锥形量热仪

一、概述:

1.1 此设备以通过燃烧产物气流中氧气浓度计算出的氧气消耗量以及燃烧产物时热释放速率为设计原理，材料的热释放速率也是材料燃烧性能中最重要的参数，该设备能比较准确地测量材料燃烧过程中的热释放速率，外形美观大方、测试便捷精准，对于预测火灾危害及其阻燃防治处理极为重要。

1.2 可用于所有防火、阻燃材料进行产烟量，质量损失速率，耗O2、CO、CO2以及热释放速率等，在各种预设条件下对材料进行阻燃和燃烧性能测试，也可作为相关性分析的数据导入数学模型预测燃烧行为；

1.3 广泛用于质检单位、科研院校分析材料和检测材料热释放性能。

二、符合标准:

2.1 符合GB/T16172-2007《建筑材料热释放速率试验方法》的试验要求。

2.2 符合ISO 5660-1/2/3/4:2002、ASTM E1354等现行国内外试验标准。

三、主要技术参数：

3.1设备包括试验装置（包含辐射锥、排气系统、釆样装置、变频风机装置等）、校准装置、测量装置、称重装置、 数据采集及标准测试软件组成,具备报警指示灯以及安全警示标识。

3.2 箱体结构：测试与控制箱体由标准网络分析机柜组合而成，分析机柜与实验操作机柜采用可分体式设计，避免风机振动对测试平台的影响。测试平台上半部分安装钢化玻璃观察窗作为防护屏，观察窗底部缕空作为泄压口防止气爆。

3.3 辐射锥：见图2

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图2.辐射锥

3.3.1 辐射锥装置及其控制系统：由耐高温不锈钢锥壳体、耐高温锥形加热管盘、精准测温热电偶、采用连杆式传动与定位机构的无反射屏蔽层，带有安全切断装置的点火装置等部件组成，辐射锥下端配备水平自动移动辐射遮挡板；操作员可以有额外时间在测试开始前进行系统检测。

3.3.2 辐射锥功率：额定功率5000W，由电加热管构成。热辐射温量输出为0-100KW/m2,能在试样表面提供最高达100KW/m2的辐射强度，配有三个热电偶测量温度。电加热管紧紧缠绕成圆锥台形状装配在双层耐热锥合锥套中，内外锥壳内填以公称厚度为13mm，公称密度为100Kg/m3的耐热纤维；辐射强度均匀与中心处的辐射照应，偏差不超过±2%。

3.3.3 辐射照度的测量：

3.3.3.1 辐射照度的测量：采用K型进口不锈钢铠装热电偶测量其温度而设定为对应的辐射度，外径3.0mm的暴露热节点的铠装热电偶；

3.3.3.2 控制方式：采用PID+SSR控制方式，有效地控制了强度的均匀度，保证辐射锥能在预设值内自动调节，设定分辨力及控温精度均为±10℃。

3.3.3.3 热电偶安装位置：3支热电偶对称放置，以非焊接方式与电热管接触；

3.3.3.4 锥形加热器的入射热流强度可根据不同的试验要求进行选择。

3.4 辐射屏蔽层：见图3

图3. 辐射屏蔽层

3.4.1 结构：采用非水冷6mm不锈钢材质制成；

3.4.2 控制方式：采用全自动控制，由电脑程序输出信号，快速插入和移出的方式；

3.5 试样安装装置：由不锈钢试样安装架、定位架、调节支杆、称重装置（样品称量范围 0～6200g；精度：0.01g），隔热材料及保护盒等部件组成，见图4。

3.5.1 试样安装架：为一个方形敞开盘，上端开口为：(106±1）mm×(106±1)mm,深度为（25±1）mm,安装架采用厚度为50（2.4±0.15)mm的不锈钢板。包括一个便于插入和移出的把手，和一个保证试样的中心位置在加热器下方并能与称重设备准确对中的机械装置。安装架的底部放置一层厚度为13mm的低密度（公称厚度65kg/m3）的耐热纤维垫;辐射锥下表面与试样顶部的距离调节为(25±1）mm，对于尺寸不稳定的材料，其与辐射锥下表面的距离为(60±1）mm。

3.5.2 定位架：采用厚度为（1.9±0.1）mm的不锈钢制成的方盒，方盒内边尺寸为（111±1）mm，高度为（54±1）mm；用于试样面的开口为（94.0±0.5）mm×（94.0±0.5）mm。

图4 试样安装装置

3.5.3 称重设备：为G&G称重传感器，通过高精度承重传感器对试品材料的试验过程重量变化时进行测量，分辨率0.01g，见图5。

3.5.3.1 量程：0~3000g

3.5.3.2 精度：0.01g

3.5.3.3 响应时间：<4S

3.5.3.4 输出漂移在内置称重传感器，测试中漂移量低于0.lg；

图5 称重设备

3.6 排烟装置及其控制系统：见图6

3.6.1 组成：由集气罩、风机的进气及 排气管道、排烟风机、孔板流量计及差压式风速测定装置、热电偶烟气测温装置组成，烟温信号给主控程序参于实验结果数据计算，排烟装置位于机柜顶端，不锈钢材质；负责实验室内的烟管排布及安装。

3.6.2 轴流风机：风速可调，在标准温度和压力条件下，能使排气系统的排风量不低于0. 024m7s，精度（g/s）小于0.1。

3.6.3 集烟罩：为一锥形体，集烟口为450mm×450mm,上为一个150mm×150mm的正方体，总高度350mm，集烟罩底部与试样表面的距离为（210±50）mm

3.6.4 孔板流量计：采用高精度数字输出，输出为0-10v电压信号通过I/0板速模块转变，直接由计算机控制其流量。

3.6.5 节流孔板：在集烟罩与进气管之内装有一内径为（57±3）mm的节流孔板，更好地提高了气体的混合度

3.6.6 微压差传感器精度：非线性度为±0.98%FS, 精度：±1%FS，迟滞 0. 1%FS,非重复性 0. 05%FS,量程为 0-500pa；最大线 性压力69Kpa;

3.6.7 热电偶：测量气体温度，安装位置为节流孔板上方100 + 5mm 处。

3.6.8 气体的采集采用环形取样器，装在集烟罩（685±15）mm的风机进气管道内。环形取样器上有12个直径为（2.2±0.1）mm的小孔；以均化气流组分，小孔与气流方向相反，以避免烟尘沉积。

3.6.9 气流温度的测量；由外径为1.5mm的铠装热电漏测量。安装在孔板流量计的上游（100±5）mm处，排气管轴线位置上。

3.6.10 排烟管道：由不锈钢制作，管道直径为114mm，长度约：1500mm，上面装有风机、流量计、传感器等等；

图6 排烟系统

3.7 气体采集与预处理装置：

3.7.1 包含取样泵、烟尘过滤器、除湿冷阱、 水分过滤器等、（一体化预处理系统，包含隔膜泵、除水冷凝器、湿度报 警器、精细过滤器以及蠕动泵装置。）

3.7.2 配分析气体釆集装置；气体采集量为100ml；釆气过程结束自动显示，采气是否完成一目了然。

3.7.3 环形取样器环形取样器安装在排烟管道中并与管道同心，设有均化气流装置；

3.7.4三级过滤，具有耐高温耐酸碱腐蚀及抗氧化功能，一级过滤精度不低于0.45~50um；

3.7.5 滤芯安装采用易装拆结构；二级过滤装置为带排水功能的空气保护过滤器，可靠分离气体中所含固体，过滤精度不低于0.2um-20um；三级过滤装置用于过滤冷却后样气中的水份。过滤筒易于拆装，便于更换过滤介质；

3.7.6 采用真空泵抽取样气，真空泵噪音低，振动小，抽气流量36L/min,最大出口压力7KG；抽气次数采用自动记录的方式；显示方便，复位简单；方便多次的气体分析过程；

3.7.7 配备压缩制冷式冷凝器：露点温度为0~5℃；

3.7.8 配备隔膜泵，流量33 L/min,真空度：700 mmHg，压力:2.5 bar。

3.8 点火电路：采用一个10KV互感器提供能量的火花塞进行外部点火。位于试样表面中心上方（13±2）mm处，对于尺寸不温度的材料其距离为（48±2）mm，见图7。

图7 火花塞

3.9 点火计时器：视值分辨率：0.1s, 计时误差：1s/1h

3.10 热流计系统：见图8

3.10.1 采用进口荷兰hukseflux军工级热电堆式式热流计，辐射接收靶为水冷式，直径为12.5mm，表面覆有耐久的无光泽黑色涂层；热流计：量程为(0~100)KW/ m2，精度为±3%，重复性为±0.5%。

3.10.2 热流计配备便携式水冷却系统，自带循环水及水冷却装置，无须外接冷却水源，于面板可显示水温及水流装况，即时监控冷却状态。

3.11 标定燃烧器及其供气系统：见图9

3.11.1 配备黄铜管等作为标定燃烧器，燃烧器采用纤维填充及滤网装置来扩展可燃气体，燃烧均匀。

3.11.2 标定燃烧器供气系统为调压阀、压力表、MFC等构成，确定能提供稳定气源供燃烧。MFC量程为10L/min,准确度为±1%F.S.,线性±0.5%F.S.,响应时间≤2sec。

3.11.3 标定燃烧器通过弹夹式夹具可悬挂安装在辐射锥下方，要求操作便捷，定位精准。

3.11.4 为了标定整个测试系统的响应，采用一个有方形开孔并且断面也为方形的黄铜管作为标定燃烧器，燃烧器：在园形金属上开有面积为（500±100）mm²的孔，开孔上覆有金属丝网以使燃气扩散，管内充填陶瓷纤维以提高气流的均匀度。

图9 标定燃烧器

3.12 甲烷校准流量控制器：量程为O-201/min,精度不低 于0. 5%,反应灵敏，最低为200毫秒。

3.13 气体分析系统：

① 氧气(O2)分析仪：采用德国（西门子）SIEMENS，顺磁式。

1）测量范围：（0-25）%

2）信号输出：4-20mA；

3）分辨率100×10-6

4）相对湿度：<90%（无凝结）；

5）线性度偏差：W0.5%FS2；

6）零点漂移：≤0.5%/月；

7) 量程漂移: ≤0.5%/月

8) 内部信号处理时间小于1S；

9) 响应时间：3.5秒

10) 重复性：^50 ppm 02；

11) 本机显示:LCD液晶显示屏(带背光)

12) 模拟输出:4～20mA 750Ω

13) 环境温度:5℃～＋45℃；供电:220VAC±10%,50～60Hz。

14) 灵敏度漂移：0.01%6；W 0. 1 vol.%(V周或＜ 1%测量值/周(非累计)。

② 二氧化碳（CO2）分析仪：原产地为德国AGM Sensors非分光红外(NDIR)传感器模块：

1)测量原理:非分光红外NDIR,双波长,单束;

2）测量范围：0-10%；

3)反应时间: ≤6s;

4)精度：满量程±2% FS

5）稳定性：满量程±2% FS ( 12 个月以上)

6）重复精度：＜2%

7)最低检测值: <满量程1%FS

8)线形误差: 1%FS

9)状态/故障控制:双色 LED 显示

10)状态/故障输出: +5V HCMOS on 34-Pin 连接器

11）模拟输出:4～20mA 750Ω

12）环境温度:5℃～＋45℃

13）供电:220VAC±10%,50～60Hz 5000W

14）30min内分析仪的噪声漂移均不超过100 ×10-6

3.14烟密度测量系统:

3.14.1烟密度测量系统位于排燃管上靠近排风负机端，由光源发射装置、校正机构、测温装置等组成，测量过程中由于烟的积尘，光透过率的减小不应超过5%，由激光光源及光电池模组接收装置组成。

3.14.2光源: 光源发射装置为氦氖激光器，能产生光谱波长632.8纳米，随机偏振的红色光源，用于烟雾浓度测试；光源接收端控测器线性度≥99.8%，不稳定度<0.1%；噪音：＜0.5% (30HZ-10MHZ)；

3.14.3 光源通道上设计校正机构，采用测试软件一键式五级自动校准系统，可对光源接收100%及0%进行校正；光元件一侧安装有热电偶测量烟气温度，提供信号给主控程序参于实验结果数据计算。

3.14.4 透镜: 直径50mm和焦距60mm的凸透镜，使得通过排烟管道的平行光束直径为30MM。

3.14.5 光电接收元件：采用日本滨松单晶硅光元件，包含主探测器及辅助探测器，通过接收的光束强度变化来确定烟密度，光强度的测量精度不应低于±5%，线性度大于等于99.8%。

3.14.6 光系统探测器色度标准函数精度不低于±5%，输出线性度在5%以内；

3.14.7 光学烟密度计安装在排烟管道烟气分布均匀的位置，光束能垂直穿过排烟管道，光学烟密度计的安装不影响测速及取样，光学烟密度计的玻璃窗选用石英玻璃。

3.15 控制系统：

3.15.1 计算机控制界面方式：采用电脑+专业软件控制，引导式操作，操作方便安全可靠，所有的繁琐程序和运算都已集成计算机里，反应速度非常快，操作方便，人性化界面，傻瓜式操作。

3.15.2 测试软件采用仪器设备专用开发软件LabeView及数据采集控制卡；控制试验过程中可以实时查看试验数据，可实现自动数据计算、采集和处理、数据保存和输出实验报告和测定结果；具有高智能、引导式菜单操作，简便直观的特点，使试验结果更加准确。

3.15.3 LabeView软件可对各传感器校准，以及系统校准；提供中英文软件操作文件，并提供详细说明，并提供各参数计算公式，并进行技术说明。

3.15.4 数据釆集系统:包含测试软件、可编程控制器，数据釆集模块（外购）、电脑。

3.15.6 工控模块：吸入类型：数字量输岀，数字量输出：集电极开路40V（200毫安最大负载）,12通道，I/O类型：吸入型输出；

3.15.7 工控转换器：自动内部RS-485总线监督；自动数据流控制；最高釆样速率H5.2 kbps；3000 Vdc隔离保护；

3.15.8模拟信号输出模块（V,Ma）：输岀类型：mA,V,隔离电压：3000 Vdc,输出范围：0〜20mA, 4〜20mA, 0〜10V。

3.15.9 内置设备的预标定及工作标定程序，可方便进行称重设备准确性，辐射锥不同辐射照度下的锥体温度，光路的零点校正，分析仪各传感器精度进行标定；

3.15.10 可设置各个传感器校准模式，包括氧气分析仪、二氧化碳分析仪、一氧化碳分析仪、微压差传感器、烟密度测量系统、称重装置、质量流量控制的单点或双点校准，以获得最佳线性；

3.15.11 C参数标定：C-factor log,记录系统c-factor校准 数据两次校准的C系数偏差不超过5%，且校准之后设备运行稳定，保证了测量结果的真实可靠。软件可自动生成C参数日志，便于用户自行査看锥形量热仪历史状态，辨别自己系统的准确性及稳定性。

3.15.12 状态检查界面，可一目了然的获取仪器的各个传感器部件的工作状态；可记录各个传感器的工作数值，包括微压差传感器、烟囱温度、氧气分析仪、二氧化碳分析仪、一氧化碳分析仪；报告模板为EXCELL格式，可显示图形及数值模式。

3.15.13 锥形量热仪能够直接测量材料属性包括热释放速率、着火时间、燃点热量、质量损失速率、烟气释放速率、燃烧的有效热量、毒性气体释放速率、CO2、CO生成量等；试验数据的输出，可保存打印；具有强大的功能，尤其是可以多曲线对比，可以直观比较材料的燃烧特性的差别。

3.15.14 采集系统可收集记录氧气浓度、温度、热释放速率、孔板流量计、热电偶、热烟道气体流速、试样点燃时间和熄灭时间、总耗氧量、质量损失速率、热释放总量、二氧化碳生成量及一氧化碳生成量曲线，所有过程量的曲线和实时数据。可保存打印。

3.15.15点火系统：带有安全切断装置的高压火花发生器，高压自动点火、自动定位，样品在燃烧平台上由点火器点燃，点燃速度迅速，能保证试验结果的准确性。

3.15.16 测试报告：

3.15.16.1 独立的C系数校准报告以及历史数值及曲线：报告信息包含气体分析仪数据、温度数值、压差数值等；

3.15.16.2 测试报告中包含但不限于热释放速率、热释放速率峰值、热失重、有限燃烧热等数据。

3.15.16.3试验报告可实现完整图和缩略图的切换分析。可在线对O2,CO,C02的延时进行独立修订，进而对比测试结果，对实验结果进行深层次分析。

3.16 尾气处理系统：

尾气处理系统由烟气排放及净化装置、集烟罩及排烟管道、气体分析系统等组成。

3.16.1 烟气排放及净化装置：

尾气处理装置初级过滤釆用针刺毡布袋式过滤器，将大颗粒粉尘阻隔收集于布袋内，起到预除尘效果，同时配置活性炭过滤器和HEPA高效过滤器作为二级过滤，对于异味及微小颗粒有很好的净化效果。

3.16.1.1 尾气处理装置性能参数：

1>.电源（V/Hz）:三相 380/50

2>.负压（Pa） : 1800

3>.电气元件：电机：西门子；主要电控：施耐德

4>.噪音（dB/A） : 70±2

5>.电机防护等级：IP54

3.16.1.2 针刺毡布袋式过滤器：

原理：

含尘气体由进气口进入灰斗（没有灰斗的将直接进入袋室），然后经由灰斗进入装有滤袋的过滤室。粉尘附着在滤袋外表面，净化后的气体由滤袋进入上部箱体，再经排风管道，由风机排到大气中去。随着滤袋上灰尘的增厚，除尘器的阻力不断上升，当上升到一定程度时，为了保证除尘器继续工作，需要进行清灰。除尘器滤袋按直线排列，每排滤袋配置一个脉冲阀来控制压缩空气脉冲清灰，脉冲阀的动作是由程序控制器控制的。清灰时，清灰控制器发出指令，使脉冲阀在动作瞬间释放出压力为0.4～0.6Mpa的压缩空气。压缩空气通过喷吹管上正对滤袋的小孔以高速冲入滤袋，在其冲入滤袋内部的同时，又诱生一股数倍于压缩空气的二次气流，于是产生一种瞬时冲击波并沿整个过滤的长度方向向下传播。利用这一机理，使聚积在滤袋外面的粉尘从滤袋上剥落。脉冲的宽度和间隔可以调整，以适合不同粉尘的各种特性。

图1. 布袋式过滤器

特点：

1>.清灰能力强，除尘效率高，排放浓度低，漏风率小，能耗少，钢耗少，占地面积少，运行稳定可靠，经济效益好。适用于燃烧物烟尘气体的净化。

2>.采用了风脉冲喷吹清灰，喷吹一次就可达到清灰的目的，所以清灰周期延长，降低了清灰能耗，压气耗量可大为降低。同时滤筒与脉冲阀的疲劳程度也相应减低，从而成倍地提高滤袋与阀片的寿命。

3>.箱体采用气密性设计，密封性好，检查门用优良的密封材料，制作过程中以煤油检漏，漏风率很低。

4>.进、出口风道布置紧凑，气流阻力小；更换滤筒方便、快捷。

3.16.1.3 活性炭过滤器：

概述：

活性炭是一种很细小的炭粒，有很大的表面积，而且炭粒中还有 更细小的孔一一毛细管.这种毛细管具有很强的吸附能力，由于炭粒的表面积很大，所以能与气体（杂质）充分接触，当这些气体（杂质）碰到毛细管就被吸附，起净化作用。活性炭吸附的实 质是利用活性炭吸附的特性把低浓度大风量废气中的有机溶剂吸附到活性炭中。活性炭吸附法主要用于低浓度气态污染物的脱除。

图2.含尘有机废气/喷漆废气处理活性炭吸附工艺图示

原理：

当废气由风机提供动力，负压进入吸附箱后进入活性炭吸附层, 由于活性炭吸附剂表面上存在着未平衡和未饱和的分子引力或化学键力，因此当活性炭吸附剂的表面与气体接触时，就能吸引气体分子，使其浓聚并保持在活性炭表面，此现象称为吸附。利用活性炭吸附剂表面的吸附能力，使废气与大表面的多孔性活性炭吸附剂相接触，废气中的污染物被吸附在活性炭表面上，使其与气体混合物分离，净化后的气体高空排放。活性炭吸附箱是一种干式废气处理设备，由箱体和填装在箱体内的吸附单元组成。

使用范围：

活性炭吸附箱主要用于大风量低浓度的有机废气处理。 活性炭吸附剂可处理净化多种有机和无机污染物：苯类、酮类、醇类、醜类、烷类及其混合类有机废气、酸性废气、碱性废气;主要用于制药、冶炼、化工、机械、电子、电器、涂装、 制鞋、橡胶、塑料、印刷及环保脱硫、除臭和各种工业生产车间产生的有害废气的净化处理。

性能特点：

1>.吸附效率高，能力强；

2>.能够同时处理多种混合有机废气，净化效率N≥95%；

3>.设备构造紧凑，占地面积小，维护管理简单，运转成本低廉；

4>.采用自动化控制 运转设计，操作简易、安全；

5>.全密闭型，室内外皆可使用。

3.16.1.4 HEPA高效过滤器：

工作原理：

空气中的尘埃粒子随着气流而进行惯性运动或者是无规则的布朗运动，当正在运动中的受到某种力的作用而移动时，粒子会与其他的障碍物相撞，粒子表面的引力会让它粘连在障碍物上。这就是空气尘埃被吸附的过程。在尘埃粒子经过过滤器时，过滤器中的滤纸会对纤维形成无数道屏障，将悬浮物、微生物等粘附到纤维滤材的表面，而过滤之后的洁净空气则顺利的通过。

性能特点：

1>.对≥0.3μm颗粒的过滤效率在99.97%以上；

2>.用电脑控制的全自动折叠机系统进行喷胶折叠，折叠高度范围可在22~96mm之间无级调节；

3>.专用玻璃纤维滤纸作为滤材；

4>.每个滤器经严格检侧；

5>.采用国际标准尺寸规格。

3.16.2 集烟罩及排烟管道：

3.18.2.1 集烟罩为一不锈钢材质的锥形体，集烟口为450mm×450mm,上为一个150mm×150mm的正方体，总高度350mm，集烟罩底部与试样表面的距离为（210±50）mm。

3.16.2.2 排烟管道由不锈钢制作而成，管道直径为114mm，长度约：1500mm，上面装有风机、流量计、传感器等等；排烟管道用于连接实验室仪器及尾气处理装置以及尾气出来装置到室外的排烟管道。确保了设备有良好的通风系统，试验完成后，可将燃烧产物由燃烧室排出到大气中；通风性能根据试验要求进行调节，气流速度应限制在一定的范围内，保证试验结果的准确性。

3.16.2.3 实验室内的烟管排布及安装皆由我公司负责安装。

3.16.3 气体分析系统：

气体分析系统由烟气釆集装置加测试设备组成。

3.16.3.1 烟气釆集装置：

1>.装置的气体采集量为100ml；

2>.操作试验过程中，在屏幕上可一键式控制采集动作，且可根据实验过程情况关闭釆集装置；

2>.测试软件可自动显示釆气过程结束与否，采气是否完成一目了然；

3>.采用真空泵抽取烟气，模块能自动记录抽气次数；在软件中显示方便，复位简单；控制试验过程中可以实时查看与记录试验数据，方便多次的气体分析过程。

3.16.3.2 测试设备加配气体收集装置：

性能参数：

1>.容量：50L；

2>.水蒸气渗透量1.3g/m2.24h.0.1MPa;氧气渗透量2400cc/m2.24h.0.1MPa；

3>.充气压力：充气压力不超过3Kpa。

通过对排气管道中气体的收集，可精确检验燃烧时通气管道中氧的百分含量随时间的变化，进而由即时氧浓度和氧耗量测定出材料的燃烧放热情况。