一种新型热防护性能测试装置的研制

摘 要：文章介绍一种新型热防护性能测试装置，该系统通过PLC控制，可靠性高，友好Windows界面便于用户使用，完全的自动化测试过程，且自动生成试验报告，提高工作效率，完全符合国家新标准，填补国内空白。

关键词：热防护性能；暴漏热通量；对流热源；辐射热源

1 概述

某些特殊行业（如炼钢）从业人员在作业场所或应急救援（如救火）工作中可能接触高温、高热环境，从而对人体造成烧伤或烫伤。为了减少或隔绝此类伤害，相关人员应穿着具有热防护性能（TPP Thermal Protective Performance）的热防护服装，同时佩带其它必需的个体防护装备。

热防护性能，是指透过织物引起人体二度烧伤的热能值，单位为千瓦秒每平方米（kW·s/m2）。热防护性能的值越高，织物的热防护性能越强，避免人体被烧伤或烫伤的效果越好。

为了达到上述要求，热防护服装的生产企业有义务对所生产热防护服装产品行检测，相关职能部门有责任对各生产企业进行监督，同时热防护服装使用者有责任自行评估并选择合适的热防护服装。

热防护性能测试很早就在国际标准中出现，例如美国防火协会标准NFPA 1971《建筑灭火中消防员的全套装束标准》、BS EN 367-1993《防护服.耐热和耐火防护 火焰旁热传递的测定方法》等，直到2002年，在我国公共安全行业标准GA10-2002《消防员灭火防护服》中首次提出了热防护性能的测试方法和要求，但标准中提到的测试方法中并没有明确热源的种类。直到2009年4月1日，GB8965-2009《防护服装 阻燃服装》的发布，才真正明确了织物的热防护性能测试要求和方法。

由于美国杜邦公司、CSI公司及NPFA、ASTM等国际机构对热防护性能测试装置的研究起步较早，在仪器市场上优势明显，但其仪器的售价非常昂贵，约50万人民币；目前国内市场上只见到针对“抗辐射热渗透性能”的测试仪器，热源仅为辐射热，与新标准中规定的双热源不符，而且数据的采集和处理上有很大不同，不能够满足热防护性能的测试要求。标准颁布了却没有相应的检测仪器配套，国内尚属空白。在这种背景下开发与标准配套的仪器成了国内市场的必然要求。

2 系统实现

热防护性能测试装置由以下几部分组成：数据测量系统、试样控制系统、防护系统、热源系统、PLC和上位机（软件）。几大系统之间通过管线连接实现相互通讯或相互作用，完成自动化控制。整个装置的原理图如图1所示。

2.1 数据测量系统

数据测量系统由铜热量计和风冷系统两部分组成。（1）铜热量计。铜热量计由K型热电偶、铜板、隔热材料和防护罩等组成。利用热电偶的热电效应，将采集到热信号转化电信号，传递给数显表，数显表利用标定好的数值显示出当前温度，并传递给PLC。（2）风冷系统。由于铜热量计内部有隔热材料，造成测试一段时间后铜热量计降温困难，因此增加风冷系统，当温度高于设定温度后，将铜热量计置于风冷系统上，触动点动开关，开启冷却功能，当温度降到设定温度后，PLC控制电磁阀1关闭，停止冷却。

2.2 试样控制系统

试样控制系统由气缸和试样支架等组成。PLC在接收传感器1和上位机的信号后，控制气缸1转入或者转出，从而控制试样支架带动试样进入或者退出热源，完成面料的测试过程。其中试样支架根据试样与铜热量计放置位置的不同分为两种，用直接接触来模拟热防护服装与身体接触穿着的情况，用间隔6.5mm来模拟热防护服装与身体存在一定空间的情况。

2.3 防护系统

防护系统是由气缸、防护栅和流量开关等组成。防护栅主要是由冷却铜管缠绕成栅格状，外部包覆不锈钢防护罩，冷却水流经流量开关，然后通过冷却铜管，起到冷却作用，同时防护测试试样和操作者的安全，防止烫伤。当冷却水意外停止或操作者忘记打开时，流量开关会给PLC信号，PLC切断装置的电力供应，禁止设备的任何操作。防护栅由气缸带动进入或退出热源系统，起到防护测试试样和操作者安全的作用，而气缸又由PLC协同传感器1和上位机信号控制。

2.4 热源系统

热源系统是由对流热源和辐射热源组成。（1）对流热源。对流热源的气源是丙烷气体，由电磁阀2控制通或断，经过流量调节阀，流向φ40双本生灯。电子脉冲点火器负责点燃流出本生灯的丙烷气体，如果5秒钟不能点燃本生灯，电子脉冲点火器会给PLC信号，切断丙烷气供应，同时如果测试过程中本生灯熄灭，电子脉冲点火器也会给PLC信号，切断丙烷气供应，保证操作者的安全。（2）辐射热源。辐射热源的核心是9根T-150型红外石英灯管，每根灯管的功率是500瓦，且单面反射光。调压器控制9根石英灯管的输入电压，从而实现不同辐射热能的输出，满足标准的测试要求。

2.5 PLC

本装置的核心控制元件是PLC，具有可靠性高、抗干扰能力强，配套齐全、功能完善、适用性强、易学易用、系统的设计与建造工作量小、维护方便、容易改造、体积小、质量轻、能耗低等优点。因此选用台达DVP14SS2型PLC控制，而非传统的单片机控制。PLC接收各信号源及上位机信号，控制各执行元件，如气缸、电磁阀等，实现各系统协同工作，完成整个测试过程。

2.6 上位机（软件）

由于T值是通过绘制测试曲线和人体二级烧伤曲线相交取得的，所以采用Windows 界面和功能强大的Delphi可视化编程方法开发热防护性能测试装置专用软件，实现计算机实时采集数据，并进行数据分析判断，通过RS485转USB与PLC通信，控制数据测量系统、试样控制系统、防护系统、热源系统等执行部件，实现整个测试过程自动完成，并由计算机实时显示出当前热量值与时间曲线且与人体二度烧伤曲线比较，最终计算出测试面料热防护系数值。

3 结论与展望

本测试系装置之测试过程完全实现了自动化，可自动生成试验报告，大大降低了实验者的工作量，提高了工作效率。它填补了国内空白，相对于进口测试装置而言价格大大降低，通过与国外测试设备数据对比，数据无明显差异。

仪器可以广泛应用于科研、试验室、质量监督检验机构、纺织生产企业、防护服装生产企业、贸易机构和安全防护管理部门等，满足对面料热防护性能测试的需要。可以为热防护纺织品的开发、生产过程中的质量控制以及为纺织贸易和防护服使用中热防护性能的监测提供科学可靠的数据。

参考文献

[1]GB 8965.1-2009.防护服装 阻燃防护 第1部分 阻燃服[S].

[2]NFPA 2112-2001.工业人员防火服装标准[S].

[3]成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2002.