建筑材料燃燒煙霧毒性測試軟件系統設計*

歐凱 鄭洞天 段麗娟 鄭敦衍 洪曉斌

（1.華南理工大學機械與汽車工程學院 2.廣東出入境檢驗檢疫局檢驗檢疫技術中心3.廣州信禾檢測設備有限公司）

0 前言

隨著社會經濟的發展，全世界發生火災的頻率在逐年漸升，而建筑材料引發的火災居首位[1]。經研究表明，建筑材料引發的火災中，人員傷亡絕大多數是煙霧毒性造成的[2]。建筑材料煙霧毒性測試，對于保證建筑物內生命和財產安全十分重要，進行建筑材料煙霧毒性測試研究具有十分重要的意義[3]。

目前國內外對于煙氣毒性的測試方法主要有：基于小尺度試驗毒性測試法、基于動物染毒毒性測試法、基于成分分析毒性測試法、基于生理研究毒性測試法等[4]，其中成分分析法可以了解燃燒產物中氣體成分和濃度。研究溫度對燃燒產物的生成及含量的影響，有利于研究煙氣中各毒性成分產生的毒性作用，綜合分析毒性產生的原因和機理[5]。相較于其它測試方法，其優點在于大大縮短實驗時間，提高測試效率，降低測試費用[6]。檢測到材料燃燒各成分值后，需要通過綜合評價才能獲得最終毒性值。目前國內外煙氣毒性的評價模型主要有N-氣體模型、FED模型、FEC模型以及TGAS評價模型[7]。其中N-氣體模型相較于其它評價模型，其優點在于可以適應不同的燃燒試驗裝置，并且顯示出很好的預測結果。因此采用N-氣體模型進行煙氣毒性的評價更加精確、科學[8]。

本文設計一套煙霧毒性測試軟件系統，基于成分分析法以及N-氣體模型，通過測量出煙氣中各氣體的體積含量，計算出建筑材料燃燒產生的煙霧毒性值N，形成一套完整的煙霧毒性測試流程，能快速、精確地評定建筑材料燃燒煙霧毒性。

1 系統框架

本測試軟件主要功能分2部分：手動完成和自動完成部分[9]，如圖1所示。

圖1 建筑材料燃燒煙霧毒性測試軟件總體功能結構

手動完成部分的功能包括：用戶登錄及權限修改、熱輻射校準和燃燒氣體采集。當用戶開始使用該測試軟件時，先登錄，獲得權限后才能使用；然后進行熱輻射校準，為實驗提供條件；最后采集毒性氣體。

自動完成部分的功能包括：數值與圖像顯示、定時計算平均濃度與N值和數據的實時保存。采集的氣體濃度顯示在操作界面上，還會顯示氣體濃度的變化曲線。整個測試過程中，每一秒采集的氣體濃度都會自動保存。當測試時間結束時，系統會根據保存的數值自動計算出整個過程中氣體的平均濃度并以此計算出毒性值N，以判斷煙氣的毒性程度。

測試時，建筑材料燃燒煙霧毒性測試軟件操作流程如圖2 所示。

圖2 建筑材料燃燒煙霧毒性測試軟件操作流程

2 功能實現

2.1 用戶登錄及修改權限

使用該測試軟件時，必須先登錄系統，獲得操作權限后才能使用該軟件。與此同時，用戶可以進行權限修改，設置新密碼。

2.2 輻射板校準

輻射板校準時，通過傳感器在輻射板的9個位置分別進行感應，感應到的輻射值通過采集裝置傳到測試軟件界面中并繪制出輻射強度曲線；然后手動調節進入燃燒裝置中的空氣流量以及燃氣流量，當輻射強度曲線位于國際標準范圍時，輻射板校準完畢。具體輻射板校準流程如圖3 所示。

2.3 燃燒氣體的采集

建筑材料燃燒產生的煙氣主要含有氧氣、二氧化碳、一氧化碳、氯化氫、二氧化氮和氰化氫。測試原理是將燃燒建筑材料產生的煙氣過濾、干燥后，通過采集泵抽進集成6個傳感器環境中，各傳感器線性輸出 4 mA～20 mA的電流，通過內置電阻轉換為 0.4 V～20 V的輸出電壓，因此在輸出端采集卡采集6個傳感器輸出的電壓信號；然后USB接線將輸出電壓的數值傳到電腦中；通過煙毒性測試軟件，經過換算，將電壓值轉換為對應的氣體濃度值。燃燒氣體采集的流程如圖4所示。

圖4 燃燒氣體采集流程

2.4 數值與圖像顯示

采集的氣體濃度必須在操作界面實時顯示，且氣體濃度的變化以曲線形式顯示，可清晰地獲得整個產煙過程中每種氣體的變化情況，分析氣體濃度變化的特點。氣體濃度的數值主要是根據采集卡采集到的電壓值通過計算轉換得到的，數值與圖像顯示的流程如圖5所示。

圖5 數值與圖像顯示流程

2.5 數據的實時保存

實時數據保存是為了能保存整個產煙過程中氣體的濃度，便于后期數據處理。通過點擊“保存數據”菜單，可以進入mdb數據庫查看試驗所測得的數據。

2.6 實時計算平均濃度與N值

實時計算平均濃度與N值，是為了根據采集的氣體濃度值得到整個產煙過程中氣體的平均濃度，以便計算出整個過程中煙氣的毒性值N，評價煙氣的毒性程度。計算時，根據顯示的濃度值，將每一秒顯示出的濃度值進行疊加，當測試時間結束時，除以時間得到氣體的平均濃度，可以根據N-模型的公式計算出N值。實時計算平均濃度與N值的原理如圖6所示。

開始測量后，系統以秒為周期，實時記錄煙氣中每種毒性氣體的含量，并將每種毒性氣體的變化在坐標圖內實時顯示出來。當測量時間到達時，系統自動計算出每種毒性氣體的平均濃度，并由此得到煙氣的毒性值N。

圖6 實時計算平均濃度與N值的原理圖

3 實驗測試

選取3塊成分相同、尺寸大小一樣的PVC地板作為試樣，進行燃燒煙霧毒性檢測實驗。實驗前，對建筑材料煙霧毒性檢測裝置的輻射熱通量進行校準。利用煙霧毒性測試軟件的輻射板校準功能，調節檢測裝置輸入的空氣與燃氣流量，使得輻射板輻射熱通量符合GB11875的要求。PVC地板在建筑材料煙霧毒性檢測裝置中燃燒，其產生的煙霧經過采集、過濾、干燥之后進入各毒性氣體傳感器測定，3組PVC地板燃燒煙霧毒性測試實驗結果如表1所示。

表1 PVC地板燃燒煙霧毒性測試實驗結果

實驗過程中，建筑材料燃燒煙霧毒性測試軟件能夠實時顯示煙氣中各氣體的含量。實驗結束后，系統計算出各毒性氣體在實驗時間內的平均含量。在此基礎上，利用 N-氣體模型評定建筑材料燃燒煙霧的毒性。PVC地板燃燒煙霧毒性測試界面如7所示。圖7中右上方兩個表格分別表示各毒性氣體瞬時含量和平均含量，而圖7下方7個圖分別表示HCl、NO2、CO、HCN、CO2、O2、HBr的含量曲線圖。

實驗測試中，測試數據穩定，系統響應迅速，滿足設計要求。

圖7 建筑材料燃燒煙霧毒性測試界面

4 結語

基于 N-氣體模型設計建筑材料燃燒煙霧毒性測試軟件系統，可實時測量產生的煙霧中各毒性氣體的濃度，并能自動實時繪制出各毒性氣體的濃度曲線，能直觀地看到整個實驗過程中各毒性氣體濃度的變化。測試結束后，系統自動計算出燃燒煙霧中各毒性氣體的平均濃度并以此計算煙霧毒性值N，從而評價該建筑材料燃燒產生的煙霧毒性程度，為評價建筑材料安全性奠定了堅實的基礎。

[1]Nazare S,Kandola B,Horrocks R. Smoke,CO and CO2measurements and evaluation using different fire testing techniques for flame retardant unsaturated polyester resin formulations[J]. Journal of Fire Sciences,2008,26(5):215-242.

[2]范維澄,孫金華,陸守香.火災風險評估方法學[M].北京:科學出版社,2004.

[3]歐凱,洪曉斌,文澤貴,等.基于正交試驗的建材燃燒煙密度測試裝置參數組合優化[J].中國測試,2014:(4).

[4]童朝陽,陰憶烽,黃啟斌,等.火災煙氣毒性的定量評價方法評述[J].安全與環境學報,2005,5(4):101-105.

[5]楊立中,方偉峰.可燃材料火災中的毒性評估方法[J].中國安全科學學報,2001,11(1):65-69.

[6]劉軍軍.材料燃燒煙氣毒性綜合評價[D].重慶:重慶大學,2005.

[7]張凱.常見可燃建筑材料火災及毒性煙氣模擬研究[D].合肥:安徽理工大學,2009.

[8]Levin B C. New research avenues in toxicology:7 gas N-gas model,toxicant suppressants,and genetic toxicology[J].Toxicology,1996,115:89-10.

[9]劉敬光,吳斯棟,梁小明,等.新型 RFID 系統基準性能測試指標體系設計[J].自動化與信息工程,2011,32(6):41-44.