消防服热防护性能检测用热传感器的研究

消防服热防护性能检测用热传感器的研究*

顾娟(上海理工大学机械工程学院,上海,200093)

胡兆燕钱锋(上海理工大学医疗器械学院,上海,200093)

摘要:叙述了消防服热防护性能检测对热传感器的具体要求,对四种应用在该领域的热传感器进行了比较和分析,概述其性能和特点。

关键词:热传感器,热防护性,消防服,检测,热电偶

中图分类号:TN101192319文献标识码:A文章编号:1004-7093(2007)12-0041-04

0引言

消防队员要面对许多不同的热环境,有可能是很危险的高温环境。这种环境可能会导致消防人员严重皮肤烧伤甚至危及生命。研究表明,消防队员在高达4@104J/(m2#s)的热流量的环境下只能暴露很短的时间[1]。保护消防队员的消防服须具有良好的热防护性能,消防服的热防护性能需经过相关检测。目前,国外已经成功研制开发了整体消防服热防护性能检测系统。本文叙述了消防服热防护性能检测对热传感器的具体要求,对四种应用在该领域的热传感器进行了比较和分析,概述其性能和特点。

1热传感器的要求

消防服热防护性能检测系统可配置多种热传感器。热传感器的一个关键在于预测暴露在火场环境下的人体皮肤组织的烧伤程度。美国北卡罗莱纳州大学已经成功开发了评价人体皮肤组织烧伤程度的实验装置系统。一个模拟人身着热防护服暴露在火场环境下,测量其皮肤表面的热流

*基金项目:上海市重点学科建设资助项目(p0502);上海市教委科研项目(05EZ56)

收稿日期:2007-03-29

作者简介:顾娟,女,1981年生,在读硕士研究生。主要研究消防服热防护性能的检测方法。量,输入计算机系统计算出导致的皮肤烧伤程度。在模拟人的皮肤表面分布着122个热传感器。改变热流量和暴露时间,可以模拟不同的火场环境。这些热传感器提供的信息,对于暴露在火场环境下的整体防护服的热防护性能的评价非常重要。消防人员要面临不同的热环境,可能导致不同程度的烧伤甚至死亡,所以在不同的热流量环境下准确测量热流量是非常重要的[2]。

皮肤的烧伤程度主要是由皮肤表面的热流量强度和暴露时间决定的[3]。因此,在预测皮肤烧伤时,准确测量皮肤表面的热流量相当重要。热流量的读数是由热源以及传感器的热导率和表面温度决定的。因此,热传感器的选择很重要,不合适的热传感器可能导致错误的结果。为了评价不同热传感器的性能,有必要做工程设计分析。

包括美国军方和杜邦公司共同研制的高温及高热环境中热防护织物热防护性能检测方法即TPP检测、模拟人的检测,作为评价织物整体热防护性能的工具,热传感器都有一定的应用市场。消防服热防护性能检测系统对热传感器一般有如下要求[1]:

(1)热传感器必须轻巧方便,可用于重复性实验。

(2)热传感器必须非常准确,可以同时测量热对流和热辐射,测量范围为0~1.05@105J/(m2#s)。

(3)热传感器输出信号必须清楚,不受外界光磁的干扰,可以很准确地转换为皮肤烧伤模型。

(4)对数据采集热传感器必须快速反应。热

)

41

)

传感器灵敏度必须相当高,即使是传感器的热量泄漏或在传感器内部的热滞留,微小的变化也能检测出来。传感器的设计应尽量减小在重复性实验中热能的滞留,热滞留会导致测量的不准确性,特别是在高热流量条件下。

2 热传感器的比较

表面热流量测量装置的多样性使得热传感器的选择多样化,包括热电堆式传感器,金属片式或热量式热流计,薄膜式传感器,薄板式传感器和悬空片热电偶传感器

[4]

。到目前为止,对于模拟皮

肤热传感器的类型和使用并没有完整的标准体系。根据应用仪器要求,实验中选取了4种不同的热传感器进行比较。由于TPP 检测的可靠性和长期的使用经验,所以我们选取TPP 铜片热流计传感器作为其他三种传感器的参考。以下简介所选热传感器。

211 TPP 铜片热流计传感器

在消防服的热防护性能检测中TPP 铜片热流计传感器(图1)被广泛运用。它可靠性好,传热性能也很好。该传感器是由一个直径4c m 、厚0.16c m 的圆铜片组成。厚度的选择基于当暴露在同一热流环境下,传感器的温升与皮肤组织的温升相似。传感器的厚度决定了铜片的质量,对于给定

热流量铜片的质量又决定了铜片的温升。

图1 T PP 铜片式热流计传感器

研究表明

[1]

,在暴露同一热环境下,0.16c m

厚的热传感器与人体皮肤温升相似,这是非常重要的。因为为了在热源和接收器之间获得相同的温差,传感器就相当于皮肤。传感器铜片直径的选择决定于测试样本的大小,所以实际应用中结构略有不同。直径的选择也需考虑通过织物的热传递。传感器的接触面积比试样小,为了防止样本被冷却,整个铜片安装在绝热盒中。4个J 型热电偶安装在铜片上,1个在中心位置,四周均匀分布3个(即120b 的间隔),这样传感器可以感应出铜片的任何温度变化。热电偶平行排列,取4个热电偶的电压平均值。热电偶的定位是为了覆盖整个传感器表面。热电偶导线采用30G 型号的导线,这样既满足测量要求,也可尽量减少热损失。热电偶连

有输出导线,位于绝热盒的后面。热流计的表面被涂黑,以模拟人体皮肤的辐射系数。212 绝热铜片传感器

美国北卡罗莱纳州大学材料防护和舒适研究中心开发了绝热铜片传感器(图2)。这种绝热铜片传感器有一个薄铜片,直径1.27c m,厚0.15c m ,被一个薄的铜环径向包围。为了减小绝热铜片传感器的热损失,铜片和铜环放在绝热盒中。在铜片表面,存在一个绝热空气层。在铜片的上面有一个T 型的热电偶,整个组合都在绝热盒中。这种传感器的主要优点是简单,体积小,操作方便,相当牢固,

可以测量热泄露。

图2 绝热铜片传感器

热电偶与绝热铜片的固定符合美国材料实验标准(ASTMD4108-87)的要求,在铜片的后表面绝热盒上钻一个直径1.19mm 的孔,孔深1.02mm,底面平整,安装一个30G 型号导线的T 型热电偶,通过18G 型号导线固定铜片位置。由于插入的

18G 型号导线的压力使铜片和热电偶之间接触更紧密。正常连线后,把一根3.18mm 长的热收缩管套在热电偶导线上,起保护作用。利用三个钉子把铜片和铜环固定在绝热盒中。尽量减小铜片和铜环的接触面积以便减少铜片损失的热能。整个结构通过螺母、锁紧垫圈固定。传感器的前表面涂0.025~0.038mm 厚的低光、高温度的黑搪瓷,目

)

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的是保护表面并且提高辐射系数接近1.0。外壳层保护绝热盒并且固定铜片,外壳表面是由热固性塑料构成,用来模拟人体皮肤,与下面介绍的嵌入

式热电偶传感器一样。

表1是TPP 铜片热流计传感器与绝热铜片传感器各参数的比较。

表1 TPP 铜片热流计传感器与绝热铜片传感器各参数的比较

传感器类型质 量/g 面 积/c m 2辐射系数厚度因子传热系数/J #c m -2#s -1#K -1

比热容/J #kg -1#K -1

T PP 铜片热流计传感器17.8912.560.95--0.39@103绝热铜片传感器

1.31

0.99

0.95

1.04

0.015

0.39@103

213 嵌入式热电偶传感器

这种传感器将T 型热电偶放置距热固性塑料前表面0.127mm 的位置,传感器的厚度必须大于0.635c m,这样后面的温度条件不会影响前表面的测量结果。这种传感器是由热固性塑料构成,铸模成一个小型的固体圆柱片,这种塑料必须有与未烧伤的皮肤相似的热惰性。在这种嵌入式热电偶传感器中,热电偶的触头的精确定位是非常重要的,因为皮肤烧伤程度与皮肤结构的深度有关。嵌入式热电偶传感器如图3

所示。

图3 嵌入式热电偶传感器

214 表面热电偶传感器

热电偶安放在表面的传感器是皮肤模拟热流计传感器,其壳体由一种包括钙、铝、硅的石棉纤维和粘合剂的无机混合物构成(图4),其材料的热性能和物理性能相当于人体皮肤,有些性能并非与表皮和真皮层完全吻合,如表2所示。

一个T 型热电偶安装在传感器的表面。传感器的中心轴有孔,让热电偶导线插入传感器内部

,

图4 表面热电偶传感器

表2 无机混合物与人体皮肤性能比较

性 能

人 体 皮 肤

表 皮

真 皮

无机混合物

导热系数/J #c m -1

#s -1

#e -1

0.225@10

-2

0.523@10

-2

0.97@10-2

密度/kg #m

-31200

12001877比热容/J #kg

-1#K

-1

3598

3222

1205

利用苯酚胶粘剂将热电偶导线固定在表面。这种胶粘剂可以在370e 高温下短期工作,使得传感器能够暴露在高温火场中。这种传感器长32mm,直径19c m,长度的选择是由于方便,因为该无机物来自32mm 厚的板,直径的选择是为了让固定在表面的热电偶有足够大的表面积,有助于减小连接处的热损失。

3 分析讨论

在消防服等热防护性能的检测中,绝热铜片传感器是最可靠的多功能热传感器。实验表明

[1]

绝

热铜片传感器的读数最稳定,反应迅速,重复性最好,测试范围最大,与TPP 铜片热流计传感器相似。同时,这种传感器体积较TPP 传感器小,它所占空间相对TPP 铜片热流计小得多,它还有一个优点就是质量(1.3g )比TPP 铜片热流计传感器(17.9g)小得多,这是很重要的,因为质量小热损失少,有助于减少热传感器与测试样本的间隙。

据分析

[1]

,在热流量为8.4@104J/(m 2

#s)的

高热环境下,上述的后两种传感器的平均反应速度比绝热铜片传感器要慢,表面热电偶传感器尤其明显。这可能是由于热电偶触头在绝热材料的里面,这样使得一些辐射能在传感器表面流失。嵌入式热电偶传感器的测量结果个体差异较大,可能是由

于热电偶触头的位置不一致而引起的差异。

)

43)

表34种传感器的比较

传感器类型结构说明优/缺点

TPP铜片热流计传感器铜片热流计

d s=4.0c m,L=0.16c m,

d=4.0c m,b=0.16c m

m=17.89g

4个J型热电偶

优点:

-反应迅速,反应时间为

0~3s;

-持久耐用;

-测量准确,误差不大于

6%,重复性好;

-可以较长时间暴露在

高热流量的环境下;

-误差小

缺点:

-未知的传感器热泄漏

绝热铜片传感器铜片热流计

d s=2.63c m,L=2.66c m,

d=1.27c m,b=0.15c m

m=1.31g

1个T型热电偶

优点:

-反应迅速,反应时间为

0~3s;

-持久耐用;

-测量准确,误差不大于

4%,重复性好;

-暴露时间长;

-误差小;

-可知的传感器热泄漏

嵌入式热电偶传感器d s=2.6c m,L=2.7c m

1个T型热电偶

优点:

-反应较快,反应时间为

0~4s;

-误差较小,误差不大于10%

缺点:

-耐用性差;

-热电偶触头的定位不

准确会引起误差,个体

差异较大;

-由于连续、多次的测

试,塑料外壳会裂开

表面热电偶传感器热电偶在传感器表面

d s=1.9c m,L=3.2c m

1个T型热电偶

优点:

-低热流量下反应迅速

缺点:

-高热流量环境反应较

慢;

-耐用性差;

-暴露的热电偶易损坏

注:d

s

)))热流计的直径,L)))热流计的长度;d、b、m)))热流计中铜片的直径、厚度和质量。各传感器的具体比较如表3所示。

4结语

现在用于消防服等热防护性能检测的热传感器种类很多,这些传感器有一个共同的缺点,就是在高热流量环境下长时间的暴露都会受损,有待于传感器研究开发和生产制造人员予以克服。随着电子技术的发展和各学科研究的深入,热传感器和热测量技术也将不断发展,将生产和制造出更好的传感器,促进消防服热防护性能检测水平不断提高。

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Researc h of thermal sensors used i n firefi ghter c s cl othi ng

t herm al protecti ve perf ormance test

Gu Juan(College ofM echan icalE ngi neeri ng,U nivers it y of Sh anghai for Science and Tec hno l ogy)

H u Zhaoyan,Qian F eng(C ollege ofM ed ical I n strum entation,U n i vers it y of Shanghai for S ci ence and Tec hno l ogy)

Abst ract:Th is paper narrates delicate requests o f t h er m a l sensors used i n firefi g h ter pr o tective c l o thing t h er m a l pr o tective perfo r m ance tes,t and co m pares four t h er m a l senso rs used in th is area,then lists out t h e ir

perfor m ance and features respectively,a t l a st g ives prospects.

K eywords:ther m al sensors,t h er m a l protective perfor m ance,firefi g h ter protection cloth i n g,tes,t ther m ocouples )

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