白振華 管陽春 穆 巖 韓 祥

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

1 研究背景

在實際火災事故中服裝燃燒給人帶來的傷害遠大于明火直接給人體造成的傷害，因此在火災救援、有火危險的作業(yè)中穿著阻燃防護服對保護勞動者至關(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，給人們時間撤離燃燒現(xiàn)場或脫掉燃燒的衣服，減少或避免燒傷、燙傷，達到保護的目的，而極限氧指數(shù)是阻燃面料阻燃性能的重要評價依據(jù)。

目前市場上氧指數(shù)測定儀產(chǎn)品主要有手動調(diào)節(jié)玻璃轉(zhuǎn)子流量計型氧指數(shù)測定儀、手動調(diào)節(jié)數(shù)顯型氧指數(shù)測定儀和自動調(diào)節(jié)氧指數(shù)儀。其中前兩種手動調(diào)節(jié)型氧指數(shù)測定儀存在一些共同缺點。由于人工調(diào)節(jié)都會存在視覺誤差，同時由于流量值變化之間的分辨率只有0.02 L/min，更會加大測試中氧濃度的誤差，導致測試結(jié)果不準確。其次人工調(diào)整速度慢必然導致對氧氣和氮氣的浪費，氧指數(shù)測試過程通常需要15塊試樣，如此整個試驗過程會非常漫長，極大地影響試驗工作的效率。而自動調(diào)節(jié)氧指數(shù)儀雖然實現(xiàn)了自動控制氧氣和氮氣的流量，但也存在一些問題，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)；信號控制和信號檢測部分采用了單片機集成電路結(jié)構(gòu)[1]。這些結(jié)構(gòu)決定了這種自動氧指數(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)定等問題。

我們根據(jù)GB/T 5454—1997《紡織品 燃燒性能試驗 氧指數(shù)法》和FZ/T 50017—2011《滌綸纖維阻燃性能試驗方法氧指數(shù)法》，通過集成創(chuàng)新應用機電一體化技術(shù)，采用PLC程序控制，在上位機操作軟件設(shè)計開發(fā)了極限氧指數(shù)全自動測試儀器，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)在國內(nèi)檢測機構(gòu)使用，性能指標達到標準要求。

2 測試原理

將試樣夾在試樣夾上垂直于燃燒筒內(nèi)，在向上流動的氧氮氣流中，點燃試樣上端，觀察其燃燒特性，并與規(guī)定的極限值比較其續(xù)燃時間或損毀長度。通過在不同氧濃度中的一系列試樣試驗，可以測得維持燃燒時氧氣的最低氧濃度值，受試試樣中要有40%～60%超過規(guī)定的續(xù)燃和陰燃時間或損毀長度。

3 設(shè)計思路

根據(jù)市場現(xiàn)有產(chǎn)品存在的問題，結(jié)合標準要求，重新規(guī)劃設(shè)計思路，通過自動調(diào)節(jié)氧氣和氮氣的壓力流量，達到要求的混合氣體氧濃度，同時配合自動點燃裝置，均勻點燃布樣上邊緣，利用操作軟件實現(xiàn)試驗過程自動化。通訊將上位機的流量設(shè)定值發(fā)送給流量控制器和執(zhí)行器，用模擬量信號完成對氧氣、氮氣流量的設(shè)定，同時將執(zhí)行器的信號反饋給上位機進行優(yōu)化運算，保證了數(shù)據(jù)的準確性。自動點燃裝置應用步進電機實現(xiàn)精準控制，點燃過程平穩(wěn)準確。這種調(diào)節(jié)方法完全超越了手動調(diào)節(jié)的方式，彌補了手動調(diào)節(jié)氧指數(shù)測定儀的不足，實現(xiàn)流量調(diào)節(jié)準確度高、測試結(jié)果數(shù)據(jù)準確、穩(wěn)定性高、調(diào)節(jié)過程快速，節(jié)省氧氣和氮氣消耗，縮短了整體試驗的過程，大大提升了試驗工作效率。

4 系統(tǒng)構(gòu)成

全自動極限氧指數(shù)測定儀由氧氣、氮氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)、試樣上端點火自動控制系統(tǒng)、PC端操作軟件及運算系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)組成。

4.1 氧氣、氮氣調(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，實現(xiàn)氧氣流量、氮氣流量的全自動控制，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，通過對氣體質(zhì)量流量控制器模擬量信號的控制，具有較高的精度，工作穩(wěn)定性也有很高的提升，同時還具備RS485通訊端口，可以直接與PC端操作軟件實現(xiàn)通訊。

質(zhì)量流量控制器的調(diào)節(jié)電壓為0 V～+5 V，對應量程0 L/min～12 L/min，PLC控制器的模擬量輸出-10 V～+10 V，對應控制值-2 000～+2 000。根據(jù)GB/T 5454—1997中附錄B氧濃度與氧氣、氮氣流量的關(guān)系，查表可知氧濃度對應的氧氣、氮氣流量值，通過計算流量對應的電壓值，電壓值對應的控制值，即可實現(xiàn)對氧濃度的調(diào)節(jié)。例如：所需氧濃度為30.0%，經(jīng)查表對應氧氣流量為3.42 L/min，氮氣流量為7.98 L/min, 操作軟件利用通訊將氧氣控制值285和氮氣控制值665發(fā)送至PLC，PLC控制質(zhì)量流量控制器實現(xiàn)對氧濃度的調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)換算機制：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；氮氣調(diào)節(jié)流量7.98 L/min，調(diào)節(jié)電壓3.325 V，控制值665。

4.2 試樣上端點火自動控制系統(tǒng)

實現(xiàn)試樣上端點火自動控制，針對標準要求的點火時間，做到精準控制，避免人工點火造成的誤差，配合上下運動裝置和左右運動裝置實現(xiàn)試樣上邊沿均勻點燃。在保證點火時間的同時，點火器部分能夠?qū)崿F(xiàn)旋轉(zhuǎn)，以便測量火焰長度，點火上下運動過程平穩(wěn)，該控制系統(tǒng)如圖1所示。

4.3 PC端操作軟件及運算系統(tǒng)

使用DELPHI開發(fā)專用PC端操作軟件，軟件界面簡潔明了，操作功能強大，易上手，以引導試驗過程的思想設(shè)計。對氧氣氮氣流量的計算方法科學合理，保證氧濃度數(shù)值的準確性。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，通過對采集信號的運算得出實際的氧濃度數(shù)值，研究開發(fā)一套合理高效的運算規(guī)則，直接決定了試驗結(jié)果的準確性。通過反復試驗研究，總結(jié)氣體流量和反饋信號之間的基本規(guī)律，有效縮小或規(guī)避儀表本身的測量誤差，通過合理的算法確定準確的氧濃度數(shù)值。根據(jù)儀器自動化運行的特點，設(shè)計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 信號處理系統(tǒng)

模擬量信號處理的合理與否直接決定了信號采集的準確性。氣體質(zhì)量流量控制器和PLC之間的通訊模擬量信號為0 V～5 V DC，由于電壓信號的抗干擾能力較差，所以采用必要、合理的抗干擾措施必不可少。PLC控制應用系統(tǒng)中的干擾是一個十分復雜的問題，因此在系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計中應綜合考慮各方面的因素，根據(jù)實際應用中分析出干擾產(chǎn)生的原因，從而合理有效地采取抑制干擾措施，使PLC應用系統(tǒng)可靠地工作。

信號濾波是測量系統(tǒng)不可或缺的環(huán)節(jié)，從傳感器拾取的信號中，不可避免地混雜有噪聲和干擾，為了保證測量的正確性，必須采取抗干擾和抑制噪聲的措施，信號濾波是抑制噪聲的主要方法，在保證有用信號正常傳遞的情況下，將噪聲對測量的影響減小到所允許的范圍。本設(shè)計采用LC無源濾波器，特點是損耗小、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)計或其他等效裝置進行校驗。其準確度±2 mm/s。氣體流速計算見式(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

進入燃燒筒的混合氣體中的氧濃度，應校準至混合氣體的0.1%(v/v)。校準方法可以從燃燒筒中取樣分析，也可以使用校正過的氧分析儀就地進行分析。至少校核3個不同的濃度，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 整臺儀器的校正

通過試驗一組已知氧指數(shù)的材料，用所得結(jié)果與預期結(jié)果相比較。氧指數(shù)標準物質(zhì)有3種。標準物質(zhì)聚丙烯(PP)OI=17.8%，U=1.7%；標準物質(zhì)聚氯乙烯(PVC)膜OI=23.4%，U=2.0%；標準物質(zhì)聚氯乙烯(PVC)條OI=43.6%，U=2.5%[5]。

6 測試

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、氮氣閥門，在操作軟件上選擇需要的氧濃度并點擊調(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。點燃點火器，將點火器管口朝上，調(diào)節(jié)火焰高度至15 mm～20 mm，調(diào)節(jié)完畢后將點火器管口朝下。點擊操作軟件開始按鈕，儀器開始自動測試，測試完成后通過續(xù)燃、陰燃時間和損毀長度來標記本次試驗結(jié)果。

7 應用成效

基于PLC程序控制器、氣體質(zhì)量流量控制器、通過上位機操作軟件設(shè)計開發(fā)的全自動極限氧指數(shù)測定儀將大大提高試驗工作效率，提高儀器利用率。

(1)使用PLC程序控制器實現(xiàn)操作過程全自動化，相比傳統(tǒng)人工操作方式，排除了人為操作誤差，提高了測試數(shù)據(jù)的準確性。

(2)使用氣體質(zhì)量流量控制器實現(xiàn)氧氣、氮氣流量調(diào)節(jié)全自動化，保證氣體流量準確，且不受溫度和壓力的影響，調(diào)節(jié)過程快速，工作效率顯著提高。

(3)使用專用操作員軟件，能夠引導試驗人員操作流程，同時記錄各次試驗的數(shù)據(jù)信息，為檢測機構(gòu)提供可追溯性，同時通過對采集數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和分析，可以為研發(fā)生產(chǎn)企業(yè)提供數(shù)據(jù)支撐。

我國西部某檢測機構(gòu)使用全自動極限氧指數(shù)測定儀與日本SUGA公司生產(chǎn)的ON-1型燃燒性試驗儀，測試芳綸阻燃面料的極限氧指數(shù)，進行10次試驗，效果對比見表2。其中，測定儀指全自動極限氧指數(shù)測定儀。

表2 測定極限氧指數(shù)試驗效果對比

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

8 結(jié)語

全自動極限氧指數(shù)測定儀的設(shè)計及其對阻燃面料極限氧指數(shù)性能的測試完全符合GB/T 5454—1997標準要求。采用機電一體化技術(shù)，通過程序控制，實現(xiàn)了極限氧指數(shù)測試過程的自動化，方便適用，性能穩(wěn)定，極大提高了極限氧指數(shù)的測試效率，也為阻燃面料的阻燃性能測試提供了可靠的檢測手段。