一、錐形量熱儀簡介：&sp;
錐形量熱儀(Cone Calorimeter,簡稱CONE)是美國標準與技術研究院 (National Institute of Standards and Technology,簡稱NIST,原美國標準局, National Bureau of Standards,簡稱S) 的V. Babrauskas等人于1982年研制的, 是基于耗氧原理的材料燃燒性能測試儀器。經過20多年的不斷改進和完善,錐形量熱儀已經成為研究材料燃燒性能重要的試驗儀器之一。
目前,表征材料燃燒性能的試驗方法較多,如氧指數(LOI) 法、UL 標準中的水平燃燒、垂直燃燒法及S 煙箱法等。它們多是傳統的小型試驗方法,試驗操作環境與真實火災相差較大,試驗獲得的數據也只能用于試驗條件下材料間燃燒性能的相對比較,不能作為評價材料在真實火災中行為的依據，錐形量熱儀法由于具有參數測定值受外界因素影響小,與大型實驗結果相關性好等優點被應用于很多領域的研究。
錐形量熱儀是以氧消耗原理為基礎的，新一代聚合物材料燃燒性能測定儀,采用耗氧量原理測量材料的熱釋放速率。所謂耗氧量原理就是：材料燃燒時消耗每一單位的氧氣所釋放的熱量基本是相同的。Hugget在1980年發表的文章指出建筑業和商業中普遍使用的大多數塑料和其他固體材料都遵循這個規律，并測出這個值為13.1MJ/kg±5%。在實驗中將燃燒產生的煙氣都收集起來并在排氣管中經過充分混合后，的測出其質量流量和組分，同時將O2的濃度測出來，通過計算可得到燃燒過程中消耗的氧氣質量，運用氧消耗原理，即可得到材料燃燒過程中的熱釋放速率，同時還能給出其它許多參數。
二、錐形量熱儀可獲取的試驗參數：
由錐形量熱儀獲得的可燃材料在火災中的燃燒參數有多種,包括釋熱速率(HRR) 、總釋放熱( THR) 、燃燒熱(EHC) 、點燃時間( TTI) 、煙及毒性參數和質量變化參數(MLR) 等。
1.1、熱釋放速率(Heat Relea se Rate ,簡稱HRR)
HRR 是指在預置的入射熱流強度下,材料被點燃后,單位面積的熱量釋放速率,HRR 是表征火災強度的重要性能參數,單位為kW/m2 ; HRR 的值為熱釋放速率峰值( Peak of HHR ,簡稱pkHRR) ,pkHRR 的大小表征了材料燃燒時的熱釋放程度。HRR 和pkHHR 越大,財材料的燒燒放熱量越大,形成的火災危害性就越大。
1.2、總釋放熱(Total Heat Relea se ,簡稱THR)
THR 是指在預置的入射熱流強度下,材料從點燃到火焰熄滅為止所釋放熱量的總和單位為MJ /m2 。將HRR 與THR 結合起來,可以更好地評價材料的燃燒性和阻燃性,對火災研究具有更為客觀、的指導作用。
1.3、質量損失速率(Ma s s Lo s s Rate ,簡稱MLR)
MLR 是指燃燒樣品在燃燒過程中質量間的變化率,它反應了材料在火強度下的熱裂解、揮發及燃燒程度。
1.4、煙生成速率( Smoke Produce Rate ,簡稱SPR)
單位為m2/ S ,即SPR =SEA/MLR式中SEA 為比消光面積(Specific Extinion Area) ,SEA表示揮發單位質量的材料所產生的煙,它不直接表示生煙量的大小,只是計算生煙量的一個轉換因子SPR 被定義為比消光面積與質量損失速率之比。
1.5、燃燒熱( Effeive Heat Combustion ,簡稱EHC)
EHC 表示在某時刻t 時,所測得熱釋放速率與質量損失速率之比,它反應了揮發性氣體在氣相火焰中的燃燒程度,對分析阻燃機理很有幫助。
1.6、點燃時間(Time to Ignition ,簡稱TTI)
TTI 是評價材料耐火性能的一個重要參數(單位:S) ,它是指在預置的入射熱流強度下,從材料表面受熱到表面持續出現燃燒時所用的時間。TTI 可用來評估和比較材料的耐火性能。
1.7、 毒性測定
材料燃燒時放出多種氣體,其中含有CO ,HCN ,SO2 ,HCl ,H2S 等毒性氣體,毒性氣體對人體具有大的危害作用,其成分及百分含量可通過錐形量熱儀中的附加設備收集分析。
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三、錐形量熱儀的構造：
錐形量熱儀主要由燃燒室、載重臺、氧分析儀、煙測量系統、通風裝置及有關輔助設備等六部分組成。
1.1、燃燒室
截斷錐形加熱器、點火器、控制電路、擋風罩等構成了燃燒室。入射熱流強度可根據不同的試驗要求適當選擇; 樣品放在燃燒平臺上由點火器點燃,燃燒產物由通風系統排走。
1.2 氧分析儀
氧分析儀是CONE 的部分,它是一種高的氣體分析儀,由氧分析儀可檢驗燃燒時通氣管道中氧的的百分含量間的變化,進而由即時氧氣濃度和氧耗原理測定出材料的燃燒放熱情況。
1.3 載重臺
載重臺是測定樣品質量變化的裝置,它可以準確記錄樣品在燃燒過程中的質量變化情況。燃燒時,樣品放置于載重臺的支架上。
1.4 煙測量系統
在靠近燃燒室的通風管道中設有氦氖激光發射器、復雜的偽雙電子束測量裝置和熱電偶等裝置,以此可測定煙管道中煙的比消光面積(SEA) 。
1.5 通風系統
通風系統是指樣品燃燒后,將燃燒產物由燃燒室排出到大氣中的裝置。通風裝置的通風性能要根據試驗要求進行調節,氣體流速應限制在范圍之內,否則將影響試驗結果。
1.6 其它改進設備
根據不同需要,也可以添加其它分析裝置,如進行燃燒產物成分分析時,可增加紅外光譜分析裝置;若測量樣品中溫度分布,須進行相應的熱電偶或紅外攝像裝置改造。
1.7 輔助設備
輔助設備中含有微機處理器、入射熱流強度測量儀、除去CO2 及H2O(氣) 的相應裝置等。
四、錐形量熱儀配置清單：
1. 錐形量熱儀采用集成化設計，配備19寸分析柜以及17寸觸摸屏工業電腦控制，設計結構更加合理以及簡約；
2. 自動點火方式，便于記錄點燃時間，同時測試時屏蔽罩可自動打開，配合10KV電火花點火自動點火，引燃揮發出的可燃性氣體；
3. 0.63mw氦氖激光系統1套，硅光二管接收方式，采用自動校準模式，可軟件完成0%及100%的自動校準模式；
4. 可移動式鋼化玻璃觀測窗1套，便于用戶觀察測試，同時可保護測試人員；
5. 德國西門子O6E氧氣分析儀1臺，量程為0-25%，的響應速度，T90響應時間為1.5s；
6. 德國西門子U23非色散紅外分析儀1臺，CO2分析儀量程為0-10%，CO分析儀量程為0-1%；
7. 采用研華數據采集模塊，采集及分析數據更為準確；
8. 美國AALBORG質量流量控制器裝置，可數值化監控氣體流量，便于設定5KW的甲烷燃燒熱值，便于C-FAOR數據的獲取；
9. 配備美國MEDTHERM 水冷熱流計1個，提供自循環冷卻水源1套，用戶無需外接水源；
10. 煙氣處理系統1套，配備過濾系統，以及冷井裝置1套，可為氣體分析儀提供良好的預處理環境；
11. 2000g稱重傳感器，0.1g，用于測量材料的熱失重性能；
12. 配備不銹鋼試樣夾5個，已經限制性框架裝置，適用于不同的材料樣品；
13. 甲烷校準燃燒器1個，用于C-系數的獲取；
14. 5000W加熱錐1個，PID溫度控制模式，溫度控制可達1度；
15. 微壓差傳感器1個，可配合節流孔板檢測管道內風速；
16. 不銹鋼吸風罩及排煙管路，配備煙氣熱電偶檢測裝置；
17. 配備離心風機裝置，可抽取試驗燃燒煙霧，并排至室外；
18. 配備標準軟件測試系統，可提供中英文操作界面。
五、錐形量熱儀合的標準：
ASTM E 1354 、ASTM E 1740 、ASTM E 1550、ASTM D 5485 、ASTM D 6113、ISO 5660 Parts 1 and 2 、NFPA 271、NFPA 264 、CAN ULC 135 、BS 476 Part 15、GB/T 16172等測試標準
六、錐形量熱儀標準技術參數：
1、錐形量熱儀采用分柜式設計方式，分析柜可移動，既可應用于錐形量熱儀測試使用，也可連接大型熱釋放速率測試系統，合ISO 5660、ASTM E1354、GB/T 16172 等現行國內外測試標準。
2、集成測試機體和19英寸分析柜，內嵌PC型17英寸觸摸屏電腦，用于整個控制和測試過程。
3、錐形加熱器額定功率5000W，熱輸出量0～100 kW/m2，采用PID溫度控制器控制，同時輻射錐可水平或垂直放置；
4、暴露試樣表面的中心部位50X50mm的范圍內，于中心處輻照偏差不過±2%；
5、樣品盒可放置100mm x 100mm x 50mm的樣品；
6、樣品稱量范圍 0～2000g；：0.1g；
7、點火系統帶有切斷裝置的高壓火花發生器，自動定位；
8、氧氣分析 順磁性氧氣分析器，濃度范圍0～25％，氧分析儀應呈線性響應，在30m in內漂移不得大于士50x10-6OO2，T90時間小于3秒
9、非色散CO和CO2分析器 CO：0～1％；CO2：0～10％；
10、煙密度分析使用激光系統測量煙霧密度，系統由光電二管、0.5mW氦氖激光器、主圖形檢波器和輔助圖形檢波器組成
11、排氣系統由風機、集煙罩、風機的進氣與排氣管道及孔板流量計等所組成。排煙風機流量0～50g/s可調，0.1g/s；
12、環形取樣器應裝在距集煙罩685 mm處的進氣管道內,取樣器上應有12個小孔以均化氣流組份，小孔與氣流方向相反以避免煙灰沉積；
13、排氣流量應通過測量風機上方350 mm處的銳緣孔板兩側的壓差來確定，銳緣孔板的內徑為57mm±1mm；
14、氣流的溫度應由直徑為1.0mm-1.6 mm封閉節點的愷裝熱電偶或直徑為3mm的暴露節點的愷裝熱電偶來測量，熱電偶應安裝于測流孔板上方100 mm處；
15、氣體取樣系統包括環形取樣器、取樣泵、過濾器、冷阱、廢水排泄、水分過濾器和co2過濾器；
16、冷阱: 0~5度，隔膜泵，流量率:33 l/min，真空度: 700 ㎜Hg，壓力: 2.5 bar；
17、控溫儀應能在0-1000℃的范圍內自動調節、控制溫度，設定分辨力及控溫均為士2度，且應帶有熱電偶的自動冷端補償器。
18、應選用卡登型箔式(或熱電堆式)熱流計，設計量程0^100k W/m',輻射接收靶的直徑為12.5 mm，表面覆有耐久的無光澤黑色涂層。輻射接收靶為水冷式。熱流計的準確度為士3% ，重復性為士0.5%，附帶可追溯至NIST的校準一份。
19、原廠配備便攜式水冷卻系統，當使用熱流計時，用戶無需外接自來水源和配備水管。
20、為了標定整個測試系統的響應，采用一個有方形開孔并且斷面也為方形的黃銅管作為標定燃燒器
21、數據采集系統應能記錄氧分析儀、孔板流量計、熱電偶等儀器的輸出。
22、配備軟件操作系統，測試結果包含：熱釋放速率、煙道氣體流速、C系數、試樣點燃時間和熄滅時間、總耗氧量、總發煙量、質量損失速率、熱釋放總量、燃燒熱、二氧化碳生成量及一氧化碳生成量。
七、錐形量熱儀的 C-系數標定
通常在測試前，需要獲得合理并具有重現性的C系數數值。
、前后兩次C系數的標定，偏差小于5%，第二，C系數的數值位于0.035 至 0.045 中間，為，其中又以0.04 為優。
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