CC BY
17
Пожаровзрывоопасность
веществ и материалов
УДК 614.841.41
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОВЕДЕНИЮ ИСПЫТАНИЙ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ПОЖАРНУЮ ОПАСНОСТЬ
III. Рекомендации к выбору нагревательного элемента
*
электронагревательного излучателя
Трушкин Дмитрий Владимирович
Корольченко Александр Яковлевич
Д. В. Трушкин
доцент Московского государственного строительного университета
А. Я. Корольченко
доктор технических наук, профессор, академик МАНЭБ, заведующий кафедрой пожарной безопасности МГСУ, директор Института инженерной безопасности в строительстве
Даны рекомендации по правильному выбору нагревательного элемента излучателя при определении дымообразующей способности твердых веществ и материалов. Подробно описаны этапы калибровки испытательной установки и проведения измерений, проверки линейности оптической системы. Отмечены особенности проведения испытаний в режиме горения по сравнению с режимом тления.
Входе практической работы с различными нагревательными элементами было установлено, что наиболее оптимальным является элемент, представляющий собой две соединенные параллельно нихромовые спирали с диаметром проволоки 0,7 мм и внутренним диаметром намотки 5-6 мм. Длина каждого отрезка проволоки для спирали должна быть такой, чтобы его электрическое сопротивление составляло ~22 Ом (суммарное сопротивление двух параллельно соединенных отрезков проволоки ~11 Ом). Такое отступление от требований п. 4.20.1.1 ГОСТ [1] обусловлено следующим.
Зависимость величины максимально достигаемого теплового потока от диаметра нагреваемой проволоки при фиксированном значении электрического сопротивлении определяется величиной суммарной площади излучательной поверхности проволоки, относительное изменение которой для
двух проволок диаметрами й1 и й2 определяется следующим отношением:
К =(^М)3.
Например, площадь излучательной поверхности проволоки диаметром 0,7 мм при сопротивлении 22 Ом примерно в 2 раза меньше, чем проволоки из того же материала с диаметром 0,9 мм и аналогичным сопротивлением (К = 0,470).
Компенсация площади излучательной поверхности может быть обеспечена за счет увеличения длины проволоки. Чтобы достичь такой же величины площади излучательной поверхности проволоки й = 0,7 мм, как и проволоки й = 0,9 мм, необходимо увеличить длину первой в 1,65 раза. Так, максимальная плотность теплового потока (при максимальном напряжении, равном сетевому ~220 В), обеспечиваемая нагревательной проволо-
Части I, II см. "Пожаровзрывобезопасность", 2005, т. 14, № 1, с. 19-28 и № 2, с. 23-32.
*
кой диаметром 0,7 мм и сопротивлением 22 Ом, составляет в центре держателя образца на расстоянии 60 мм от нагревателя всего 45 кВт/м2 (максимальный ток в спирали ~10 А). Использование же двух таких спиралей, включенных параллельно и с общим сопротивлением нагрузки 11 Ом, позволяет достичь максимальной плотности теплового потока, равной 65 кВт/м2, уже при напряжении 150 В (ток в каждой спирали ~7 А). Очевидно, что для спиралей из проволоки диаметром 0,7 мм возможность работы с различного рода регуляторами будет обеспечиваться только параллельным включением; в случае последовательного соединения потребуется подавать на нагреватель напряжение более 220 В, что в лабораторных условиях представляет определенную трудность.
Экспериментальные измерения плотности теплового потока от электронагревательных излучателей со спиралями из цельной проволоки диаметром 0,9 мм и сопротивлением 22 Ом, а также с двумя проволоками диаметром 0,7 мм и сопротивлением по 22 Ом каждая, включенными параллельно, позволяют сделать следующий вывод: при практически одинаковой плотности навивки проволоки сила тока в каждой спирали при использовании двух проволок диаметром 0,7 мм снижается. Хотя, конечно же, суммарный ток, проходящий через регулятор тока, увеличивается.
Еще более оптимальным вариантом было бы использование двух параллельно включенных проволок диаметром 0,9 мм и сопротивлением по 22 Ом каждая, что позволило бы достичь максимального теплового потока (65 кВт/м2) из-за увеличения площади излучательной поверхности при еще меньшем токе (ток в каждой спирали ~5 А). Но разместить две такие спирали на панели 120 х 120 мм из-за значительного увеличения длины проволоки технически невозможно.
Примечание. При термическом разложении на химическую кинетику процесса может влиять спектральная характеристика ПК-излучения, поэтому рекомендуется для лучшей сходимости результатов использовать проволоку именно марки Х20Н80 (20% хрома и 80% никеля), как указано в п. 4.20.1.1 ГОСТ[1].
3.1. Калибровка испытательной установки
3.1.1. Калибровка теплового потока
Калибровка теплового потока, излучаемого электронагревателем установки по определению дымообразующей способности твердых веществ и материалов (п. 4.18 [1]), должна проводиться с учетом специфики испытаний. Для испытания одного материала необходимо как минимум десять образцов: пять — для испытаний в режиме тления и пять — в режиме горения. Обычно на эксперимент
требуется от двух до трех часов работы, и электронагреватель все это время постоянно включен в электросеть.
Таким образом, основная задача калибровки нагревателя данной установки, в отличие от особенностей калибровки нагревателя установки "ТПГ" по п.4.20 ГОСТ [1], использующегося в аналогичной камере сгорания (см. предыдущую публикацию, раздел 2.1), состоит не только в определении зависимости плотности теплового потока в геометрическом центре поверхности держателя образца от задаваемого напряжения на спирали нагревателя. Учитывая эффект нагрева внутренних стенок камеры сгорания, сопутствующий процессу прогрева спирали нагревателя, здесь также очень важно определить время выхода нагревателя на стабилизированный режим и проверить, насколько стабильно поддерживается заданный тепловой поток на протяжении всего времени испытания (в течение 2 - 2,5 ч после выхода нагревателя на стабилизированный режим).
Стабильность поддержания величины плотности теплового потока после выхода нагревателя на стационарный режим должна быть проверена с учетом особенностей проведения испытаний, в которых циклически чередуются следующие стадии:
а) помещение образца в камеру сгорания (обычно не более 5 - 10 с);
б) термоокислительное разложение или горение образца в камере сгорания до достижения минимальной оптической плотности в дымовой камере (обычно не более 10 мин);
в) вынимание образца из камеры сгорания после достижения минимальной оптической плотности в дымовой камере (обычно не более 10 - 15 с);
г) продувка дымовой камеры до достижения первоначального значения светопропуска-ния (до 5 мин).
Очевидно, что стадиями, лимитирующими нагрев и охлаждение камеры сгорания, будут б) и г).
Если вывод электронагревателя на стабилизированный режим проводить при открытых клапанах продувки дымовой камеры, то дополнительный нагрев стенок камеры сгорания во время термического разложения образца (когда клапаны продувки закрыты) может быть скомпенсирован охлаждением камеры сгорания во время продувки дымовой камеры от продуктов сгорания, что обеспечит приемлемую стабильность поддержания заданной величины теплового потока.
Если при калибровке значения тепловых потоков при выбранных значениях напряжения на спирали, достигнутые на момент выхода нагревателя на стабилизированный режим, не соответствуют ряду характерных значений тепловых потоков, использующихся в стандартной методике испытаний:
18,20, 25, 30, 35 кВт/м2, то данные величины можно определить методом линейной экстраполяции. В обязательном порядке для всех значений напряжения на спирали электронагревателя, соответствующих вышеуказанным характерным значениям плотности теплового потока, должно быть зафиксировано (или также определено методом линейной экстраполяции) значение силы тока, проходящего через нагреватель.
Примечание. Требование обязательной фиксации силы тока, соответствующего определенной величине напряжения, связано с необходимостью контроля над возможным возникновением в процессе испытания плохого контакта (большого переходного сопротивления) из-за ослабления соединений на клеммах нагревателя, что может существенно повлиять на величину теплового потока и, соответственно, на результаты измерений. Данный параметр также может являться индикатором процесса обгорания спирали, ведущего кувеличению ее электрического сопротивления и, соответственно, при том же значении напряжения к уменьшению излучаемой мощности (см. также п. 2.1.2).
Проверку стабильности поддержания теплового потока рекомендуется проводить на максимально допустимой методикой плотности теплового потока (35 кВт/м2). В процессе выхода нагревателя на стационар и при проверке стабильности поддержания достигнутой плотности теплового потока необходимо строго контролировать, с точностью не более 0,5 В, величину напряжения на спирали нагревателя и каждую минуту регистрировать значение плотности теплового потока.
Проверка стабильности поддержания теплового потока проводится после выхода нагревателя на стационарный режим методом контроля величины плотности теплового потока, фиксируемой датчиком теплового потока, помещенным в геометрический центр поверхности держателя, при последовательном чередовании десяти стадий "нагрев 10 мин - продувка камеры сгорания через клапаны 5 мин", соответствующих характерным и наиболее жестким (по суммарному дополнительному тепловому нагреву камеры сгорания) режимам работы установки.
Примечание. Время продувки в реальных условиях испытаний не должно быть меньше времени, за которое в дымовой камере достигается первоначальное светопропускание.
Приемлемым критерием стабильности поддержания теплового потока можно считать следующее. Плотность теплового потока, зафиксированная после выхода нагревателя на стационар, отличается от величины, зафиксированной на момент окончания нагрева в последней (десятой) стадии, не более
РИС.1. Характерные осцилляции плотности теплового потока в геометрическом центре держателя образца, наблюдаемые с момента вывода электронагревателя на стабилизированный режим (через 50 мин) при чередовании стадий "нагрев 10 мин (клапаны продувки закрыты) - продувка 5 мин". В процессе калибровки с внешней поверхности камеры сгорания осуществлялся дополнительный теплоотвод принудительным воздушным потоком. Плотность теплового потока к моменту вывода нагревателя на стабилизированный режим составляла 35 кВт/м2
чем на величину погрешности датчика теплового потока (рис. 1).
Если тепловой поток поддерживается не достаточно стабильно, то можно применить различные дополнительные устройства, обеспечивающие отвод тепла со стенок камеры сгорания или учитывающие и компенсирующие дополнительный нагрев внутри камеры сгорания. Например, для этого можно использовать принудительный воздушный поток, направленный на внешнюю поверхность камеры сгорания, где расположен нагреватель, или автоматические регулирующие устройства.
Необходимо заметить, что при применении автоматических регуляторов возникает техническая проблема размещения датчика опорного сигнала в камере сгорания (обычно в качестве такового используется термоэлектрический преобразователь). Например, расположение горячего спая термопары в непосредственной близости от излучающей поверхности (рис. 2), с одной стороны, позволяет более чувствительно отслеживать все изменения теплового потока, излучаемого спиралью нагревателя, а с другой стороны, в регулировку может вноситься более высокая погрешность от теплового излучения нагревающейся в процессе испытания основы, в которой располагается спираль, так как применение водоохлаждаемого отражателя данным стандартом не предусмотрено. При таком расположении датчик также вряд ли сможет корректно отследить дополнительный нагрев стенок камеры сгорания.
В любом случае стабильность поддержания теплового потока при применении различного рода регуляторов должна определяться с использованием датчика теплового потока по вышеописанной процедуре.
.^лА^лл Лучистый тепловой поток от спирали, основания электронагревателя и внутренних стенок камеры сгорания, падающий на горячий спай термоэлектрического преобразователя
РИС.2. Схема лучистых тепловых потоков внутри камеры сгорания, падающих на экспонируемую поверхность испытываемого образца и задатчик (термоэлектрический преобразователь) автоматического регулятора электронагревателя
Для установки, используемой в Омской ИПЛ [2], экспериментальным путем было установлено, что выход нагревателя на стабилизированный режим на всем рабочем диапазоне (как правило, это диапазон 20-35 кВт/м2), при котором обеспечивается дальнейшее приемлемое поддержание его стабильности при чередовании стадий "нагрев 10 мин -продувка 5 мин", достигается через 50 мин после включения нагревателя. Критерием выхода нагревателя на стабилизированный режим считалось одновременное выполнение двух условий:
а) превышение температуры на поверхности камеры сгорания со стороны расположения нагревателя в непосредственной близости от него не более чем на 3°С за 5 мин (контроль осуществлялся термоэлектрическим преобразователем);
б) изменение плотности теплового потока на момент выхода нагревателя на стационар не более 2% за 10 мин.
Данные результаты были получены при использовании на всем протяжении работы нагревателя дополнительного теплоотвода с внешней поверхности камеры сгорания принудительным воздушным потоком, создаваемым вентилятором.
Примечания: 1. На время выхода нагревателя на стационар может оказывать сильное влияние прозрачность кварцевого стекла для ИК-излучения и его толщина. Стабильность поддержания теплового потока может также зависеть от используемых дополнительных теплоотводящих устройств. Поэтому такие величины, как время выхода электронагревателя на стационар и время продувки камеры сгорания между очередными испытаниями, должны определяться экспериментально на каждой испытательной установке.
2. В случае использования внешнего обдува камеры сгорания направление воздушного потока должно обеспечивать равномерное охлаждение камеры сгорания, а сама камера сгорания должна быть герметизирована от внешней среды, чтобы при испытаниях не происходило выдувание образующегося дымового аэрозоля среды из внутреннего пространства установки. Индикатором наличия утечек может служить испытание с использованием контрольного образца дибутилфталата (см. раздел 3.1.3).
3.1.2. Проверка линейности
оптической системы
Линейность оптической системы испытательной установки (пропорциональность регистрируемого сигнала фотоприемника интенсивности падающего светового потока) должна периодически проверяться. Наличие вышеуказанной линейности на всем рабочем диапазоне светопропускания позволяет оперировать в формуле (28) ГОСТ [1] не конкретными значениями светопропускания, а значениями фототоков, которые им пропорциональны, что позволяет не использовать дополнительную калибровочную зависимость.
Допускаемую погрешность для фотометрической системы задает п. 4.18.1.3 ГОСТ [1] (не более 10%). При этом нужно учитывать, что рабочий диапазон светопропускания фотометрической системы (2 - 90%) в ГОСТ [1] выбран отнюдь не произвольно, а вполне обосновано и не носит рекомендательный характер. При выходе за границы данного диапазона обеспечить требуемую погрешность ± 10% далеко не просто.
Проблема выбора рабочего диапазона фотометрической системы связана не только с линейностью зависимости тока фотодиода I от освещенности I = /(ф), но и с возрастанием при выходе за границы рабочего диапазона светопропускания (2 - 90%) других погрешностей.
Так, на диапазоне светопропускания 0 - 2% резко возрастает методическая погрешность. Это связано в основном с отклонениями от закона Бугера-Бера (оптическая плотность становится непропорциональной количеству вещества, поглощающего и рассеивающего световой поток). При работе в данном диапазоне возникает также необходимость
очень точного определения малой величины фототока. Применение для измерения тока фотодиода высокоточного прибора не решает здесь всех проблем, так как методические погрешности в указанном диапазоне становятся весьма велики. Использование же различного рода усилителей может привести к ситуации, когда станет не понятно, что усиливает в приборе входной операционный усилитель: полезный сигнал (фототок), ток термически генерированных неосновных носителей заряда или собственные шумы усилителя.
На диапазоне светопропускания 90 - 100% увеличиваются погрешности другого рода. К таковым в нашем случае можно отнести флуктуации интенсивности источника света и "аппаратные погрешности" установки: неплотности камеры, загрязнение оптических поверхностей, нестабильность режима дымообразования, отклонение от линейности зависимости I = /(Ф).
Таким образом, в диапазонах светопропускания менее 2% и более 90% ошибка измерений светового потока может стать существенно больше 10%. Это, в свою очередь, может ухудшить сходимость и воспроизводимость результатов, т.е. стать более 15%, декларируемых п. 4.18.4.3 ГОСТ [1].
Измерения линейности оптической системы проводятся непосредственно на установке с конкретным источником света (гелий-неоновым лазером) и фотоприемником. При замене фотоприемника в обязательном порядке должна быть снова проверена линейность оптической системы. Для проверки линейности оптической системы используют эталонные оптические стекла с различным коэффициентом пропускания на длине волны гелий-неонового лазера (X = 0,6328 мкм).
Изменение регистрируемого значения фототока должно быть пропорционально (в пределах установленной погрешности) изменению коэффициента пропускания.
Необходимо заметить, что рабочий интервал установки может зависеть от используемой оптической системы и корректироваться при калибровке. При этом стандартные границы рабочего диапазона светопропускания 2 - 90% по причинам, указанным выше, могут быть только сужены, но ни в коем случае не расширены.
Рекомендации к выбору фотоприемника
1. Длина волны используемого источника света (гелий-неонового лазера; X = 0,6328 мкм) должна попадать в область спектральной чувствительности датчика. Спектральная чувствительность датчика для отношения сигналов Т0 /Т не так важна (важно лишь, чтобы сигналы попадали в рабочий диапазон измерения датчика, а также фотометрическая система была линейна), но при выборе датчика
для получения большего по величине сигнала и, естественно, снижения соотношения уровней помех и сигнала следует стараться подбирать датчики с максимальной спектральной чувствительностью именно на длине волны используемого источника света.
2. Фотодиод (ФД) может работать в двух режимах: фотогенераторном (фотогальваническом) и фотодиодном. В фотогенераторном режиме источник внешнего напряжения отсутствует, в фотодиодном — к фотодиоду прикладывается запирающее напряжение. В фотодиодном режиме обратный ток ФД зависит, прежде всего, от светового потока и в гораздо меньшей степени от приложенного напряжения и температуры. В данном режиме темновой ток зависит не только от температуры, но и от величины запирающего напряжения фотодиода (подробнее см. работу [4]). В фотогенераторном режиме ФД работает при малом сопротивлении нагрузки (режим, близкий к "короткому замыканию").
3. Площадь чувствительной площадки датчика должна быть больше, чем площадь пятна сфокусированного луча лазера. Разброс по поверхности чувствительной площадки не существенен, так как фотодиод реагирует на интегральный световой поток, а высокая направленность и малая расходимость лазерного луча всегда позволят точно направить его на поверхность чувствительной площадки (в крайнем случае, всегда можно выбрать такой фотодиод, чтобы площадь поверхности чувствительной площадки была много больше площади облучаемой лучом лазера поверхности, или же сильнее сфокусировать луч лазера).
3.1.3. Проверка пригодности испытательной
установки к работе по стандартному
образцу дибутилфталата
Проверку пригодности испытательной установки наиболее целесообразно проводить в режиме тления, что увеличивает количество дымового аэрозоля и позволяет более точно проконтролировать возможные утечки из дымовой камеры.
Лодочку подготавливают в соответствии с требованиями приложения 9 ГОСТ [1].
Дибутилфталат представляет собой маслянистую жидкость. Подготавливать стандартный образец необходимо с помощью дозатора или обыкновенного шприца емкостью желательно не более 1 мл. Для получения достоверного результата здесь очень важно подготовить навеску строго регламентированной массы 0,10 + 0,01 г. Данное измерение должно проводиться только с использованием весов соответствующего класса точности.
Образец рекомендуется готовить следующим образом. В стандартную подложку (приложение 9 ГОСТ [1]), установленную навесы, с помощью спе-
циального дозатора или шприца подается дибутил-фталат. На основе показаний весов определяется достижение необходимой массы навески 0,10 ± 0,01 г. После этого в стандартную подложку на поверхность дибутилфталата равномерно насыпается кварцевый песок, масса которого также контролируется на основе показаний весов 1,0 ± 0,1 г. Стандартный образец готов к испытаниям.
Примечание. Количество кварцевого песка действительно должно быть 1,0 ± 0,1 г, ане10,0 ± 0,1 г, как указано в приложении 9 ГОСТ [1], так как количество песка массой 10,0 ± 0,1 г физически не войдет в цилиндрическую емкость лодочки.
Подготовленный стандартный образец незамедлительно помещается в камеру сгорания установки, предварительно выведенной на стабилизированный режим. Плотность теплового потока, излучаемого электронагревателем в режиме проверки установки с использованием стандартного образца, должна составлять 18 кВт/м2 (режим тления).
Включается вентилятор перемешивания (!). Образец разлагается до достижения минимального значения светопропускания.
Установка считается пригодной к работе, если коэффициент дымообразования, рассчитанный по формуле (28) ГОСТ [1] = 360 ± 20 м2/кг.
Примечание. При расчете коэффициента дымо-образования при испытаниях стандартного образца в формуле (28) ГОСТ[1] под "т" понимается сумма масс дибутилфталата и кварцевого песка, т.е. т = 1,00 + 0,10 = 1,10 г.
Замечание к периодичности
проведения калибровки
Калибровку и тарировку испытательной установки рекомендуется проводить при возникновении каких-либо сомнений относительно достоверности проведенных измерений, а также после ремонта и замены комплектующих.
3.2. Проведение испытаний
3.2.1. Подготовка образцов
Подготовка образцов осуществляется в соответствии с требованиями пп. 4.18.2.1 и 4.18.2.2 ГОСТ [1] со следующими дополнениями.
Для образцов с размером поверхности 40 х 40 мм в комплекте установки предусмотрена специальная металлическая лодочка (подложка), препятствующая вытеканию образца из держателя, но не препятствующая его сгибанию и сворачиванию при нагреве. К тому же для образцов с размером экспонируемой поверхности более 40 х 40 мм, использование которых допускается п. 4.18.3.5
ГОСТ [1], лодочка (подложка) больших размеров в комплекте испытательной установки отсутствует вообще.
Учитывая, что металлическая лодочка выполняет те же функции, что и подложка из металлической фольги, описанная в п. 2.2.1, без нарушения условий испытаний при подготовке образцов можно пользоваться методикой, изложенной в том же разделе (см. рис. 2.3 и 2.4).
Для ускорения проведения испытаний и улучшения воспроизводимости результатов целесообразно иметь два, а лучше три (для ускорения проведения испытания) сменных вкладыша, позволяющих каждый раз осуществлять нагрев образца и основания с комнатных температур. Такое решение позволяет уравнять для всех испытываемых образцов начальные условия и исключить влияние на процесс термического разложения предварительного прогрева основания.
Так, например, при испытаниях некоторых термопластичных материалов, особенно обладающих большим коэффициентом пропускания ИК-излуче-ния (полиметилметакрилат, поликарбонат и др.), в результате использования одного и того же невыни-маемого из камеры сгорания вкладыша, который подвергается в процессе испытаний постоянному нагреву, наблюдался эффект, когда образец, помещенный в камеру сгорания в металлической лодочке, вел себя подобно "салу на сковородке", т.е. возникал эффект "обратного" температурного градиента, что, конечно же, коренным образом противоречит реальным условиям теплового воздействия на материал в условиях пожара.
Влияние вышеописанного эффекта на определение коэффициента дымообразования проявляется также и для образцов других материалов, особенно для тех, которые образуют при нагреве на поверхности теплоизолирующий слой. В этом случае нагретый до высокой температуры вкладыш способен оказывать существенное тепловое воздействие на поверхность образца, не подвергающуюся непосредственному воздействию ИК-излу-чения электронагревателя, увеличивая, таким образом, количество образующегося дымового аэрозоля, что исключается в случае охлаждения вкладыша перед помещением его вместе с образцом в камеру сгорания. Хотя коэффициент дымооб-разования получается в случае использования "бессменного" вкладыша более высоким, вряд ли можно утверждать, что данные условия также отражают реальный характер теплового воздействия на образец, особенно в условиях начальной стадии пожара.
3.2.2. Подготовка испытательной
установки к проведению испытаний
Перед проведением испытаний в обязательном порядке очищаются оптические поверхности нагреваемого стекла и поверхности фотоприемника. Для очистки необходимо использовать тампон из ваты или кусочек фланели, слегка смоченные в этиловом спирте. Целесообразней в установке использовать для защиты принимающей поверхности фотоприемника защитное стекло.
Включается нагрев стекла и лазер. Для более стабильной генерации лазера ему необходимо прогреться (из практики это время составляет обычно не менее 1,5 - 2 ч, но при этом следует учитывать, что каждая модификация лазера имеет свои индивидуальные технические характеристики, и время прогрева может отличаться от указанного). Стабильность генерации отслеживается по фотоприемнику, индуцирующему показания, пропорциональные изменению интенсивности излучения лазера.
Нагрев электронагревателя целесообразно начинать так, чтобы к моменту прогрева стекла и лазера он уже вышел на стационарный режим (время выхода нагревателя на стационарный режим определяется во время его калибровки).
После выхода установки на стационарный режим в камеру сгорания загружается образец, подготовленный во вкладыше в соответствии с требованиями п. 3.2.1. Образец с подложкой и вкладышем устанавливается в держатель.
Примечание. В случае наличия периодических низкочастотных флуктуаций интенсивности генерации лазера целесообразно помещать образец в момент генерации лазером максимальной интенсивности (при максимальном значении фототока). Под флуктуациями здесь понимаются изменения показаний фотоприемника при отсутствии в дымовой камере дымового аэрозоля, т.е. изменения во времени величины начального светопропускания.
3.2.3. Проведение измерений
После помещения образца в камеру сгорания фиксируются показания фототока фотоприемника. Испытания прекращаются после достижения минимального значения фототока, т.е. когда показания, достигнув минимального значения, начинают увеличиваться.
По мере достижения минимального коэффициента пропускания целесообразно переходить (если в используемом средстве измерений фототока имеется такая возможность) на более чувствительный диапазон измерений.
При проведении испытаний целесообразно также фиксировать в рабочем журнале время достижения минимального значения фототока, а после остывания образца — потерю массы. Хотя эти зна-
чения и не используются для определения коэффициента дымообразующей способности, они дают полезную информацию о сходимости результатов испытания, что увеличивает достоверность проводимых оператором измерений.
Если при проведении измерений зарегистрированное минимальное значение светопропускания выходит за пределы рабочего диапазона или находится вблизи его границ, то согласно п. 4.18.3.5 ГОСТ [1] допускается уменьшать длину пути луча света (расстояние между источником и приемником света) либо изменять размеры образца.
Уменьшение длины луча света более предпочтительно (при условии, что ваша установка оборудована соответствующим приспособлением, позволяющим передвигать лазер или фотоприемник), так как в этом случае используется образец одних и тех же размеров, что позволяет избежать погрешностей, связанных с краевыми эффектами. Но здесь необходимо учитывать, что в дымовой камере достичь уровня однородности дымовой среды, при котором на результатах измерения не сказывалась бы локальная область рассеивания светового луча, крайне трудно. Не исключены также погрешности, связанные с температурным дрейфом фототока. Все это не может не сказываться на результатах измерения.
С другой стороны, использование фиксированной длины пути луча, на которой максимально усредняются все локальные неоднородности, также имеет свои недостатки, потому что в случае выхода за пределы рабочего диапазона светопропу-скания остается единственный выход: уменьшать или увеличивать размеры образца.
Учитывая результаты оценки неоднородности теплового потока на поверхности образца [2], можно предположить, что данный эффект в большей степени будет проявляться при увеличении размеров образца (более 40 х 40 мм) и в меньшей (или практически не проявляться) — при их уменьшении (менее 40 х 40 мм).
Неоднородность теплового потока и, соответственно, нагрева экспонируемой поверхности образца может приводить к изменению распределения дымовых частиц по размерам (более подробно см. работу [3]) и расчетного коэффициента дымообра-зования.
В качестве примера можно привести результаты испытаний теплоизоляционного материала "Пено-изол".
Так, образцы размерами 40 х 40 х 15 мм имеют в режиме тления при 35 кВт/м2 коэффициент дымо-образования От = 457 м2/кг, а образцы размерами 80 х 80 х 15 мм при тех же условиях От = 644 м2/кг, что, по-видимому, можно объяснить появлением при термическом разложении образца размерами
80 х 80 мм большего количества частиц размерами, сравнимыми с длиной волны гелий-неонового лазера.
Здесь возникает вопрос, что считать более корректной характеристикой дымообразования: коэффициент дымообразования, полученный для образцов размерами 40 х 40 х 15 мм при минимальном значении светопропускания порядка 80% (близком к граничному) или коэффициент дымообразования, полученный для образцов размерами 80 х 80 х 15 мм при минимальном светопропускании порядка 25% (находящемся с хорошим запасом внутри рабочего диапазона).
Учитывая принцип определения максимально возможной пожарной опасности материала, в качестве коэффициента дымообразования наиболее логично принять Бт = 644 м2/кг, но при этом в протоколе испытаний необходимо обязательно отразить, при каких условиях получены данные результаты испытаний, а также какие результаты наблюдаются при использовании образца стандартного размера (40 х 40 мм).
При проведении испытаний при отсутствии автоматического регулятора или стабилизатора необходимо постоянно контролировать и поддерживать (с точностью 0,5 В) напряжение на спирали, полученное при калибровке и соответствующее выбранному тепловому потоку.
Хотя минимальное значение фототока согласно требованиям ГОСТ [1] должно попадать в рабочий интервал 2 - 90%, но из практического опыта работы для большей точности измерений рекомендует-
ся, если это возможно, не выходить за интервал 10-70%.
3.2.4. Особенности испытаний
в режиме горения
Режим горения по сравнению с режимом тления отличается гораздо большей нестабильностью. Это связано с появлением в процессе испытания большого количества сажевых частиц, перемещающихся внутри дымовой камеры под действием вентилятора. Дымовая среда в камере в этом случае характеризуется гораздо большей неоднородностью, следствием этого становятся нестабильные показания фотоприемника. Сажевые частицы могут также осаждаться на экспонируемой поверхности фотоприемника или на защитном (ненагревае-мом) стекле между фотоприемником или дымовой камерой, что также искажает действительную дымообразующую опасность.
Для трудноразлагающихся образцов с очень малым содержанием органических веществ в режиме горения может наблюдаться ситуация, когда количество сажевых частиц от пламени горелки может за время термического воздействия оказаться сравнимым с количеством дымового аэрозоля, являющегося продуктом термического разложения собственно испытываемого образца. На этот эффект также необходимо обращать внимание, особенно если испытание проводится на верхней границе рабочего диапазона светопропускания, так как в этом случае по показаниям фототока трудно разделить вклад в светопоглощение продуктов сгорания от горелки и испытываемого образца.
ЛИТЕРАТУРА
1. ГОСТ 12.1.044-89. ССБТ. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения. — М.: Издательство стандартов, 1990.
2. Трушкин Д. В., Аксенов И. М. Метрологическое обеспечение методов испытаний по определению показателей пожарной опасности строительных материалов // Пожаровзрывобез-опасность. 2002. Т. 11.№ 2.С. 13-20.
3. Трушкин Д. В., Аксенов И. М. Проблемы определения дымообразующей способности строительных материалов // Пожаровзрывобезопасность. 2002. Т. 11.№ 1.С. 29-38.
4. Расчет фотоэлектрических цепей / Под ред. С. Ф. Корндорфа. — М.: Энергия, 1967.
Поступила в редакцию 16.03.05.
