CN102621184A - 消防服热防护性能检测用热流仪及其测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种消防服热防护性能检测用热流仪，包括人工玻璃晶体制作的皮肤模拟器，在皮肤模拟器表面开设凹槽，在凹槽里装有热电偶，热电偶的接线沿皮肤模拟器圆周方向穿过皮肤模拟器接入转换器，热电偶的测量端粘结于皮肤模拟器表面。本发明所采用的皮肤模拟器采用人工玻璃晶体制作，这种材质与人体皮肤属性相似，适合于制作高温皮肤模拟器、其性能随温度变化小，且该皮肤模拟器形状与人体真实形状接近，因此相对于现有技术，本发明的热流仪测量结果更为准确。另外，采用本热流仪可以得到皮肤烧伤破坏程度的量化值，且可以模拟测试人体真是皮肤温度并以此预测皮肤烧伤度所需时间的流程。

Description

消防服热防护性能检测用热流仪及其测试方法
技术领域
本发明涉及一种热流仪，具体涉及一种消防服热防护性能检测用热流仪和其测试方法。
背景技术
 消防服隔热防护性能测试方法要求之一是要测量着装人体的温度上升程度，也就是测试分析人体皮肤达到一定烧伤所需要的时间，从而可以测试组成消防服装所用防护织物的热防护性能（Thermal Protective Performance，简称TPP）。目前，消防服的热防护性能检测用的热流仪由铜片构成，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模拟皮肤的热流仪来准确确定真实人体皮肤表面吸收热流量显得异常重要。目前现有检测消防服热性能的热流仪或者传感器都是一维的，即考虑服装传热的一维性，而模拟人体躯干形状的消防服检测用径向热流仪未见报道。
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消防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流仪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，满足人体真实形状且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
本发明要解决的技术问题是现有效防护热防护性能检测用热流仪测试结果有偏差、重复性差，提供一种测试结果更为准确、重复性好的消防服热防护性能检测用热流仪，还提供了该热流仪的测试方法。
本发明的技术方案是以下述方式实现的：一种消防服热防护性能检测用热流仪，包括人工玻璃晶体制作的皮肤模拟器，在皮肤模拟器表面开设凹槽，在凹槽里装有热电偶，热电偶的接线沿皮肤模拟器圆周方向穿过皮肤模拟器接入转换器，热电偶的测量端粘结于皮肤模拟器表面。
所述皮肤模拟器为圆柱形。
所述皮肤模拟器外径为80mm、厚度为18.8mm。
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
一种消防服检测用热流仪测试方法，是按照下述方式进行的：
（1）测量皮肤模拟器的表面温度T1；
（2）计算入射到热流仪表面热量q〞，
Figure 2012101094740100002DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure 2012101094740100002DEST_PATH_IMAGE004
是皮肤模拟器的密度；
Figure 2012101094740100002DEST_PATH_IMAGE006
分别是皮肤模拟器比热
（3）将入射到热流仪表面的热量q〞值代入到一维径向Pennes方程或者RSTWM皮肤传热方程式中，计算得到皮肤温度值T，
一维径向Pennes方程如下
Figure 2012101094740100002DEST_PATH_IMAGE008
RSTWM皮肤传热方程如下
　　
其中：
Figure 2012101094740100002DEST_PATH_IMAGE012
——皮肤组织的密度
——皮肤组织的比热
Figure 2012101094740100002DEST_PATH_IMAGE016
——皮肤组织的导热系数
Figure 2012101094740100002DEST_PATH_IMAGE018
——人体血液的密度
Figure 2012101094740100002DEST_PATH_IMAGE020
——人体血液的比热
Figure 2012101094740100002DEST_PATH_IMAGE022
——血流灌注率
Figure 2012101094740100002DEST_PATH_IMAGE024
——新陈代谢产热
Figure 2012101094740100002DEST_PATH_IMAGE026
——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
吸收后表现为容积发热源
Figure 2012101094740100002DEST_PATH_IMAGE028
——人体动脉温度
Figure 2012101094740100002DEST_PATH_IMAGE030
——皮肤温度值
Figure 2012101094740100002DEST_PATH_IMAGE032
——皮肤模拟器的外直径
        
Figure 2012101094740100002DEST_PATH_IMAGE034
——皮肤模拟器温度与初始稳态温度值之差。
（4）预测皮肤烧伤度Ω，将测试分析并计算得到的皮肤温度值T作为输入参数代入到Henriques皮肤烧伤积分模型：
                  
通过积分得式：
Figure 2012101094740100002DEST_PATH_IMAGE038
                 
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；
Figure 2012101094740100002DEST_PATH_IMAGE040
——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 。
本发明所采用的皮肤模拟器采用人工玻璃晶体制作，这种材质与人体皮肤属性相似，适合于制作高温皮肤模拟器、其性能随温度变化小，且该皮肤模拟器形状与人体真实形状接近，因此相对于现有技术，本发明的热流仪测量结果更为准确。另外，采用本热流仪可以得到皮肤烧伤破坏程度的量化值，且可以模拟测试人体真是皮肤温度并以此预测皮肤烧伤度所需时间的流程。
附图说明
     图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
实施例1：一种消防服热防护性能检测用热流仪，包括人工玻璃晶体制作的皮肤模拟器1，在皮肤模拟器表面开设圆形的凹槽2，在凹槽2里装有T型的热电偶3，热电偶3的接线4沿皮肤模拟器1圆周方向穿过皮肤模拟器1接入转换器5，热电偶3的测量端通过环氧树脂粘结于皮肤模拟器1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。所述的转换器5为PCI-MIO-16E-1数据采集卡DAQ，由热电偶3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。
所述皮肤模拟器1为圆柱形，其外径为80mm、厚度为18.8mm。
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。
一种消防服检测用热流仪测试方法，是按照下述方式进行的：
（1）测量皮肤模拟器1的表面温度T1；
（2）计算入射到热流仪表面热量q〞，
本发明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，则
            （1）
式（1）中，
Figure 230095DEST_PATH_IMAGE004
是皮肤模拟器的密度；
Figure 627141DEST_PATH_IMAGE006
分别是皮肤模拟器比热
（3）将入射到热流仪表面的热量q〞值代入到一维径向Pennes方程或者RSTWM皮肤传热方程式中，计算得到皮肤温度值T，
一维径向Pennes方程如式（2）所示
Figure 146984DEST_PATH_IMAGE008
   （2）
RSTWM皮肤传热方程如下
Figure 649772DEST_PATH_IMAGE010
　　（3）
其中：
Figure 596868DEST_PATH_IMAGE012
——皮肤组织的密度
Figure 487071DEST_PATH_IMAGE014
——皮肤组织的比热
——皮肤组织的导热系数
Figure 105582DEST_PATH_IMAGE018
——人体血液的密度
——人体血液的比热
Figure 669254DEST_PATH_IMAGE022
——血流灌注率
Figure 32365DEST_PATH_IMAGE024
——新陈代谢产热
Figure 680384DEST_PATH_IMAGE026
——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
Figure 733397DEST_PATH_IMAGE028
——人体动脉温度
Figure 725755DEST_PATH_IMAGE030
——皮肤温度值
Figure 125512DEST_PATH_IMAGE032
——皮肤模拟器的外直径
        
Figure 409730DEST_PATH_IMAGE034
——皮肤模拟器温度与初始稳态温度值之差。
     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，本发明以消防服装下皮肤烧伤级别来评价织物的热性能，在一维径向Pennes皮肤传热方程中增加传热滞后时间
Figure 2012101094740100002DEST_PATH_IMAGE044
，即可获得一维径向皮肤生物传热（RSTWM）方程：
（4）预测皮肤烧伤度Ω，将测试分析并计算得到的表面温度T作为输入参数代入到Henriques皮肤烧伤积分模型(4)：
Figure 557946DEST_PATH_IMAGE036
                    （4）
通过积分得式(5)：
Figure 411501DEST_PATH_IMAGE038
                  （5）
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；
Figure 113485DEST_PATH_IMAGE040
——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
Figure 2012101094740100002DEST_PATH_IMAGE046
等于或大于1时，皮肤即达到二级烧伤度；当
Figure 424511DEST_PATH_IMAGE046
等于0.53时，皮肤达到一级烧伤度，因此根据以上内容，提出利用热流仪上的热电偶3测量皮肤模拟器1的温度，从而模拟测试人体真实皮肤温度并以此预测皮肤烧伤度所需时间的流程。
实施例2：本实施中所测试用消防织物取本质芳纶阻燃织物Nomex IIIA，密度为374.6kg/m3，厚度为0.412mm，测试仪的结构和测试方法同实施例1。
入射到热流仪表面的辐射热流量为21kW/m2，将皮肤模拟器1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7.9秒。
实施例3：入射到热流仪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RSTWM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12.5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。本实施例其他同实施例2。
实施例4：入射到热流仪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5.8秒。本实施例其他同实施例2。
实施例5：入射到热流仪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RSTWM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9.6秒。本实施例其他同实施例2。

Claims (5)

1.一种消防服热防护性能检测用热流仪，其特征在于：包括人工玻璃晶体制作的皮肤模拟器（1），在皮肤模拟器表面开设凹槽（2），在凹槽（2）里装有热电偶（3），热电偶（3）的接线（4）沿皮肤模拟器（1）圆周方向穿过皮肤模拟器（1）接入转换器（5），热电偶（3）的测量端粘结于皮肤模拟器（1）表面。
2.根据权利要求1所述的消防服热防护性能检测用热流仪，其特征在于：所述皮肤模拟器（1）为圆柱形。
3.根据权利要求2所述的消防服热防护性能检测用热流仪，其特征在于：所述皮肤模拟器（1）外径为80mm、厚度为18.8mm。
4.根据权利要求1所述的消防服热防护性能检测用热流仪，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。
5.一种消防服检测用热流仪测试方法，其特征在于是按照下述方式进行的：
（1）测量皮肤模拟器（1）的表面温度T1；
（2）计算入射到热流仪表面热量q〞，
Figure 2012101094740100001DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure 2012101094740100001DEST_PATH_IMAGE004
是皮肤模拟器的密度；
Figure 2012101094740100001DEST_PATH_IMAGE006
分别是皮肤模拟器比热
（3）将入射到热流仪表面的热量q〞值代入到一维径向Pennes方程或者RSTWM皮肤传热方程式中，计算得到皮肤温度值T，
一维径向Pennes方程如下
RSTWM皮肤传热方程如下
Figure 2012101094740100001DEST_PATH_IMAGE010
　　
其中：——皮肤组织的密度
Figure 2012101094740100001DEST_PATH_IMAGE014
——皮肤组织的比热
——皮肤组织的导热系数
Figure 2012101094740100001DEST_PATH_IMAGE018
——人体血液的密度
Figure 2012101094740100001DEST_PATH_IMAGE020
——人体血液的比热
Figure 2012101094740100001DEST_PATH_IMAGE022
——血流灌注率
Figure 2012101094740100001DEST_PATH_IMAGE024
——新陈代谢产热
Figure 2012101094740100001DEST_PATH_IMAGE026
——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
吸收后表现为容积发热源
——人体动脉温度
Figure 2012101094740100001DEST_PATH_IMAGE030
——皮肤温度值
Figure 2012101094740100001DEST_PATH_IMAGE032
——皮肤模拟器的外直径
Figure 2012101094740100001DEST_PATH_IMAGE034
——皮肤模拟器温度与初始稳态温度值之差
（4）预测皮肤烧伤度Ω，将测试分析并计算得到的皮肤温度值T作为输入参数代入到Henriques皮肤烧伤积分模型：
                  
通过积分得式：
Figure 2012101094740100001DEST_PATH_IMAGE038
                 
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；
Figure 2012101094740100001DEST_PATH_IMAGE040
——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 。
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