一种测试人体运动下消防服热防护性能的仪器
阅读说明：本技术 一种测试人体运动下消防服热防护性能的仪器 (Instrument for testing thermal protection performance of firefighter uniform under human body movement ) 是由 苏云 李俊 王云仪 张向辉 于 2019-09-10 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种测试人体运动下消防服热防护性能的仪器,包括总支架、热源模拟器、织物试样架、空气层模拟器、动态样品传送装置、数据采集系统。总支架上固定了热源模拟器与试样推车轨道,试样推车轨道上设有动态样品传送装置,通过连杆将试样推车与转动曲轴相连接,试样推车可沿所述的轨道左右滑动,试样推车上从左往右依次设有可前后移动的织物试样架、可拆卸的空气层模拟器、可拆卸的传感器基座,利用全螺纹螺钉与螺母将织物试样架与各层织物固定,传感器基座内设有水冷传感器,依次与数据采集卡、计算机连接,转动曲轴通过飞轮与调速发动机相连,可以实现试样推车的左右移动。本发明能够对人体运动情况下的消防服热防护性能进行准确地测评。(The invention relates to an instrument for testing the thermal protection performance of a firefighter uniform under human motion, which comprises a main support, a heat source simulator, a fabric sample rack, an air layer simulator, a dynamic sample transmission device and a data acquisition system. The heat source simulator and the sample trolley track are fixed on the main support, the dynamic sample conveying device is arranged on the sample trolley track, the sample trolley is connected with the rotating crankshaft through the connecting rod, the sample trolley can slide left and right, the sample trolley is sequentially provided with a fabric sample rack capable of moving back and forth, a detachable air layer simulator and a detachable sensor base from left to right, the fabric sample rack and each layer of fabric are fixed through full-thread screws and nuts, a water-cooling sensor is arranged in the sensor base and is sequentially connected with a data acquisition card and a computer, the rotating crankshaft is connected with a speed regulating engine through a flywheel, and the left and right movement of the sample trolley can be achieved. The invention can accurately evaluate the thermal protection performance of the fire-fighting suit under the condition of human body movement.)
技术领域
本发明涉及一种测试人体运动下消防服热防护性能的仪器，属于纺织测量技术领域。
背景技术
消防服热防护性能的评价方法近些年有了快速的发展，国际上已经发布了织物热防护性能评价的相关标准，如闪火热暴露条件下的热防护性能测试(TPP，ASTM F2703)、中高等辐射热暴露条件下的辐射防护性能测试(RPP，ASTM F2701)以及低水平辐射热暴露条件下的热能量蓄积测试(SET，ASTM F2731)等。另外，一些研究学者针对热防护性能的标准测试方法进行了优化，卢业虎等人在发明专利《织物防护性能测评装置》中提出了考虑织物形变的热防护性能测评装置，何佳臻等人在发明专利《一种织物系统综合热防护性能的测试仪》中提出了考虑织物蓄热作用的热防护性能测评装置，辛丽莎等人在发明专利《一种织物系统热防护性测试仪》中提出了考虑空气层厚度动态变化的热防护性能测评装置。
然而，这些测试方法能够测量人体静态情况下消防服的热防护性能，但是均未考虑人体运动对消防服热防护性能测评的影响。在消防灭火与紧急救援工作中，工作人员往往处于运动的状态，着装人体与热源之间的相对距离并非是恒定值，热暴露距离的变化将影响环境热量向人体的传递效率，从而改变消防服的热防护性能。同时，人体运动将改变服装的形态、带动周围空气的流动，从而产生强迫对流传热，影响服装表面与衣下空气层的热传递。因此，在静态热暴露条件下，目前的实验装置无法准确地评估热灾害环境下消防员的安全风险，也难以评价消防服在人体运动情况下的热防护性能，主要是缺少一种可以模拟人体运动的织物样品传送装置。由此可见，迫切需要发明一种用于人体运动下消防服热防护性能评价的仪器，更加真实地反映热灾害环境下消防服的热防护水平。
发明内容
本发明的目的是：提供一种能够对人体运动状态下消防服的热防护性能进行评价的设备。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种测试人体运动下消防服热防护性能的仪器，其特征在于，包括总支架、热源模拟器、织物试样架、试样推车、空气层模拟器、动态样品传送驱动装置、皮肤温度模拟单元、传感单元及数据采集分析系统，其中：
总支架用于固定热源模拟器、动态样品传送驱动装置及试样推车轨道；
热源模拟器用于产生向试样推车所在方向辐射的热源；
试样推车设于试样推车轨道上，由动态样品传送驱动装置驱动试样推车沿试样推车轨道向靠近热源模拟器的方向以及远离热源模拟器的方向来回运动，将试样推车的运动方向定义为前、后方向，并将靠近热源模拟器的方向定义为前，将远离热源模拟器的方向定义为后；
织物试样架设于试样推车上，且织物试样架在试样推车上可前、后移动，通过移动并锁紧织物试样架使得待测试的织物被夹持在织物试样架与空气层模拟器之间，织物试样架、待测试的织物及空气层模拟器由前至后依次布置；
空气层模拟器可拆卸地设置于试样推车上，通过使用不同厚度的空气层模拟器模拟不同厚度的空气层，实现空气层厚度的调节；
空气层模拟器的后侧设有可拆卸的皮肤温度模拟单元，由皮肤温度模拟单元模拟人体皮肤温度；
传感单元用于采集皮肤温度模拟单元的温度，将实时获得的温度数据发送给数据采集分析系统；
数据采集分析系统依据实时获得的温度数据进行皮肤烧伤分析。
优选地，所述织物试样架及所述空气层模拟器均为内部开口的框型结构，且所述织物试样架的内部开口与所述空气层模拟器的内部开口面积相等且位置相对。
优选地，所述热源模拟器包括设置在所述总支架上固定凹槽及固定在固定凹槽内的辐射板，辐射板为远红外线陶瓷辐射板，有效辐射面积为120mm×120mm，产生热通量的大小为0kW/m2-21 kW/m2，通过控制加热功率调节辐射热通量大小。
优选地，所述皮肤温度模拟单元包括固定在所述试样推车上的传感器基座、散热管道及恒温水箱；所述传感单元包括水冷传感器；水冷传感器设于传感器基座内，水冷传感器通过散热管道与恒温水箱相连接，散热管道与恒温水箱内部通有恒温循环流动水，循环流动水的水温恒定在32.5+1℃。
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：本发明设计了一种测试人体运动下消防服热防护性能的仪器，能够根据预设的人体运动状态，调节织物试样架、传感器基座与热源模拟器之间的距离，从而突破传统静态热防护性能测试的局限性，更加符合实际地评价消防服在热灾害环境下的热防护性能；发明的动态样品传送装置包括试样推车、转动曲轴与调速发动机，不仅能够模拟人体与热源距离的变化，还能够模拟人体在热暴露中的相对移动速率，从而能够用于研究人体热暴露距离、运动速率对消防服热防护性能的影响，弥补了现有消防服热防护性能测评装置的局限性，对于研发热防护新型材料、科学筛选合适的热防护装备，提高消防作业的安全性具有非常重要的意义。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
其中：1为总支架，2为推车轨道，3为辐射板，4为固定基座，5为试样推车，6为推车定向轮，7为织物试样架，8为全螺纹螺钉，9为螺母，10为外层织物，11为防水透气层织物，12为隔热层织物，13为空气层模拟器，14为传感器基座，15为水冷传感器，16为数据采集卡，17为计算机，18为连杆，19为曲轴轴承，20为转动曲轴，21为转动飞轮，22为可调速发动机。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。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所示的一种测试人体运动下消防服热防护性能的仪器，包括总支架1、热源模拟器、织物试样架7、试样推车5、空气层模拟器13、动态样品传送驱动装置、皮肤温度模拟单元、传感单元及数据采集分析系统。
总支架1上固定了热源模拟器、动态样品传送驱动装置及试样推车轨道2。热源模拟器包括固定凹槽4与辐射板3，辐射板3为远红外线陶瓷辐射板，有效辐射面积为120mm×120mm，能够产生热通量的大小为0kW/m2-21 kW/m2，可通过控制加热功率调节辐射热通量大小。
试样推车5位于试样推车轨道2上，由动态样品传送驱动装置驱动试样推车5沿试样推车轨道2向靠近热源模拟器的方向以及远离热源模拟器的方向来回运动。将试样推车5的运动方向定义为前、后方向；并将靠近热源模拟器的方向定义为前，将远离热源模拟器的方向定义为后。
本实施例中，动态样品传送驱动装置包括为连杆18、曲轴轴承19、转动曲轴20、转动飞轮21、可调速发动机22。连杆18一端连接试样推车5，另一端连接曲轴轴承19，曲轴轴承19与转动曲轴20相连。可调速发动机22经由转动飞轮21驱动转动曲轴20旋转，旋转的转动曲轴20通过连杆18带动试样推车5沿试样推车轨道2前、后往复运动。可调速发动机22设有三级转速，分别为10r/min、20r/min和30r/min，实现试样推车5的前后移动，模拟作业人员在热灾害环境下参与救援、灭火等来回作业的过程。
试样推车5上从前往后依次设有可前后移动的织物试样架7、可拆卸的空气层模拟器13及可拆卸的皮肤温度模拟单元的传感器基座14。
织物试样架7为内部开口的框型结构，外横截面积为150mm×150mm，内开口面积为100mm×100mm，可沿试样推车5前、后移动。织物试样架7内部由前往后依次为外层10、防水透气层11、隔热层织物12，利用全螺纹螺钉8与螺母9将织物试样架7与各层织物固定。
空气层模拟器13为内部开口的框型结构，采用聚四氟乙烯制成，空气层模拟器13内开口的大小与织物试样架7的内开口相等且对应设置，内开口面积为100mm×100mm。通过使用不同厚度的空气层模拟器13模拟3cm、6cm、9cm、12cm、15cm、18cm、21cm、24cm厚度的空气层，实现空气层厚度的调节。
皮肤温度模拟单元包括传感器基座14、散热管道与恒温水箱。传感单元包括水冷传感器15。传感器基座14内设有水冷传感器15，水冷传感器15通过散热管道与恒温水箱相连接。散热管道与恒温水箱内部通有恒温循环流动水，循环流动水的水温恒定在32.5+1℃，主要为了模拟人体皮肤温度，同时避免传感器基座14温度过高。数据采集分析系统包括数据采集卡16、计算机17，水冷传感器15依次与数据采集卡16、计算机17连接。数据采集卡16为NI公司的PCI-6251多功能、多通道DAQ数据板卡。计算机17上设有预先编制的数据采集软件，通过皮肤烧伤分析系统，能够计算皮肤发生二级与三级烧伤的时间。
不难发现，本发明的优选与现有实验装置不同之处在于通过设计动态样品传送装置，能够改变织物样品、水冷传感器在热灾害暴露中与热源之间的相对距离，而且能够通过调节调速发动机，实现织物样品与水冷传感器在热灾害暴露中的来回移动，模拟作业人员在热灾害环境下执行任务的运动状态，对于更加准确地评测热灾害环境条件下消防服的热防护性能，保护消防工作人员的身心健康与生命安全，以及提高消防作业的效率都具有非常重要的现实意义。另外，本发明还具有成本低、操作安全方便等优点。