一種消防服熱防護性能檢測系統及方法
本發明涉及一種消防服熱防護性能檢測儀器，上下結構，輻射熱源在下，試樣在上，輻射熱源溫度位置可調節，模擬火場熱環境，將試樣放置在此環境中，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。并根據生物醫學工程中，人體在標準熱通量情況下達到二度燒傷時所需的時間來判斷試樣的優劣。具有精確度高，重復性好，操作簡單，結果顯示清晰等特點。
技術領域：
本發明涉及一種檢測技術，特別涉及一種消防服熱防護性能檢測系統及方法。 背景技術
消防服主要用來減少熱量在人體皮膚上的積聚，保護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。當人體皮 膚的熱流密度達到2. 68J/cm2,即皮膚溫度達到45°C時，人就會有灼痛感；當熱流密度增大 到5. 02J/cm2,即人體皮膚溫度達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)標準熱源環境下，檢測通過試樣的能量累積，最終達到二度燒傷的時間來 評價消防服的熱防護性能。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。
消防服是消防戰士火場防護裝備中最基本的、最重要的一類防護裝備，是每個進 入火場的消防戰士必需配備的安全裝備。這類防護裝備性能的優劣，特別是熱防護性能的 優劣，直接關系到消防戰士的生命安全。如何檢測這些消防服的熱防護性能就是很緊迫的 問題。
發明內容：
本發明是針對現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 性能檢測系統及方法，通過輻射熱源模擬火場熱環境，將試樣放置在此環境中，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。并根據生物 醫學工程中，人體在標準熱通量情況下達到二度燒傷時所需的時間來判斷試樣的優劣。
本發明的技術方案為：一種消防服熱防護性能檢測儀器，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 置水循環裝置，上箱為一個防護罩，左右和前面為有機玻璃，頂部開有一通風口，通風口內 裝一個排風扇，上箱里邊有一個滑動測試小車和導軌，滑動測試小車上裝有耐火磚，并在左 邊開有放置環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，在導軌的左 側裝有一個行程開關，數據采集盒安放在測試儀后方，數據采集盒內有電源板，環境熱通量 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觸發信 號通過接線端子傳送到數據采集卡，數據采集卡對采集到的數據進行模數轉換后，送入計 算機處理。
所述電爐加熱裝置包括電爐、升降機構、電爐溫度傳感器、溫控儀，升降機構置于 電爐的下部，可調節電爐高度，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、繼電器、環 境熱通量傳感器、試樣熱通量傳感器、密封罩及排氣扇、數據采集卡、計算機、液晶顯示器和4打印機。
一種消防服熱防護性能檢測方法，包括消防服熱防護性能檢測儀器，具體方法步 驟如下： [0009]1)安全檢查：檢查電器接線是否正確，水循環系統是否正常，通風情況是否良好；
2)實驗準備：樣品大小應為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的位置上，用式樣固定裝置壓好，打開電腦，啟動熱 防護性能測試系統；
3)實驗開始：
a)工作環境溫度設定：利用熱源溫控器上的溫度設定裝置進行溫度設定，一般設 在850?1050°C的范圍內；
b)利用水循環裝置的溫控器設定循環水的水溫，一般設定在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)工作環境熱通量標定：當加熱源溫度器上的溫度顯示值接近工作范圍時，右移 小車，將環境熱通量傳感器（100kW/m2)正對電爐，觀察測試系統界面上的環境熱通量值，是 否滿足2. Ocal/cm2 · s 士0. lcal/cm2 · s，如滿足，則進入下一步；如不滿足，則相應調節溫控 器的設定溫度，直至環境熱通量值在1. 9cal/cm2 · s?2. lcal/cm2 · s范圍內，并記住工作 環境熱通量值滿足時所對應的溫度；
e)左移小車，使裝置再次處于保溫狀態，當電爐處于通電升溫狀態并觀察到工作 環境熱通量值滿足時所對應的溫度時，左移小車直至觸發限位開關，啟動二度燒傷實時跟 蹤積分曲線，此時被測材料正對電爐，同時觀察實測曲線的變化情況，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，并記錄測試結果；
f)更換被測材料，重復e)步驟；
g)同一材料進行三次測量，并求取三次測得的TPP值的平均值，TPP值的求取：TPP =F*T，式中TPP ：熱防護能力(cal/cm2)，F ：環境熱通量(cal/cm2 · s)，T ：導致二度燒傷的 時間（s)，得到的導致二度度燒傷的時間精確到0. ls，測量結果如平均值> 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)測試結束：關掉電源開關。
本發明的有益效果在于：本發明消防服熱防護性能檢測系統及方法，具有精確度 高，重復性好，操作簡單，結果顯示清晰等特點。
根據中華人民共和國公共安全行業標準GA10-2002《消防員滅火》要求，消 防布料在2. Ocal/cm2 · s標準環境下，導致皮膚二度燒傷時間應彡14S，即熱防護能力TPP 值應大于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 驗告訴我們：模擬人體皮膚透過各種不同的布料達到 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，保護性越高。圖1所示為研究 獲得的二度燒傷曲線。
在實際測量過程中，當試樣熱通量傳感器（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，該交點即為人體二度燒傷的臨界點。相應的橫坐 標值即為導致二度燒傷所需的時間；相應的縱坐標值即為在一定時間內透過消防服作用在 人體皮膚單位面積上的熱能量。圖2為實際檢測中的測試曲線。
如圖3所示消防服熱防護性能檢測系統結構前視圖，整個為鋼架支撐結構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，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構 13進行調節，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節控制，以滿足熱源為2. Ocal/cm2 · s標準強度， 其作用是保證測量環境維持在一個相對平衡位置（溫度）附近。
3、右箱放置水循環裝置2，由磁力循環水泵，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。磁力循環泵，其作用主要是對15kW/m2的材料熱通量傳感器6進 行水循環冷卻，保證其測量精度。水浴溫度設定在31°C (模擬消防員皮膚溫度）。
上箱為一個防護罩，左右和前面為有機玻璃，頂部開有一通風口 7，并加裝一個排 風扇8。其作用是排出實驗過程中試樣燃燒產生的有毒氣體，減少對實驗操作人員的傷害和 對環境的污染。里邊有一個滑動測試小車4和導軌。滑動測試小車4上裝有耐火磚10，并 在左邊開有放置環境熱通量傳感器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。 在導軌的左側裝有一個行程開關11。如圖5所示滑動測試小車4的結構圖，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。
數據采集處理及顯示部分包括以下內容：數據采集盒14安放在測試儀后方，如圖 4所示，數據采集盒內主要包括電源板，環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觸發信號通過接線端子傳送到數據采集卡。
數據處理及顯示部分包括數據采集卡，計算機，顯示器 和相應的數據處理軟件。試樣熱通量傳感器6和環境熱通量傳感器9數據經過前置放大器 后到數據采集卡，數據采集卡可以對采集到的數據進行模數轉換后送入計算機處理。顯示 器可以實時顯示試樣獲得的熱量和達到二度燒傷時的時間。打印機可以對測試的結果進行 打印。
下箱表面有電爐溫度控制器18和恒溫水浴溫控器19，控制系統有電爐加熱裝置3、電爐溫度控制器18、水循環裝置2、恒溫水浴溫控器19、行程開關 11、繼電器、環境熱通量傳感器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、 數據采集卡、計算機、液晶顯示器和打印機組成。其中電爐溫度控制器18可以對電爐溫度 進行控制，使其達到2. Ocal/cm2 · s的標準火場熱通量要求。顯示器可以顯示測試試樣在 此標準熱通量的環境中，達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。實驗開始時，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，達到保溫效果。當電爐溫度達到預設值時，將環 境熱通量傳感器放置在滑動小車左側位置孔中，并將小車滑到導軌右側。此時環境熱通量 傳感器9開始檢測電爐是否達到2. Ocal/cm2 · s標準熱源，否則調節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，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軌的左側，并觸發行程開關。此時采集系統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，水循環系統是否正常，通風情況是否良好。
2)實驗準備：樣品大小應為150mm*150mm，包括代表實驗項目的所有各層。 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的相應 位置上，用式樣固定裝置壓好。打開電腦，啟動熱防護性能測試系統，進入操作界面，點擊 “START”按鈕，進入測試等待狀態。
3)實驗開始：
a)工作環境溫度設定：利用熱源溫控器上的溫度設定裝置進行溫度設定，一般設 在850?1050°C的范圍內。
b)利用水循環裝置的溫控器設定循環水的水溫，一般設定在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)工作環境熱通量標定：當加熱源溫度器上的溫度顯示值接近工作范圍時，右移 小車，將環境熱通量傳感器（100kW/m2)正對電爐，觀察測試系統界面上的環境熱通量值，是 否滿足2. Ocal/cm2 · s 士0. lcal/cm2 · s。如滿足，則進入下一步；如不滿足，則相應調節溫 控器的設定溫度，直至環境熱通量值在1. 9cal/cm2 · s?2. lcal/cm2 · s范圍內。并記住工 作環境熱通量值OK時所對應的溫度。
e)左移小車，使裝置再次處于保溫狀態。當電爐處于通電升溫狀態并觀察到工作 環境熱通量值OK時所對應的溫度時，左移小車直至觸發限位開關，啟動二度燒傷實時跟蹤 積分曲線，此時被測材料正對電爐。同時觀察實測曲線的變化情況，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，并記錄測試結果。
f)更換被測材料，重復e)步驟。
g)同一材料進行三次測量，并求取三次測得的TPP值的平均值。TPP值的求取：TPP =F*T，式中TPP ：熱防護能力(cal/cm2)，F ：環境熱通量(cal/cm2 · s)，T ：導致二度燒傷的 時間（s)，得到的導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)測試結束：關掉電源開關，整理工作臺。[0051]注意事項：
a)所有實驗和校準都應在一個通風柜內進行，以便帶走燃燒產物煙或煙氣；
b)環境熱通量傳感器的黑體部分不耐濕，所以務必保持通風柜左上側環境熱通量 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，持續時間不可超過30s。
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