Способ и устройство для определения теплофизических свойств текстильных материалов при воздействии высоких температур
METHOD AND DEVICE FOR DETERMINING THERMOPHYSICAL PROPERTIES OF TEXTILE MATERIALS UNDER HIGH TEMPERATURES

Изобретение относится к области термометрии и предназначено для измерения температуры на внутренней поверхности, как однослойного текстильного материала, так и пакета одежды при воздействии высоких температур.
Известен прибор ОТ - 68 для измерения температуры, содержащий металлический корпус размером 290x270x530 мм, в котором находятся горелка, рамка с иглами, экран и термометр. ГОСТ 15898-70 Ткани льняные и полульняные. Метод определения огнестойкости (с Изменением N 1)
Недостатком известного прибора является оценка теплофизических свойств материала, исключительно по изменению внешнего вида ткани, после проведения испытаний - без измерения показателя теплопередачи.
Известно испытательное оборудование по ГОСТ Р ИСО 6942 - 2007 ССБТ. Одежда для защиты от тепла и огня. Методы оценки материалов и пакетов материалов, подвергаемых воздействию источника теплового излучения, которое состоит из: источника излучения, испытательной рамы, держателя образца, калориметра, средства измерений и регистрации температуры.
Недостатком известного оборудования является определение эффективности защиты от теплового излучения образца всего пакета материала в комплекте (без разделения по слоям), а также оборудование предназначено на один вид испытания теплового воздействия (тепловое излучение) на ткани, стационарность оборудования.
Известно испытательное оборудование по ГОСТ Р ИСО 12127-1-2011 ССБТ. Одежда для защиты от тепла и пламени. Определение контактной теплопередачи через защитную одежду или составляющие ее материалы. Часть 1. Метод испытаний с использованием нагревательного цилиндра. Оборудование состоит из испытательной установки, в которую входит: нагревательный цилиндр, калориметр, защитный экран, опорная рама, электродвигатель, электронное устройство.
Недостатком известного оборудования является один вид испытания - определение контактной теплопередачи через защитную одежду или составляющие ее материалы, а также стационарность оборудования.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является испытательное оборудование по ГОСТ Р ИСО 9151-2007 ССБТ. Одежда для защиты от тепла и пламени. Метод определения теплопередачи при воздействии пламени, содержащее газовою горелку, медный дисковый калориметр, опорную раму для образца, установочную пластину калориметра, опорный штатив, средства измерений при этом, медь-константановая термопара с выходным сигналом в милливольтах, соответствующая стандарту МЭК 584-1, монтируется на медный диск, константановый провод присоединяется к центру диска, а медный провод крепится к краю диска, калориметр размещается в монтажном блоке, который состоит из круглого куска негорючей теплоизолирующей пластины без асбеста диаметром 89 мм и номинальной толщиной 13 мм, калориметр размещается в монтажном блоке, который состоит из круглого куска негорючей теплоизолирующей пластины без асбеста диаметром 89 мм и номинальной толщиной 13 мм, опорная рама образца, состоящая из квадратного листа меди с длиной стороны 150 мм и толщиной 1,6 м, в центре рамы расположено квадратное отверстие с длиной стороны 50 мм, установочная пластина калориметра, изготовленная из квадратного листа алюминия с длиной стороны 149 мм и толщиной 6 мм с круглым отверстием диаметром 90 мм, расположенным по центру Опорный штатив, используемый для установки опорной рамы образца относительно горелки, верхняя лицевая поверхность опорной рамы образца должна находиться на 50 мм выше верхней лицевой поверхности горелки и должна быть параллельна ей, причем ось горелки совмещается с центром отверстия в опорной раме, для удобства между горелкой и опорной рамой образца рекомендуется помещать заслонку, заслонка должна полностью открываться менее чем за 0,2 с и срабатывать немедленно после установки горелки в исходное положение, эта заслонка полезна в том случае, если расположением горелки или отверстием в заслонке (при ее наличии) можно воспользоваться для автоматической регистрации начала воздействия тепла, для определения абсолютной температуры медного диска термопару необходимо подсоединить к холодному или рекомендуемому свободному спаю, сигнал напряжения от термопары должен поступать на соответствующий потенциометрический самописец или на программируемый регистратор данных, регистрирующее устройство должно считывать напряжения с погрешностью не более 10 мкВ и регистрировать время до 0,2 с.
Недостатком данного испытательного оборудования и способа определения теплопередачи, принятого за прототип, является его стационарность, невозможность определения теплопередачи пакета материалов послойно, оборудование предназначено на один вид испытания теплового воздействия (открытое пламя) на ткани.
Технический результат и задача изобретения заключается в возможности определения теплофизических свойств, как однослойного материала, так и пакета одежды послойно при различных видах тепловых воздействий и/или открытое пламя, и/или тепловое излучение, и/или контакт с нагретой поверхностью, а также мобильностью устройства, позволяющему проводить испытания, как в испытательных лабораториях, так и непосредственно в отделах охраны труда предприятий, эксплуатирующих специальную одежду.
Устройство для определения теплофизических свойств текстильных материалов при воздействии высоких температур, содержит металлическую платформу с расположенной на ней передвижной тележкой, для крепления сменного теплового элемента, стойкой с вмонтированной металлической осью, к которой прикручен болтами стальной держатель, для закрепления испытуемого пакета материала и способностью поворачивать его на угол 90°, в который вставлены четыре измерительных щупа термопар, которые соединены с цифровыми преобразователями сигналов, подающие сигнал на микроконтроллер, расположенный в электромонтажном корпусе, на внутренней стороне которого расположены четыре цифровых преобразователя сигналов термопар, на внешней стороне электромонтажного корпуса встроен SD карт модуль для SD карты памяти и встроен потенциометр для управления сервоприводом.
Способ для определения теплофизических свойств текстильных материалов при воздействии высоких температур, заключается в том, что образец однослойного материала и/или пакета одежды размером 70x90 мм крепится в стальном держателе лицевой стороной вверх, и прижимается с двух сторон по краям стальными пластинами, надетыми на четыре болта, в подготовительном положении стальной держатель расположен горизонтально платформе, измерения температур на каждом внутреннем из трех слоев производятся с помощью щупа термопар, вставленных сверху в стальной держатель, на платформе комплекса в крепление передвижной тележки, устанавливают тепловой элемент, после запуска приложения пользователя и подачи напряжения устройство готово к работе в подготовительном положение, стальной держатель расположен в горизонтальном положении, чтобы привести устройство в рабочее положение, поворачиваем ручку потенциометра вправо, тем самым даем команду сервоприводу повернуть металлическую ось и, повернуть стальной держатель с пакетом ткани на угол 90° в вертикальное положение, на линию поступающего теплового потока, тепловой поток, проходя через испытуемый текстильный материал, попадает на измерительные щупы термопар, в зависимости от потока тепла на термопарах создается напряжение, которое по проводам передается через преобразователи сигналов термопар на микроконтроллер, затем отсылается в порт ЭВМ, по истечении 10-30 секунд воздействия высоких температур на испытуемый текстильный материал, автоматически подается сигнал на сервопривод, повернуть обратно металлическую ось, и тем самым поставить стальной держатель с пакетом материала в горизонтальное положение, для смены образца пакета материала, после каждого испытания регулируется начальная температура на измерительных щупах термопар, путем мониторинга на ЭВМ в режиме реального времени, температурные данные фиксируются на карте памяти, расположенной в верхней части электромонтажного корпуса с установленным временным периодом и температурным шагом в 0,25°С.
На фиг. 1-5 представлено устройство для определения теплофизических свойств текстильных материалов при воздействии высоких температур:
фиг. 1 - устройство для определения теплофизических свойств текстильных материалов при воздействии открытого пламени (вид сбоку);
фиг. 2 - устройство для определения теплофизических свойств текстильных материалов при воздействии теплового излучения (вид сбоку);
фиг. 3 - устройство для определения теплофизических свойств текстильных материалов при контакте с нагретой поверхностью (вид сбоку);
фиг. 4 - держатель устройства с пакетом материала (вид сбоку);
фиг. 5 - устройство для определения теплофизических свойств текстильных материалов при воздействии высоких температур (общий вид);
фиг. 6 - динамика подъема температуры на внутренней поверхности 5 образцов ткани после воздействия теплового потока от открытого пламени, в течение 15 секунд и шагом в 2-е секунды.
Сущность изобретения заключается в том, что устройство для определения теплофизических свойств материалов при воздействии высоких температур на текстильные материалы (фиг. 1-5), содержит металлическую платформу 1, на которой расположена стойка 2 (фиг. 5) с поперечной металлической осью 3 (фиг. 5), стальной держатель 4 (с прикрепленным на нем испытуемым материалом 15 (фиг. 4)) со способностью поворачиваться на угол 90°, четыре измерительных щупа термопар 5 (фиг. 4), электромонтажный корпус 6, внутри которого монтированы: четыре цифровых преобразователей сигнала термопар 7; микроконтроллер 8; SD карт модуль 9; карта памяти 10; сервопривод 11; потенциометр 12. В зависимости от цели исследования (теплового воздействия на образец материала), на платформе комплекса в крепление передвижной тележки, устанавливаются и/или газовая горелка 13 с газовым баллоном 14 и/или система двух нагревательных элементов а - стальной отражатель системы двух нагревательных элементов (ТЕН 107 - 7,5 8,5/1.7 J 220, TEH 245 В 8,5/1,0 Т 220), б - стойка.
Предлагаемый способ определения теплофизических свойств текстильных материалов при воздействии высоких температур осуществляется следующим образом (фиг. 1-5). Образец однослойного материала или образцы пакета одежды 15 (фиг. 4) (ткань верхнего слоя, утеплитель, подкладочная ткань) размером 70x90 мм крепятся в стальном держателе (фиг. 4) лицевой стороной вверх. Образец однослойного материала или пакета одежды, послойно, прижимается с двух сторон по краям стальными пластинами 16 надетыми на четыре болта 17. В подготовительном положении 18 стальной держатель расположен горизонтально платформе. Измерения температур на каждом внутреннем из трех слоев производятся с помощью термопар типа К, вставленных сверху в стальной держатель. В зависимости от цели исследования (теплового воздействия на образец материала), на платформе комплекса в крепление 19а передвижной тележки 19, устанавливают газовый баллон с газовой горелкой (открытое пламя) или систему двух нагревательных элементов (тепловое излучение или контакт с нагретой поверхностью).
После запуска приложения пользователя (для управления комплексом на ЭВМ) и подачи напряжения (путем подсоединения устройства USB кабелем к ЭВМ), устройство готово к работе в подготовительном положение, т.е. стальной держатель расположен в горизонтальном положении. Чтобы привести устройство в рабочее положение, нужно зажечь газовую горелку (или включить систему тэнов) и повернуть ручку потенциометра вправо, - этим самым мы даем команду сервоприводу повернуть металлическую ось и, тем самым поставить стальной держатель с пакетом ткани на угол 90° в вертикальное положение, на линию поступающего теплового потока от открытого пламени газовой горелки (или теплового излучения, или контакт с нагретой поверхностью).
Тепловой поток, проходя через испытуемый текстильный материал, попадает на измерительные щупы термопар. В зависимости от потока тепла на термопарах создается напряжение, которое по проводам 19 передается через преобразователей сигналов термопар на микроконтроллер, затем отсылается в порт ЭВМ.
По истечении 10-30 секунд воздействия открытого пламени на испытуемый текстильный материал, автоматически подается сигнал (команда) на сервопривод повернуть обратно металлическую ось и тем самым поставить стальной держатель с пакетом материала в горизонтальное положение, для смены образца пакета материала. После каждого испытания регулируется начальная температура на измерительных щупах термопар (путем мониторинга на ЭВМ в режиме реального времени). Температурные данные фиксируются на карте памяти, расположенной в верхней части электромонтажного корпуса с установленным временным периодом и температурным шагом в 0,25°С.
Искомые коэффициенты теплопередачи образцов материалов или пакета материалов вычисляются по формуле:
2
1
2
где Q - плотность теплового потока, S - площадь полотна, м; τ - время прохождения теплового потока; T, Т - температура сред, °С.
Определение термического сопротивления образцов материалов или пакетов материалов вычисляются по формуле:
а
1
1
2
где Q - плотность теплового потока, А - площадь полотна,  - коэффициента теплообмена; T, Т - температура сред, °С.
Показатель передачи тепла (пламени) (heat transfer index (flame): Целое число, вычисляемое как среднеарифметическое значение продолжительности времени в секундах, необходимого для достижения подъема температуры на (24,0±0,2)°С, при исходной температуре (25±5)°С.
В таблице продемонстрировано исследование тканей на защиту от повышенных температур и открытого пламени, а также применена градация степени появления ожога на теле человека. Испытания проводились на 5 образцах тканей различных производителей и волокнистого состава:
- температура на внутренней поверхности ткани №1 (за 15 секунд воздействия открытого пламени) достигла 190°С;
- температура на внутренней поверхности ткани №2 (за 15 секунд воздействия открытого пламени) достигла 170°С;
- температура на внутренней поверхности ткани №3 (за 15 секунд воздействия открытого пламени) достигла 218°С;
- температура на внутренней поверхности ткани №4 (за 15 секунд воздействия открытого пламени) достигла 196°С;
- температура на внутренней поверхности ткани №5 (за 15 секунд воздействия открытого пламени) достигла 584°С.
По сравнению с известными техническими решениями предлагаемое устройство позволяет провести исследование на соответствие уровня защиты текстильного материала, от воздействия высоких температур при различных видах тепловых воздействий и/или открытое пламя, и/или тепловое излучение, и/или контакт с нагретой поверхностью, универсальность в использовании повышает точность оценки защиты исследуемого текстильного материала, а за счет автоматизации регистрации температурных данных, достоверность выводов оценки степени защиты от высоких температур. Обработка результатов измерений происходит с помощью ЭВМ, подсчет коэффициентов теплопередачи ведется в автоматическом режиме, устройство является мобильным.