建筑材料燃烧烟雾毒性测试软件系统设计*

欧凯 郑洞天 段丽娟 郑敦衍 洪晓斌

（1.华南理工大学机械与汽车工程学院 2.广东出入境检验检疫局检验检疫技术中心3.广州信禾检测设备有限公司）

0 前言

随着社会经济的发展，全世界发生火灾的频率在逐年渐升，而建筑材料引发的火灾居首位[1]。经研究表明，建筑材料引发的火灾中，人员伤亡绝大多数是烟雾毒性造成的[2]。建筑材料烟雾毒性测试，对于保证建筑物内生命和财产安全十分重要，进行建筑材料烟雾毒性测试研究具有十分重要的意义[3]。

目前国内外对于烟气毒性的测试方法主要有：基于小尺度试验毒性测试法、基于动物染毒毒性测试法、基于成分分析毒性测试法、基于生理研究毒性测试法等[4]，其中成分分析法可以了解燃烧产物中气体成分和浓度。研究温度对燃烧产物的生成及含量的影响，有利于研究烟气中各毒性成分产生的毒性作用，综合分析毒性产生的原因和机理[5]。相较于其它测试方法，其优点在于大大缩短实验时间，提高测试效率，降低测试费用[6]。检测到材料燃烧各成分值后，需要通过综合评价才能获得最终毒性值。目前国内外烟气毒性的评价模型主要有N-气体模型、FED模型、FEC模型以及TGAS评价模型[7]。其中N-气体模型相较于其它评价模型，其优点在于可以适应不同的燃烧试验装置，并且显示出很好的预测结果。因此采用N-气体模型进行烟气毒性的评价更加精确、科学[8]。

本文设计一套烟雾毒性测试软件系统，基于成分分析法以及N-气体模型，通过测量出烟气中各气体的体积含量，计算出建筑材料燃烧产生的烟雾毒性值N，形成一套完整的烟雾毒性测试流程，能快速、精确地评定建筑材料燃烧烟雾毒性。

1 系统框架

本测试软件主要功能分2部分：手动完成和自动完成部分[9]，如图1所示。

图1 建筑材料燃烧烟雾毒性测试软件总体功能结构

手动完成部分的功能包括：用户登录及权限修改、热辐射校准和燃烧气体采集。当用户开始使用该测试软件时，先登录，获得权限后才能使用；然后进行热辐射校准，为实验提供条件；最后采集毒性气体。

自动完成部分的功能包括：数值与图像显示、定时计算平均浓度与N值和数据的实时保存。采集的气体浓度显示在操作界面上，还会显示气体浓度的变化曲线。整个测试过程中，每一秒采集的气体浓度都会自动保存。当测试时间结束时，系统会根据保存的数值自动计算出整个过程中气体的平均浓度并以此计算出毒性值N，以判断烟气的毒性程度。

测试时，建筑材料燃烧烟雾毒性测试软件操作流程如图2 所示。

图2 建筑材料燃烧烟雾毒性测试软件操作流程

2 功能实现

2.1 用户登录及修改权限

使用该测试软件时，必须先登录系统，获得操作权限后才能使用该软件。与此同时，用户可以进行权限修改，设置新密码。

2.2 辐射板校准

辐射板校准时，通过传感器在辐射板的9个位置分别进行感应，感应到的辐射值通过采集装置传到测试软件界面中并绘制出辐射强度曲线；然后手动调节进入燃烧装置中的空气流量以及燃气流量，当辐射强度曲线位于国际标准范围时，辐射板校准完毕。具体辐射板校准流程如图3 所示。

2.3 燃烧气体的采集

建筑材料燃烧产生的烟气主要含有氧气、二氧化碳、一氧化碳、氯化氢、二氧化氮和氰化氢。测试原理是将燃烧建筑材料产生的烟气过滤、干燥后，通过采集泵抽进集成6个传感器环境中，各传感器线性输出 4 mA～20 mA的电流，通过内置电阻转换为 0.4 V～20 V的输出电压，因此在输出端采集卡采集6个传感器输出的电压信号；然后USB接线将输出电压的数值传到电脑中；通过烟毒性测试软件，经过换算，将电压值转换为对应的气体浓度值。燃烧气体采集的流程如图4所示。

图4 燃烧气体采集流程

2.4 数值与图像显示

采集的气体浓度必须在操作界面实时显示，且气体浓度的变化以曲线形式显示，可清晰地获得整个产烟过程中每种气体的变化情况，分析气体浓度变化的特点。气体浓度的数值主要是根据采集卡采集到的电压值通过计算转换得到的，数值与图像显示的流程如图5所示。

图5 数值与图像显示流程

2.5 数据的实时保存

实时数据保存是为了能保存整个产烟过程中气体的浓度，便于后期数据处理。通过点击“保存数据”菜单，可以进入mdb数据库查看试验所测得的数据。

2.6 实时计算平均浓度与N值

实时计算平均浓度与N值，是为了根据采集的气体浓度值得到整个产烟过程中气体的平均浓度，以便计算出整个过程中烟气的毒性值N，评价烟气的毒性程度。计算时，根据显示的浓度值，将每一秒显示出的浓度值进行叠加，当测试时间结束时，除以时间得到气体的平均浓度，可以根据N-模型的公式计算出N值。实时计算平均浓度与N值的原理如图6所示。

开始测量后，系统以秒为周期，实时记录烟气中每种毒性气体的含量，并将每种毒性气体的变化在坐标图内实时显示出来。当测量时间到达时，系统自动计算出每种毒性气体的平均浓度，并由此得到烟气的毒性值N。

图6 实时计算平均浓度与N值的原理图

3 实验测试

选取3块成分相同、尺寸大小一样的PVC地板作为试样，进行燃烧烟雾毒性检测实验。实验前，对建筑材料烟雾毒性检测装置的辐射热通量进行校准。利用烟雾毒性测试软件的辐射板校准功能，调节检测装置输入的空气与燃气流量，使得辐射板辐射热通量符合GB11875的要求。PVC地板在建筑材料烟雾毒性检测装置中燃烧，其产生的烟雾经过采集、过滤、干燥之后进入各毒性气体传感器测定，3组PVC地板燃烧烟雾毒性测试实验结果如表1所示。

表1 PVC地板燃烧烟雾毒性测试实验结果

实验过程中，建筑材料燃烧烟雾毒性测试软件能够实时显示烟气中各气体的含量。实验结束后，系统计算出各毒性气体在实验时间内的平均含量。在此基础上，利用 N-气体模型评定建筑材料燃烧烟雾的毒性。PVC地板燃烧烟雾毒性测试界面如7所示。图7中右上方两个表格分别表示各毒性气体瞬时含量和平均含量，而图7下方7个图分别表示HCl、NO2、CO、HCN、CO2、O2、HBr的含量曲线图。

实验测试中，测试数据稳定，系统响应迅速，满足设计要求。

图7 建筑材料燃烧烟雾毒性测试界面

4 结语

基于 N-气体模型设计建筑材料燃烧烟雾毒性测试软件系统，可实时测量产生的烟雾中各毒性气体的浓度，并能自动实时绘制出各毒性气体的浓度曲线，能直观地看到整个实验过程中各毒性气体浓度的变化。测试结束后，系统自动计算出燃烧烟雾中各毒性气体的平均浓度并以此计算烟雾毒性值N，从而评价该建筑材料燃烧产生的烟雾毒性程度，为评价建筑材料安全性奠定了坚实的基础。

[1]Nazare S,Kandola B,Horrocks R. Smoke,CO and CO2measurements and evaluation using different fire testing techniques for flame retardant unsaturated polyester resin formulations[J]. Journal of Fire Sciences,2008,26(5):215-242.

[2]范维澄,孙金华,陆守香.火灾风险评估方法学[M].北京:科学出版社,2004.

[3]欧凯,洪晓斌,文泽贵,等.基于正交试验的建材燃烧烟密度测试装置参数组合优化[J].中国测试,2014:(4).

[4]童朝阳,阴忆烽,黄启斌,等.火灾烟气毒性的定量评价方法评述[J].安全与环境学报,2005,5(4):101-105.

[5]杨立中,方伟峰.可燃材料火灾中的毒性评估方法[J].中国安全科学学报,2001,11(1):65-69.

[6]刘军军.材料燃烧烟气毒性综合评价[D].重庆:重庆大学,2005.

[7]张凯.常见可燃建筑材料火灾及毒性烟气模拟研究[D].合肥:安徽理工大学,2009.

[8]Levin B C. New research avenues in toxicology:7 gas N-gas model,toxicant suppressants,and genetic toxicology[J].Toxicology,1996,115:89-10.

[9]刘敬光,吴斯栋,梁小明,等.新型 RFID 系统基准性能测试指标体系设计[J].自动化与信息工程,2011,32(6):41-44.