施初陽

（杭州華測檢測技術有限公司，浙江 杭州 310018）

單體燃燒測試基于耗氧測量原理，通過測量燃燒前后的煙氣中的氧氣含量來換算樣品的熱釋放量，即建材完全燃燒所消耗的每單位質量的氧氣會釋放幾乎恒定的凈熱量。所以如何準確測量煙氣中氧氣的參數非常關鍵，如下論述了三個影響測量結果的準確性的因素。

1 專用空氣脫水劑

1.1 耗氧測量原理

耗氧技術正在成為一種強大的工具，可用于確定多種防火測試應用中的熱釋放速率，包括房間火測試，耐火性測試，隧道測試以及各種放熱率量熱儀。根據測試的限制，所需的精度，儀器和計算設備的可用性以及是否愿意忍受實驗上的不便，已經考慮了許多儀器選項，每個選項都需要不同的計算程序。

研究表明對于大量有機液體和氣體，完全燃燒所消耗的每單位質量氧氣釋放的凈熱量幾乎恒定。美國Huggett發(fā)現對于有機固體也是如此，并獲得了該常數E 的平均值，即13.1 MJ/kg 氧氣。該值可用于實際應用，準確度極少，誤差在5%以內。該規(guī)則意味著測量燃燒系統中消耗的氧氣就足以確定釋放的凈熱量。這是在燃燒試驗中測量放熱率的耗氧法的基礎。

耗氧技術在火災研究中的首次應用是帕克在ASTM E84 隧道試驗中的應用。在1970 年代末和1980 年代初，耗氧技術在美國國家標準局(NBS，現為美國國家標準與技術研究院，或NIST)得到改進。耗氧量法現在被認為是測量實驗火災放熱率的最準確和最實用的技術，它在世界范圍內廣泛用于小規(guī)模和大規(guī)模應用。

1.2 脫水劑的作用

空氣中含有一定量的水蒸氣，水分子H2O 含有氧元素，在燃燒的測量和計算過程中會影響氧氣濃度的計量，如下公式：

Xa_O2=O2*[1-H/100 * exp{23.2-3816/(T-46)}/p]

Xa_O2中的a，代表環(huán)境空氣，燃燒前的空氣狀態(tài)。

xO2為儀器傳感器直接測量的環(huán)境空氣的氧氣濃度，如20.95%左右。

空氣中含有水蒸氣，影響氧氣濃度的測量和計算，所以通過測量空氣參數來消除水蒸氣的影響。

即，Xa_O2=O2*(1-H2O%）

如下部分代表空氣中水蒸汽的“體積”濃度比例，H2O%：

p 為環(huán)境空氣的大氣壓，如標準大氣壓為101325Pa，要用大氣壓表測量。

H 為相對濕度，如50%，即水蒸氣的相對比例，用溫濕度表測量。

水蒸氣的含量=H/100 * (p 水/p 空)

水的蒸汽壓，參照安托因（Antoine）三參數方程，描述純液體飽和蒸汽壓的方程。

p 水=A-B/(T+C)

大意是水的蒸汽壓同溫度相關聯。

注意這個公式有不同的版本算法和單位，A,B,C 會不同，

當用e 為底數，壓力單位是Pa，溫度單位是K時，

A= 23.2，B= 3816，C= -46

即p 水=exp{23.2-3816/(T-46)}

單體燃燒借助于冷卻器單元和干燥劑以兩個步驟進行脫水，即要去除樣氣中的水蒸氣。由于干燥劑對于精確測量氧氣和二氧化碳的濃度至關重要，因此要特別注意。實際上，當水分蒸氣壓增加時，測得的氧氣濃度降低，從而導致影響測量的氧氣消耗和最終的放熱速率。另外，某些產品（如硅膠）往往會先吸收二氧化碳，然后再釋放回去，這會導致緩慢的響應曲線，可以通過使用無水硫酸鈣等產品來確保測試精度。

如圖1，無水硫酸鈣能夠強力脫水，吸水后由藍色轉變?yōu)榧t色。當測試儀器使用的是普通圓形顆粒硅膠吸水劑時，儀器的精準度就沒有保證了。硅膠吸水劑用途是靜態(tài)的干燥皿吸水，相對較慢，而非動態(tài)的氣流脫水，溫度升高后飽和的硅膠還會釋放二氧化碳，會影響耗氧量的計算。特別是潮濕天氣，空氣中的水分含量高，不充分除濕就會影響測試結果的計算。

圖1

2 燃燒器的熱輸入

2.1 燃燒器的標定

在樣品開始燃燒前，標定傳感器的空氣氧濃度，20.95%。如下標準內的示意圖（圖2）。雖然不同品牌的氧氣傳感器，設置方式不同，有在儀表上手動設置，有在電腦軟件上設置。但要求都一致，將實驗室的空氣人為設置成20.95%的基準。

圖2

測試開始后，輔助燃燒階段，煙道內的煙氣氧氣濃度下降，下降到20.65%左右。如果顯示的氧氣濃度數據在20.65%左右，對應“熱量”的測量基本準確。這個參數，不受樣品的影響，容易檢查儀器基本狀態(tài)是否正常。大致在20.63-20.67%左右波動（圖3）。

圖3

標準規(guī)定丙烷氣體通過砂盒燃燒器并產生(30.7±2.0)kw的熱輸出。在輔助燃燒階段，熱量輸出在30kW 左右波動，示意線段基本平直，（圖3）。上述兩個參數如果在標準范圍內，則儀器狀態(tài)良好，如果超標，則需要維護找原因。如果儀器軟件沒有這些數據，建議協調廠家開放。

2.2 燃燒系統的校準

庚烷校準是SBI 單體燃燒試驗中重要的校準辦法之一，通過庚烷穩(wěn)定的熱值和產煙，從另一個角度驗證SBI 系統的準確性。在庚烷校準試驗中有一些講究和技巧，在這里做個簡單介紹操作步驟：

步驟1：調節(jié)排煙系統體積流速；步驟2：準備好用于安裝鋼盆的支架，并測量擺放位置；步驟3：在鋼盆中加入2kg水，并開始試驗軟件記錄；步驟4：約150s 時開始注入庚烷2840g；步驟5：在約300 秒后開始點火；步驟6：試驗直到火焰熄滅；步驟7：火焰熄滅后300 秒停止記錄，并保存報告。

標準依據準備過程舉例；放置一塊硅酸鈣底板放在托盤下，啟動試驗記錄（300 秒后點燃庚烷），加入庚烷（2840g），庚烷密度比水低，需要好幾瓶。準備點火工具。注意倒入庚烷后需要做一定的保護，庚烷蒸發(fā)較快。記錄時間到達300 秒后點火，特別注意的是庚烷易燃，點火時小心，用長一些的點火器。分析測試數據，最終得到一次庚烷的k值為0.84。

如果燃燒器入射熱通量主要是輻射的，則更容易創(chuàng)建恒定和均勻的暴露條件。為此目的使用多孔氣體面板以及電加熱元件?？梢酝ㄟ^改變加熱器的功率或改變加熱器與試樣之間的距離來調節(jié)輻射熱通量。如果使用第二種方法，則可以創(chuàng)建輻射熱通量水平范圍的實際上限和下限。如果加熱器離試樣太近，對流傳熱會變得很重要。因此，上限對應于必須保持的最小距離，以確保主要是輻射傳熱。下限由入射輻射熱通量的均勻性決定，隨著加熱器和試樣之間距離的增加而下降。確切的限制取決于幾何配置、加熱器的功率以及被認為可接受的入射熱通量分布的不均勻程度。

另一個重要方面是燃燒器在測試期間將輻射熱通量保持在恒定水平的能力。如果加熱器在恒定功率水平下運行，則入射輻射熱通量在測試期間會發(fā)生變化。在測試開始時，插入一個冷樣品。試樣充當散熱器，導致加熱器溫度降低，從而降低入射輻射熱通量。點火后，試樣釋放的熱量導致加熱器溫度和入射輻射熱通量增加。

為了在測試期間保持入射輻射熱通量，因此有必要保持燃燒器的溫度恒定。這對于氣體面板來說非常困難，但對于電加熱元件來說相對簡單。使用氧氣消耗方法，使用氣體面板的另一個缺點是其燃燒產物導致氧氣消耗，通常比樣品燃燒消耗的氧氣大得多。因此，面板流量的微小波動會導致測得的熱釋放率出現顯著誤差。這種“基線”問題可以通過為燃燒器使用單獨的排氣系統來避免。

3 風壓傳感器

3.1 分壓傳感器結構

圓形排氣管中的質量流速是通過橫截面的單點速度測量獲得的。這就需要對管道軸線上的速度進行準確的測量，并且需要了解管道橫截面上的速度分布和密度分布。迄今為止，在耐火測試應用中，探頭因數幾乎始終保持恒定，而忽略了管道上密度不均勻的影響。

速度測量是通過適用于測量火災中雙向流動的類似Pitot 的差壓探頭進行的。雙向探頭設計用于在著火條件下測量流速，在這種情況下，不需要知道流動方向或保持恒定流動方向。例如，安裝在門口中，根據高度的不同，首先會夾帶空氣進入火中，而隨后在測試中，隨著熱煙層的增加和降低，熱的燃燒氣體可能會離開同一門口。該設計已被復制用于HRR 測試應用，因為它具有堅固性，假定的角度和雷諾獨立性，而沒有徹底研究探頭的缺點。然而，對于SBI 應用而言，這些對于俯仰和偏航角變化以及雷諾依賴性的敏感性是不可忽略的。

標準GBT20284-2006[1]中關于風壓的雙向探頭有說明，只要能提高“精度”，就可以替換升級。若能保證流量測量的不確定度相同或更小,可以拆卸排煙管道中180"的彎頭或更換管道中的雙向壓力探頭。如圖4。

圖4

更 新 的 標 準EN13823-2020[2]，將 原來的雙向探頭傳感器改為半球傳感器，Hemispherical probe。如圖5。

圖5

不銹鋼半球殼體直徑D=30mm（D 可小到20mm），壁厚（1±0.5mm）。不銹鋼管直徑3mm（外徑可到5mm，*內徑無指定，不堵塞即可），30°≤β≤45°。

3.2 風壓測量原理

風壓傳感器是測量排煙管內的煙氣壓力，會換算出煙的體積流量，影響煙密度和熱釋放的計算結果。修改是為了提高測量精度。傳感器對應的數學參數kρ 要改為1.24；原來的kρ 為雙向探頭的雷諾校正系數是1.08（圖6）。

圖6

雙向風壓探頭始于航空領域，對風向很敏感，必須嚴格平行于風向，傳感器稍微有角度偏差，就會造成測量的風壓風速煙量偏小。在儀器長期使用中，由于煙管的震動，熱脹等作用，可能造成雙向探頭傳感器的角度有偏移錯位，形成誤差。新升級的半球探頭能減少煙氣流量方向的影響，獲得更高的壓差信號，從而減少不確定度，風壓傳感器的的微小錯位將不會對結果產生明顯影響。

在精確確定質量流量和/或改善抽氣系統（管道直徑，導葉等）方面僅投入了有限的精力?；馂臏y試社區(qū)中只有少數人似乎知道質量流對整體放熱率和煙霧釋放率測量的準確性的影響。證明用于評估電纜的防火性能；以及用于評估鐵路材料的防火性能汽車。尤其是在第二種標準中，人們希望使用可應對高達1 MW 的火災的硬件設計測量低至7 kW的熱釋放速率以及小于1 kW的熱釋放速率變化（風管f=400 毫米；在298 K 時提取速率為1.5m3/s）。在給定情況下，在7 kW級別的耗氧量僅為250 ppm，在測量噪聲中幾乎消失了。

通常，從其他標準（即ISO 9705）到新開發(fā)的標準都有很高的重復性，而無需在這些新情況下重新評估該方法。ISO 9705 是一種全面測試方法，旨在評估室內應用的表面產品對火勢增長的貢獻。就其本身而言，有必要對中小型測試方法進行適當的縮減。除了不適當的縮小比例外，某些物理現象或進行測量的方式可能會增加總體不確定性。

通過所謂的雙向壓力探頭進行速度測量，該探頭基于皮托管靜態(tài)原理。雙向探針最初是設計用于測量與中小型火災相關的（浮力驅動）火災引起的氣流的低速。它已被“復制”為各種國際標準，被認為是測量燃燒氣體質量流量的最新技術。盡管該探頭適合在惡劣的環(huán)境和高溫下工作，但其主要缺點是，它最初高估了測得的速度每度的俯仰角或偏航角大約1%。這可能是由于探頭與氣流的對準不正確或排氣流中的徑向速度分量引起的。

SBI 標準中使用的探頭[3]經過稍微修改的設計對角度的敏感度較低，但與標準雙向探頭相反，雷諾依賴于此。由于燃燒氣體的溫度不斷變化以及所述氣體的變化速度，在大多數火災測試中，與探頭外徑相關的雷諾數將在大約3.103 至3.104 的范圍內變化。進一步的細節(jié)可以在測試標準中查詢到。到目前為止，這些影響已被忽略，導致不確定性區(qū)間的估計值過低。這些發(fā)現的結果進行了進一步的研究，從而得出了一種新的速度壓力探頭設計，該探頭在很寬的范圍內都具有低角度靈敏度和雷諾獨立性。

4 結論

產品的防火技術特性是引發(fā)和火災增長的決定因素。因此，對燃燒性能的測量以及對它們與實際危害的關系的了解對于消防安全至關重要。耗氧原理雖然易懂，但算法涉及的氣體參數很復雜，需要先確保各種氣體傳感器的可靠性，才能獲得“正確”的計算參數。各種機電測量技術也是不斷在進步，盡量利用最新的技術來降低測量不確定度，從而獲得穩(wěn)定的測試結果。