于载重台的支架上。

4.4、烟测量系统：在靠近燃烧室的通风管道中设有氦氖激光发射器、双电子束测量装置装置,以此可测定烟管道中烟的比消光面积(SEA) 。

4.5、通风系统：通风系统是指样品燃烧后,将燃烧产物由燃烧室排出到大气中的装置。通风装置的通风性能要根据试验要求进行调节,气体流速应限制在一定范围之内,否则将影响试验结果。

4.6、其它改进设备：根据不同需要,也可以添加其它分析装置,如进行燃烧产物成分分析时,可增加红外光谱分析装置; 若测量样品中温度分布,须进行相应的热电偶或红外摄像装置改造。

4.7、辅助设备： 辅助设备中含有微机处理器、热流计装置、除去CO2 及H2O(气) 的相应装置等。

五、锥形量热仪可获取的试验参数：

由锥形量热仪获得的可燃材料在火灾中的燃烧参数有多种,包括释热速率(HRR) 、总释放热( THR) 、有效燃烧热(EHC) 、点燃时间( TTI) 、烟及毒性参数和质量变化参数(MLR) 等。

5.1、热释放速率(Heat Relea seRate ,简称HRR)

HRR 是指在预置的入射热流强度下,材料被点燃后,单位面积的热量释放速率,HRR是表征火灾强度的最重要性能参数,单位为kW/m2 ; HRR 的最大值为热释放速率峰值( Peak of HHR ,简称pkHRR) ,pkHRR 的大小表征了材料燃烧时的最大热释放程度。HRR 和pkHHR 越大,财材料的烧烧放热量越大,形成的火灾危害性就越大。

5.2、总释放热(Total Heat Release ,简称THR)

THR 是指在预置的入射热流强度下,材料从点燃到火焰熄灭为止所释放热量的总和单位为MJ /m2 。将HRR 与THR 结合起来,可以更好地评价材料的燃烧性和阻燃性,对火灾研究具有更为客观、全面的指导作用。

5.3、质量损失速率(Mass Loss Rate ,简称MLR)

MLR 是指燃烧样品在燃烧过程中质量随时间的变化率,它反应了材料在一定火强度下的热裂解、挥发及燃烧程度。

5.4、烟生成速率( Smoke ProduceRate ,简称SPR)

单位为m2/S ,即SPR=SEA/MLR式中SEA 为比消光面积,SEA表示挥发单位质量的材料所产生的烟,它不直接表示生烟量的大小,只是计算生烟量的一个转换因子SPR 被定义为比消光面积与质量损失速率之比。

5.5、有效燃烧热( Effective HeatCombustion ,简称EHC)

EHC 表示在某时刻t 时,所测得热释放速率与质量损失速率之比,它反应了挥发性气体在气相火焰中的燃烧程度,对分析阻燃机理很有帮助。

5.6、点燃时间(Time to Ignition ,简称TTI)

TTI 是评价材料耐火性能的一个重要参数(单位:S) ,它是指在预置的入射热流强度下,从材料表面受热到表面持续出现燃烧时所用的时间。TTI 可用来评估和比较材料的耐火性能。

5.7、毒性测定

材料燃烧时放出多种气体,其中含有CO,HCN,SO2 ,HCl ,H2S 等毒性气体,毒性气体对人体具有极大的危害作用,其成分及百分含量可通过锥形量热仪中的附加设备收集分析。

六、锥形量热仪符合的标准：

ASTM E 1354 、ISO5660Parts 1 and 2 、BS 476 Part 15、GB/T16172等测试标准

七、锥形量热仪的 C-系数标定

通常在测试前，需要获得合理并具有重现性的C系数数值。

第一、前后两次C系数的标定，偏差小于5%，第二，C系数的数值位于0.035 至0.045中间，为有效，其中又以0.04 为最优。