阅读说明：本技术 一种基于距离控制的时变辐射热流实验系统及测定方法 (Time-varying radiation heat flow experimental system based on distance control and measuring method ) 是由 龚俊辉 张明锐 王志荣 于 2020-06-04 设计创作，主要内容包括：本发明一种基于距离控制的时变辐射热流实验系统及测定方法涉及一种可实现随时间变化辐射热流(时变热流)的实验装置及测试系统。包括辐射源、辐射源承重架、辐射源移动支架、辐射源控制器、控制器、驱动器、直流电源和实验台底座；辐射源移动支架采用导轨滑台,导轨滑台上设有导轨滑块；导轨滑块上安装有辐射源承重架,辐射源固定安装在辐射源承重架下方；导轨滑块下部装有固定架,在固定架上通过螺栓安装有挡板转杆,挡板转杆固定连接有挡板,所述挡板位于辐射源的正下方,电机安装在导轨滑台上方,带动丝杆转动；控制器和直流电源分别与驱动器连接,驱动器与电机连接；直流电源为电机提供动力；辐射源控制器与辐射源相连。(The invention discloses a time-varying radiant heat flow experimental system and a measuring method based on distance control, and relates to an experimental device and a testing system capable of realizing time-varying radiant heat flow (time-varying heat flow). The device comprises a radiation source, a radiation source bearing frame, a radiation source moving support, a radiation source controller, a driver, a direct-current power supply and a laboratory bench base; the radiation source moving support adopts a guide rail sliding table, and a guide rail sliding block is arranged on the guide rail sliding table; a radiation source bearing frame is arranged on the guide rail sliding block, and the radiation source is fixedly arranged below the radiation source bearing frame; the lower part of the guide rail sliding block is provided with a fixed frame, a baffle rotating rod is arranged on the fixed frame through a bolt, a baffle is fixedly connected with the baffle rotating rod and is positioned right below a radiation source, and a motor is arranged above the guide rail sliding table and drives a screw rod to rotate; the controller and the direct current power supply are respectively connected with a driver, and the driver is connected with the motor; the direct current power supply provides power for the motor; the radiation source controller is connected with the radiation source.)

一种基于距离控制的时变辐射热流实验系统及测定方法

技术领域

本发明一种基于距离控制的时变辐射热流实验系统及测定方法涉及一种可实现随时间变化辐射热流（时变热流）的实验装置及测试系统，特别是一种通过控制辐射源与可燃物距离实现随时间变化辐射热流的实验系统及测定方法。

背景技术

固体可燃物包括天然和人工合成材料。尤其是高分子聚合物等合成材料，因其具有良好的物理化学特性在国民的生产生活中得到广泛的应用。如海陆空运输工具、医用材料、建筑物装饰、航天仪器设备、工业装置以及休闲娱乐装置等，是工业、农业、国防和科技等领域的重要材料。但是固体可燃物具有遇高温或明火容易发生热解和燃烧的特性，极易失去控制引发火灾。固体可燃物的火灾危险性是多样的，包括热危险性、烟危险性、毒危险性和腐蚀危险性等。随着科学技术的发展，各种天然或合成的材料尤其是新型聚合物材料因其具有良好的物理特性，越来越多的被运用到各类建筑（建筑墙体保温材料和内部装饰材料等）和领域（如航空航天领域）中。但是对材料本身火灾安全性的研究相对滞后，包括热解动力学基础研究、着火机理、相变影响（如受热变形、膨胀、熔融、滴落和气化等）、火蔓延、外部条件影响和防火阻燃等。

目前，中等尺度材料热安全性研究中，由美国国家标准和技术研究院（NIST）基于国际标准ISO 5660、ASTM E1354等研制的锥形量热仪（Cone Calorimeter）和基于ASTME2058研制的FPA(Fire Propagation Apparatus，火焰传播装置)作为标准仪器在世界各国得到广泛的应用。在实际的火灾场景中，未燃的固体可燃物受到的热辐射是随时间不断变化的。但是在材料的测试过程中，由于锥形量热仪自身的局限性，只能测量恒定辐射热流下固体可燃物的热解着火过程，因此会导致实验场景和实际火灾场景之间存在很大的差别。

发明内容

本发明的目的是针对现有标准仪器（如锥形量热仪等）无法实现时变辐射热流的缺陷，提供一种基于距离控制的时变辐射热流实验系统及测定方法，是一种针对时变热流下固体可燃物热解的实验装置及测定方法。通过设计一种采用程序控制辐射源位置及移动速度的装置，动态改变辐射源与待测样件间的距离，实现时变热流下待测样件温度和质量的定量测定。

本发明是采取以下技术方案实现的：

基于距离控制的时变辐射热流实验系统，包括辐射源、辐射源承重架、辐射源移动支架、辐射源控制器、控制器、驱动器、直流电源和实验台底座；

实验台底座用于固定整个实验装置和辐射源移动支架，实验台底座整体为L形，具有纵向支架和实验台底座平台，在纵向支架的下部设有突出的矩形窄平台；实验台底座平台横截面为矩形，在实验台底座平台中部开有正方形通孔，在使用时用于放置支架承载电子天平和样件，以避免辐射源上下移动产生的震动对样件质量测量的影响；

辐射源移动支架采用导轨滑台，导轨滑台的背部固定安装在实验台底座的纵向支架上半部，导轨滑台的底部设置在矩形窄平台上；在导轨滑台上设有能在导轨滑台上上、下移动的导轨滑块；

在导轨滑块上安装有辐射源承重架，辐射源固定安装在辐射源承重架下方；在导轨滑台的承重架安装部位下方，固定安装有固定架，在固定架上通过螺栓安装有挡板转杆，挡板转杆能在固定架上水平转动；挡板转杆的另一端固定连接有挡板，所述挡板位于辐射源的正下方，并挡住辐射源，用于阻止实验准备阶段热流对样件的预加热；

电机安装在导轨滑台上方，带动丝杆的转动，丝杆通过丝杆上的细螺纹与导轨滑块连接；控制器和直流电源分别与驱动器连接，驱动器与电机连接；直流电源为电机提供动力，控制器和驱动器通过改变脉冲和电流大小及方向设定控制电机的瞬时转速和方向从而达到预定的热流形式；丝杆转速和方向决定导轨滑块的运动方向和速度，即辐射源的移动方向和速度；

辐射源控制器与辐射源相连，以控制辐射源是否加热和加热电阻温度高低。

进一步的，所述辐射源由加热电阻、不锈钢外壳、边罩和石英板组成，所述石英板为半透明石英板，边罩位于石英板周围，石英板卡嵌在边罩的凹槽内，边罩内部中空，用于固定石英板且不阻碍辐射热流；在石英板上方罩有开口朝下的半框形不锈钢外壳，在不锈钢外壳中部固定连接有串联的加热电阻；在不锈钢外壳上部均匀地开有两排共6个螺纹孔，每排具有3个螺纹孔，以便将不锈钢外壳固定在承重架上。为防止不锈钢外壳带电，在不锈钢外壳内外均覆盖绝缘层且保持接地。

进一步的，所述辐射源承重架由两块L型钢和两根钢丝组成，两根钢丝的一端分别与L型钢的长端相连；在L型钢拐角处固定有肋板加以支撑。为方便安装电阻型辐射源，在每个L型钢的上端面上各开有3个承重架螺纹孔，用于与电阻型辐射源的不锈钢外壳上的螺纹孔相匹配以方便固定电阻型辐射源。为防止因L型钢变形引起的辐射源倾斜，利用钢丝将L型钢外端和导轨滑台上的导轨滑块相连接。所述辐射源承重架通过螺丝与导轨滑块相固定。

本实验系统在工作时，还需要配有实验装置附加部分。实验装置附加部分包括样件支架、电子天平、热流计和样件，所述样件支架放置在实验台底座平台中部开有的正方形通孔处，为电子天平和样件提供支撑，避免辐射源上下移动产生的震动对电子天平质量测量准确度的影响。由于样件支架上平面的高低决定了辐射源在移动过程中能达到的热流最大值，因此样件支架采用高度可调的支架。电子天平放置于样件支架上，便于测量实时质量数据。标定时，将热流计放置在与样件上表面同一高度处，测量辐射源移动过程中的实时热流数据，热流计输出电压与控制器连接，为电机转速变化提供反馈信号，保证实际所测热流不偏离设定热流形式。实验时，将标定好的热流计输出电压时间序列加载在控制器内以复现目标时变热流。样件被带有隔热层的样件盒包裹，样件准备过程与其他现在标准仪器（如锥型量热仪）样件准备过程相同，将样件放置于电子天平上且在辐射源正下方中央。

热流计标定热流时放置于辐射源下方，并与控制器连接反馈热流信号，以调节辐射源移动速度，从而缩减实测热流与设定热流形式之间的偏差，并将该数据储存在控制器内，以便实验时辐射热流按照预定热流形式发生变化。

和现有技术相比较，本发明的优点：本实验系统设计合理，体积适当，完全适合实验室的中尺度实验。采用程序控制辐射源位置及移动速度的装置，动态改变辐射源与待测样件间的距离，实现时变热流下待测样件温度和质量的定量测定。该装置简单易操作、可靠性高，能调节线性、平方、幂函数、多项式、衰变等变化热流形式，测试结果的重复性和认可度高。

附图说明

图1是本发明系统的结构、布局示意图；

图2是本发明系统的辐射源主视图（安装有挡板）；

图3是本发明系统的辐射源左视图；

图4是本发明系统的辐射源不锈钢外壳俯视图；

图5是本发明系统的辐射源仰视图；

图6是本发明系统的辐射源安装石英板后的仰视图；

图7是本发明系统的辐射源承重架主视图；

图8是本发明系统的辐射源承重架俯视图（无钢丝）；

图9是本发明系统的辐射源承重架左视图（无钢丝）；

图10是本发明系统的辐射源承重架和辐射源相固定示意图；

图11是本发明系统的实验台底座主视图；

图12是本发明系统的实验台底座俯视图；

图13是本发明系统水平热流标定示意图；

图14是本发明系统设定热流图；

图15是本发明系统线性和幂函数热流形式下PMMA的表面温度图；

图16是本发明系统幂函数形式下PMMA的质量损失率图。

图中：

1、辐射源，1-1、加热电阻，1-2、不锈钢外壳，1-3、边罩，1-4、石英板，1-5、螺纹孔；

2、辐射源承重架，2-1、L型钢，2-2、钢丝，2-3、肋板，2-4、承重架螺纹孔；3、辐射源移动支架（导轨滑台），4、辐射源控制器，5、控制器，6、直流电源；

7、实验台底座，7-1、纵向支架，7-2、实验台底座平台，7-3、矩形窄平台，7-4、通孔；

8、驱动器，9、固定架，10、挡板转杆，11、挡板，12、电机，13、导轨滑块，14、样件支架，15、电子天平，16、热流计，17、样件，18、热流均匀区域，19、热流衰减区域。

具体实施方式

下面参照附图1~16，结合具体实施例对本发明做详细说明。

基于距离控制的时变辐射热流实验系统，包括辐射源、辐射源承重架、辐射源移动支架、辐射源控制器、控制器、驱动器、直流电源和实验台底座。

实验台底座用于固定整个实验装置和辐射源移动支架，防止装置倾倒。实验台底座采用实心304不锈钢，实验台底座整体为L形，以提高整个实验装置底部的稳定性。从图中看到，实验台底座具有纵向支架和实验台底座平台，实验台底座最下方水平面尺寸为650mm×500mm，厚100mm。在纵向支架的下部设有突出的矩形窄平台，突起部分高250mm，厚135mm，宽度与底部面板相同，用于支持导轨滑台底部；纵向支架上部高1260mm，厚50mm，宽度为150mm，用于固定导轨滑台背面。实验台底座平台横截面为矩形，在实验台底座平台中部开有正方形通孔，尺寸为250mm×250mm，在使用时用于放置支架承载电子天平和样件，以避免辐射源上下移动产生的震动对样件质量测量的影响。

辐射源移动支架采用导轨滑台，导轨滑台的背部固定安装在实验台底座的纵向支架上半部，导轨滑台的底部设置在矩形窄平台上；在导轨滑台上设有能在导轨滑台上上、下移动的导轨滑块。

辐射源由加热电阻、不锈钢外壳、边罩和石英板组成，所述石英板为半透明石英板。本实施例以300mm×300mm尺寸辐射源为例，如需其他尺寸辐射源，可根据需要自行定做。3mm厚的边罩位于石英板周围，石英板卡嵌在边罩的凹槽内，边罩内部中空，用于固定石英板且不阻碍辐射热流；所述石英板采用尺寸为310mm×310mm、厚3mm的半透明石英板，以均匀辐射热流和防止触电；在石英板上方罩有开口朝下的半框形不锈钢外壳，在不锈钢外壳中部固定连接有串联的加热电阻；加热电阻直径为20mm、长300mm，相邻两电阻间距为40mm；壁厚5mm的不锈钢外壳内尺寸为40mm×300mm×300mm，在不锈钢外壳上部均匀地开有两排共6个尺寸为M6螺纹孔，每排具有3个螺纹孔，以便将不锈钢外壳固定在承重架上。螺纹孔的行间距为120mm，同行螺纹孔间距为100mm。为防止不锈钢外壳带电，在不锈钢外壳内外均覆盖绝缘层且保持接地。在辐射源下方距石英板5mm处有一10mm厚挡板，用于实验准备阶段防止热流对样件的预加热。直径15mm的挡板转杆用于带动挡板的转动，辐射源的温度、挡板的开闭均由辐射源控制器控制。

在导轨滑块上安装有辐射源承重架，辐射源固定安装在辐射源承重架下方；在导轨滑块的辐射源承重架安装部位下方，固定安装有固定架，在固定架上通过螺栓安装有挡板转杆，挡板转杆能在固定架上水平转动；挡板转杆的另一端固定连接有挡板，所述挡板位于辐射源的正下方，并挡住辐射源，用于阻止实验准备阶段热流对样件的预加热。为满足支撑辐射源重量的要求，辐射源承重架由两块长700mm、宽50mm、厚5mm的L型钢和两根直径5mm的钢丝组成。在L型钢拐角处有肋板加以支撑。为方便安装辐射源，在每个L型钢的上方有3个M6（直径6mm）承重架螺纹孔与辐射源不锈钢外壳上的螺纹孔相匹配以方便固定辐射源。相邻螺纹孔水平间距为100mm，两块L型钢间距为120mm。为防止因L型钢变形引起的辐射源倾斜，利用钢丝将L型钢外端和导轨滑台上的导轨滑块相连接。L型钢另一边长为150mm，通过两个M6的螺丝将辐射源承重架固定在导轨滑块上，两螺孔间距60mm且居中。

电机安装在导轨滑台上方，带动丝杆的转动，丝杆通过丝杆上的细螺纹与导轨滑块连接；控制器和直流电源分别与驱动器连接，驱动器与电机连接；直流电源为电机提供动力，控制器和驱动器通过改变脉冲和电流大小及方向设定控制电机的瞬时转速和方向从而达到预定的热流形式；丝杆转速和方向决定导轨滑块的运动方向和速度，即辐射源的移动速度。固定辐射源的移动支架选用型号为GBX2010的导轨滑台，有效行程为1000mm。导轨滑台的尺寸为160mm×165mm，用于带动辐射源的移动以实现待测样件表面接收到随时间变化的辐射热流。导轨滑台由步进电机带动，步进电机型号为86BYGH201。步进电机驱动器和控制器控制步进电机的转向和转速，进而控制辐射源的热流形式和变化速率。步进电机驱动器的型号为ZD-2HA860，控制器型号为TC5510。

辐射源控制器与辐射源相连，以控制辐射源是否加热和加热电阻温度高低。

样件支架、电子天平、热流计和样件为实验装置附加部分，用于测定实验数据，如图1所示。高度可调的样件支架放置在实验台底座中空处，为电子天平和样件提供支撑。可避免辐射源上下移动产生的震动对电子天平质量测量准确度的影响。电子天平放置于样件支架上，便于测量实时质量数据。标定时，将热流计放置在与样件上表面同一高度处，测量辐射源移动过程中的实时热流数据，热流计输出电压与控制器连接，为电机转速变化提供反馈信号，保证实际所测热流不偏离设定热流形式。实验时，将标定好的热流计输出电压时间序列加载在控制器内以复现目标时变热流。样件被带有隔热层的样件盒包裹，样件准备过程与其他现在标准仪器（如锥型量热仪）样件准备过程相同，将样件放置于电子天平上且在辐射源正下方中央。

热流计为水冷式施密特-波尔特（Schmidt-Boelter）热流计。样件支架由两块光学面包板和四根螺杆组成，为电子天平和样件提供支撑。直流电源可提供20-50V的直流电。

本实验系统可测定聚合物、木材等固相可燃物的热解燃烧性能，实验前需把测定材料切割为方形或圆形样件。本实验以均匀的聚合物材料—挤塑型透明PMMA（PolymethylMethacrylate，聚甲基丙烯酸甲酯）为例。样件切割均采用激光切割，尺寸为100mm×100mm，厚度为10mm。加工成型的样件厚度均匀，厚度误差不大于0.01mm，且材质透明均匀无杂质，无明显气泡、沙眼和小孔，切面光滑。样件切割完成后放烘箱中在70摄氏度下烘8个小时，以保证样件表面无水分和胶体残留。

下面实施例详细说明应用本系统进行测定的测定方法，包括如下步骤：

（1）进行水平面热流均匀性标定；

（1-1）将热流计固定在辐射源下某一高度，辐射源位置和辐射源温度保持不变；

（1-2）将热流计以辐射源正下方为中心轴向四个方向水平移动，每个方向间隔90°，期间热流计高度保持不变，并进行多次重复标定；认定热流衰减大于中心轴位置热流值的5%时热流不均匀；记录热衰减为5%时距中心轴的水平距离，中心轴到该位置的水平距离即为热均匀区域的半径，如图13所示；测得该半径值为60mm，因此实验待测样件的尺寸应不大于120mm（样件长度或直径）。

（2）进行目标热流设定及标定；

（2-1）将热流计固定放置在辐射源正下方某一高度；直流电源为系统提供电力支持，控制器控制脉冲信号和方向信号，驱动器控制电流大小和脉冲大小；控制器和驱动器共同设定实验所需的热流形式和变化速率，由电机带动导轨滑块和辐射源的上下移动，开始标定；

（2-2）使用辐射源控制器调节辐射源的温度和挡板的开闭；

（2-3）标定过程中，热流计将监测到的实时热流值反馈给控制器，控制器根据反馈数据和驱动器通过调整脉冲和电流大小一同调整电机转速，使辐射源在几乎不偏离设定热流形式和变化速率的条件下继续移动；标定结果表明，实测热流与设定热流值之间的R2均高于99.5%，拟合度很好，如图14所示。

所述热流形式包括线性、平方、幂函数和、多项式或衰减等形式。

（3）进行待测样件的热解实验

（3-1）调整样件支架高度，以保证样件上表面与标定时热流计的上表面高度一致；

（3-2）将电子天平和装有待测样件的样件盒依次放置在样件支架上，设定实验所需的热流形式和热流变化速率；即可进行样件热解过程中瞬态质量损失或瞬态表面及内部温度测定实验。

（3-3）用直径0.5mm的K型热电偶测量样件表面或内部温度，由于热电偶的存在导致无法同时测量材料热解过程中的质量和温度变化，因此热解过程中样件的瞬态质量损失和温度需在保证热流形式无变化的条件下分开测量。

如需测定表面温度与质量的同步数据，亦可采用非接触式红外热像仪采集表面温度变化过程。线性和幂函数形式下样件的表面温度如图15所示，幂函数下样件的质量损失率如图16所示。

本发明有效的克服现有标准仪器（如锥形量热仪等）无法实现时变辐射热流的缺陷，能控制辐射源位置及移动速度的装置，动态改变辐射源与待测样件间的距离，实现时变热流下待测样件温度和质量的定量测定。调节线性、平方、幂函数、多项式、衰变等变化热流形式，测试结果的重复性和认可度高。