一、锥形量热仪简介： 

锥形量热仪(Cone Calorimeter,简称CONE)是美国国家标准与技术研究院 (National Institute of Standards and Technology,简称NIST,原美国国家标准局, National Bureau of Standards,简称NBS) 的V. Babrauskas等人于1982年研制的, 是基于耗氧原理的材料燃烧性能测试仪器。经过20多年的不断改进和完善,锥形量热仪已经成为研究材料燃烧性能重要的试验仪器之一。

目前,表征材料燃烧性能的试验方法较多,如氧指数(LOI) 法、UL 标准中的水平燃烧、垂直燃烧法及NBS 烟箱法等。它们多是传统的小型试验方法,试验操作环境与真实火灾相差较大,试验获得的数据也只能用于一定试验条件下材料间燃烧性能的相对比较,不能作为评价材料在真实火灾中行为的依据，锥形量热仪法由于具有参数测定值受外界因素影响小,与大型实验结果相关性好等优点被应用于很多领域的研究。

锥形量热仪是以氧消耗原理为基础的，新一代聚合物材料燃烧性能测定仪,采用耗氧量原理测量材料的热释放速率。所谓耗氧量原理就是：材料燃烧时消耗每一单位的氧气所释放的热量基本是相同的。Hugget在1980年发表的文章指出建筑业和商业中普遍使用的大多数塑料和其他固体材料都遵循这个规律，并测出这个值为13.1MJ/kg±5%。在实验中将所有燃烧产生的烟气都收集起来并在排气管中经过充分混合后，的测出其质量流量和组分，同时将O2的浓度测出来，通过计算可得到燃烧过程中消耗的氧气质量，运用氧消耗原理，即可得到材料燃烧过程中的热释放速率，同时还能给出其它许多参数。

二、锥形量热仪可获取的试验参数：

由锥形量热仪获得的可燃材料在火灾中的燃烧参数有多种,包括释热速率(HRR) 、总释放热( THR) 、有效燃烧热(EHC) 、点燃时间( TTI) 、烟及毒性参数和质量变化参数(MLR) 等。

1.1、热释放速率(Heat Relea se Rate ,简称HRR)

HRR 是指在预置的入射热流强度下,材料被点燃后,单位面积的热量释放速率,HRR 是表征火灾强度的重要性能参数,单位为kW/m2 ; HRR 的值为热释放速率峰值( Peak of HHR ,简称pkHRR) ,pkHRR 的大小表征了材料燃烧时的热释放程度。HRR 和pkHHR 越大,财材料的烧烧放热量越大,形成的火灾危害性就越大。

1.2、总释放热(Total Heat Relea se ,简称THR)
THR 是指在预置的入射热流强度下,材料从点燃到火焰熄灭为止所释放热量的总和单位为MJ /m2 。将HRR 与THR 结合起来,可以更好地评价材料的燃烧性和阻燃性,对火灾研究具有更为客观、全面的指导作用。

1.3、质量损失速率(Ma s s Lo s s Rate ,简称MLR)
MLR 是指燃烧样品在燃烧过程中质量随时间的变化率,它反应了材料在一定火强度下的热裂解、挥发及燃烧程度。

1.4、烟生成速率( Smoke Produce Rate ,简称SPR)

单位为m2/ S ,即SPR =SEA/MLR式中SEA 为比消光面积(Specific Extinction Area) ,SEA表示挥发单位质量的材料所产生的烟,它不直接表示生烟量的大小,只是计算生烟量的一个转换因子SPR 被定义为比消光面积与质量损失速率之比。

1.5、有效燃烧热( Effective Heat Combustion ,简称EHC)
EHC 表示在某时刻t 时,所测得热释放速率与质量损失速率之比,它反应了挥发性气体在气相火焰中的燃烧程度,对分析阻燃机理很有帮助。

1.6、点燃时间(Time to Ignition ,简称TTI)
TTI 是评价材料耐火性能的一个重要参数(单位:S) ,它是指在预置的入射热流强度下,从材料表面受热到表面持续出现燃烧时所用的时间。TTI 可用来评估和比较材料的耐火性能。

1.7、　毒性测定
材料燃烧时放出多种气体,其中含有CO ,HCN ,SO2 ,HCl ,H2S 等毒性气体,毒性气体对人体具有极大的危害作用,其成分及百分含量可通过锥形量热仪中的附加设备收集分析。

三、锥形量热仪的构造：

锥形量热仪主要由燃烧室、载重台、氧分析仪、烟测量系统、通风装置及有关辅助设备等六部分组成。

1.1、燃烧室
截断锥形加热器、点火器、控制电路、挡风罩等构成了燃烧室。入射热流强度可根据不同的试验要求适当选择; 样品放在燃烧平台上由点火器点燃,燃烧产物由通风系统排走。

1.2 　氧分析仪
氧分析仪是CONE 的部分,它是一种高的气体分析仪,由氧分析仪可检验燃烧时通气管道中氧的的百分含量随时间的变化,进而由即时氧气浓度和氧耗原理测定出材料的燃烧放热情况。

1.3 　载重台
载重台是测定样品质量变化的装置,它可以准确记录样品在燃烧过程中的质量变化情况。燃烧时,样品放置于载重台的支架上。

1.4 　烟测量系统
在靠近燃烧室的通风管道中设有氦氖激光发射器、复杂的伪双电子束测量装置和热电偶等装置,以此可测定烟管道中烟的比消光面积(SEA) 。

1.5 　通风系统
通风系统是指样品燃烧后,将燃烧产物由燃烧室排出到大气中的装置。通风装置的通风性能要根据试验要求进行调节,气体流速应限制在一定范围之内,否则将影响试验结果。

1.6 　其它改进设备
根据不同需要,也可以添加其它分析装置,如进行燃烧产物成分分析时,可增加红外光谱分析装置;若测量样品中温度分布,须进行相应的热电偶或红外摄像装置改造。

1.7 　辅助设备
辅助设备中含有微机处理器、入射热流强度测量仪、除去CO2 及H2O(气) 的相应装置等。

四、锥形量热仪配置清单：

1. 锥形量热仪采用集成化设计，配备19寸分析柜以及17寸触摸屏工业电脑控制，设计结构更加合理以及简约；
2. 自动点火方式，便于记录点燃时间，同时测试时屏蔽罩可自动打开，配合10KV电火花点火自动点火，引燃挥发出的可燃性气体；
3. 0.63mw氦氖激光系统1套，硅光二极管接收方式，采用自动校准模式，可软件完成0%及100%的自动校准模式；
4. 可移动式钢化玻璃观测窗1套，便于用户观察测试，同时可保护测试人员安全；
5. 德国西门子O6E氧气分析仪1台，量程为0-25%，的响应速度，T90响应时间为1.5s；
6. 德国西门子U23非色散红外分析仪1台，CO2分析仪量程为0-10%，CO分析仪量程为0-1%；
7. 采用研华数据采集模块，采集及分析数据更为准确；
8. 美国AALBORG质量流量控制器装置，可数值化监控气体流量，便于设定5KW的甲烷燃烧热值，便于C-FACTOR数据的获取；
9. 配备美国MEDTHERM 水冷热流计1个，提供自循环冷却水源1套，用户无需外接水源；
10. 烟气处理系统1套，配备过滤系统，以及冷井装置1套，可为气体分析仪提供良好的预处理环境；
11. 2000g称重传感器，0.1g，用于测量材料的热失重性能；
12. 配备不锈钢试样夹5个，已经限制性框架装置，适用于不同的材料样品；
13. 甲烷校准燃烧器1个，用于C-系数的获取；
14. 5000W加热锥1个，PID温度控制模式，温度控制可达1度；
15. 微压差传感器1个，可配合节流孔板检测管道内风速；

16. 不锈钢吸风罩及排烟管路，配备烟气热电偶检测装置；

17. 配备离心风机装置，可抽取试验燃烧烟雾，并排至室外；
18. 配备标准软件测试系统，可提供中英文操作界面。

五、锥形量热仪符合的标准：

ASTM E 1354 、ASTM E 1740 、ASTM E 1550、ASTM D 5485 、ASTM D 6113、ISO 5660 Parts 1 and 2 、NFPA 271、NFPA 264 、CAN ULC 135 、BS 476 Part 15、GB/T 16172等测试标准

六、锥形量热仪标准技术参数：

1、锥形量热仪采用分柜式设计方式，分析柜可移动，既可应用于锥形量热仪测试使用，也可连接大型热释放速率测试系统，符合ISO 5660、ASTM E1354、GB/T 16172 等现行国内外测试标准。
2、集成测试机体和19英寸分析柜，内嵌PC型17英寸触摸屏电脑，用于整个控制和测试过程。
3、锥形加热器额定功率5000W，热输出量0～100 kW/m2，采用PID温度控制器控制，同时辐射锥可水平或垂直放置；
4、暴露试样表面的中心部位50X50mm的范围内，于中心处辐照偏差不超过±2%；
5、样品盒可放置100mm x 100mm x 50mm的样品；
6、样品称量范围 0～2000g；：0.1g；
7、点火系统带有安全切断装置的高压火花发生器，自动定位；
8、氧气分析 顺磁性氧气分析器，浓度范围0～25％，氧分析仪应呈线性响应，在30m in内漂移不得大于士50x10-6OO2，T90时间小于3秒
9、非色散红外线CO和CO2分析器 CO：0～1％；CO2：0～10％；
10、烟密度分析使用激光系统测量烟雾密度，系统由光电二极管、0.5mW氦氖激光器、主图形检波器和辅助图形检波器组成
11、排气系统由风机、集烟罩、风机的进气与排气管道及孔板流量计等所组成。排烟风机流量0～50g/s可调，0.1g/s；
12、环形取样器应装在距集烟罩685 mm处的进气管道内,取样器上应有12个小孔以均化气流组份，小孔与气流方向相反以避免烟灰沉积；
13、排气流量应通过测量风机上方350 mm处的锐缘孔板两侧的压差来确定，锐缘孔板的内径为57mm±1mm；
14、气流的温度应由直径为1.0mm-1.6 mm封闭节点的恺装热电偶或直径为3mm的暴露节点的恺装热电偶来测量，热电偶应安装于测流孔板上方100 mm处；
15、气体取样系统包括环形取样器、取样泵、过滤器、冷阱、废水排泄、水分过滤器和co2过滤器；
16、冷阱: 0~5度，隔膜泵，流量率:33 l/min，真空度: 700 ㎜Hg，压力: 2.5 bar；
17、控温仪应能在0-1000℃的范围内自动调节、控制温度，设定分辨力及控温均为士2度，且应带有热电偶的自动冷端补偿器。
18、应选用卡登型箔式(或热电堆式)热流计，设计量程0^100k W/m',辐射接收靶的直径为12.5 mm，表面覆有耐久的无光泽黑色涂层。辐射接收靶为水冷式。热流计的准确度为士3% ，重复性为士0.5%，附带可追溯至NIST的校准一份。
19、原厂配备便携式水冷却系统，当使用热流计时，用户无需外接自来水源和配备水管。
20、为了标定整个测试系统的响应，采用一个有方形开孔并且断面也为方形的黄铜管作为标定燃烧器
21、数据采集系统应能记录氧分析仪、孔板流量计、热电偶等仪器的输出。
22、配备软件操作系统，测试结果包含：热释放速率、烟道气体流速、C系数、试样点燃时间和熄灭时间、总耗氧量、总发烟量、质量损失速率、热释放总量、有效燃烧热、二氧化碳生成量及一氧化碳生成量。

七、锥形量热仪的 C-系数标定

通常在测试前，需要获得合理并具有重现性的C系数数值。

、前后两次C系数的标定，偏差小于5%，第二，C系数的数值位于0.035 至 0.045 中间，为有效，其中又以0.04 为优。

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