CN102798646B - 一种模仿接触作用的防火绝热性测量机构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种模仿接触作用的防火绝热性测量机构，其包括模拟皮肤多层结构的接触头、固定接触头的固定块、保持接触头水平平衡的螺杆与螺母、四个不同放置的热电偶温度传感器、与固定块相连的支架和用于测接触压力的移动机构与压力传感器、以及试样夹。可用于防火织物或隔热材料接触人体一侧温度的定接触压的测量，以及模拟皮肤各层的温度测量，从而定量评价织物的防火绝热性能和估计可能对人体皮肤的损伤。
Description
技术领域
本发明涉及一种模仿接触作用的防火绝热性测量机构，可用于消防类热防护材料接触人体一侧温度的定接触压的测量，以及模拟皮肤各层的温度测量。
背景技术
当前用于织物防火绝热性能测量的方法主要是织物防火阻燃性能测量方法和织物热防护性能的各项测量方法。织物防火阻燃性能测量方法，仅能表达织物的阻燃能力，而无法表征在高温强热流火场环境中织物与人体皮肤相接触时对人体皮肤的保护能力，故而仅用于测量织物在特定环境中的可燃性及不同织物在特定环境下的性能对比检测。
织物的热防护性能测量方法，主要包括热辐射防护性能测量法(RPP测量)、辐射和对流综合热防护性能测量法(TPP测量)和燃烧假人测量法(Thermo-man测量)。RPP、TPP两种测量方法分别以不同的趋于稳态的热源作用于织物，采用与织物有一定距离的铜质量热计测量出造成人体皮肤二度烧伤所需要的时间，来评价消防服的热防护性能；两种方法均假定热源热量向织物表面传递是平面一维的，采用的皮肤模拟器是与人体皮肤属性不同的铜质热流计，而且热源提供的传热方式不够全面，热源暴露时间又极短，故而无法真实模拟实际使用情况，对于预计烧伤程度也不能提供定量的估计。燃烧假人测量法是用人体大小的铜人模型，施以实验室模拟可控急速燃烧试验条件，通过人体模型身上分布的热传感器，测量和计算透过被测服装传导到人体表面各部位的热量和温度，从而得知穿着在人体模型上的服装阻挡的热量和降低皮肤烧伤的程度。对于以上三种热防护性能测量方法，所采用的皮肤模拟材料和织物或服装间均或多或少的存在着一定的距离，均未实现皮肤和织物间定压接触作用的模拟。
有关模拟皮肤材料的研究，近年来有些研究和专利。中原工学院杨凯等人在纺织学报(2008，29(12))发表的论文“暖体假人软质模拟皮肤的研究及其应用”中，选择热硫化硅胶、天然乳胶、医用硅胶、聚苯乙烯系弹性体TPR、聚烯烃系弹性体EVA和热塑性聚氨酯TPU等6种高分子弹性体，作为暖体假人软质模拟皮肤，并通过模糊数学的模糊决策理论和人工气候室实际试验选出综合性能最优的暖体假人模拟皮肤材料-聚苯乙烯系弹性体TPR。
火灾应急防护服测量用模拟皮肤传感器及其测量方法(专利号CN200810049549.4)采用与人体皮肤物理属性相似的人工微晶玻璃块作为模拟皮肤器，研制了一种模拟人体皮肤及体形的高温“圆筒仪”，用来测量耐高温织物及服装组件的热防护性能。模拟皮肤透湿性能的测量装置和方法(专利号CN200810032589.8)采用微孔膜复合织物模拟皮肤从而模拟人体皮肤出汗特征，实现了服装的热阻和湿阻两大热舒适性指标的“一步法”测量。但以上两种方法均非火场条件的皮肤或接触防火织物的测量，且原理与方法不同。
人体皮肤传热性能等效材料的制备方法(专利号CN200810226787.8)，采用二异氰酸酯预聚体、聚环氧丙烷、壳聚糖和多元胺、热敏材料、阻燃剂等材料，制得壳聚糖基聚氨酯弹性体，作为人体皮肤等效材料。所得材料在35～40℃和人体皮肤表现出相似的传热性能，但其在高温条件下的传热性能和稳定性尚不明确。
外科仿真皮肤缝合模型(专利号CN201020642712.0)包括由表皮层和真皮层组成的皮肤层与皮下组织层以及两者之间的毛细血管网层，其中表皮层由硅胶制成(厚度为0.2mm)，真皮层由EVA树脂制成(厚度为1mm)，皮下组织层由PVC树脂或海绵制成(厚度为2～4mm)。
从以上研究可知，皮肤材料大都是采用与皮肤传热性能相类似的高分子弹性体材料进行模拟，但传热性能的研究还仅限于皮肤表面正常温度(30～40℃)，对高温条件下传热性能的研究尚未开展过。
而有关温度传感器在防火绝热织物和皮肤温度测量上的应用，则主要是采用T型热电偶温度传感器(火灾应急防护服测量用模拟皮肤传感器及其测量方法，专利号CN200810049549.4)、薄膜铂电阻温度传感器(精确测量皮肤温度的薄膜铂电阻温度传感器，专利号CN200910051184.3)、铜-康铜热电偶温度传感器(织物抗辐射热渗透性能试验装置，专利号CN201010148341.5)以及J型热电偶温度传感器(消防服热防护性能检测用热传感器，专利号CN200720076093.1)等。以上各种温度传感器测量精度较高，但在高温火场环境下响应速率较慢，且不宜长时间使用。
一种织物防明火绝热性能测试装置(专利号CN201010216613.0)是本专利申请人的发明专利，其通过燃气源和火场发生装置在热腔体中产生高温强热流明火火场环境，将织物试样放置于此环境中，然后通过温度测量装置实时在线测量织物试样正反面温度随火场暴露时间的变化，通过数据采集处理单元实时记录温度随时间变化曲线，从而分析表征织物的防明火绝热性能和温度隔绝行为。该专利只是测试织物正反表面的温度变化，而未能模拟人体皮肤与织物的定压接触作用，无法对实际的与织物有定压接触的模拟皮肤的损伤程度作出评价。
综上，目前国内外缺乏模仿人体皮肤与暴露于明火高温环境的防火织物的接触作用的测量装置，难于实现人体与火场暴露织物接触时织物防火绝热性能和对人体热防护效果的测量和检验。
发明内容
本发明的目的是提供一种模仿接触作用的防火绝热性测量机构，解决当前缺乏试验装置用于人体皮肤在定压力条件下接触织物时消防类热防护织物的防火绝热性能和对人体的热防护效果的问题。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种模仿接触作用的防火绝热性测量机构，其特征在于：包括用夹持待测防火织物的试样夹持机构，待测防火织物被试样夹持机构夹持后，其一侧面对明火源，用于模拟皮肤多层结构的接触头则位于其另一侧，在接触头内布置有至少一个温度传感器，接触头设于固定块上，固定块分别与用于保持和调节接触头水平及平衡的调节机构及支撑支架相连，支撑支架设于可水平移动的移动机构上，接触头的位置在移动机构的带动下可左右移动调节，从而真实模拟皮肤和织物的定压接触，接触头与待测防火织物的接触压力通过支撑支架传递给压力传感器，温度传感器及压力传感器分别连接温度测量模块及接触压力测量模块，温度测量模块及接触压力测量模块连接控制单元，由控制单元根据所测得的触压力值通过接触驱动模块控制移动机构水平移动，使接触压力值保持定值。
优选地，所述接触头为U形二层结构，包括位于外层的用于模拟表皮和真皮的软高聚物层及由软高聚物层包裹的用于模拟皮肤皮下组织的硬高聚物层。
优选地，所述软高聚物层由聚苯乙烯系弹性体TPR制成，厚度为1～3mm；所述硬高聚物层由PVC树脂制成，厚度为2～4mm。
优选地，在所述接触头内布置有四个温度传感器，分别为接触热电偶、皮肤热电偶、传递热电偶和内热电偶，其中，接触热电偶测表面接触的防火织物背向火源或热源面的温度Ta；皮肤热电偶测皮肤层内侧的温度Tb，温度Tb与温度Ta的差值为皮肤热阻的表达；传递热电偶测皮下组织内与皮肤层内侧相隔一定距离的温度Tc；以温度Tc与温度Tb的温度差和达一致的时间模拟测量皮下组织的热传递性；内热电偶测皮肤内组织内侧的温度Td，温度Td与温度Tb的差值为皮下组织热阻的表达；接触热电偶、皮肤热电偶、传递热电偶和内热电偶均选用响应速率极快的高精度K型热电偶温度传感器。
优选地，所述压力传感器包括连接成电桥的第一前应变片和第二前应变片及第一后应变片和第二后应变片，第一前应变片和第二前应变片设于所述支撑支架的前侧，第一后应变片和第二后应变片设于所述支撑支架的后侧。
优选地，所述移动机构包括移动螺母，所述支撑支架与移动螺母固接，移动螺母套接在螺杆上，螺杆由步进电机驱动旋转，步进电机通过所述接触驱动模块与所述控制单元相连，由所述控制单元控制螺杆的正转、反转和转动速度，以推动移动螺母的前进与后退。
优选地，所述试样夹持机构包括固定架，在固定架上设有用于夹持所述待测防火织物的试样夹，该试样夹为中空环形结构。
优选地，通过所述温度传感器实时在线测量防火织物在火场暴露条件下织物内层和皮肤各层温度随时间的变化，从而通过相连的计算机分析衡量织物的防火绝热性能及估计可能对人体皮肤损伤的程度。
优选地，所述调节机构包括平衡螺杆，平衡螺杆的端部与所述固定块固定连接，在平衡螺杆上穿设有平衡螺母。
本发明的另一个技术方案是提供了一种上述的模仿接触作用的防火绝热性测量机构的应用，其特征在于：用于热防护织物在明火高温强热流环境中防火绝热性能和对人体热防护性能的测量和检验。
本发明旨在通过模仿人体与织物的定压接触作用，通过对防火织物内侧温度、模拟皮肤各层的温度随暴露火场时间变化的实时在线测量，衡量织物在明火高温环境暴露时的防火绝热性能和对人体的热防护效果。
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：
(1)有效模拟了皮肤与暴露于明火高温环境的织物的定压接触作用；
(2)采用了与皮肤热学属性极为接近的材料模拟人体皮肤层状结构；
(3)所采用温度传感器响应速度快，采样频率可调；
(4)数据实时在线测量，可精确表征织物的防明火绝热性能和对人体的热防护性能；
(5)测量可根据不同的试验要求设定，使本装置的适用性更广泛；
(6)操作简单，重复性和再现性优良。
附图说明
图1为本发明模仿接触作用的防火绝热性测量机构的整体结构示意图；
图2为本发明模仿接触作用的防火绝热性测量机构的计算机控制系统示意图。
图中：1-软高聚物层(模拟皮肤)；2-硬高聚物层(模拟内组织)；3-固定块；4-平衡螺杆；5-平衡螺母；6-温度传感器，其包括6a-接触热电偶，6b-皮肤热电偶，6c-传递热电偶，6d-内热电偶；7-支撑支架；8-力传感器，包括一对前应变片8a和8b，和一对后应变片8c和8d；9-移动螺母；10-螺杆；11-步进电机；12-防火织物；13-试样夹；14-试样夹固定架
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
如图1所示，本发明的实施方式涉及一种模仿接触作用的防火绝热性测量机构，包括用夹持待测防火织物12的试样夹持机构。试样夹持机构包括固定架14，在固定架14上设有用于夹持待测防火织物12的试样夹13，该试样夹13为中空环形结构
待测防火织物12被试样夹13夹持后，其一侧面对明火源，用于模拟皮肤多层结构的接触头则位于其另一侧。接触头为U形二层结构，由与皮肤热学属性极为接近的材料制得。包括位于外层的用于模拟表皮和真皮的软高聚物层1，软高聚物层1由聚苯乙烯系弹性体TPR制成，厚度为1～3mm；及由软高聚物层1包裹的用于模拟皮肤皮下组织的硬高聚物层2，硬高聚物层2由PVC树脂制成，厚度为2～4mm。
在接触头内布置有四个温度传感器，分别为接触热电偶6a、皮肤热电偶6b、传递热电偶6c和内热电偶6d，接触热电偶6a、皮肤热电偶6b、传递热电偶6c和内热电偶6d均选用响应速率极快的高精度K型热电偶温度传感器。其中，接触热电偶6a测表面接触的防火织物12背向火源或热源面的温度Ta；皮肤热电偶6b测皮肤层内侧的温度Tb，温度Tb与温度Ta的差值为皮肤热阻的表达；传递热电偶6c测皮下组织内与皮肤层内侧相隔一定距离的温度Tc；以温度Tc与温度Tb的温度差和达一致的时间模拟测量皮下组织的热传递性；内热电偶6d测皮肤内组织内侧的温度Td，温度Td与温度Tb的差值为皮下组织热阻的表达。
接触头设于固定块3上，固定块3分别与用于保持和调节接触头水平及平衡的调节机构及支撑支架7相连。其中，调节机构包括平衡螺杆4，平衡螺杆4的端部与固定块3固定连接，在平衡螺杆4上穿设有平衡螺母5。
支撑支架7设于可水平移动的移动机构上，接触头的位置在移动机构的带动下可左右移动调节，从而真实模拟皮肤和织物的定压接触，接触头与待测防火织物12的接触压力通过支撑支架7传递给压力传感器。
移动机构包括移动螺母9，支撑支架7与移动螺母9固接，移动螺母9套接在螺杆10上，螺杆10由步进电机11驱动旋转。压力传感器包括连接成电桥的第一前应变片8a和第二前应变片8b及第一后应变片8c和第二后应变片8d，第一前应变片8a和第二前应变片8b设于支撑支架7的前侧，第一后应变片8e和第二后应变片8d设于支撑支架7的后侧。
如图2所示，由第一前应变片8a和第二前应变片8b及第一后应变片8c和第二后应变片8d组成的电桥的输出端连接接触压力测量模块，接触热电偶6a、皮肤热电偶6b、传递热电偶6c和内热电偶6d连接温度测量模块，接触压力测量模块及温度测量模块连接控制单元，步进电机11通过接触驱动模块与控制单元相连，由控制单元根据所测得的触压力值控制螺杆10的正转、反转和转动速度，以推动移动螺母9的前进与后退，使接触压力值保持定值。本发明还通过接触热电偶6a、皮肤热电偶6b、传递热电偶6c和内热电偶6d实时在线测量防火织物在火场暴露条件下织物内层和皮肤各层温度随时间的变化，从而通过相连的计算机分析衡量织物的防火绝热性能及估计可能对人体皮肤损伤的程度。在本实施例中，控制单元选用计算机。
本发明提供的模仿接触作用的防火绝热性测量机构可在真实模拟皮肤和织物间有一定压力(0～100cN)接触条件下，实时在线测量暴露于明火火场(暴露时间可自行设定调节)的防火织物的内层和皮肤各层温度随时间的变化，通过计算机对数据进行采集和分析，从而获得织物的防火绝热性能和火场高温冲击耐久性的优劣以及估计人体皮肤的损伤程度。测试具体步骤如下：(1)将待测防火织物样品12用试样夹13夹持好，并固定在固定架14上；(2)调节平衡螺母5，使模拟皮肤多层结构的接触头保持水平；(3)控制步进电机11，推动移动螺母9，从而调整接触头与待测防火织物样品12间的接触压力至某特定值(自行设定)；(4)检查并调整接触热电偶6a、皮肤热电偶6b、传递热电偶6e和内热电偶6d至各自测试点准确位置；(5)采用火场发生装置产生明火火场强热流环境(800～1000℃)并使之与待测防火织物样品12接触；(6)明火火场强热流环境接触待测防火织物样品12的同时，启动温度测量模块并采集记录数据；(7)采集数据至试验设定时间关闭火场发生装置；(8)分析整理数据，衡量织物性能优劣并估计对人体皮肤损伤的程度。
实施例1
采用本发明的模仿接触作用的防火绝热性测量机构，对由金属铝箔+玄武岩纤维机织增强布+玄武岩纤维相变材料非织造复合毡+阻燃棉织物的复合织物(压紧厚度为2.76mm，平方米重量为621.5g/m2)面对900℃的明火高温强热流环境时的防火绝热性能进行测量，在0cN的接触压力条件下，10min后Ta、Tb、Tc、Td测得的温度值分别为52℃、41℃、38℃和32℃。由此结果并结合Henriques皮肤烧伤积分模型，可以判定织物和皮肤无压力接触条件下织物防火绝热性能和高温火焰冲击耐久性优良，人体皮肤不会发生烧伤。
实施例2
采用本发明的模仿接触作用的防火绝热性测量机构，对由金属铝箔+玄武岩纤维机织增强布+玄武岩纤维相变材料非织造复合毡+阻燃棉织物的复合织物(压紧厚度为2.76mm，平方米重量为621.5g/m2)面对900℃的明火高温强热流环境时的防火绝热性能进行测量，在50cN的接触压力条件下，10min后Ta、Tb、Tc、Td测得的温度值分别为65℃、51℃、44℃和38℃。由此结果并结合Henriques皮肤烧伤积分模型，可以判定织物和皮肤在中度压力接触条件下织物防火绝热性能和高温火焰冲击耐久性较好，人体皮肤有热烫感，基本不会发生烧伤。
实施例3
采用本发明的模仿接触作用的防火绝热性测量机构，对由金属铝箔+玄武岩纤维机织增强布+玄武岩纤维相变材料非织造复合毡+阻燃棉织物的复合织物(压紧厚度为2.5mm，平方米重量为621.5g/m2)面对1000℃的明火高温强热流环境时的防火绝热性能进行测量，在100cN的接触压力条件下，10min后Ta、Tb、Tc、Td测得的温度值分别为98℃、74℃、61℃和55℃。由此结果并结合Henriques皮肤烧伤积分模型，可以判定织物和皮肤在高压力接触条件下织物防火绝热性能和高温火焰冲击耐久性稍差，人体皮肤有灼烫感，会发生轻度或中度(接触时间较长时)的烧伤。
Claims (8)
1.一种模仿接触作用的防火绝热性测量机构，其特征在于：包括用夹持待测防火织物（12）的试样夹持机构，待测防火织物（12）被试样夹持机构夹持后，其一侧面对明火源，用于模拟皮肤多层结构的接触头则位于其另一侧，在接触头内布置有至少一个温度传感器，接触头设于固定块（3）上，固定块（3）分别与用于保持和调节接触头水平及平衡的调节机构及支撑支架（7）相连，支撑支架（7）设于可水平移动的移动机构上，接触头的位置在移动机构的带动下可左右移动调节，从而真实模拟皮肤和织物的定压接触，接触头与待测防火织物（12）的接触压力通过支撑支架（7）传递给压力传感器，温度传感器及压力传感器分别连接温度测量模块及接触压力测量模块，温度测量模块及接触压力测量模块连接控制单元，由控制单元根据所测得的触压力值通过接触驱动模块控制移动机构水平移动，使接触压力值保持定值；
在所述接触头内布置有四个温度传感器，分别为接触热电偶（6a）、皮肤热电偶（6b）、传递热电偶（6c）和内热电偶（6d），其中，接触热电偶（6a）测表面接触的防火织物（12）背向火源或热源面的温度Ta；皮肤热电偶（6b）测皮肤层内侧的温度Tb，温度Tb与温度Ta的差值为皮肤热阻的表达；传递热电偶（6c）测皮下组织内与皮肤层内侧相隔一定距离的温度Tc；以温度Tc与温度Tb的温度差和达一致的时间模拟测量皮下组织的热传递性；内热电偶（6d）测皮肤内组织内侧的温度Td，温度Td与温度Tb的差值为皮下组织热阻的表达；接触热电偶（6a）、皮肤热电偶（6b）、传递热电偶（6c）和内热电偶（6d）均选用响应速率极快的高精度K型热电偶温度传感器；
所述压力传感器包括连接成电桥的第一前应变片（8a）和第二前应变片（8b）及第一后应变片（8c）和第二后应变片（8d），第一前应变片（8a）和第二前应变片（8b）设于所述支撑支架（7）的前侧，第一后应变片（8c）和第二后应变片（8d）设于所述支撑支架（7）的后侧。
2.如权利要求1所述的一种模仿接触作用的防火绝热性测量机构，其特征在于：其特征在于：所述接触头为U形二层结构，包括位于外层的用于模拟表皮和真皮的软高聚物层（1）及由软高聚物层（1）包裹的用于模拟皮肤皮下组织的硬高聚物层（2）。
3.如权利要求2所述的一种模仿接触作用的防火绝热性测量机构，其特征在于：其特征在于：所述软高聚物层（1）由聚苯乙烯系弹性体TPR制成，厚度为1~3mm；所述硬高聚物层（2）由PVC树脂制成，厚度为2~4mm。
4.如权利要求1所述的一种模仿接触作用的防火绝热性测量机构，其特征在于：所述移动机构包括移动螺母（9），所述支撑支架（7）与移动螺母（9）固接，移动螺母（9）套接在螺杆（10）上，螺杆（10）由步进电机（11）驱动旋转，步进电机（11）通过所述接触驱动模块与所述控制单元相连，由所述控制单元控制螺杆（10）的正转、反转和转动速度，以推动移动螺母（9）的前进与后退。
5.如权利要求1所述的一种模仿接触作用的防火绝热性测量机构，其特征在于：所述试样夹持机构包括固定架（14），在固定架（14）上设有用于夹持所述待测防火织物（12）的试样夹（13），该试样夹（13）为中空环形结构。
6.如权利要求1所述的一种模仿接触作用的防火绝热性测量机构，其特征在于：通过所述温度传感器实时在线测量防火织物在火场暴露条件下织物内层和皮肤各层温度随时间的变化，从而通过相连的计算机分析衡量织物的防火绝热性能及估计可能对人体皮肤损伤的程度。
7.如权利要求1所述的一种模仿接触作用的防火绝热性测量机构，其特征在于：所述调节机构包括平衡螺杆（4），平衡螺杆（4）的端部与所述固定块（3）固定连接，在平衡螺杆（4）上穿设有平衡螺母（5）。
8.一种如权利要求1所述的模仿接触作用的防火绝热性测量机构的应用，其特征在于：用于热防护织物在明火高温强热流环境中防火绝热性能和对人体热防护性能的测量和检验。
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