铺地材料燃烧性能试验设备辐射性能校准方法的研究

刘 萍，陈 玲，王孔祥，林景星，林品云

（福建省计量科学研究院，福建 福州 350003）

1 概述

铺地材料燃烧性能试验设备被采用于辐射热源法在受控试验条件下测试并评定如纺织地毯、软木板、木板、橡胶板和塑料地板及地板喷涂材料等铺地材料的燃烧性能。

试验设备的结构示意图如图1所示。其工作原理是在燃烧试验箱中，用小火焰点燃水平放置并暴露于倾斜的热辐射场中的铺地材料，从而评估其火焰传播能力。

图1 试验设备示意图

2 铺地材料燃烧试验设备的校准

2.1 校准项目与校准设备

通过对铺地材料燃烧试验设备使用技术性能的分析研究，确定出校准项目为辐射通量示值误差、辐射板辐射温度示值误差和辐射板辐射温度稳定性，其校准采用的主要标准设备：

热通量计：测量范围（0～15）kW/m²，最大允许误差为±3%，直径25mm。

辐射温度计：测温范围（400～1000）℃，最大允许误差为±0.5%，响应波长（1～9） 。

2.2 铺地材料燃烧试验设备校准

铺地材料燃烧试验设备校准位置的选取：校准板由厚度（20±1）mm，密度（850±100）kg/m³无涂覆层的硅酸钙板制成，尺寸为长度（1050±20）mm、宽度（250±10）mm。沿着中心线从试件零点开始，在110mm、210mm、310mm、……，直到910mm的位置开有直径（26±1）mm的圆孔，即为校准位置。（如图2所示）

图2 校准位置示意图

接通试验设备的电源，点燃辐射板，让装置预热，调节燃气和空气的流量，在1小时内辐射板温度波动不超过±5℃。

用热通量计在校准板410mm的位置测量辐射通量。插入热通量计，让热通量计探测表面与校准板表面平行并高出（2～3）mm，30s后读数。如果该点的测量值不符合辐射通量（5.1±0.2）kW/m²，则需要调节供给辐射板的燃气和空气的流量，稳定至少10min后再进行测量，直到试验结果符合要求。

依次在每个孔中插入热通量计，起始点为110mm，终点为910mm，最后在410mm点再测量辐射通量，每个点的测量均应确保热通量计的探测表面与校准板表面平行并高出（2～3）mm，30s后读数。测量值均应符合表1的规定，并按式（1）计算辐射通量示值误差。

表1 辐射通量示值及示值误差

移走校准板，关闭样品进出门。用辐射温度计测量辐射板中心的温度，同时记录辐射板的显示温度，在30min内，每3min测量1次，连续记录10次。按式（2）和式（3）分别计算辐射板辐射温度示值误差和辐射板辐射温度稳定度。

测量结束后记录下燃气和空气的流量值。

2.3 校准结果数据处理

2.3.1 辐射通量示值误差的计算

式中：

∆Fi——在校准板第i点位置的辐射通量示值误差，kW/m²；

Fi——在校准板第i点位置的辐射通量值，kW/m²；

F标——在校准板第i点位置的辐射通量标称值，kW/m²。

2.3.2 辐射板辐射温度示值误差的计算

式中：

∆t——辐射板的辐射温度示值误差，℃；

——辐射板的显示平均值，℃；

——标准辐射温度计测量的辐射温度平均值，℃；

∆t修——辐射温度的修正值，℃。

2.3.3 辐射板辐射温度稳定性的计算

式中：

∆T——辐射板中心在规定的时间间隔内的变化量，℃；

——辐射板中心在规定的时间间隔内的实测最大辐射温度，℃；

Tmin——辐射板中心在规定的时间间隔内的实测最小辐射温度，℃。

3 铺地材料燃烧性能试验设备校准结果的不确定度评定

（1）铺地材料燃烧性能试验设备辐射通量示值误差校准结果的不确定度评定。

标准器采用热通量计，测量范围（0～15）kW/m²，最大允许误差为±3%FS，直径25mm。被校准的试验设备型号为PZF-1，显示分辨力为0.1℃。

接通试验设备的电源，点燃辐射板，让装置预热，调节燃气和空气的流量，在1小时内辐射板温度波动不超过±5℃。

以校准板410mm的位置为例，对试验设备辐射通量示值误差校准结果的不确定度进行评定。

测量模型按公式（1）。不确定度分量主要来源是：标准器的示值误差、测量重复性、测量仪器显示分辨力和标准器探测表面的测量位置。

①标准器的示值误差引入的标准不确定度u1

标准器的示值误差按均匀分布处理，则：

②测量重复性引入的标准不确定度u2

在校准板410mm的位置进行10次独立重复测量，得到测量结果（kW/m²）：5.0，5.1，5.0，4.9，5.1，5.1，5.1，5.0，4.9，4.9。则单次测量实验标准差为：n

所以测量重复性引入的标准不确定度：③测量仪器显示分辨力引入的标准不确定度u3测量仪器显示分辨力为0.1kW/m²，区间半宽为0.05 kW/m²，按均匀分布处理，则：

该分量小于重复性引入的标准不确定度分量，可以不予考虑。

④标准器探测表面的测量位置引入的标准不确定度u4

按要求，测量时标准器探测表面与校准板平行并高出（2～3）mm，估计该项影响量为0.1kW/m²，区间半宽为0.05 kW/m²，按均匀分布处理，则：

计算合成标准不确定度uc( ∆Fi)，由于输入量之间彼此独立不相关，因此合成标准不确定度为：

确定扩展不确定度U，取包含因子k=2，则试验设备辐射通量示值误差校准结果的扩展不确定度为：

分辨力为0.1℃的试验设备在校准板410mm的位置时，其示值误差的校准结果扩展不确定度

（2）铺地材料燃烧性能试验设备辐射温度示值误差校准结果的不确定度评定。

标准器采用辐射温度计，测温范围（300～1000）℃，最大允许误差±0.5%读数。被校准的试验设备型号为PZF-1，显示分辨力为0.1℃。

待试验设备辐射板预热到设定温度，并稳定半小时后，用辐射温度计测量辐射板中心的温度，记录读数，同时记录辐射板的显示温度。对试验设备辐射温度示值误差的校准结果不确定度进行评定。

测量模型按公式（2）。不确定度分量主要来源是：示值测量重复性、仪器显示分辨力、标准器的测量位置和辐射温度的修正值。

①示值测量重复性引入的标准不确定度u1

辐射板温度恒定时，进行10次独立重复测量，从试验设备显示仪表上读取数值（℃）：501.2，501.9，501.7，502.5，502.4，502.9，502.7，503.1，503.3，503.0。则单次测量实验标准差为：

所以示值测量重复性引入的标准不确定度：

②仪器显示分辨力引入的标准不确定度u2

仪器显示分辨力为0.1℃，区间半宽为0.05℃，按均匀分布处理，则：

该分量小于重复性引入的标准不确定度分量，可以不予考虑。

③标准器的测量位置引入的标准不确定度u3

由于标准器的测量位置与试验设备的辐射高温计的位置不重合，估计该项影响量为1℃，按均匀分布处理，则：

④辐射温度的修正值引入的标准不确定度u4

辐射温度的修正值的扩展不确定度估计不超过2℃，包含因子k=2。则：

计算合成标准不确定度uc(∆t)，由于输入量之间彼此独立不相关，因此合成标准不确定度为：

确定扩展不确定度U，取包含因子k=2，则试验设备辐射温度示值误差校准结果的扩展不确定度为：

分辨力为0.1℃的试验设备在500℃时 ，其辐射温度示值误差的校准结果扩展不确定度U=2.4℃，k=2。

（3）铺地材料燃烧性能试验设备辐射温度稳定性的校准结果不确定度评定。

标准器采用辐射温度计，测温范围（300～1000）℃，最大允许误差±0.5%读数。被校准的试验设备型号为PZF-1，显示分辨力为0.1℃。

待试验设备辐射板预热到达设定温度，并稳定半小时后，用辐射温度计测量辐射板中心的温度，在30min内，每3min测量1次，连续记录10次。对试验设备辐射温度稳定性的校准结果不确定度进行评定。

测量模型按公式（3）。不确定度分量主要来源是：标准器的示值重复性、标准器的短期稳定性、标准器显示分辨力。u

①标准器的示值重复性引入的标准不确定度1

辐射板温度恒定时，用标准辐射温度计对同一位置的稳定性进行10次测量，得到单次测量实验标准差为：

所以标准器的示值重复性引入的标准不确定度：

②标准器的短期稳定性引入的标准不确定度u2

标准器的短期稳定性（如30min）估计不超过1℃，区间半宽为0.5℃，按均匀分布处理，则：

③标准器显示分辨力引入的标准不确定度u3

标准器显示分辨力为1℃，区间半宽为0.5℃，按均匀分布处理，则：

计算合成标准不确定度uc( ∆t) ，由于输入量之间彼此独立不相关，因此合成标准不确定度为：

确定扩展不确定度U， 取包含因子k=2，则试验设备辐射温度稳定性校准结果的扩展不确定度为：

分辨力为0.1℃的试验设备在500℃时 ，其辐射温度稳定性的校准结果扩展不确定度U=1.8℃，k=2。

4 结束语

文章通过对铺地材料燃烧性能试验设备辐射性能的校准所采用的校准设备、校准项目、校准方法及校准结果不确定度评定进行分析探讨，分别对铺地材料燃烧性能试验设备的辐射通量示值误差、辐射板辐射温度示值误差、辐射板辐射温度稳定性等校准项目和校准方法研究，并对铺地材料燃烧性能试验设备辐射通量示值误差、辐射温度示值误差、辐射温度稳定性提供校准结果不确定度分析评定，为福建省企事业单位铺地材料燃烧性能试验设备辐射性能量值溯源提供有效的技术依据。

[1]GB/T11785-2005 铺地材料的燃烧性能测定 辐射热源法[S].

[2]JJF 1059.1-2012测量不确定度评定与表示[S].