CN101251501A - 火灾应急防护服测试用模拟皮肤传感器及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种特种服装测试用模拟皮肤传感器，特别涉及一种火灾应急防护服装测试用模拟皮肤热流传感器及其测试方法，采用与人体皮肤属性相似的人工玻璃晶体制作皮肤模拟传感器，在皮肤模拟传感器表面开有矩形凹槽，在矩形凹槽里装有一只T型热电偶，热电偶的接线沿法向方向穿过模拟器接入转换器，热电偶的测量端用环氧树脂胶粘于模拟器表面，所述的转换器为PCI－MIO－16E－1数据采集卡(DAQ)，由热电偶采集到的温度模拟信号经PCI－MIO－16E－1数据采集卡(DAQ)转换成标准信号输入计算机，具有满足实验耐热时间长、量程广、热属性与人体皮肤属性相似、达到模拟人体皮肤吸热效果的优点。

Description

火灾应急防护服测试用模拟皮肤传感器及其测试方法

技术领域

本发明涉及一种特种服装测试用模拟皮肤传感器，特别涉及一种火灾应急防护服装测试用模拟皮肤热流传感器及其测试方法。

背景技术

高温环境尤其是强热流环境下，以穿着防护服装的人体皮肤烧伤程度来评价热防护服装的热防护性能。目前，火灾应急防护服测试用的传感器由铜片构成，根据铜片的温度上升曲线并结合Stoll曲线来确定人体皮肤达到二级烧伤所需时间。然而Stoll烧伤准则是Stoll和Chianta两位研究者通过实验确定皮肤在4.2～16.8kW/m²的热暴露环境下皮肤二级烧伤时间，而暴露热流量在此范围之外的二级烧伤时间，则是通过外推法而得，而且，应用Stoll方法首要前提是保证入射到皮肤表面热流量是一个恒定值，任何小的波动变化都会使Stoll准则失效；另外，铜片与人体皮肤的热属性相差甚远，并不能达到模拟人体皮肤吸热的效果。因此必须合理的选择皮肤模拟传感器来准确确定真实人体皮肤表面吸收热流量显得异常重要

常温下所选模拟皮肤实验材料有多种，包括丙纶、微孔聚四氟乙烯薄膜、纯棉布等等，但在高温环境下，由这些材料所做成的模拟皮肤的物理属性会随温度的变化而变化，超高温下会发生焦化，其实验重复性差。目前在热防护织物的小规模及热防护服装的“火人”(Thermo man)测试中，多用铜片热流计作为测量热源发热量及热防护服装织物性能的装置。根据测试的需要，评价热防护性能的热传感器必须满足实验耐热时间长、量程广、热属性与人体皮肤属性相似等特性。

但无论采用何种热流计，满足与体皮肤属性相似的特性是至关重要的，否则所测量得到的热量与实际人体皮肤吸收的热量相差太大，不能真正的达到织物防护性能测量结果。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足而提供一种火灾应急防护服装测试用模拟皮肤热流传感器以及利用皮肤模拟器测试皮肤烧伤度的测试方法。

本发明目的是这样实现的：

一种火灾应急防护服装测试用模拟皮肤热流传感器，其特征在于：采用与人体皮肤属性相似的人工玻璃晶体制作皮肤模拟传感器，在皮肤模拟传感器表面开有矩形凹槽，在矩形凹槽里装有一只T型热电偶，热电偶的接线沿法向方向穿过模拟器接入转换器，热电偶的测量端用环氧树脂胶粘于模拟器表面，所述的转换器为PCI-MIO-16E-1数据采集卡(DAQ)，由热电偶采集到的温度模拟信号经PCI-MIO-16E-1数据采集卡(DAQ)转换成标准信号输入计算机。

所述的人工玻璃晶体为热传导率为1.5W/m·K，使用范围在-270℃～+800℃；从800℃急冷至0℃不破碎，200℃急冷到0℃强度不变化的玻璃类材料。所述的皮肤模拟传感器的直径为40mm，厚度为13.5mm。

一种采用火灾应急防护服装测试用模拟皮肤热流传感器测试应急防护服的方法，其特征在于：按照如下步骤进行：

(1)、由热电偶测量模拟皮肤器表面温度T₁；

(2)、根据模拟皮肤器表面温度T₁，求取入射到皮肤模拟器表面热量q″；

假设皮肤模拟器为半无限体，根据传热逆问题法则，将半无限体的某一受热时间段Δt分成n个时间步长，并用热电偶测量每个步长下半无限体表面的瞬时温度T_j，则皮肤模拟器表面吸收的热流量可用式(1)计算：

$q^{\′\′}\left(t_n\right)=\frac{\sqrt{k{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{sm}}{c}_{\mathrm{sm}}}}{\sqrt{\mathrm{\π\Δt}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{T_j-T_{j-1}}{\sqrt{n+1-j}}---\left(1\right)$

式中，ρ_sm和c_sm分别是皮肤模拟器的密度和比热，

(3)、将入射到模拟皮肤器表面的热量q″值代入到传统Pennes方程或STWM皮肤传热方程式中，计算得到皮肤温度值，其中：

传统Pennes皮肤传热方程：

$\▿(k_{\mathrm{skin}}\▿T)+{\mathrm{\ω}}_b{\mathrm{\ρ}}_b{C}_{p,b}(T_b-T)+q_m+q_r={\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{skin}}{C}_{p,\mathrm{skin}}\frac{\∂T}{\∂t}---\left(2\right)$

式中：ρ_skin、C_p，skin和k_skin——皮肤组织的密度、比热和导热系数；

ρ_b和C_p，b——人体血液的密度和比热；

ω_b——血流灌注率；

q_m和q_r——新陈代谢产热与激光、微波等外来能量被生物组织吸收后表现为容积发热源；

T_b和T——人体动脉和皮肤组织温度。

STWM皮肤传热方程：

根据皮肤生物组织传热特点，考虑了热量在皮肤传递速度有限的热波皮肤模型来预测人体皮肤温度，从而以火灾应急防护织物层下皮肤烧伤级别来评价织物的热性能，即在传统Pennes皮肤传热方程中增加传热滞后时间τ，获得皮肤热波传热(STWM)方程：

$\▿[k_{\mathrm{skin}}\▿T]+[{\mathrm{\ω}}_b{\mathrm{\ρ}}_b{C}_{p,b}(T_b-T)+q_m+q_r+\mathrm{\τ}(-{\mathrm{\ω}}_b{C}_{p,b}\frac{\∂T}{\∂t}+\frac{\∂q_m}{\∂t}+\frac{\∂q_r}{\∂t})]$

$={\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{skin}}{C}_{p,\mathrm{skin}}[\mathrm{\τ}\left(\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂t}^2}\right)+\frac{\∂T}{\∂t}]---\left(3\right)$

(4)、为了预测皮肤烧伤度，将测试分析并计算得到的皮肤基面温度作为输入参数代入到Henriques皮肤烧伤积分模型(4)：

$\frac{d\°\mathrm{\Ω}}{\mathrm{dt}}=\mathrm{Pexp}\left(\frac{-\mathrm{\ΔE}}{\mathrm{RT}}\right)---\left(4\right)$

通过积分得式(5)：

$\mathrm{\Ω}=\underset{0}{\overset{t}{\∫}}\mathrm{Pexp}\left(\frac{-\mathrm{\ΔE}}{\mathrm{RT}}\right)\mathrm{dt}---\left(5\right)$

式中：Ω——皮肤烧伤破坏程度的量化值，无量纲；

R——摩尔气体常数，8.31J/mol·K；

ΔE——皮肤的活化能，J/mol；

P——皮肤组织频率因子，1/sec；

T——皮肤表面80μm处温度，℃；

t——皮肤受热时间，s。

当Ω等于或大于1时，皮肤即达到二级烧伤度；当Ω等于0.53时，皮肤达到一级烧伤度，因此根据以上内容，提出皮肤模拟器测量皮肤温度并以此预测皮肤烧伤度所需时间的流程。

本发明具有满足实验耐热时间长、量程广、热属性与人体皮肤属性相似、达到模拟人体皮肤吸热特性的优点。

附图说明

图1是本发明的模拟皮肤传感器示意图。

图2是运用皮肤模拟器预测皮肤烧伤度流程图。

具体实施方式

如图1、2所示，本发明选择采用与人体皮肤属性相似的人工玻璃晶体制作皮肤模拟传感器，这种物质属玻璃类材料，其热传导率为1.5W/m·K，而且它的热物理性能不随其表面温度改变而改变，这一点与皮肤属性极其相似；在热源的辐射下，它的表面温度上升率与热惯性参数成反比，比实际人体皮肤要小一点。另外，它还是一种耐高温绝缘材料，同时又是能在超高温领域广泛使用的耐腐蚀、绝缘材料。它的使用范围在-270℃～+800℃；由于玻璃陶瓷中的云母晶体具有一定的弹性，能制止微裂纹的延伸，因此它又具有较好的抗热冲击性能，从800℃急冷至0℃不破碎，200℃急冷到0℃强度不变化，可重复进行试验，因此它非常适合于制作高温皮肤模拟器。

皮肤模拟传感器结构示意见图1。模拟皮肤器1表面矩形凹槽2里装有一只T型热电偶3，热电偶3的接线4沿法向方向穿过模拟器接入转换器5，热电偶的测量端用环氧树脂胶粘于模拟器表面，环氧树脂可耐最高温度380℃，适用于制作强热流环境下粘结剂。所述的皮肤模拟传感器的直径为40mm，厚度为13.5mm。

一般情况下，当皮肤表皮层下80μm处的温度达到44℃以上时，皮肤开始烧伤，因此只要确定皮肤受热温度变化，就可以决定皮肤烧伤情况。

假设皮肤模拟器为半无限体，根据Diller法则，将半无限体的某一受热时间段Δt分成n个时间步长，并用热电偶测量每个步长下半无限体表面的瞬时温度T_j，则皮肤表面吸收的热流量可用式(1)计算：

$q^{\′\′}\left(t_n\right)=\frac{\sqrt{k{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{sm}}{c}_{\mathrm{sm}}}}{\sqrt{\mathrm{\π\Δt}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{T_j-T_{j-1}}{\sqrt{n+1-j}}---\left(1\right)$

式中，ρ_sm和c_sm分别是皮肤模拟器的密度和比热。

获得入射到皮肤模拟器表面净热流量q″值，从而将q″值代入到皮肤传热方程式中，计算得到皮肤温度值。Diller将半无限体的某一受热时间段Δt分成n个时间步长，并用热电偶测量每个步长下半无限体表面的瞬时温度Tj。

为了预测皮肤烧伤度，将测试分析并计算得到的基面温度作为输入参数代入到Henriques皮肤烧伤积分模型(2)：

$\frac{\mathrm{d\Ω}}{\mathrm{dt}}=\mathrm{Pexp}\left(\frac{-\mathrm{\ΔE}}{\mathrm{RT}}\right)---\left(2\right)$

通过积分得式(3)：

$\mathrm{\Ω}=\underset{0}{\overset{t}{\∫}}\mathrm{Pexp}\left(\frac{-\mathrm{\ΔE}}{\mathrm{RT}}\right)\mathrm{dt}---\left(3\right)$

式中式中：Ω——皮肤烧伤破坏程度的量化值，无量纲；

R——摩尔气体常数，8.31J/mol·K；

ΔE——皮肤的活化能，J/mol；

P——皮肤组织频率因子，1/sec；

T——皮肤表面80μm处温度，℃；

t——皮肤受热时间，s。

当Ω等于或大于1时，皮肤即达到二级烧伤度；当Ω等于0.53时，皮肤达到一级烧伤度。

因此根据以上内容，提出皮肤模拟器测量皮肤温度并以此预测皮肤烧伤度所需时间的流程，见图2。

为评价火灾应急救援防护服用织物热防护性能，即量化在一定热流量下织物隔热防护性能，必须测量出放置于织物背后的皮肤模拟器达到一级(二级)烧伤所需的时间。本实施例中织物取本质芳纶阻燃织物密度为463.5kg/m³，厚度为0.543mm，其具体实施例如下：

实施例1

入射到皮肤模拟器表面的辐射热流量为21kW/m²，将皮肤模拟器测得的热量值代入到Pennes皮肤传热方程，采用Henriques皮肤烧伤模型预测皮肤达到二级烧伤度所需要的时间为8.6秒。

实施例2

入射到皮肤模拟器表面的辐射热流量为21kW/m²，将皮肤模拟器测得的热量值代入到STWM皮肤生物传热方程，采用Henriques皮肤烧伤模型预测皮肤达到二级烧伤度所需要的时间为14.3秒。STWM方程考虑了皮肤这类生物组织传热滞后的特点，即在传统Pennes传热方程中考虑进去了一个热松弛时间。

实施例3

入射到皮肤模拟器表面的辐射热流量为21kW/m²，将皮肤模拟器测得的热量值代入到Pennes皮肤传热方程，采用Henriques皮肤烧伤模型预测皮肤达到一级烧伤度所需要的时间为6.5秒。

实施例4

入射到皮肤模拟器表面的辐射热流量为42kW/m²，将皮肤模拟器测得的热量值代入到STWM皮肤传热方程，采用Henriques皮肤烧伤模型预测皮肤达到二级烧伤所需要的时间为9.7秒。

Claims (4)

1、一种火灾应急防护服装测试用模拟皮肤热流传感器，其特征在于：采用与人体皮肤属性相似的人工玻璃晶体制作皮肤模拟传感器(1)，在皮肤模拟传感器(1)表面开有矩形凹槽(2)，在矩形凹槽(2)里装有一只T型热电偶(3)，热电偶(3)的接线(4)沿法向方向穿过模拟器接入转换器(5)，热电偶的测量端用环氧树脂胶粘于模拟器表面，所述的转换器(5)为PCI-MIO-16E-1数据采集卡(DAQ)，由热电偶采集到的温度模拟信号经PCI-MIO-16E-1数据采集卡(DAQ)转换成标准信号输入计算机。

2、根据权利要求1所述的火灾应急防护服装测试用模拟皮肤热流传感器，其特征在于：所述的人工玻璃晶体为热传导率为1.5W/m·K，使用范围在-270℃～+800℃；从800℃急冷至0℃不破碎，200℃急冷到0℃强度不变化的玻璃类材料。

3、根据权利要求1所述的火灾应急防护服装测试用模拟皮肤热流传感器，其特征在于：所述的皮肤模拟传感器(1)的直径为40mm，厚度为13.5mm。

4、一种采用权利要求1所述的火灾应急防护服装测试用模拟皮肤热流传感器测试应急防护服的方法，其特征在于：按照如下步骤进行：

(1)、依热电偶测量模拟皮肤器表面温度T₁；

(2)、根据模拟皮肤器表面温度T₁，求取入射到皮肤模拟器表面热量q″；

假设皮肤模拟器为半无限体，根据传热逆问题法则，将半无限体的某一受热时间段Δt分成n个时间步长，并用热电偶测量每个步长下半无限体表面的瞬时温度T_j，则皮肤模拟器表面吸收的热流量可用式(1)计算：

$q^{\′\′}\left(t_n\right)=\frac{\sqrt{k{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{sm}}{c}_{\mathrm{sm}}}}{\sqrt{\mathrm{\π\Δt}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{T_j-T_{j-1}}{\sqrt{n+1-j}}---\left(1\right)$

式中，ρ_sm和c_sm分别是皮肤模拟器的密度和比热，

(3)、将入射到模拟皮肤器表面的热量q″值代入到传统Pennes或STWM皮肤传热方程式中，计算得到皮肤温度值，其中：

传统Pennes皮肤传热方程：

$\▿(k_{\mathrm{skin}}\▿T)+{\mathrm{\ω}}_b{\mathrm{\ρ}}_b{C}_{p,b}(T_b-T)+q_m+q_r={\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{skin}}{C}_{p,\mathrm{skin}}\frac{\∂T}{\∂t}---\left(2\right)$

式中：ρ_skin、C_p，skin和k_skin——皮肤组织的密度、比热和导热系数；

ρ_b和C_p，b——人体血液的密度和比热；

ω_b——血流灌注率；

q_m和q_r——新陈代谢产热与激光、微波等外来能量被生物组织吸收后表现为容积发热源；

T_b和T——人体动脉和皮肤组织温度，

本发明根据皮肤生物组织传热特点，考虑了热量在皮肤传递速度有限的热波皮肤模型来测量皮肤的烧伤度，从而以此热防护服用织物层下皮肤烧伤级别来评价织物的热性能，即在传统Pennes皮肤传热方程中增加传热滞后时间τ，获得皮肤热波传热(STWM)方程：

$\▿[k_{\mathrm{skin}}\▿T]+[{\mathrm{\ω}}_b{\mathrm{\ρ}}_b{C}_{p,b}(T_b-T)+q_m+q_r+\mathrm{\τ}(-{\mathrm{\ω}}_b{C}_{p,b}\frac{\∂T}{\∂t}+\frac{\∂q_m}{\∂t}+\frac{\∂q_r}{\∂t})]$

$={\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{skin}}{C}_{p,\mathrm{skin}}[\mathrm{\τ}\left(\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂t}^2}\right)+\frac{\∂T}{\∂t}]---\left(3\right)$

(4)、为了预测皮肤烧伤度，将测试分析并计算得到的基面温度作为输入参数代入到Henriques皮肤烧伤积分模型(4)：

$\frac{\mathrm{d\Ω}}{\mathrm{dt}}=\mathrm{Pexp}\left(\frac{-\mathrm{\ΔE}}{\mathrm{RT}}\right)---\left(4\right)$

通过积分得式(5)：

$\mathrm{\Ω}=\underset{0}{\overset{t}{\∫}}\mathrm{Pexp}\left(\frac{-\mathrm{\ΔE}}{\mathrm{RT}}\right)\mathrm{dt}---\left(5\right)$

式中：Ω——皮肤烧伤破坏程度的量化值，无量纲；

R——摩尔气体常数，8.31J/mol·K；

ΔE——皮肤的活化能，J/mol；

P——皮肤组织频率因子，1/sec；

T——皮肤表面80μm处温度，℃；

t——皮肤受热时间，s。

当Ω等于或大于1时，皮肤即达到二级烧伤度；当Ω等于0.53时，皮肤达到一级烧伤度，因此根据以上内容，提出皮肤模拟器测量皮肤温度并以此预测皮肤烧伤度所需时间的流程。

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