1、1锥形量热仪校准规范编制说明主要起草单位：国防科技工业应用化学一级计量站参加起草单位：应急管理部天津消防研究所2一、任务来源及规范起草经过锥形量热仪是研究材料燃烧性能最重要的实验仪器之一，可以测得均一材料或复合材料在不同热辐射强度下的热释放速率。通过锥形加热器模拟火灾中不同强度的热辐射，使材料在准火灾条件下燃烧，在试验过程中测量燃烧产物气流的流量和燃烧产物中氧气的浓度计算出氧消耗量，根据耗氧原理确定材料的热释放速率。热释放速率可以作为评价材料燃烧危险性大小的等级参数。经过不断改进和完善，锥形量热仪已经成为研究火灾和评定材料燃烧性能的理想试验仪器。相应地，国际标准组织（ISO）、美国材料测试学会
2、（ASTM）、中国标准化组织（GB）、英国标准学会等国家和组织推出多项标准方法，用于规范行业检测实验室的测量方法，实现实验室测量结果的等效一致，例如：ISO5660-1-2015 燃烧反应试验-热量释放，产生烟雾以及质量损失率 第 1部分：热释放率（锥形量热计法) 和烟雾产生率 (动态测量)；ASTM E1354-2015 采用耗氧热量计的材料与产品的热和可视烟雾释放率的标准试验方法；AS/NZS 3837-1998 用耗氧式量热计测量材料和产品热释放率和烟释放率的方法；GB/T16172-2007 建筑材料热释放率试验方法；ASTM F 1550-2010 使用实验规模耗氧热量计测定床垫或家
3、具遭破坏后修复用部件或合成材料燃烧试验响应特性测定的试验方法；ASTM D 6113-2011 用锥形热量计测定电气或光缆中含有的绝缘材料着火试验响应特性的标准试验方法；NFPA 271-2009 用耗氧量热计测试材料和产品的热量和可见烟发散度的标准测试方法；BS 476-15 1992 建筑材料和结构的防火测试 -产品释热率的测试方法；ASTM E1474-2010 通过小型耗氧热量计测定装饰家具和垫子组合件或组合材料热释放速率的试验方法；ASTM E1740-2010 用锥形量热计测定墙面涂料复合材料的热释放率及其它着火试验响应特性的试验方法。锥形量热仪测量材料的热释放速率基于耗氧原理，即
4、材料完全燃烧时每消3耗单位质量的氧会产生基本上相同的热量。对于常用易燃聚合物和天然材料，耗氧燃烧热的平均值为 13.1 kJ/g，变化范围约为 5%。这样，通过测量材料燃烧过程中消耗的氧气质量可以计算材料的热释放速率：(1)=h0(02-2)锥形量热仪通过孔板流量计测量材料燃烧气体产物的流量以及氧分析仪测量燃烧气体产物中的氧气含量，热释放速率可以由下式计算得到：(2)()=13.11031.10(02-2)1.105-1.52)式中，C 为孔板系数，P为孔板两侧的压差，T e为孔板处的气体温度， 为测2量的氧气浓度，耗氧燃烧热近似取13.110 3 kJ kg-1， 为空气中的初始氧气浓02度
5、5。式（2）即ISO5660-1:2002和GB/T 16172-2007中给出的材料热释放速率计算公式。公式中涉及到热释放速率测量的仪器参数主要包括孔板系数、孔板处的烟气温度、孔板两侧的压差、排气管道内的氧气浓度。测量结果受到各个参数测试精度的影响。锥形量热仪还配有称重设备，记录材料燃烧过程中的质量变化，得到材料的质量损失速率、有效燃烧热等参数。锥形量热仪的校准对于保证测量结果准确十分重要。锥形量热仪测量热释放速率需要多个参数计算得到，影响测量结果的因素较多，因此不同实验室间测量结果的一致性较差。目前国内外没有制定关于锥形量热仪的校准规范，只有在锥形量热仪的操作说明及测试标准 ISO 566
6、0-1 等中规定了锥形量热仪的标定方法，包括预标定、工作标定以及非经常性标定，用于生产厂商和用户的自我校准。但是这些标定结果没有溯源性，且缺乏整机校准，造成热释放速率的测量结果相差很大，影响了我国阻燃材料、建筑材料、轨道车辆用材料等的研发和阻燃评价，并对一些产品的出口造成了影响。为了保证锥形量热仪测量结果的准确，就必须对仪器进行科学地校准，需要建立计量校准规范，科学合理地对仪器进行校准。因此规范起草小组向全国新材料与纳米计量技术委员会提交了制订申请。全国新材料与纳米计量技术委员会于 2017 年 6 月下达了锥形量热仪校准规范的制订任务。本规范于 2018 年 8 月中旬完成了征求意见稿、制订
7、说明、实验报4告及不确定度评定的编写工作，并于 2018 年 10 月 10 日在济南召开预审会对规范进行审议。二、制订规范主要的参考资料制订规范主要参考GB/T 16172-2007 建筑材料热释放速率试验方法以及ISO 5660-1-2015 燃烧反应试验. 热量释放, 产生烟雾以及质量损失率. 第 1部分: 热释放率 (锥形量热计法) 和烟雾产生率 (动态测量)（Reaction-to-fire tests - Heat release, smoke production and mass loss rate - Part 1: Heat release rate (cone calor
8、imeter method) and smoke production rate (dynamic measurement) (Third Edition)） 、JJG 662-2005顺磁式氧气分析仪 、 JJG 1132-2017热式气体质量流量计 、JJF（军工）39-2014（5400）W/cm 2 辐射热流传感器校准规范进行编写，不确定度评定的主要技术依据为JJF 1059.1-2012 测量不确定度评定与表示 。编写格式主要参考了JJF1071-2010 国家计量校准规范编写规则 。三、规范技术内容的说明规范起草小组根据上述参考文献、相关标准，以及起草单位的实验结果和理论研究起草了
9、规范草稿，主要包括引言、范围、引用文献、术语、概述、计量特性、校准条件、校准项目和校准方法、校准结果及复校时间间隔10个部分。具体内容和技术依据如下：1. 范围本规范适用对象是锥形量热仪，即使用锥形加热器提供所需热辐射，根据耗氧原理测量样品热释放速率的仪器。针对影响测量热释放速率最大的氧气浓度、质量、甲烷流量、辐射照度以及热释放速率整机性能进行校准。2. 引用文件锥形量热仪校准规范主要引用了 GB/T 16172-2007建筑材料热释放速率试验方法 。3. 术语参考相关文献和标准，主要对热释放速率、耗氧原理进行了定义。4. 概述在概述部分主要对锥形量热仪的原理及仪器组成进行了简单介绍，参考相关
10、文献编写。55. 计量特性在计量特性部分，主要针对锥形量热仪仪器的特点，结合锥形量热仪的测量不确定度评估及具体应用的要求，对影响锥形量热仪测量结果较大的氧气浓度、质量、甲烷流量和辐射照度四个分组件计量参数进行校准，同时采用热释放速率标准物质对锥形量热仪的整机性能进行校准。锥形量热仪标准物质我单位已研制成功，目前正在申报国家标准物质。在进行热释放速率标定测得孔板标定常数时，甲烷流量的测量准确性直接影响孔板系数的准确性，因此需要对甲烷流量进行校准。对计量特性的规定参考了 JJG 662-2005顺磁式氧气分析仪 、JJG 1132-2017热式气体质量流量计 、JJF（军工）39-2014（540
11、0）W/cm2 辐射热流传感器校准规范中的相关技术，避免了设备用户为了校准锥形量热仪而对各组件进行分别送检，且单个组件检定校准项目不符合锥形量热仪使用要求的情况。6. 校准条件本部分主要规定了锥形量热仪校准时需要满足的、对校准结果有影响的环境条件、校准设备和标准物质。环境条件包括仪器使用允许的环境条件，对于锥形量热仪，为了保证校准过程中热辐射及燃烧的稳定和重复，需要避免明显的气流扰动，校准过程中应测量和记录环境的温度、湿度。砝码主要用于校准质量， 50g、100 g、200 g 的2 等级的砝码的最大允许误差分别为 10mg、16 mg 和 30 mg，足以满足质量校准的需求。在进行称重设备校
12、准时，要在样品架上放置砝码以取代定位架。定位架的质量约为 430g，在规范中使用了质量略大的 500g 的1 等级的砝码取代定位架。锥形量热仪测试的试样重量一般在 500 g 以内，因此选用 50 g、100 g、200 g 和 200 g 的砝码，逐次增加砝码来校准称重设备的示值误差。砝码应经过计量检定。氮中氧标准物质主要用于校准氧气测量的示值误差和重复性。由于锥形量热仪测量过程中氧气浓度一般在 18%21%，因此对氮中氧标准气体的氧气浓度进行了要求。并参考 JJG 662-2005顺磁式氧气分析仪的要求规定扩展不确定度优于 1%（k =2） 。标准流量计用于校准锥形量热仪甲烷流量参数。根据
13、标准流量计的要求测量甲烷的压力和温度。标准流量计可以是容积式流量计、速度式流量计或质量6流量计，标准流量计及其附属设备应有有效的检定证书，在（1 15）L/min 的流量范围其扩展不确定度应优于甲烷流量计最大允许误差绝对值的 1/3。标准辐射热计用于辐射照度的校准，其扩展不确定度应优于 3%（k=2） 。高纯氮气用于氧分析仪的零点校准。高纯甲烷用于甲烷流量计的校准和燃烧试验。秒表用于记录校准过程中的时间间隔。7. 校准项目和校准方法校准前应按照仪器说明书进行准备工作，确保仪器处于正常的工作状态及没有影响校准计量性能的因素后方可进行校准。7.1 氧气浓度示值误差和重复性在锥形量热仪测量过程中，烟
14、气中氧气的浓度变化范围较小，一般为21%18%，计算热释放速率时使用的是初始氧浓度减去测得的氧浓度值，即氧浓度的变化值，每个试样测试前都用干燥后的环境空气进行示值校准，因此要求氧分析仪具有很好的稳定性和低噪声。在 GB/T 16172 中要求氧分析仪在 30 min 内的漂移和噪声低于0.005%（50 ppm） ，只有顺磁性氧分析仪能够满足要求。在JJG 662-2005 顺磁性氧分析仪检定规程中规定，1 级氧分析仪的误差限为1% FS，4 h 的示值漂移不大于误差限。本规范中采用浓度范围在18%21%之间的氮中氧标准气体对氧分析仪的示值误差和重复性进行考察，用于氧分析仪性能和线性的考察。7
15、.2 质量示值误差锥形量热仪记录材料燃烧过程中的质量变化，计算得到材料的质量损失速率、有效燃烧热等参数。质量测量的准确性是锥形量热仪的重要计量技术指标。根据 GB/T 16172-2007 的要求，称重设备的精度优于 0.1 g，而 ISO 5660-1-2015 燃烧反应试验. 热量释放 , 产生烟雾以及质量损失率 . 第 1 部分: 热释放率 (锥形量热计法) 和烟雾产生率 (动态测量)中规定称重设备的精度优于 0.3g，综合实际情况，一般要求称重设备的最大允许误差为0.3g。锥形量热仪进行测试时需要使用试样安装架和定位架，而在进行质量校准时，只使用安装架而不放置定位架，采用 500g 的
16、不锈钢砝码代替定位架（质量约 430 克） 。锥形量热仪试样的重量一般在 500g 以内，依次增加 50g、100g、200g、200g 的砝码，校准7点分别为 50g、150g、350g、550g，基本覆盖了锥形量热仪常用的样品质量范围。7.3 甲烷流量示值误差和重复性在进行热释放速率标定测得孔板标定系数时，甲烷流量的测量误差直接影响了孔板系数的测量准确性进而影响了热释放速率的测量。GB/T 16172 规定，在进行热释放速率标定时，相应于 5 kW 的热释放速率的甲烷流量计的精度应为读数的2%。在本校准方法中，采用标准流量计对甲烷流量计进行校准，将标准流量计与甲烷流量计进行串联，进行热释放
17、速率标定，校准点为热释放速率为 5kW 时的甲烷流量，约为 8.4 slpm 或 0.1g/s。在这里没有规定标准流量计的类型，对于容积式标准流量计需要测量甲烷的压力和温度，计算得到标准状况下的甲烷流量，与甲烷质量流量计进行对比。按照所选标准表类型，计算甲烷流量计在标准状态下的实际流量及示值误差。7.4 辐射照度示值误差锥形量热仪测试过程中辐照强度对试样的热释放速率的影响很大，辐射照度通过锥形量热仪的工作辐射热计进行测定，因此需要对锥形量热仪配备的工作辐射热计进行校准，确定示值误差。如果示值误差超出客户要求，建议将辐射热计送至国家法定计量单位进行校准，得到辐射热计的灵敏度及测量不确定度。校准点
18、选择在目前的测试标准中常用的辐射照度 25kW/m2、35 kW/m2、50 kW/m2， 并可根据客户的要求增加校准点。7.5 热释放速率示值误差热释放速率测量的准确性是评价锥形量热仪性能的关键技术指标。虽然通过各组成部分的校准将影响热释放速率测量结果准确性的主要技术指标进行了校准，但是由于人员操作、环境等方面的差异，仍无法保证热释放速率测量结果的准确性，因此需要采用热释放速率标准物质进行锥形量热仪示值误差的校准。由于燃烧过程中材料表面分解的不均匀性以及火焰自身的紊流，材料的瞬时热释放速率波动较大，因此热释放速率标准物质的特性量值是在点燃后一定时间内的的平均热释放速率。参考了 GB/T 16
19、172-2007 的试样测试方法及标准物质的使用方法，确定了校准方法。8. 校准结果表达8本部分规定了锥形量热仪校准结果表达的格式、内容等进行了具体的描述和规定。9. 复校时间间隔本部分规定了锥形量热仪复校时间间隔推荐为 1 年。但由于复校时间间隔的长短是由仪器的使用情况、使用者、仪器本身质量等诸因素所决定的，因此，送校单位可根据实际使用情况自主决定复校时间间隔。10. 附录本部分主要参考国家JJF 1079计量规范及近期出版的国家计量校准规范对锥形量热仪校准记录参考格式和校准证书内页内容进行了具体的描述和规定。对氧气浓度、质量、甲烷流量、辐射照度、热释放速率示值误差的校准结果的不确定评定方法进行了举例说明。
