一種新型熱防護(hù)性能測試裝置的研制

摘 要：文章介紹一種新型熱防護(hù)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(yàn)報告，提高工作效率，完全符合國家新標(biāo)準(zhǔn)，填補(bǔ)國內(nèi)空白。

關(guān)鍵詞：熱防護(hù)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(yīng)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(guān)人員應(yīng)穿著具有熱防護(hù)性能（TPP Thermal Protective Performance）的熱防護(hù)服裝，同時佩帶其它必需的個體防護(hù)裝備。

熱防護(hù)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(hù)性能的值越高，織物的熱防護(hù)性能越強(qiáng)，避免人體被燒傷或燙傷的效果越好。

為了達(dá)到上述要求，熱防護(hù)服裝的生產(chǎn)企業(yè)有義務(wù)對所生產(chǎn)熱防護(hù)服裝產(chǎn)品行檢測，相關(guān)職能部門有責(zé)任對各生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行監(jiān)督，同時熱防護(hù)服裝使用者有責(zé)任自行評估并選擇合適的熱防護(hù)服裝。

熱防護(hù)性能測試很早就在國際標(biāo)準(zhǔn)中出現(xiàn)，例如美國防火協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)NFPA 1971《建筑滅火中消防員的全套裝束標(biāo)準(zhǔn)》、BS EN 367-1993《防護(hù)服.耐熱和耐火防護(hù) 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(biāo)準(zhǔn)GA10-2002《消防員滅火防護(hù)服》中首次提出了熱防護(hù)性能的測試方法和要求，但標(biāo)準(zhǔn)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(hù)服裝 阻燃服裝》的發(fā)布，才真正明確了織物的熱防護(hù)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(jī)構(gòu)對熱防護(hù)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(nèi)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(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的雙熱源不符，而且數(shù)據(jù)的采集和處理上有很大不同，不能夠滿足熱防護(hù)性能的測試要求。標(biāo)準(zhǔn)頒布了卻沒有相應(yīng)的檢測儀器配套，國內(nèi)尚屬空白。在這種背景下開發(fā)與標(biāo)準(zhǔn)配套的儀器成了國內(nèi)市場的必然要求。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

熱防護(hù)性能測試裝置由以下幾部分組成：數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)、試樣控制系統(tǒng)、防護(hù)系統(tǒng)、熱源系統(tǒng)、PLC和上位機(jī)（軟件）。幾大系統(tǒng)之間通過管線連接實(shí)現(xiàn)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(shù)據(jù)測量系統(tǒng)

數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)由銅熱量計(jì)和風(fēng)冷系統(tǒng)兩部分組成。（1）銅熱量計(jì)。銅熱量計(jì)由K型熱電偶、銅板、隔熱材料和防護(hù)罩等組成。利用熱電偶的熱電效應(yīng)，將采集到熱信號轉(zhuǎn)化電信號，傳遞給數(shù)顯表，數(shù)顯表利用標(biāo)定好的數(shù)值顯示出當(dāng)前溫度，并傳遞給PLC。（2）風(fēng)冷系統(tǒng)。由于銅熱量計(jì)內(nèi)部有隔熱材料，造成測試一段時間后銅熱量計(jì)降溫困難，因此增加風(fēng)冷系統(tǒng)，當(dāng)溫度高于設(shè)定溫度后，將銅熱量計(jì)置于風(fēng)冷系統(tǒng)上，觸動點(diǎn)動開關(guān)，開啟冷卻功能，當(dāng)溫度降到設(shè)定溫度后，PLC控制電磁閥1關(guān)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(jī)的信號后，控制氣缸1轉(zhuǎn)入或者轉(zhuǎn)出，從而控制試樣支架帶動試樣進(jìn)入或者退出熱源，完成面料的測試過程。其中試樣支架根據(jù)試樣與銅熱量計(jì)放置位置的不同分為兩種，用直接接觸來模擬熱防護(hù)服裝與身體接觸穿著的情況，用間隔6.5mm來模擬熱防護(hù)服裝與身體存在一定空間的情況。

2.3 防護(hù)系統(tǒng)

防護(hù)系統(tǒng)是由氣缸、防護(hù)柵和流量開關(guān)等組成。防護(hù)柵主要是由冷卻銅管纏繞成柵格狀，外部包覆不銹鋼防護(hù)罩，冷卻水流經(jīng)流量開關(guān)，然后通過冷卻銅管，起到冷卻作用，同時防護(hù)測試試樣和操作者的安全，防止?fàn)C傷。當(dāng)冷卻水意外停止或操作者忘記打開時，流量開關(guān)會給PLC信號，PLC切斷裝置的電力供應(yīng)，禁止設(shè)備的任何操作。防護(hù)柵由氣缸帶動進(jìn)入或退出熱源系統(tǒng)，起到防護(hù)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(jī)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(jīng)過流量調(diào)節(jié)閥，流向φ40雙本生燈。電子脈沖點(diǎn)火器負(fù)責(zé)點(diǎn)燃流出本生燈的丙烷氣體，如果5秒鐘不能點(diǎn)燃本生燈，電子脈沖點(diǎn)火器會給PLC信號，切斷丙烷氣供應(yīng)，同時如果測試過程中本生燈熄滅，電子脈沖點(diǎn)火器也會給PLC信號，切斷丙烷氣供應(yīng)，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(diào)壓器控制9根石英燈管的輸入電壓，從而實(shí)現(xiàn)不同輻射熱能的輸出，滿足標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)，配套齊全、功能完善、適用性強(qiáng)、易學(xué)易用、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建造工作量小、維護(hù)方便、容易改造、體積小、質(zhì)量輕、能耗低等優(yōu)點(diǎn)。因此選用臺達(dá)DVP14SS2型PLC控制，而非傳統(tǒng)的單片機(jī)控制。PLC接收各信號源及上位機(jī)信號，控制各執(zhí)行元件，如氣缸、電磁閥等，實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)協(xié)同工作，完成整個測試過程。

2.6 上位機(jī)（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(qiáng)大的Delphi可視化編程方法開發(fā)熱防護(hù)性能測試裝置專用軟件，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)實(shí)時采集數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析判斷，通過RS485轉(zhuǎn)USB與PLC通信，控制數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)、試樣控制系統(tǒng)、防護(hù)系統(tǒng)、熱源系統(tǒng)等執(zhí)行部件，實(shí)現(xiàn)整個測試過程自動完成，并由計(jì)算機(jī)實(shí)時顯示出當(dāng)前熱量值與時間曲線且與人體二度燒傷曲線比較，最終計(jì)算出測試面料熱防護(hù)系數(shù)值。

3 結(jié)論與展望

本測試系裝置之測試過程完全實(shí)現(xiàn)了自動化，可自動生成試驗(yàn)報告，大大降低了實(shí)驗(yàn)者的工作量，提高了工作效率。它填補(bǔ)了國內(nèi)空白，相對于進(jìn)口測試裝置而言價格大大降低，通過與國外測試設(shè)備數(shù)據(jù)對比，數(shù)據(jù)無明顯差異。

儀器可以廣泛應(yīng)用于科研、試驗(yàn)室、質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)、紡織生產(chǎn)企業(yè)、防護(hù)服裝生產(chǎn)企業(yè)、貿(mào)易機(jī)構(gòu)和安全防護(hù)管理部門等，滿足對面料熱防護(hù)性能測試的需要。可以為熱防護(hù)紡織品的開發(fā)、生產(chǎn)過程中的質(zhì)量控制以及為紡織貿(mào)易和防護(hù)服使用中熱防護(hù)性能的監(jiān)測提供科學(xué)可靠的數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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

[2]NFPA 2112-2001.工業(yè)人員防火服裝標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.