全自動(dòng)極限氧指數(shù)測(cè)定儀的研發(fā)

白振華 管陽(yáng)春 穆 巖 韓 祥

(1.陜西省紡織科學(xué)研究院，陜西西安，710038；2.青島環(huán)球集團(tuán)股份有限公司，山東青島，266400)

1 研究背景

在實(shí)際火災(zāi)事故中服裝燃燒給人帶來(lái)的傷害遠(yuǎn)大于明火直接給人體造成的傷害，因此在火災(zāi)救援、有火危險(xiǎn)的作業(yè)中穿著阻燃防護(hù)服對(duì)保護(hù)勞動(dòng)者至關(guān)重要。阻燃面料使服裝面料的燃燒速度大大減慢，在火源移開后馬上自行熄滅，而且燃燒部分迅速碳化而不產(chǎn)生熔融、滴落或穿洞，給人們時(shí)間撤離燃燒現(xiàn)場(chǎng)或脫掉燃燒的衣服，減少或避免燒傷、燙傷，達(dá)到保護(hù)的目的，而極限氧指數(shù)是阻燃面料阻燃性能的重要評(píng)價(jià)依據(jù)。

目前市場(chǎng)上氧指數(shù)測(cè)定儀產(chǎn)品主要有手動(dòng)調(diào)節(jié)玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)型氧指數(shù)測(cè)定儀、手動(dòng)調(diào)節(jié)數(shù)顯型氧指數(shù)測(cè)定儀和自動(dòng)調(diào)節(jié)氧指數(shù)儀。其中前兩種手動(dòng)調(diào)節(jié)型氧指數(shù)測(cè)定儀存在一些共同缺點(diǎn)。由于人工調(diào)節(jié)都會(huì)存在視覺誤差，同時(shí)由于流量值變化之間的分辨率只有0.02 L/min，更會(huì)加大測(cè)試中氧濃度的誤差，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果不準(zhǔn)確。其次人工調(diào)整速度慢必然導(dǎo)致對(duì)氧氣和氮?dú)獾睦速M(fèi)，氧指數(shù)測(cè)試過(guò)程通常需要15塊試樣，如此整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程會(huì)非常漫長(zhǎng)，極大地影響試驗(yàn)工作的效率。而自動(dòng)調(diào)節(jié)氧指數(shù)儀雖然實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制氧氣和氮?dú)獾牧髁?，但也存在一些?wèn)題，其使用的流量控制單元中，控制、執(zhí)行和反饋部分采用了分離結(jié)構(gòu)；信號(hào)控制和信號(hào)檢測(cè)部分采用了單片機(jī)集成電路結(jié)構(gòu)[1]。這些結(jié)構(gòu)決定了這種自動(dòng)氧指數(shù)儀不可避免地出現(xiàn)流量調(diào)整精度低、流量調(diào)節(jié)速度較慢、調(diào)節(jié)氧濃度成功率低、通訊不穩(wěn)定等問(wèn)題。

我們根據(jù)GB/T 5454—1997《紡織品 燃燒性能試驗(yàn) 氧指數(shù)法》和FZ/T 50017—2011《滌綸纖維阻燃性能試驗(yàn)方法氧指數(shù)法》，通過(guò)集成創(chuàng)新應(yīng)用機(jī)電一體化技術(shù)，采用PLC程序控制，在上位機(jī)操作軟件設(shè)計(jì)開發(fā)了極限氧指數(shù)全自動(dòng)測(cè)試儀器，不但適用于阻燃紡織品和阻燃滌綸纖維[2-3]，還適用于沒有固定形狀的樣品[4]，經(jīng)在國(guó)內(nèi)檢測(cè)機(jī)構(gòu)使用，性能指標(biāo)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

2 測(cè)試原理

將試樣夾在試樣夾上垂直于燃燒筒內(nèi)，在向上流動(dòng)的氧氮?dú)饬髦?，點(diǎn)燃試樣上端，觀察其燃燒特性，并與規(guī)定的極限值比較其續(xù)燃時(shí)間或損毀長(zhǎng)度。通過(guò)在不同氧濃度中的一系列試樣試驗(yàn)，可以測(cè)得維持燃燒時(shí)氧氣的最低氧濃度值，受試試樣中要有40%～60%超過(guò)規(guī)定的續(xù)燃和陰燃時(shí)間或損毀長(zhǎng)度。

3 設(shè)計(jì)思路

根據(jù)市場(chǎng)現(xiàn)有產(chǎn)品存在的問(wèn)題，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)要求，重新規(guī)劃設(shè)計(jì)思路，通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)氧氣和氮?dú)獾膲毫α髁?，達(dá)到要求的混合氣體氧濃度，同時(shí)配合自動(dòng)點(diǎn)燃裝置，均勻點(diǎn)燃布樣上邊緣，利用操作軟件實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過(guò)程自動(dòng)化。通訊將上位機(jī)的流量設(shè)定值發(fā)送給流量控制器和執(zhí)行器，用模擬量信號(hào)完成對(duì)氧氣、氮?dú)饬髁康脑O(shè)定，同時(shí)將執(zhí)行器的信號(hào)反饋給上位機(jī)進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)算，保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。自動(dòng)點(diǎn)燃裝置應(yīng)用步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，點(diǎn)燃過(guò)程平穩(wěn)準(zhǔn)確。這種調(diào)節(jié)方法完全超越了手動(dòng)調(diào)節(jié)的方式，彌補(bǔ)了手動(dòng)調(diào)節(jié)氧指數(shù)測(cè)定儀的不足，實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)準(zhǔn)確度高、測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、穩(wěn)定性高、調(diào)節(jié)過(guò)程快速，節(jié)省氧氣和氮?dú)庀?，縮短了整體試驗(yàn)的過(guò)程，大大提升了試驗(yàn)工作效率。

4 系統(tǒng)構(gòu)成

全自動(dòng)極限氧指數(shù)測(cè)定儀由氧氣、氮?dú)庹{(diào)節(jié)系統(tǒng)、試樣上端點(diǎn)火自動(dòng)控制系統(tǒng)、PC端操作軟件及運(yùn)算系統(tǒng)和信號(hào)處理系統(tǒng)組成。

4.1 氧氣、氮?dú)庹{(diào)節(jié)系統(tǒng)

采用氣體質(zhì)量流量控制器配合PLC邏輯控制器，實(shí)現(xiàn)氧氣流量、氮?dú)饬髁康娜詣?dòng)控制，流量調(diào)整精度高、速度快、穩(wěn)定性好。氣體質(zhì)量流量控制器集成了流量控制、執(zhí)行和反饋單元，真正的模塊化結(jié)構(gòu)，組態(tài)靈活、功能強(qiáng)大、調(diào)節(jié)精度高、速度快。PLC邏輯控制器具有數(shù)模轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，通過(guò)對(duì)氣體質(zhì)量流量控制器模擬量信號(hào)的控制，具有較高的精度，工作穩(wěn)定性也有很高的提升，同時(shí)還具備RS485通訊端口，可以直接與PC端操作軟件實(shí)現(xiàn)通訊。

質(zhì)量流量控制器的調(diào)節(jié)電壓為0 V～+5 V，對(duì)應(yīng)量程0 L/min～12 L/min，PLC控制器的模擬量輸出-10 V～+10 V，對(duì)應(yīng)控制值-2 000～+2 000。根據(jù)GB/T 5454—1997中附錄B氧濃度與氧氣、氮?dú)饬髁康年P(guān)系，查表可知氧濃度對(duì)應(yīng)的氧氣、氮?dú)饬髁恐?，通過(guò)計(jì)算流量對(duì)應(yīng)的電壓值，電壓值對(duì)應(yīng)的控制值，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)氧濃度的調(diào)節(jié)。例如：所需氧濃度為30.0%，經(jīng)查表對(duì)應(yīng)氧氣流量為3.42 L/min，氮?dú)饬髁繛?.98 L/min, 操作軟件利用通訊將氧氣控制值285和氮?dú)饪刂浦?65發(fā)送至PLC，PLC控制質(zhì)量流量控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)氧濃度的調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)換算機(jī)制：所需氧濃度為30.0%，氧氣調(diào)節(jié)流量3.42 L/min，調(diào)節(jié)電壓1.425 V，控制值285；氮?dú)庹{(diào)節(jié)流量7.98 L/min，調(diào)節(jié)電壓3.325 V，控制值665。

4.2 試樣上端點(diǎn)火自動(dòng)控制系統(tǒng)

實(shí)現(xiàn)試樣上端點(diǎn)火自動(dòng)控制，針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)要求的點(diǎn)火時(shí)間，做到精準(zhǔn)控制，避免人工點(diǎn)火造成的誤差，配合上下運(yùn)動(dòng)裝置和左右運(yùn)動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)試樣上邊沿均勻點(diǎn)燃。在保證點(diǎn)火時(shí)間的同時(shí)，點(diǎn)火器部分能夠?qū)崿F(xiàn)旋轉(zhuǎn)，以便測(cè)量火焰長(zhǎng)度，點(diǎn)火上下運(yùn)動(dòng)過(guò)程平穩(wěn)，該控制系統(tǒng)如圖1所示。

4.3 PC端操作軟件及運(yùn)算系統(tǒng)

使用DELPHI開發(fā)專用PC端操作軟件，軟件界面簡(jiǎn)潔明了，操作功能強(qiáng)大，易上手，以引導(dǎo)試驗(yàn)過(guò)程的思想設(shè)計(jì)。對(duì)氧氣氮?dú)饬髁康挠?jì)算方法科學(xué)合理，保證氧濃度數(shù)值的準(zhǔn)確性。軟件操作界面如圖2所示。

PC端操作軟件使用RS485通訊采集流量信號(hào)，通過(guò)對(duì)采集信號(hào)的運(yùn)算得出實(shí)際的氧濃度數(shù)值，研究開發(fā)一套合理高效的運(yùn)算規(guī)則，直接決定了試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)研究，總結(jié)氣體流量和反饋信號(hào)之間的基本規(guī)律，有效縮小或規(guī)避儀表本身的測(cè)量誤差，通過(guò)合理的算法確定準(zhǔn)確的氧濃度數(shù)值。根據(jù)儀器自動(dòng)化運(yùn)行的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)PLC專用梯形圖程序，PLC梯形圖端口使用見表1。

表1 PLC梯形圖端口使用表

4.4 信號(hào)處理系統(tǒng)

模擬量信號(hào)處理的合理與否直接決定了信號(hào)采集的準(zhǔn)確性。氣體質(zhì)量流量控制器和PLC之間的通訊模擬量信號(hào)為0 V～5 V DC，由于電壓信號(hào)的抗干擾能力較差，所以采用必要、合理的抗干擾措施必不可少。PLC控制應(yīng)用系統(tǒng)中的干擾是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題，因此在系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮各方面的因素，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中分析出干擾產(chǎn)生的原因，從而合理有效地采取抑制干擾措施，使PLC應(yīng)用系統(tǒng)可靠地工作。

信號(hào)濾波是測(cè)量系統(tǒng)不可或缺的環(huán)節(jié)，從傳感器拾取的信號(hào)中，不可避免地混雜有噪聲和干擾，為了保證測(cè)量的正確性，必須采取抗干擾和抑制噪聲的措施，信號(hào)濾波是抑制噪聲的主要方法，在保證有用信號(hào)正常傳遞的情況下，將噪聲對(duì)測(cè)量的影響減小到所允許的范圍。本設(shè)計(jì)采用LC無(wú)源濾波器，特點(diǎn)是損耗小、噪聲低、靈敏度低。

5 設(shè)備的校正

5.1 氣體流速控制的校正

流經(jīng)燃燒筒的氣體流速，可用水封鼓式旋轉(zhuǎn)計(jì)或其他等效裝置進(jìn)行校驗(yàn)。其準(zhǔn)確度±2 mm/s。氣體流速計(jì)算見式(1)。

(1)

式中：

F——流經(jīng)燃燒筒的氣體流速(mm/s)；

Qv——在23 ℃±2 ℃下通過(guò)燃燒筒的氣體總流量(L/s)；

D——燃燒筒內(nèi)徑(mm)。

5.2 氧濃度控制的校正

進(jìn)入燃燒筒的混合氣體中的氧濃度，應(yīng)校準(zhǔn)至混合氣體的0.1%(v/v)。校準(zhǔn)方法可以從燃燒筒中取樣分析，也可以使用校正過(guò)的氧分析儀就地進(jìn)行分析。至少校核3個(gè)不同的濃度，分別代表設(shè)備所需要的氧濃度范圍的最大、最小和中間值。

5.3 整臺(tái)儀器的校正

通過(guò)試驗(yàn)一組已知氧指數(shù)的材料，用所得結(jié)果與預(yù)期結(jié)果相比較。氧指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)有3種。標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)聚丙烯(PP)OI=17.8%，U=1.7%；標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)聚氯乙烯(PVC)膜OI=23.4%，U=2.0%；標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)聚氯乙烯(PVC)條OI=43.6%，U=2.5%[5]。

6 測(cè)試

將試樣裝在試樣夾中間并加以固定，然后將試樣夾連同試樣垂直安插在燃燒玻璃筒內(nèi)的試樣支座上，試樣上端距筒口不少于100 mm，試樣暴露部分最下端離筒底氣體分配裝置頂面不少于100 mm。打開氧氣、氮?dú)忾y門，在操作軟件上選擇需要的氧濃度并點(diǎn)擊調(diào)節(jié)，待氧氣濃度調(diào)節(jié)完畢后，讓氣流沖洗燃燒筒至少30 s。點(diǎn)燃點(diǎn)火器，將點(diǎn)火器管口朝上，調(diào)節(jié)火焰高度至15 mm～20 mm，調(diào)節(jié)完畢后將點(diǎn)火器管口朝下。點(diǎn)擊操作軟件開始按鈕，儀器開始自動(dòng)測(cè)試，測(cè)試完成后通過(guò)續(xù)燃、陰燃時(shí)間和損毀長(zhǎng)度來(lái)標(biāo)記本次試驗(yàn)結(jié)果。

7 應(yīng)用成效

基于PLC程序控制器、氣體質(zhì)量流量控制器、通過(guò)上位機(jī)操作軟件設(shè)計(jì)開發(fā)的全自動(dòng)極限氧指數(shù)測(cè)定儀將大大提高試驗(yàn)工作效率，提高儀器利用率。

(1)使用PLC程序控制器實(shí)現(xiàn)操作過(guò)程全自動(dòng)化，相比傳統(tǒng)人工操作方式，排除了人為操作誤差，提高了測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

(2)使用氣體質(zhì)量流量控制器實(shí)現(xiàn)氧氣、氮?dú)饬髁空{(diào)節(jié)全自動(dòng)化，保證氣體流量準(zhǔn)確，且不受溫度和壓力的影響，調(diào)節(jié)過(guò)程快速，工作效率顯著提高。

(3)使用專用操作員軟件，能夠引導(dǎo)試驗(yàn)人員操作流程，同時(shí)記錄各次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)信息，為檢測(cè)機(jī)構(gòu)提供可追溯性，同時(shí)通過(guò)對(duì)采集數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析，可以為研發(fā)生產(chǎn)企業(yè)提供數(shù)據(jù)支撐。

我國(guó)西部某檢測(cè)機(jī)構(gòu)使用全自動(dòng)極限氧指數(shù)測(cè)定儀與日本SUGA公司生產(chǎn)的ON-1型燃燒性試驗(yàn)儀，測(cè)試芳綸阻燃面料的極限氧指數(shù)，進(jìn)行10次試驗(yàn)，效果對(duì)比見表2。其中，測(cè)定儀指全自動(dòng)極限氧指數(shù)測(cè)定儀。

表2 測(cè)定極限氧指數(shù)試驗(yàn)效果對(duì)比

由表2可以看出，極限氧指數(shù)平均誤差0.1%，平均每次試驗(yàn)時(shí)間節(jié)省2.03 h。該儀器不但保證了試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性，還大大提高了試驗(yàn)工作效率，提升了儀器利用率。

8 結(jié)語(yǔ)

全自動(dòng)極限氧指數(shù)測(cè)定儀的設(shè)計(jì)及其對(duì)阻燃面料極限氧指數(shù)性能的測(cè)試完全符合GB/T 5454—1997標(biāo)準(zhǔn)要求。采用機(jī)電一體化技術(shù)，通過(guò)程序控制，實(shí)現(xiàn)了極限氧指數(shù)測(cè)試過(guò)程的自動(dòng)化，方便適用，性能穩(wěn)定，極大提高了極限氧指數(shù)的測(cè)試效率，也為阻燃面料的阻燃性能測(cè)試提供了可靠的檢測(cè)手段。