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泰思泰克：锥形量热仪的国内外标准对比分析
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摘 要：锥形量热仪是研究材料燃烧特性的最常用试验仪器，它能够测得燃烧材料的多项参数，以用于评价材料在实际火灾中的燃烧行为。本文对锥形量热仪的结构进行了简要介绍，着重对锥形量热仪方法所涉及的我国标准GB/T 16172-2007与国际标准ISO 5660-1:2015进行了详细地对比分析，并从试验仪器、仪器标定和试样相关三个方面总结归纳了我国标准与国际标准准之间的技术性差异。
锥形量热仪（Cone Calorimeter，简称CONE）是火灾科学研究领域中最为重要的仪器设备之一。它不仅可以用于研究各类材料或制品的燃烧性能，以评价材料或制品的燃烧行为，而且由CONE测得的数据还是性能化火灾设计和火灾模型化最为重要的数据来源。此外，通过CONE测试还能在一定程度上预测材料或制品在大尺寸试验中的燃烧行为和燃烧性能。
CONE能够测得燃烧材料的多个性能指标，如热释放速率（Heat Release Rate，HRR）、质量损失速率（Mass Loss Rate，MLR）、总热释放量（Total Heat Release，THR）等，此外，CONE还能测得烟的数据参数，如产烟率（Smoke Production Rate，SPR）、总产烟量（Total Smoke Production TSP）等。这些指标参数对于材料的燃烧性能研究以及
火灾工程设计等具有重要意义。
对于CONE测试方法，目前我国执行的标准为GB/ T16172-20 07《建筑材料热释放速率试验方法》，标准GB/T16172-2007等同采用ISO 5660-1:2002[2]，而目前国外执行的有效国际标准为ISO 5660-1:2015，国标ISO 5660-1:2015与我国现行标准GB/T 16172-2007存在差异。本文主要对GB/T 16172-2007和ISO 5660-1:2015两个标准进行详细地对比分析，并归纳总结我国标准和国际标准之间的主要技术性差异。
1 、锥形量热仪的结构
CONE主要由辐射系统、称重系统、排气系统、气体分析系统、烟气测量系统以及其他装置等6部分组分
1.1 辐射系统
CONE的辐射系统主要包括两部分，分别为辐射锥以及辐射控制装置。辐射系统能够为测试材料表面提供一定的辐射照度，辐射照度通过辐射锥上布置的三支热电偶进行控制。
1.2 称重系统
CONE的称重系统用于称取试样测试过程中的质量，通过记录试样质量的变化，能够获得试样的质量损失速率等参数。
1.3 排气系统
CONE的排气系统主要包括风机、集烟罩、排烟管道和孔板流量计等，排气系统的流量通过孔板流量计两侧的压差以及排烟管道内的气流温度来确定。
1.4 气体分析系统
气体分析系统主要包括气体取样装置和气体分析仪等，气体分析仪是CONE的核心，耗氧分析又是气体分析仪中必不可少的一部分，而CO2和CO分析是可选的。
1.5 烟气测量系统
烟气测量系统用于测试试验过程中排气管道中烟气的光密度，通过烟气测量系统能够得到SPR和TSP等烟气相关参数。
1.6 其他装置
CONE的其他装置主要包括点火电路、热流计、标定燃烧器、试样安装架、数据采集分析系统等。
2、国内外锥形量热仪方法标准差异对比
对于CONE测试方法，我国标准GB/T 16172-2007与国际标准ISO 5660-1:2015之间的具体技术性差异可以从试验仪器、仪器标定以及试样相关3个方面进行归纳总结，其中试验仪器方面的技术性差异是我国标准与国际标准之间最主要的差异。
2.1 试验仪器方面的技术性差异
两个标准之间的最主要不同在于CONE的测量范围，国际标准新增了烟气测量的相关规定要求。在标准ISO5660-1:2005中，详细描述了烟气测量原理、烟气测量元件、光路校准、烟气数据计算方法等相关要求。实际火灾中，确定火灾危险性的重要参数除了火场中制品燃烧所释放的热量之外，烟气指标也非常重要，因此对烟气参数的测试很有意义。
在气体分析仪方面，我国标准仅对氧分析仪进行了规定，而国际标准还新增了CO2分析仪和CO分析仪的具体要求，比如其测量范围、线性度、响应时间等，并对CO2分析仪和CO分析仪的校准方法进行了明确规定。对于CONE方法测试材料的燃烧放热，其基础为耗氧原理，即通过测量材料燃烧所消耗的氧气，从而换算出材料燃烧所释放的热量，而根据气体分析仪测量气体种类的不同，材料热释放的计算公式也有差异，目前大多数CONE都能测得O2、CO2和CO三种气体的浓度，由此可见，明确CO2分析仪和CO分析仪的要求十分必要。
此外，与我国标准相比，国际标准对称重设备、热流计以及流量计的要求有所降低，这说明对于我国标准所等同采用的2002版的国际标准，其对上述元件的规定过于严格，使得在实际的CONE试验中较难达到标准要求。
2.2 仪器标定方面的技术性差
CONE的标定分为3类，分别为预标定、工作标定和非经常性标定。
预标定在CONE交付使用或仪器主要部件维修或更换时进行，其包括辐射控制系统响应时间、称重设备的响应时间和输出漂移、氧分析仪的滞后时间和响应时间、氧分析仪的输出噪声和漂移、防护屏的影响。
工作标定在每个试验日开始试验时进行，其包括称重设备的精度、氧分析仪、热释放速率标定、辐射锥标定。非经常性标定要求每隔一段时间进行，其包括工作热流计的标定、热释放速率测量的线性、标定燃烧器用流量计的精度。
我国标准与国际标准之间关于仪器标定方面的具体技术性差异见表2。其中，对于氧分析仪的滞后时间和响应时间预标定，国际标准中新增明确了氧读数最大偏差为插入燃烧器或者移去燃烧器之后的1min到3min之间的平均氧浓度值。
2.3 试样相关方面的技术性差异
在试样相关方面，国际标准ISO5660-1:2015中新增了对于一些特殊试样的处理方法，包括过度卷曲或收缩的试样、易熔化制品、厚度小于6mm的制品以及需要压紧的材料。
对于过度卷曲或收缩的试样，若采用4根金属丝不能限制其变形，则应采用直径（0.8±0.1）mm，间距（20±2）mm的金属丝格网以限制试样的严重变形，金属丝格网的长宽均为100mm。
对于易熔化制品，若其熔融物溢出边缘框架或渗入到边缘框架与试样架之间，则试验时应不使用边缘框架，而应使用0.1mm厚度的铝托盘包装纸，且超过试样上表面10mm。
对 于 试 验 时 需 要 压 紧 的 材 料 ，如 纤 维 ，不 应 使 用 定 位 架 ，而 应 将 试 样 放 入 铁 丝 笼 中进 行 试 验，铁 丝 笼 如 图 2 所 示。铁 丝 笼 通 过 将100mm×100mm×10mm的固体 模块放在尺寸为241mm×101mm的铁丝网上对折形成，铁丝直径为（1.0±0.1）mm，间距为（9±1）mm。需要注意的是，这种情况下的初始暴露面积为0.01m2。
对于上述几类特殊试样，若按照我国标准规定进行测试，则可能在试验过程中出现不可预料的情况，使得试验结果无效，比如试样变形影响辐射锥、试样熔化溢出试样架等。因此，国际标准中对于特殊试样的新增规定很有必要，与我国标准相比，国际标准在试样相关方面的规定也更加广泛。
3 结论与建议
通 过 对 C O N E 方 法相关 的我国标准 GB / T 16172-2007与国际标准ISO 5660-1:2015对比分析，其主要的技术性差异在于：
（1）国际标准中新增了烟气测量以及CO2分析仪和CO分析仪的相关规定要求；
（2）与我国标准相比，国际标准对于仪器部分元件的要求有所降低；
（3）两个标准之间对于仪器标定的部分规定存在差异；
（4）国际标准中新增了试验时对于某些特殊试样的处理方法。
与CONE国际标准相比，我国目前执行的标准还存在一些不足，这使得在使用CONE进行材料研究时，对其燃烧性能的评估可能不够全面。所以，我国标准在修订过程中应该借鉴参考国际标准中的优势，以使我国标准更加系统全面，并与国际标准接轨。
锥形量热仪（Cone Calorimeter，简称CONE）是火灾科学研究领域中最为重要的仪器设备之一。它不仅可以用于研究各类材料或制品的燃烧性能，以评价材料或制品的燃烧行为，而且由CONE测得的数据还是性能化火灾设计和火灾模型化最为重要的数据来源。此外，通过CONE测试还能在一定程度上预测材料或制品在大尺寸试验中的燃烧行为和燃烧性能。
CONE能够测得燃烧材料的多个性能指标，如热释放速率（Heat Release Rate，HRR）、质量损失速率（Mass Loss Rate，MLR）、总热释放量（Total Heat Release，THR）等，此外，CONE还能测得烟的数据参数，如产烟率（Smoke Production Rate，SPR）、总产烟量（Total Smoke Production TSP）等。这些指标参数对于材料的燃烧性能研究以及
火灾工程设计等具有重要意义。
对于CONE测试方法，目前我国执行的标准为GB/ T16172-20 07《建筑材料热释放速率试验方法》，标准GB/T16172-2007等同采用ISO 5660-1:2002[2]，而目前国外执行的有效国际标准为ISO 5660-1:2015，国标ISO 5660-1:2015与我国现行标准GB/T 16172-2007存在差异。本文主要对GB/T 16172-2007和ISO 5660-1:2015两个标准进行详细地对比分析，并归纳总结我国标准和国际标准之间的主要技术性差异。
1 、锥形量热仪的结构
CONE主要由辐射系统、称重系统、排气系统、气体分析系统、烟气测量系统以及其他装置等6部分组分
1.1 辐射系统
CONE的辐射系统主要包括两部分，分别为辐射锥以及辐射控制装置。辐射系统能够为测试材料表面提供一定的辐射照度，辐射照度通过辐射锥上布置的三支热电偶进行控制。
1.2 称重系统
CONE的称重系统用于称取试样测试过程中的质量，通过记录试样质量的变化，能够获得试样的质量损失速率等参数。
1.3 排气系统
CONE的排气系统主要包括风机、集烟罩、排烟管道和孔板流量计等，排气系统的流量通过孔板流量计两侧的压差以及排烟管道内的气流温度来确定。
1.4 气体分析系统
气体分析系统主要包括气体取样装置和气体分析仪等，气体分析仪是CONE的核心，耗氧分析又是气体分析仪中必不可少的一部分，而CO2和CO分析是可选的。
1.5 烟气测量系统
烟气测量系统用于测试试验过程中排气管道中烟气的光密度，通过烟气测量系统能够得到SPR和TSP等烟气相关参数。
1.6 其他装置
CONE的其他装置主要包括点火电路、热流计、标定燃烧器、试样安装架、数据采集分析系统等。
2、国内外锥形量热仪方法标准差异对比
对于CONE测试方法，我国标准GB/T 16172-2007与国际标准ISO 5660-1:2015之间的具体技术性差异可以从试验仪器、仪器标定以及试样相关3个方面进行归纳总结，其中试验仪器方面的技术性差异是我国标准与国际标准之间最主要的差异。
2.1 试验仪器方面的技术性差异
两个标准之间的最主要不同在于CONE的测量范围，国际标准新增了烟气测量的相关规定要求。在标准ISO5660-1:2005中，详细描述了烟气测量原理、烟气测量元件、光路校准、烟气数据计算方法等相关要求。实际火灾中，确定火灾危险性的重要参数除了火场中制品燃烧所释放的热量之外，烟气指标也非常重要，因此对烟气参数的测试很有意义。
在气体分析仪方面，我国标准仅对氧分析仪进行了规定，而国际标准还新增了CO2分析仪和CO分析仪的具体要求，比如其测量范围、线性度、响应时间等，并对CO2分析仪和CO分析仪的校准方法进行了明确规定。对于CONE方法测试材料的燃烧放热，其基础为耗氧原理，即通过测量材料燃烧所消耗的氧气，从而换算出材料燃烧所释放的热量，而根据气体分析仪测量气体种类的不同，材料热释放的计算公式也有差异，目前大多数CONE都能测得O2、CO2和CO三种气体的浓度，由此可见，明确CO2分析仪和CO分析仪的要求十分必要。
此外，与我国标准相比，国际标准对称重设备、热流计以及流量计的要求有所降低，这说明对于我国标准所等同采用的2002版的国际标准，其对上述元件的规定过于严格，使得在实际的CONE试验中较难达到标准要求。
2.2 仪器标定方面的技术性差
CONE的标定分为3类，分别为预标定、工作标定和非经常性标定。
预标定在CONE交付使用或仪器主要部件维修或更换时进行，其包括辐射控制系统响应时间、称重设备的响应时间和输出漂移、氧分析仪的滞后时间和响应时间、氧分析仪的输出噪声和漂移、防护屏的影响。
工作标定在每个试验日开始试验时进行，其包括称重设备的精度、氧分析仪、热释放速率标定、辐射锥标定。非经常性标定要求每隔一段时间进行，其包括工作热流计的标定、热释放速率测量的线性、标定燃烧器用流量计的精度。
我国标准与国际标准之间关于仪器标定方面的具体技术性差异见表2。其中，对于氧分析仪的滞后时间和响应时间预标定，国际标准中新增明确了氧读数最大偏差为插入燃烧器或者移去燃烧器之后的1min到3min之间的平均氧浓度值。
2.3 试样相关方面的技术性差异
在试样相关方面，国际标准ISO5660-1:2015中新增了对于一些特殊试样的处理方法，包括过度卷曲或收缩的试样、易熔化制品、厚度小于6mm的制品以及需要压紧的材料。
对于过度卷曲或收缩的试样，若采用4根金属丝不能限制其变形，则应采用直径（0.8±0.1）mm，间距（20±2）mm的金属丝格网以限制试样的严重变形，金属丝格网的长宽均为100mm。
对于易熔化制品，若其熔融物溢出边缘框架或渗入到边缘框架与试样架之间，则试验时应不使用边缘框架，而应使用0.1mm厚度的铝托盘包装纸，且超过试样上表面10mm。
对 于 试 验 时 需 要 压 紧 的 材 料 ，如 纤 维 ，不 应 使 用 定 位 架 ，而 应 将 试 样 放 入 铁 丝 笼 中进 行 试 验，铁 丝 笼 如 图 2 所 示。铁 丝 笼 通 过 将100mm×100mm×10mm的固体 模块放在尺寸为241mm×101mm的铁丝网上对折形成，铁丝直径为（1.0±0.1）mm，间距为（9±1）mm。需要注意的是，这种情况下的初始暴露面积为0.01m2。
对于上述几类特殊试样，若按照我国标准规定进行测试，则可能在试验过程中出现不可预料的情况，使得试验结果无效，比如试样变形影响辐射锥、试样熔化溢出试样架等。因此，国际标准中对于特殊试样的新增规定很有必要，与我国标准相比，国际标准在试样相关方面的规定也更加广泛。
3 结论与建议
通 过 对 C O N E 方 法相关 的我国标准 GB / T 16172-2007与国际标准ISO 5660-1:2015对比分析，其主要的技术性差异在于：
（1）国际标准中新增了烟气测量以及CO2分析仪和CO分析仪的相关规定要求；
（2）与我国标准相比，国际标准对于仪器部分元件的要求有所降低；
（3）两个标准之间对于仪器标定的部分规定存在差异；
（4）国际标准中新增了试验时对于某些特殊试样的处理方法。
与CONE国际标准相比，我国目前执行的标准还存在一些不足，这使得在使用CONE进行材料研究时，对其燃烧性能的评估可能不够全面。所以，我国标准在修订过程中应该借鉴参考国际标准中的优势，以使我国标准更加系统全面，并与国际标准接轨。
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