一種新型熱防護性能測試裝置的研制

摘 要：文章介紹一種新型熱防護性能測試裝置，該系統(tǒng)通過PLC控制，可靠性高，友好Windows界面便于用戶使用，完全的自動化測試過程，且自動生成試驗報告，提高工作效率，完全符合國家新標準，填補國內空白。

關鍵詞：熱防護性能；暴漏熱通量；對流熱源；輻射熱源

1 概述

某些特殊行業(yè)（如煉鋼）從業(yè)人員在作業(yè)場所或應急救援（如救火）工作中可能接觸高溫、高熱環(huán)境，從而對人體造成燒傷或燙傷。為了減少或隔絕此類傷害，相關人員應穿著具有熱防護性能（TPP Thermal Protective Performance）的熱防護服裝，同時佩帶其它必需的個體防護裝備。

熱防護性能，是指透過織物引起人體二度燒傷的熱能值，單位為千瓦秒每平方米（kW·s/m2）。熱防護性能的值越高，織物的熱防護性能越強，避免人體被燒傷或燙傷的效果越好。

為了達到上述要求，熱防護服裝的生產企業(yè)有義務對所生產熱防護服裝產品行檢測，相關職能部門有責任對各生產企業(yè)進行監(jiān)督，同時熱防護服裝使用者有責任自行評估并選擇合適的熱防護服裝。

熱防護性能測試很早就在國際標準中出現，例如美國防火協(xié)會標準NFPA 1971《建筑滅火中消防員的全套裝束標準》、BS EN 367-1993《防護服.耐熱和耐火防護 火焰旁熱傳遞的測定方法》等，直到2002年，在我國公共安全行業(yè)標準GA10-2002《消防員滅火防護服》中首次提出了熱防護性能的測試方法和要求，但標準中提到的測試方法中并沒有明確熱源的種類。直到2009年4月1日，GB8965-2009《防護服裝 阻燃服裝》的發(fā)布，才真正明確了織物的熱防護性能測試要求和方法。

由于美國杜邦公司、CSI公司及NPFA、ASTM等國際機構對熱防護性能測試裝置的研究起步較早，在儀器市場上優(yōu)勢明顯，但其儀器的售價非常昂貴，約50萬人民幣；目前國內市場上只見到針對“抗輻射熱滲透性能”的測試儀器，熱源僅為輻射熱，與新標準中規(guī)定的雙熱源不符，而且數據的采集和處理上有很大不同，不能夠滿足熱防護性能的測試要求。標準頒布了卻沒有相應的檢測儀器配套，國內尚屬空白。在這種背景下開發(fā)與標準配套的儀器成了國內市場的必然要求。

2 系統(tǒng)實現

熱防護性能測試裝置由以下幾部分組成：數據測量系統(tǒng)、試樣控制系統(tǒng)、防護系統(tǒng)、熱源系統(tǒng)、PLC和上位機（軟件）。幾大系統(tǒng)之間通過管線連接實現相互通訊或相互作用，完成自動化控制。整個裝置的原理圖如圖1所示。

2.1 數據測量系統(tǒng)

數據測量系統(tǒng)由銅熱量計和風冷系統(tǒng)兩部分組成。（1）銅熱量計。銅熱量計由K型熱電偶、銅板、隔熱材料和防護罩等組成。利用熱電偶的熱電效應，將采集到熱信號轉化電信號，傳遞給數顯表，數顯表利用標定好的數值顯示出當前溫度，并傳遞給PLC。（2）風冷系統(tǒng)。由于銅熱量計內部有隔熱材料，造成測試一段時間后銅熱量計降溫困難，因此增加風冷系統(tǒng)，當溫度高于設定溫度后，將銅熱量計置于風冷系統(tǒng)上，觸動點動開關，開啟冷卻功能，當溫度降到設定溫度后，PLC控制電磁閥1關閉，停止冷卻。

2.2 試樣控制系統(tǒng)

試樣控制系統(tǒng)由氣缸和試樣支架等組成。PLC在接收傳感器1和上位機的信號后，控制氣缸1轉入或者轉出，從而控制試樣支架帶動試樣進入或者退出熱源，完成面料的測試過程。其中試樣支架根據試樣與銅熱量計放置位置的不同分為兩種，用直接接觸來模擬熱防護服裝與身體接觸穿著的情況，用間隔6.5mm來模擬熱防護服裝與身體存在一定空間的情況。

2.3 防護系統(tǒng)

防護系統(tǒng)是由氣缸、防護柵和流量開關等組成。防護柵主要是由冷卻銅管纏繞成柵格狀，外部包覆不銹鋼防護罩，冷卻水流經流量開關，然后通過冷卻銅管，起到冷卻作用，同時防護測試試樣和操作者的安全，防止燙傷。當冷卻水意外停止或操作者忘記打開時，流量開關會給PLC信號，PLC切斷裝置的電力供應，禁止設備的任何操作。防護柵由氣缸帶動進入或退出熱源系統(tǒng)，起到防護測試試樣和操作者安全的作用，而氣缸又由PLC協(xié)同傳感器1和上位機信號控制。

2.4 熱源系統(tǒng)

熱源系統(tǒng)是由對流熱源和輻射熱源組成。（1）對流熱源。對流熱源的氣源是丙烷氣體，由電磁閥2控制通或斷，經過流量調節(jié)閥，流向φ40雙本生燈。電子脈沖點火器負責點燃流出本生燈的丙烷氣體，如果5秒鐘不能點燃本生燈，電子脈沖點火器會給PLC信號，切斷丙烷氣供應，同時如果測試過程中本生燈熄滅，電子脈沖點火器也會給PLC信號，切斷丙烷氣供應，保證操作者的安全。（2）輻射熱源。輻射熱源的核心是9根T-150型紅外石英燈管，每根燈管的功率是500瓦，且單面反射光。調壓器控制9根石英燈管的輸入電壓，從而實現不同輻射熱能的輸出，滿足標準的測試要求。

2.5 PLC

本裝置的核心控制元件是PLC，具有可靠性高、抗干擾能力強，配套齊全、功能完善、適用性強、易學易用、系統(tǒng)的設計與建造工作量小、維護方便、容易改造、體積小、質量輕、能耗低等優(yōu)點。因此選用臺達DVP14SS2型PLC控制，而非傳統(tǒng)的單片機控制。PLC接收各信號源及上位機信號，控制各執(zhí)行元件，如氣缸、電磁閥等，實現各系統(tǒng)協(xié)同工作，完成整個測試過程。

2.6 上位機（軟件）

由于T值是通過繪制測試曲線和人體二級燒傷曲線相交取得的，所以采用Windows 界面和功能強大的Delphi可視化編程方法開發(fā)熱防護性能測試裝置專用軟件，實現計算機實時采集數據，并進行數據分析判斷，通過RS485轉USB與PLC通信，控制數據測量系統(tǒng)、試樣控制系統(tǒng)、防護系統(tǒng)、熱源系統(tǒng)等執(zhí)行部件，實現整個測試過程自動完成，并由計算機實時顯示出當前熱量值與時間曲線且與人體二度燒傷曲線比較，最終計算出測試面料熱防護系數值。

3 結論與展望

本測試系裝置之測試過程完全實現了自動化，可自動生成試驗報告，大大降低了實驗者的工作量，提高了工作效率。它填補了國內空白，相對于進口測試裝置而言價格大大降低，通過與國外測試設備數據對比，數據無明顯差異。

儀器可以廣泛應用于科研、試驗室、質量監(jiān)督檢驗機構、紡織生產企業(yè)、防護服裝生產企業(yè)、貿易機構和安全防護管理部門等，滿足對面料熱防護性能測試的需要。可以為熱防護紡織品的開發(fā)、生產過程中的質量控制以及為紡織貿易和防護服使用中熱防護性能的監(jiān)測提供科學可靠的數據。

參考文獻

[1]GB 8965.1-2009.防護服裝 阻燃防護 第1部分 阻燃服[S].

[2]NFPA 2112-2001.工業(yè)人員防火服裝標準[S].

[3]成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，2002.