高溫氧指數測定儀的原理及總體設計方案

金富 白日昌 侯燁 劉惠婧 劉洋

摘? 要：通過對高溫環境下氧指數測定試驗數據的研究，并對檢測系統和控制模組進行模擬試驗，最終確定了高溫氧指數測定儀的研究方向。設備熱源采用熱輻射的方式模擬高溫環境，氧氣、氮氣混合氣體比例參數采用PID算法進行優化。并利用PLC單片機作為總控制單元完成環境溫度系統和氧氣、氮氣的比例配氣系統控制工作。通過以上研究力爭在試驗系統的自動控制和精確測量方面取得一定的突破。

關鍵詞：氧指數；PID；PLC單片機；自動控制

中圖分類號：TP39；TH89? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）09-0075-04

Abstract： Through the research of the oxygen index measurement and test data in high temperature environment， and the simulation test of the detection system and control module， the research direction of the high temperature oxygen index tester is finally determined. The heat source of equipment uses heat radiation to simulate the high temperature environment， and the proportion parameters of oxygen and nitrogen gas mixture are optimized by PID algorithm. And the use of PLC Single-Chip Microcomputer as the overall control unit to complete the environment temperature system and oxygen， nitrogen proportional distribution system control work. Through the above research， this paper strives to make a certain breakthrough in the automatic control and accurate measurement of the test system.

Keywords： oxygen index; PID; PLC Single-Chip Microcomputer; automatic control

0? 引? 言

極限氧指數（Limited Oxygen Index， LOI）是模擬試樣能夠在氧氣、氮氣混合氣流環境中持續燃燒所需的最低氧濃度。是判定紡織制品、塑料制品特別是苯板、擠塑板、酚醛板等保溫材料燃燒性能的關鍵指標。LOI（%）越高也就是說需要維持材料的持續燃燒需要更高的氧氣含量，代表材料的燃燒性能越優。同樣的道理LOI（%）越低也就是說在更低的氧氣濃度環境下試樣仍然可以持續燃燒，代表材料的燃燒性能越差。

1? 高溫氧指數測定的必要性

氧指數測定結果是判定材料燃燒性能等級的重要指標，同時也是反映材料燃燒特性的直觀數據。不同類型材料的氧指數測定結果易受到環境因素不同程度的影響。通過對苯板、擠塑板、酚醛板、無機玻璃等多種材料在不同環境下的氧指數測定數據分析可得，材料的氧指數測定結果易受到狀態調節時間、樣品制備、設備操作等環境因素不同程度的影響。其中高溫環境對試樣的氧指數實驗數據影響尤為關鍵。環境溫度較低時材料分子結構不活躍，燃燒特性穩定。相反當環境升高時，材料的內部分子活躍度提高，易于發生燃燒現象。通過對材料的特性以及相關資料可知，以苯板為代表的EPS材料隨著溫度的上升其氧指數數據出現不同程度的下降[1]。B1級保溫材料的燃燒性能要求其氧指數測定結果應不小于30%，但隨著環境溫度的上升，材料的氧指數數據呈現不同程度的下降，甚至降到了標準值以下。以氧指數為31%的聚苯乙烯泡沫塑料為例當環境溫度升高時，其氧指數數據降至30.2%將嚴重影響其燃燒性能判定。同時現階段常規使用的氧指數測定方法無法滿足高溫環境下特別是模擬當材料燃燒周圍溫度環境發生變化時的燃燒性能。因此提出高溫氧指數測定儀的研制是十分必要的。聚苯乙烯泡沫塑料材料在不同環境溫度條件下的氧指數測定結果如圖1所示。

2? 高溫氧指數測定儀的基本組成部分

2.1? 氧氣、氮氣比例配氣方式

高溫氧指數測定儀關鍵指標是模擬特定的氧濃度環境，通過對高純氧氣和氮氣的匹配，得到一定氧濃度的試驗環境。因此穩定、準確的配置氣體方法對于試驗本身是十分重要的。在試驗過程中根據需要對氣體的氧濃度進行調節，當調高的氧濃度時，需要提高氧氣供給流量，同時降低氮氣流量的供給。同理當調低的氧濃度時，需要降低氧氣流量的供給，同時加大氮氣流量的供給。以上操作均要滿足總供氣壓力不變的前提下，對氮氣、氧氣的供給進行調節。在此過程中高溫氧指數測定儀需要調節氧氣和氮氣的比例持續不斷地按照統一的氣體流速將混合氣體注入燃燒筒?；旌蠚怏w氧濃度計算[2]：

CO表示氧、氮混合氣體中的氧濃度，單位為%；VO表示混合氣體中每單位體積的氧氣的體積；VN表示混合氣體中每單位體積的氮氣的體積。

在混合氣體過程中如果使用的不是純氧，就要考慮混合氣體過程中混入其他氣體對氧濃度的影響。舉例當使用氧濃度為99.3%的氧氣與氧濃度為0.2%的氮氣或與空氣進行混合時，混合氣體氧濃度計算[2]：

CO表示氧、氮混合氣體中的氧濃度，單位為%；表示混合氣體中每單位體積的氧氣的體積； 表示混合氣體中每單位體積的空氣的體積； 表示混合氣體中每單位體積的氮氣的體積。

2.2? 試件燃燒筒的設置方式

高溫氧指數測定是將試件在燃燒筒內點燃，并根據實時的氧濃度數字以及試件的損毀長度進行氧指數判定。燃燒筒采用下寬上細的設計，目的是降低上方敞口處空氣倒灌的可能。高溫氧指數測定儀的燃燒筒是由兩個內徑分別為75 mm和85 mm，高度均為500 mm，石英玻璃材質的圓柱形耐高溫玻璃嵌套而成。內徑75 mm的玻璃圓柱稱為內燃燒筒，內徑85 mm的玻璃圓柱稱為外燃燒筒。試驗過程中內燃燒筒內通入特定氧濃度的氣體，支持試件的燃燒。內、外燃燒筒之間的縫隙均勻纏繞功率為1 kW的電阻絲，由溫度控制模塊負責根據試驗設置的溫度要求加熱電阻絲到指定溫度。溫控模塊內置PID算法及自動演算功能可自動設置PID參數可使得混合氣體精確加熱到指定的試驗溫度。在內燃燒筒的中心位置設置一個K型測溫熱電偶，與溫度控制模塊形成控制回路。將測量溫度結果反饋給控制單元，由控制單元根據溫度設定值，改變功率值已到達實時精確控溫的作用。燃燒筒結構示意圖如圖2所示。

3? 高溫氧指數測定儀控制系統設計方案

傳統的氧指數測定儀設定氧氣濃度采用機械調節的方式，在設定管道氣體壓力和流速的前提下，通過手動調節控制閥，對氧氣和氮氣的流速進行調節，已實現控制燃燒筒內氧氣濃度的功能。本項目的研究目的不僅僅是給傳統的氧指數測定儀添加一個溫度控制環節實現簡單的設備升級任務。而是致力于在試驗高溫環節實現精準可控的前提下，利用PID算法對輸出結果進行線性校正，實現混合氣體氧濃度的全自動精準控制[3]，優化原有的機械調節氧氣濃度的環節，減少在試驗過程中誤差的產生并實現一定的人機交互功能，提高整個試驗流程的自動化和精準化程度。高溫氧指數測定儀由氧氣、氮氣混合氣體控制系統、燃燒筒溫度控制系統及上位機操作系統和信號處理系統組成。其中燃燒筒溫度控制系統和氧氣、氮氣混合氣體控制系統分別使用PID溫度控制器和PLC單片機進行控制，兩套系統互不干涉，各行其是，形成一套雙閉環檢測系統。高溫氧指數測定儀設計原理框圖如圖3所示。

3.1? 氧氣、氮氣混合氣體配氣設計方案

氧氣、氮氣混合氣體控制系統利用PLC單片機分別控制兩套氣體流量傳感器和氣體流量控制器，氣體流量傳感器分別采集氧氣和氮氣輸入氣體流量反饋至控制單元，控制單元根據設置的混合氣體目標氧濃度值分別計算出氧氣和氮氣在混合氣體中的輸入流量，再將流量數據傳遞給氣體流量控制器，對氣體流量進行再次分配，以達到調節混合氣體中氧、氮比例的作用[4]。這種方式可以有效地提高設備的自動化程度，將原有的手動機械調節方式轉換成數字控制模式。提高了設備氧氣濃度調節的精準度。同時由于燃燒筒的上方是敞開的，與空氣貫通，并有燃燒筒的下方供給特定氧濃度的試驗氣體。因此如果不能保證一定的氣體流速，就會導致燃燒筒內的氣流減慢，進而使得燃燒筒上方的空氣倒灌，最終稀釋原有按比例設定的氧、氮氣混合氣體的氧濃度，對試驗結果帶來一定的誤差[5]。

本系統選擇的氣體流量比例控制器采用的是由日本Klofloc公司開發的3 000系列小型電磁比例閥，最大進口壓力可達到1.0 Mpa；量程為10 LPM；供電電源可選直流24 V和12 V。氣體流量傳感器采用的是日本Klofloc公司最新開發的EX250S-RJ系列質量流量控制器，最大進口壓力可達到1.0 Mpa；量程為10 SLM；供電電源可選直流24 V和12 V；支持RS485通信模塊；輸出信號支持數字信號和模擬信號。本項目使用的氣體流量控制器如圖4所示，氣體流量控制器如圖5所示。

3.2? 燃燒筒加熱設計方案

溫度控制單元采用測控回路的設計方案，即溫度控制器根據設定的升溫目標值，調節輸出功率。同時系統將采集到的熱電偶溫度數據反饋至溫度控制單元。溫度控制單元再根據溫度數據調節輸出的電功率。因為高溫氧指數測定儀的燃燒筒上方是敞開的因此在給燃燒筒加溫過程中熱量一方面會沿上方開口擴散，另一方面一部分空氣會進入燃燒筒內，進而影響熱電偶反饋給溫度控制器的溫度數據。因此要維持燃燒筒內加熱溫度的精確穩定，固定的功率輸出是無法完成的。需要在加溫過程中根據實時溫度變化改變輸出功率達到自適應平衡的狀態，所以本方案采用PID算法調節輸出電功率，以達到調節溫度的作用。本系統采用AI7028系列PID溫度控制器支持兩路PID溫度控制，支持兩路K型熱電偶作為輸入反饋信號；支持雙路固態繼電器驅動電壓輸出模塊；支持RS485通信模塊與上位機進行數據通信。高溫氧指數測定儀溫度控制器如圖6所示。

3.3? 氧濃度測量設計方案

氧濃度測量是高溫氧指數測定儀設計中的重要環節，氧濃度的準確度關系到測試結果的準確性。本系統中需要實時采集管道內的混合氣體氧濃度，MCU控制器根據氧濃度數值通過氣體流量比例控制器調節輸出的氧氣、氮氣比例，以獲得設定氧濃度的混合氣體。本系統選用英國CITY公司的AO2 PTB-18.10氧濃度傳感器用于氧濃度測量。AO2氧濃度傳感器屬于電化學式的傳感器。是將化學元素與氧氣反應產生的化學信號轉換成電子信號來對氧濃度進行定量。因此未經使用的AO2氧濃度傳感器應該封存在充滿氮氣的密封包裝內，需要使用時方可開啟。并且由于AO2氧濃度傳感器工作方式的特殊性，在長時間使用過程中其化學物質與氧氣作用會逐漸衰減，所以使用一定時間后需要更換新的AO2氧濃度傳感器。避免長時間過量使用引起測量誤差的出現。AO2氧濃度傳感器如圖7所示。

4? 影響氧指數測定結果的因素

在試驗過程中往往伴隨著誤差的存在，產生誤差的因素有很多。有設備的因素、人員操作的因素、環境因素以及標準物質的影響，等等[6]。上文已經對設備因素和環境因素對測量結果帶來的影響進行了分析。在設備研制以及試驗操作中應規避類似的影響因素，提高測量結果精確度[7]。

4.1? 標準物質的選擇

首先設備供氣應選擇質量好、穩定性高的供應商提供的氮氣和高純氧氣。并在每次更換新的氣源時，提供氣源的主要氣體濃度檢定報告。因為不同濃度的高純氧氣的售價相差較大，在每次更換氣體時都應核避免供應商對氣體濃度以次充好。并且在每次更換氣源后都應將設備進行一次校準。同時由于氧傳感器是消耗品，長時間與空氣接觸會損耗氣氧反應物質的含量。因此在每次試驗結束后應先關閉氧氣閥門，后關閉氮氣閥門，使管道內充滿氮氣降低氧氣對傳感器的影響。

4.2? 試件的制備

國家標準GB/T 2406.2—2009《塑料用氧指數法測定燃燒行為 第2部分：室溫試驗》中規定試樣的長度應滿足80～150 mm。標準中對試件的長度沒有更具體的要求，而是采用一個長度范圍。通過分析，經大量的實驗數據驗證可以得到，當同一試件被制成不同長度時其氧指數測定結果也將呈現不同程度的區別。上文中提到燃燒筒上方是敞開的，所以燃燒筒上方會混入一定的空氣。所帶來的影響是燃燒筒上方的實際氧濃度數字與設備顯示的氧濃度數字有一定的出入。所以當試件較短時，試件的氧濃度與設備顯示的氧濃度更接近。相反，當試件較長時，試件的頂端更接近燃燒筒的敞口，試件的氧濃度較比設備顯示的氧濃度更低[8]。所以在試驗過程中為了規避影響因素，應將試件設置為統一的長度，并且試件長度不應過長。

5? 結? 論

高溫氧指數測定儀是對傳統氧指數測定方法的一種革新，將原有的常溫環境下的氧指數測定升級為更加貼近試樣極限環境下的試驗方法。是國標GB/T 2406.2—2009《塑料用氧指數法測定燃燒行為 第2部分：室溫試驗》試驗方法的豐富和補充。本項目研究的高溫氧指數測定儀，嚴格依照試驗方法要求，貼近試驗操作本身的技術特點，考察試樣在不同溫度環境的耐火性能。同時提高了檢測設備的自動化程度以及精密元器件集成度，利用PLC單片機完成試驗設備的控制管理，減少了不必要的操作環節，降低了誤差對試驗結果帶來的影響，同時具備一定的人機交互功能。

參考文獻：

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[7] 吳勇，屈勵.環境溫、濕度對氧指數測定值的影響 [J].消防科技，1997（1）：25.

[8] 龔嘉偉，陳宏業，何家威.燃燒筒溫度對塑料氧指數的影響 [J].建材發展導向，2021（1）：5-6.

作者簡介：金富（1983—），男，漢族，遼寧開原人，高級工程師，本科，研究方向：建筑材料及消防器材檢測方法。