鋪地材料燃燒性能試驗(yàn)設(shè)備輻射性能校準(zhǔn)方法的研究

劉 萍，陳 玲，王孔祥，林景星，林品云

（福建省計(jì)量科學(xué)研究院，福建 福州 350003）

1 概述

鋪地材料燃燒性能試驗(yàn)設(shè)備被采用于輻射熱源法在受控試驗(yàn)條件下測試并評定如紡織地毯、軟木板、木板、橡膠板和塑料地板及地板噴涂材料等鋪地材料的燃燒性能。

試驗(yàn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其工作原理是在燃燒試驗(yàn)箱中，用小火焰點(diǎn)燃水平放置并暴露于傾斜的熱輻射場中的鋪地材料，從而評估其火焰?zhèn)鞑ツ芰Α?/p>

圖1 試驗(yàn)設(shè)備示意圖

2 鋪地材料燃燒試驗(yàn)設(shè)備的校準(zhǔn)

2.1 校準(zhǔn)項(xiàng)目與校準(zhǔn)設(shè)備

通過對鋪地材料燃燒試驗(yàn)設(shè)備使用技術(shù)性能的分析研究，確定出校準(zhǔn)項(xiàng)目為輻射通量示值誤差、輻射板輻射溫度示值誤差和輻射板輻射溫度穩(wěn)定性，其校準(zhǔn)采用的主要標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備：

熱通量計(jì)：測量范圍（0～15）kW/m2，最大允許誤差為±3%，直徑25mm。

輻射溫度計(jì)：測溫范圍（400～1000）℃，最大允許誤差為±0.5%，響應(yīng)波長（1～9） 。

2.2 鋪地材料燃燒試驗(yàn)設(shè)備校準(zhǔn)

鋪地材料燃燒試驗(yàn)設(shè)備校準(zhǔn)位置的選取：校準(zhǔn)板由厚度（20±1）mm，密度（850±100）kg/m3無涂覆層的硅酸鈣板制成，尺寸為長度（1050±20）mm、寬度（250±10）mm。沿著中心線從試件零點(diǎn)開始，在110mm、210mm、310mm、……，直到910mm的位置開有直徑（26±1）mm的圓孔，即為校準(zhǔn)位置。（如圖2所示）

圖2 校準(zhǔn)位置示意圖

接通試驗(yàn)設(shè)備的電源，點(diǎn)燃輻射板，讓裝置預(yù)熱，調(diào)節(jié)燃?xì)夂涂諝獾牧髁?，?小時(shí)內(nèi)輻射板溫度波動(dòng)不超過±5℃。

用熱通量計(jì)在校準(zhǔn)板410mm的位置測量輻射通量。插入熱通量計(jì)，讓熱通量計(jì)探測表面與校準(zhǔn)板表面平行并高出（2～3）mm，30s后讀數(shù)。如果該點(diǎn)的測量值不符合輻射通量（5.1±0.2）kW/m2，則需要調(diào)節(jié)供給輻射板的燃?xì)夂涂諝獾牧髁浚€(wěn)定至少10min后再進(jìn)行測量，直到試驗(yàn)結(jié)果符合要求。

依次在每個(gè)孔中插入熱通量計(jì)，起始點(diǎn)為110mm，終點(diǎn)為910mm，最后在410mm點(diǎn)再測量輻射通量，每個(gè)點(diǎn)的測量均應(yīng)確保熱通量計(jì)的探測表面與校準(zhǔn)板表面平行并高出（2～3）mm，30s后讀數(shù)。測量值均應(yīng)符合表1的規(guī)定，并按式（1）計(jì)算輻射通量示值誤差。

表1 輻射通量示值及示值誤差

移走校準(zhǔn)板，關(guān)閉樣品進(jìn)出門。用輻射溫度計(jì)測量輻射板中心的溫度，同時(shí)記錄輻射板的顯示溫度，在30min內(nèi)，每3min測量1次，連續(xù)記錄10次。按式（2）和式（3）分別計(jì)算輻射板輻射溫度示值誤差和輻射板輻射溫度穩(wěn)定度。

測量結(jié)束后記錄下燃?xì)夂涂諝獾牧髁恐怠?/p>

2.3 校準(zhǔn)結(jié)果數(shù)據(jù)處理

2.3.1 輻射通量示值誤差的計(jì)算

式中：

?Fi——在校準(zhǔn)板第i點(diǎn)位置的輻射通量示值誤差，kW/m2；

Fi——在校準(zhǔn)板第i點(diǎn)位置的輻射通量值，kW/m2；

F標(biāo)——在校準(zhǔn)板第i點(diǎn)位置的輻射通量標(biāo)稱值，kW/m2。

2.3.2 輻射板輻射溫度示值誤差的計(jì)算

式中：

?t——輻射板的輻射溫度示值誤差，℃；

——輻射板的顯示平均值，℃；

——標(biāo)準(zhǔn)輻射溫度計(jì)測量的輻射溫度平均值，℃；

?t修——輻射溫度的修正值，℃。

2.3.3 輻射板輻射溫度穩(wěn)定性的計(jì)算

式中：

?T——輻射板中心在規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi)的變化量，℃；

——輻射板中心在規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi)的實(shí)測最大輻射溫度，℃；

Tmin——輻射板中心在規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi)的實(shí)測最小輻射溫度，℃。

3 鋪地材料燃燒性能試驗(yàn)設(shè)備校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度評定

（1）鋪地材料燃燒性能試驗(yàn)設(shè)備輻射通量示值誤差校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度評定。

標(biāo)準(zhǔn)器采用熱通量計(jì)，測量范圍（0～15）kW/m2，最大允許誤差為±3%FS，直徑25mm。被校準(zhǔn)的試驗(yàn)設(shè)備型號(hào)為PZF-1，顯示分辨力為0.1℃。

接通試驗(yàn)設(shè)備的電源，點(diǎn)燃輻射板，讓裝置預(yù)熱，調(diào)節(jié)燃?xì)夂涂諝獾牧髁?，?小時(shí)內(nèi)輻射板溫度波動(dòng)不超過±5℃。

以校準(zhǔn)板410mm的位置為例，對試驗(yàn)設(shè)備輻射通量示值誤差校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度進(jìn)行評定。

測量模型按公式（1）。不確定度分量主要來源是：標(biāo)準(zhǔn)器的示值誤差、測量重復(fù)性、測量儀器顯示分辨力和標(biāo)準(zhǔn)器探測表面的測量位置。

①標(biāo)準(zhǔn)器的示值誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1

標(biāo)準(zhǔn)器的示值誤差按均勻分布處理，則：

②測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u2

在校準(zhǔn)板410mm的位置進(jìn)行10次獨(dú)立重復(fù)測量，得到測量結(jié)果（kW/m2）：5.0，5.1，5.0，4.9，5.1，5.1，5.1，5.0，4.9，4.9。則單次測量實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差為：n

所以測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度：③測量儀器顯示分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u3測量儀器顯示分辨力為0.1kW/m2，區(qū)間半寬為0.05 kW/m2，按均勻分布處理，則：

該分量小于重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量，可以不予考慮。

④標(biāo)準(zhǔn)器探測表面的測量位置引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u4

按要求，測量時(shí)標(biāo)準(zhǔn)器探測表面與校準(zhǔn)板平行并高出（2～3）mm，估計(jì)該項(xiàng)影響量為0.1kW/m2，區(qū)間半寬為0.05 kW/m2，按均勻分布處理，則：

計(jì)算合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc( ?Fi)，由于輸入量之間彼此獨(dú)立不相關(guān)，因此合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

確定擴(kuò)展不確定度U，取包含因子k=2，則試驗(yàn)設(shè)備輻射通量示值誤差校準(zhǔn)結(jié)果的擴(kuò)展不確定度為：

分辨力為0.1℃的試驗(yàn)設(shè)備在校準(zhǔn)板410mm的位置時(shí)，其示值誤差的校準(zhǔn)結(jié)果擴(kuò)展不確定度

（2）鋪地材料燃燒性能試驗(yàn)設(shè)備輻射溫度示值誤差校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度評定。

標(biāo)準(zhǔn)器采用輻射溫度計(jì)，測溫范圍（300～1000）℃，最大允許誤差±0.5%讀數(shù)。被校準(zhǔn)的試驗(yàn)設(shè)備型號(hào)為PZF-1，顯示分辨力為0.1℃。

待試驗(yàn)設(shè)備輻射板預(yù)熱到設(shè)定溫度，并穩(wěn)定半小時(shí)后，用輻射溫度計(jì)測量輻射板中心的溫度，記錄讀數(shù)，同時(shí)記錄輻射板的顯示溫度。對試驗(yàn)設(shè)備輻射溫度示值誤差的校準(zhǔn)結(jié)果不確定度進(jìn)行評定。

測量模型按公式（2）。不確定度分量主要來源是：示值測量重復(fù)性、儀器顯示分辨力、標(biāo)準(zhǔn)器的測量位置和輻射溫度的修正值。

①示值測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1

輻射板溫度恒定時(shí)，進(jìn)行10次獨(dú)立重復(fù)測量，從試驗(yàn)設(shè)備顯示儀表上讀取數(shù)值（℃）：501.2，501.9，501.7，502.5，502.4，502.9，502.7，503.1，503.3，503.0。則單次測量實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差為：

所以示值測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

②儀器顯示分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u2

儀器顯示分辨力為0.1℃，區(qū)間半寬為0.05℃，按均勻分布處理，則：

該分量小于重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量，可以不予考慮。

③標(biāo)準(zhǔn)器的測量位置引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u3

由于標(biāo)準(zhǔn)器的測量位置與試驗(yàn)設(shè)備的輻射高溫計(jì)的位置不重合，估計(jì)該項(xiàng)影響量為1℃，按均勻分布處理，則：

④輻射溫度的修正值引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u4

輻射溫度的修正值的擴(kuò)展不確定度估計(jì)不超過2℃，包含因子k=2。則：

計(jì)算合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc(?t)，由于輸入量之間彼此獨(dú)立不相關(guān)，因此合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

確定擴(kuò)展不確定度U，取包含因子k=2，則試驗(yàn)設(shè)備輻射溫度示值誤差校準(zhǔn)結(jié)果的擴(kuò)展不確定度為：

分辨力為0.1℃的試驗(yàn)設(shè)備在500℃時(shí) ，其輻射溫度示值誤差的校準(zhǔn)結(jié)果擴(kuò)展不確定度U=2.4℃，k=2。

（3）鋪地材料燃燒性能試驗(yàn)設(shè)備輻射溫度穩(wěn)定性的校準(zhǔn)結(jié)果不確定度評定。

標(biāo)準(zhǔn)器采用輻射溫度計(jì)，測溫范圍（300～1000）℃，最大允許誤差±0.5%讀數(shù)。被校準(zhǔn)的試驗(yàn)設(shè)備型號(hào)為PZF-1，顯示分辨力為0.1℃。

待試驗(yàn)設(shè)備輻射板預(yù)熱到達(dá)設(shè)定溫度，并穩(wěn)定半小時(shí)后，用輻射溫度計(jì)測量輻射板中心的溫度，在30min內(nèi)，每3min測量1次，連續(xù)記錄10次。對試驗(yàn)設(shè)備輻射溫度穩(wěn)定性的校準(zhǔn)結(jié)果不確定度進(jìn)行評定。

測量模型按公式（3）。不確定度分量主要來源是：標(biāo)準(zhǔn)器的示值重復(fù)性、標(biāo)準(zhǔn)器的短期穩(wěn)定性、標(biāo)準(zhǔn)器顯示分辨力。u

①標(biāo)準(zhǔn)器的示值重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度1

輻射板溫度恒定時(shí)，用標(biāo)準(zhǔn)輻射溫度計(jì)對同一位置的穩(wěn)定性進(jìn)行10次測量，得到單次測量實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差為：

所以標(biāo)準(zhǔn)器的示值重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

②標(biāo)準(zhǔn)器的短期穩(wěn)定性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u2

標(biāo)準(zhǔn)器的短期穩(wěn)定性（如30min）估計(jì)不超過1℃，區(qū)間半寬為0.5℃，按均勻分布處理，則：

③標(biāo)準(zhǔn)器顯示分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u3

標(biāo)準(zhǔn)器顯示分辨力為1℃，區(qū)間半寬為0.5℃，按均勻分布處理，則：

計(jì)算合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc( ?t) ，由于輸入量之間彼此獨(dú)立不相關(guān)，因此合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

確定擴(kuò)展不確定度U， 取包含因子k=2，則試驗(yàn)設(shè)備輻射溫度穩(wěn)定性校準(zhǔn)結(jié)果的擴(kuò)展不確定度為：

分辨力為0.1℃的試驗(yàn)設(shè)備在500℃時(shí) ，其輻射溫度穩(wěn)定性的校準(zhǔn)結(jié)果擴(kuò)展不確定度U=1.8℃，k=2。

4 結(jié)束語

文章通過對鋪地材料燃燒性能試驗(yàn)設(shè)備輻射性能的校準(zhǔn)所采用的校準(zhǔn)設(shè)備、校準(zhǔn)項(xiàng)目、校準(zhǔn)方法及校準(zhǔn)結(jié)果不確定度評定進(jìn)行分析探討，分別對鋪地材料燃燒性能試驗(yàn)設(shè)備的輻射通量示值誤差、輻射板輻射溫度示值誤差、輻射板輻射溫度穩(wěn)定性等校準(zhǔn)項(xiàng)目和校準(zhǔn)方法研究，并對鋪地材料燃燒性能試驗(yàn)設(shè)備輻射通量示值誤差、輻射溫度示值誤差、輻射溫度穩(wěn)定性提供校準(zhǔn)結(jié)果不確定度分析評定，為福建省企事業(yè)單位鋪地材料燃燒性能試驗(yàn)設(shè)備輻射性能量值溯源提供有效的技術(shù)依據(jù)。

[1]GB/T11785-2005 鋪地材料的燃燒性能測定 輻射熱源法[S].

[2]JJF 1059.1-2012測量不確定度評定與表示[S].