高溫氧指數(shù)測(cè)定儀的原理及總體設(shè)計(jì)方案

金富 白日昌 侯燁 劉惠婧 劉洋

摘? 要：通過(guò)對(duì)高溫環(huán)境下氧指數(shù)測(cè)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)的研究，并對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)和控制模組進(jìn)行模擬試驗(yàn)，最終確定了高溫氧指數(shù)測(cè)定儀的研究方向。設(shè)備熱源采用熱輻射的方式模擬高溫環(huán)境，氧氣、氮?dú)饣旌蠚怏w比例參數(shù)采用PID算法進(jìn)行優(yōu)化。并利用PLC單片機(jī)作為總控制單元完成環(huán)境溫度系統(tǒng)和氧氣、氮?dú)獾谋壤錃庀到y(tǒng)控制工作。通過(guò)以上研究力爭(zhēng)在試驗(yàn)系統(tǒng)的自動(dòng)控制和精確測(cè)量方面取得一定的突破。

關(guān)鍵詞：氧指數(shù)；PID；PLC單片機(jī)；自動(dòng)控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TP39；TH89? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）09-0075-04

Abstract： Through the research of the oxygen index measurement and test data in high temperature environment， and the simulation test of the detection system and control module， the research direction of the high temperature oxygen index tester is finally determined. The heat source of equipment uses heat radiation to simulate the high temperature environment， and the proportion parameters of oxygen and nitrogen gas mixture are optimized by PID algorithm. And the use of PLC Single-Chip Microcomputer as the overall control unit to complete the environment temperature system and oxygen， nitrogen proportional distribution system control work. Through the above research， this paper strives to make a certain breakthrough in the automatic control and accurate measurement of the test system.

Keywords： oxygen index; PID; PLC Single-Chip Microcomputer; automatic control

0? 引? 言

極限氧指數(shù)（Limited Oxygen Index， LOI）是模擬試樣能夠在氧氣、氮?dú)饣旌蠚饬鳝h(huán)境中持續(xù)燃燒所需的最低氧濃度。是判定紡織制品、塑料制品特別是苯板、擠塑板、酚醛板等保溫材料燃燒性能的關(guān)鍵指標(biāo)。LOI（%）越高也就是說(shuō)需要維持材料的持續(xù)燃燒需要更高的氧氣含量，代表材料的燃燒性能越優(yōu)。同樣的道理LOI（%）越低也就是說(shuō)在更低的氧氣濃度環(huán)境下試樣仍然可以持續(xù)燃燒，代表材料的燃燒性能越差。

1? 高溫氧指數(shù)測(cè)定的必要性

氧指數(shù)測(cè)定結(jié)果是判定材料燃燒性能等級(jí)的重要指標(biāo)，同時(shí)也是反映材料燃燒特性的直觀數(shù)據(jù)。不同類(lèi)型材料的氧指數(shù)測(cè)定結(jié)果易受到環(huán)境因素不同程度的影響。通過(guò)對(duì)苯板、擠塑板、酚醛板、無(wú)機(jī)玻璃等多種材料在不同環(huán)境下的氧指數(shù)測(cè)定數(shù)據(jù)分析可得，材料的氧指數(shù)測(cè)定結(jié)果易受到狀態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)間、樣品制備、設(shè)備操作等環(huán)境因素不同程度的影響。其中高溫環(huán)境對(duì)試樣的氧指數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)影響尤為關(guān)鍵。環(huán)境溫度較低時(shí)材料分子結(jié)構(gòu)不活躍，燃燒特性穩(wěn)定。相反當(dāng)環(huán)境升高時(shí)，材料的內(nèi)部分子活躍度提高，易于發(fā)生燃燒現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)材料的特性以及相關(guān)資料可知，以苯板為代表的EPS材料隨著溫度的上升其氧指數(shù)數(shù)據(jù)出現(xiàn)不同程度的下降[1]。B1級(jí)保溫材料的燃燒性能要求其氧指數(shù)測(cè)定結(jié)果應(yīng)不小于30%，但隨著環(huán)境溫度的上升，材料的氧指數(shù)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)不同程度的下降，甚至降到了標(biāo)準(zhǔn)值以下。以氧指數(shù)為31%的聚苯乙烯泡沫塑料為例當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，其氧指數(shù)數(shù)據(jù)降至30.2%將嚴(yán)重影響其燃燒性能判定。同時(shí)現(xiàn)階段常規(guī)使用的氧指數(shù)測(cè)定方法無(wú)法滿(mǎn)足高溫環(huán)境下特別是模擬當(dāng)材料燃燒周?chē)鷾囟拳h(huán)境發(fā)生變化時(shí)的燃燒性能。因此提出高溫氧指數(shù)測(cè)定儀的研制是十分必要的。聚苯乙烯泡沫塑料材料在不同環(huán)境溫度條件下的氧指數(shù)測(cè)定結(jié)果如圖1所示。

2? 高溫氧指數(shù)測(cè)定儀的基本組成部分

2.1? 氧氣、氮?dú)獗壤錃夥绞?/p>

高溫氧指數(shù)測(cè)定儀關(guān)鍵指標(biāo)是模擬特定的氧濃度環(huán)境，通過(guò)對(duì)高純氧氣和氮?dú)獾钠ヅ洌玫揭欢ㄑ鯘舛鹊脑囼?yàn)環(huán)境。因此穩(wěn)定、準(zhǔn)確的配置氣體方法對(duì)于試驗(yàn)本身是十分重要的。在試驗(yàn)過(guò)程中根據(jù)需要對(duì)氣體的氧濃度進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)調(diào)高的氧濃度時(shí)，需要提高氧氣供給流量，同時(shí)降低氮?dú)饬髁康墓┙o。同理當(dāng)調(diào)低的氧濃度時(shí)，需要降低氧氣流量的供給，同時(shí)加大氮?dú)饬髁康墓┙o。以上操作均要滿(mǎn)足總供氣壓力不變的前提下，對(duì)氮?dú)?、氧氣的供給進(jìn)行調(diào)節(jié)。在此過(guò)程中高溫氧指數(shù)測(cè)定儀需要調(diào)節(jié)氧氣和氮?dú)獾谋壤掷m(xù)不斷地按照統(tǒng)一的氣體流速將混合氣體注入燃燒筒?；旌蠚怏w氧濃度計(jì)算[2]：

CO表示氧、氮混合氣體中的氧濃度，單位為%；VO表示混合氣體中每單位體積的氧氣的體積；VN表示混合氣體中每單位體積的氮?dú)獾捏w積。

在混合氣體過(guò)程中如果使用的不是純氧，就要考慮混合氣體過(guò)程中混入其他氣體對(duì)氧濃度的影響。舉例當(dāng)使用氧濃度為99.3%的氧氣與氧濃度為0.2%的氮?dú)饣蚺c空氣進(jìn)行混合時(shí)，混合氣體氧濃度計(jì)算[2]：

CO表示氧、氮混合氣體中的氧濃度，單位為%；表示混合氣體中每單位體積的氧氣的體積； 表示混合氣體中每單位體積的空氣的體積； 表示混合氣體中每單位體積的氮?dú)獾捏w積。

2.2? 試件燃燒筒的設(shè)置方式

高溫氧指數(shù)測(cè)定是將試件在燃燒筒內(nèi)點(diǎn)燃，并根據(jù)實(shí)時(shí)的氧濃度數(shù)字以及試件的損毀長(zhǎng)度進(jìn)行氧指數(shù)判定。燃燒筒采用下寬上細(xì)的設(shè)計(jì)，目的是降低上方敞口處空氣倒灌的可能。高溫氧指數(shù)測(cè)定儀的燃燒筒是由兩個(gè)內(nèi)徑分別為75 mm和85 mm，高度均為500 mm，石英玻璃材質(zhì)的圓柱形耐高溫玻璃嵌套而成。內(nèi)徑75 mm的玻璃圓柱稱(chēng)為內(nèi)燃燒筒，內(nèi)徑85 mm的玻璃圓柱稱(chēng)為外燃燒筒。試驗(yàn)過(guò)程中內(nèi)燃燒筒內(nèi)通入特定氧濃度的氣體，支持試件的燃燒。內(nèi)、外燃燒筒之間的縫隙均勻纏繞功率為1 kW的電阻絲，由溫度控制模塊負(fù)責(zé)根據(jù)試驗(yàn)設(shè)置的溫度要求加熱電阻絲到指定溫度。溫控模塊內(nèi)置PID算法及自動(dòng)演算功能可自動(dòng)設(shè)置PID參數(shù)可使得混合氣體精確加熱到指定的試驗(yàn)溫度。在內(nèi)燃燒筒的中心位置設(shè)置一個(gè)K型測(cè)溫?zé)犭娕迹c溫度控制模塊形成控制回路。將測(cè)量溫度結(jié)果反饋給控制單元，由控制單元根據(jù)溫度設(shè)定值，改變功率值已到達(dá)實(shí)時(shí)精確控溫的作用。燃燒筒結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

3? 高溫氧指數(shù)測(cè)定儀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

傳統(tǒng)的氧指數(shù)測(cè)定儀設(shè)定氧氣濃度采用機(jī)械調(diào)節(jié)的方式，在設(shè)定管道氣體壓力和流速的前提下，通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)控制閥，對(duì)氧氣和氮?dú)獾牧魉龠M(jìn)行調(diào)節(jié)，已實(shí)現(xiàn)控制燃燒筒內(nèi)氧氣濃度的功能。本項(xiàng)目的研究目的不僅僅是給傳統(tǒng)的氧指數(shù)測(cè)定儀添加一個(gè)溫度控制環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的設(shè)備升級(jí)任務(wù)。而是致力于在試驗(yàn)高溫環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)可控的前提下，利用PID算法對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行線性校正，實(shí)現(xiàn)混合氣體氧濃度的全自動(dòng)精準(zhǔn)控制[3]，優(yōu)化原有的機(jī)械調(diào)節(jié)氧氣濃度的環(huán)節(jié)，減少在試驗(yàn)過(guò)程中誤差的產(chǎn)生并實(shí)現(xiàn)一定的人機(jī)交互功能，提高整個(gè)試驗(yàn)流程的自動(dòng)化和精準(zhǔn)化程度。高溫氧指數(shù)測(cè)定儀由氧氣、氮?dú)饣旌蠚怏w控制系統(tǒng)、燃燒筒溫度控制系統(tǒng)及上位機(jī)操作系統(tǒng)和信號(hào)處理系統(tǒng)組成。其中燃燒筒溫度控制系統(tǒng)和氧氣、氮?dú)饣旌蠚怏w控制系統(tǒng)分別使用PID溫度控制器和PLC單片機(jī)進(jìn)行控制，兩套系統(tǒng)互不干涉，各行其是，形成一套雙閉環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)。高溫氧指數(shù)測(cè)定儀設(shè)計(jì)原理框圖如圖3所示。

3.1? 氧氣、氮?dú)饣旌蠚怏w配氣設(shè)計(jì)方案

氧氣、氮?dú)饣旌蠚怏w控制系統(tǒng)利用PLC單片機(jī)分別控制兩套氣體流量傳感器和氣體流量控制器，氣體流量傳感器分別采集氧氣和氮?dú)廨斎霘怏w流量反饋至控制單元，控制單元根據(jù)設(shè)置的混合氣體目標(biāo)氧濃度值分別計(jì)算出氧氣和氮?dú)庠诨旌蠚怏w中的輸入流量，再將流量數(shù)據(jù)傳遞給氣體流量控制器，對(duì)氣體流量進(jìn)行再次分配，以達(dá)到調(diào)節(jié)混合氣體中氧、氮比例的作用[4]。這種方式可以有效地提高設(shè)備的自動(dòng)化程度，將原有的手動(dòng)機(jī)械調(diào)節(jié)方式轉(zhuǎn)換成數(shù)字控制模式。提高了設(shè)備氧氣濃度調(diào)節(jié)的精準(zhǔn)度。同時(shí)由于燃燒筒的上方是敞開(kāi)的，與空氣貫通，并有燃燒筒的下方供給特定氧濃度的試驗(yàn)氣體。因此如果不能保證一定的氣體流速，就會(huì)導(dǎo)致燃燒筒內(nèi)的氣流減慢，進(jìn)而使得燃燒筒上方的空氣倒灌，最終稀釋原有按比例設(shè)定的氧、氮?dú)饣旌蠚怏w的氧濃度，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果帶來(lái)一定的誤差[5]。

本系統(tǒng)選擇的氣體流量比例控制器采用的是由日本Klofloc公司開(kāi)發(fā)的3 000系列小型電磁比例閥，最大進(jìn)口壓力可達(dá)到1.0 Mpa；量程為10 LPM；供電電源可選直流24 V和12 V。氣體流量傳感器采用的是日本Klofloc公司最新開(kāi)發(fā)的EX250S-RJ系列質(zhì)量流量控制器，最大進(jìn)口壓力可達(dá)到1.0 Mpa；量程為10 SLM；供電電源可選直流24 V和12 V；支持RS485通信模塊；輸出信號(hào)支持?jǐn)?shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)。本項(xiàng)目使用的氣體流量控制器如圖4所示，氣體流量控制器如圖5所示。

3.2? 燃燒筒加熱設(shè)計(jì)方案

溫度控制單元采用測(cè)控回路的設(shè)計(jì)方案，即溫度控制器根據(jù)設(shè)定的升溫目標(biāo)值，調(diào)節(jié)輸出功率。同時(shí)系統(tǒng)將采集到的熱電偶溫度數(shù)據(jù)反饋至溫度控制單元。溫度控制單元再根據(jù)溫度數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)輸出的電功率。因?yàn)楦邷匮踔笖?shù)測(cè)定儀的燃燒筒上方是敞開(kāi)的因此在給燃燒筒加溫過(guò)程中熱量一方面會(huì)沿上方開(kāi)口擴(kuò)散，另一方面一部分空氣會(huì)進(jìn)入燃燒筒內(nèi)，進(jìn)而影響熱電偶反饋給溫度控制器的溫度數(shù)據(jù)。因此要維持燃燒筒內(nèi)加熱溫度的精確穩(wěn)定，固定的功率輸出是無(wú)法完成的。需要在加溫過(guò)程中根據(jù)實(shí)時(shí)溫度變化改變輸出功率達(dá)到自適應(yīng)平衡的狀態(tài)，所以本方案采用PID算法調(diào)節(jié)輸出電功率，以達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的作用。本系統(tǒng)采用AI7028系列PID溫度控制器支持兩路PID溫度控制，支持兩路K型熱電偶作為輸入反饋信號(hào)；支持雙路固態(tài)繼電器驅(qū)動(dòng)電壓輸出模塊；支持RS485通信模塊與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。高溫氧指數(shù)測(cè)定儀溫度控制器如圖6所示。

3.3? 氧濃度測(cè)量設(shè)計(jì)方案

氧濃度測(cè)量是高溫氧指數(shù)測(cè)定儀設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，氧濃度的準(zhǔn)確度關(guān)系到測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。本系統(tǒng)中需要實(shí)時(shí)采集管道內(nèi)的混合氣體氧濃度，MCU控制器根據(jù)氧濃度數(shù)值通過(guò)氣體流量比例控制器調(diào)節(jié)輸出的氧氣、氮?dú)獗壤?，以獲得設(shè)定氧濃度的混合氣體。本系統(tǒng)選用英國(guó)CITY公司的AO2 PTB-18.10氧濃度傳感器用于氧濃度測(cè)量。AO2氧濃度傳感器屬于電化學(xué)式的傳感器。是將化學(xué)元素與氧氣反應(yīng)產(chǎn)生的化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)來(lái)對(duì)氧濃度進(jìn)行定量。因此未經(jīng)使用的AO2氧濃度傳感器應(yīng)該封存在充滿(mǎn)氮?dú)獾拿芊獍b內(nèi)，需要使用時(shí)方可開(kāi)啟。并且由于AO2氧濃度傳感器工作方式的特殊性，在長(zhǎng)時(shí)間使用過(guò)程中其化學(xué)物質(zhì)與氧氣作用會(huì)逐漸衰減，所以使用一定時(shí)間后需要更換新的AO2氧濃度傳感器。避免長(zhǎng)時(shí)間過(guò)量使用引起測(cè)量誤差的出現(xiàn)。AO2氧濃度傳感器如圖7所示。

4? 影響氧指數(shù)測(cè)定結(jié)果的因素

在試驗(yàn)過(guò)程中往往伴隨著誤差的存在，產(chǎn)生誤差的因素有很多。有設(shè)備的因素、人員操作的因素、環(huán)境因素以及標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的影響，等等[6]。上文已經(jīng)對(duì)設(shè)備因素和環(huán)境因素對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來(lái)的影響進(jìn)行了分析。在設(shè)備研制以及試驗(yàn)操作中應(yīng)規(guī)避類(lèi)似的影響因素，提高測(cè)量結(jié)果精確度[7]。

4.1? 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的選擇

首先設(shè)備供氣應(yīng)選擇質(zhì)量好、穩(wěn)定性高的供應(yīng)商提供的氮?dú)夂透呒冄鯕?。并在每次更換新的氣源時(shí)，提供氣源的主要?dú)怏w濃度檢定報(bào)告。因?yàn)椴煌瑵舛鹊母呒冄鯕獾氖蹆r(jià)相差較大，在每次更換氣體時(shí)都應(yīng)核避免供應(yīng)商對(duì)氣體濃度以次充好。并且在每次更換氣源后都應(yīng)將設(shè)備進(jìn)行一次校準(zhǔn)。同時(shí)由于氧傳感器是消耗品，長(zhǎng)時(shí)間與空氣接觸會(huì)損耗氣氧反應(yīng)物質(zhì)的含量。因此在每次試驗(yàn)結(jié)束后應(yīng)先關(guān)閉氧氣閥門(mén)，后關(guān)閉氮?dú)忾y門(mén)，使管道內(nèi)充滿(mǎn)氮?dú)饨档脱鯕鈱?duì)傳感器的影響。

4.2? 試件的制備

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2406.2—2009《塑料用氧指數(shù)法測(cè)定燃燒行為 第2部分：室溫試驗(yàn)》中規(guī)定試樣的長(zhǎng)度應(yīng)滿(mǎn)足80～150 mm。標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)試件的長(zhǎng)度沒(méi)有更具體的要求，而是采用一個(gè)長(zhǎng)度范圍。通過(guò)分析，經(jīng)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證可以得到，當(dāng)同一試件被制成不同長(zhǎng)度時(shí)其氧指數(shù)測(cè)定結(jié)果也將呈現(xiàn)不同程度的區(qū)別。上文中提到燃燒筒上方是敞開(kāi)的，所以燃燒筒上方會(huì)混入一定的空氣。所帶來(lái)的影響是燃燒筒上方的實(shí)際氧濃度數(shù)字與設(shè)備顯示的氧濃度數(shù)字有一定的出入。所以當(dāng)試件較短時(shí)，試件的氧濃度與設(shè)備顯示的氧濃度更接近。相反，當(dāng)試件較長(zhǎng)時(shí)，試件的頂端更接近燃燒筒的敞口，試件的氧濃度較比設(shè)備顯示的氧濃度更低[8]。所以在試驗(yàn)過(guò)程中為了規(guī)避影響因素，應(yīng)將試件設(shè)置為統(tǒng)一的長(zhǎng)度，并且試件長(zhǎng)度不應(yīng)過(guò)長(zhǎng)。

5? 結(jié)? 論

高溫氧指數(shù)測(cè)定儀是對(duì)傳統(tǒng)氧指數(shù)測(cè)定方法的一種革新，將原有的常溫環(huán)境下的氧指數(shù)測(cè)定升級(jí)為更加貼近試樣極限環(huán)境下的試驗(yàn)方法。是國(guó)標(biāo)GB/T 2406.2—2009《塑料用氧指數(shù)法測(cè)定燃燒行為 第2部分：室溫試驗(yàn)》試驗(yàn)方法的豐富和補(bǔ)充。本項(xiàng)目研究的高溫氧指數(shù)測(cè)定儀，嚴(yán)格依照試驗(yàn)方法要求，貼近試驗(yàn)操作本身的技術(shù)特點(diǎn)，考察試樣在不同溫度環(huán)境的耐火性能。同時(shí)提高了檢測(cè)設(shè)備的自動(dòng)化程度以及精密元器件集成度，利用PLC單片機(jī)完成試驗(yàn)設(shè)備的控制管理，減少了不必要的操作環(huán)節(jié)，降低了誤差對(duì)試驗(yàn)結(jié)果帶來(lái)的影響，同時(shí)具備一定的人機(jī)交互功能。

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作者簡(jiǎn)介：金富（1983—），男，漢族，遼寧開(kāi)原人，高級(jí)工程師，本科，研究方向：建筑材料及消防器材檢測(cè)方法。