一种测试热阻的系统及方法与流程

本发明涉及消防科学与技术领域，尤其涉及一种测试热阻的系统及方法。

背景技术：

无论是救火还是其他高温危险性工作，高强度的热辐射都对工作人员的生命安全造成了严重威胁。热防护服是高温热辐射环境下工作人员生命安全的重要保障之一，因此准确评估热防护服的热防护性能，以保障高温热辐射环境下工作人员免受热辐射的危害，也成为火灾应急装备领域的重要研究方向。

通常情况下，热防护服的热阻(thermal insulation)表征其对传热的阻碍能力，是热舒适评价和极端温度热安全评价中重要的物性参数。因此评估热防护服的热防护性能，主要是测试其热阻。

现有技术中，可以通过模拟高温热辐射环境中，外部热量透过热防护服到达人体皮肤的过程，进而对热防护服的热阻进行测试。但是这个过程并没有考虑实际情况下，在高温热辐射环境中人体皮肤通常会出汗而造成湿态情景，而对热防护服的热阻造成影响，因此其测试结果并不会十分准确。

目前，还没有关于高温热辐射环境中热防护服处于人体出汗状态时，测试热防护服的热阻的方法。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供了一种测试热阻的系统及方法，通过模拟高温热辐射环境中，人体出汗状态时外部热量透过热防护服到达人体皮肤的过程，测试热防护服的热阻，测试环境更符合实际情况，测试结果更加准确。

一方面，本发明实施例提供一种测试热阻的系统，所述系统包括加热器、辐射挡板、人体出汗模拟系统、热电偶测量系统、热流密度计以及数据采集系统，

热防护服置于所述加热器下方的第一指定距离处，所述热防护服的最外侧为外层，最内侧为舒适层；

所述热防护服的外层面向所述加热器，所述加热器为所述热防护服提供热辐射；

所述辐射挡板置于所述加热器与所述热防护服之间，用于间隔所述加热器与所述热防护服之间的热辐射；

所述人体出汗模拟系统用于模拟人体皮肤出汗状态；

所述热电偶测量系统用于测量所述热防护服外层的外表面温度与舒适层的内表面温度；

所述热流密度计置于所述热防护服内表面下方的第二指定距离处，用于测量所述热防护服舒适层的热流密度；

所述数据采集系统用于根据所述热防护服外层的外表面温度与舒适层的内表面温度、热流密度，得到所述热防护服的热阻。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述系统还包括空气层设置系统，所述热防护服外层与舒适层之间依次有防水透气层、隔热层，

所述空气层设置系统用于在所述热防护服不同层之间设置空气层，以及控制所述空气层的厚度。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述人体出汗模拟系统包括超声波雾化器、绝热导管、热敏电阻、电加热温度系统，

所述超声波雾化器用于产生雾化液滴，所述绝热导管用于传输雾化滴液，并从出口处喷出雾化滴液至所述热防护服内表面下方的第三指定距离处，所述雾化滴液的直径范围为0.5～5微米；

所述热敏电阻用于测量所述绝热导管出口处雾化滴液的温度；

所述电加热系统用于对所述绝热导管出口处雾化液滴进行加热，并通过内部比例-积分-微分PID控制器控制所述绝热导管出口处雾化滴液的温度在预设值上。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述第二指定距离为7毫米。

第二方面，本发明实施例提供一种测试热阻的方法，适用于如上任一项所述的测试热阻的系统，所述方法包括：

设置预设热辐射功率，并启动所述加热器；

当所述加热器达到所述预设热辐射功率后第一指定时长时，启动人体出汗模拟系统；

当所述人体出汗模拟系统达到预设人体皮肤出汗状态时，将所述热防护服暴露在所述加热器下进行加热，所述热防护服的最外侧为外层，最内侧为舒适层；

加热第二指定时长后，监测所述热防护服是否达到热平衡状态；

在所述热防护服达到热平衡状态后，通过所述热电偶测量系统测量所述热防护服外层的外表面温度与舒适层的内表面温度，并通过所述热流密度计测量所述热防护服舒适层的热流密度；

所述数据采集系统根据所述预设热辐射功率、热防护服外层的外表面温度与舒适层的内表面温度、热流密度，得到所述热防护服的热阻。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述热防护服外层与舒适层之间依次有防水透气层、隔热层，所述外层与所述防水透气层之间设置有空气层。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述热防护服外层与舒适层之间依次有防水透气层、隔热层，所述防水透气层与所述隔热层之间设置有空气层。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述空气层的厚度灵活可变。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，在所述启动人体出汗模拟系统包括：

设置所述人体出汗模拟系统的绝热导管出口处雾化液体温度的预设值，并启动所述人体出汗模拟系统的电加热温度系统；

则当所述人体出汗模拟系统达到预设人体皮肤出汗状态时，将所述热防护服暴露在所述加热器下进行加热，包括，

当所述绝热导管出口处雾化液体的温度达到预设值后第四指定时长时，将所述热防护服暴露在所述加热器下进行加热。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述数据采集系统根据所述预设热辐射功率、热防护服外层的外表面温度与舒适层的内表面温度、热流密度，得到所述热防护服的热阻，包括：

基于方程(1)计算所述热防护服的散热量，

H_t＝HF-R₁-C (1)；

基于方程(2)计算所述热防护服的热阻，

其中，H_t表示所述热防护服的散热量，HF表示所述预设热辐射功率，R₁表示所述热防护服舒适层的热流密度，C表示所述热防护服舒适层内表面下方空气的换热值，I_T表示所述热防护服的热阻，T_out表示所述热防护服外层的外表面温度，T_in表示所述热防护服舒适层的内表面温度。

本发明实施例提供了一种测试热阻的系统及方法，加热器、辐射挡板、人体出汗模拟系统、热电偶测量系统、热流密度计以及数据采集系统构成测试热阻的系统，通过人体出汗模拟系统模拟高温热辐射环境中，人体出汗状态，并由热电偶测量系统、热流密度计以及数据采集系统测量计算热防护服热阻的相关参数，整个系统可以模拟高温热辐射环境中，人体出汗状态时外部热量透过热防护服到达人体皮肤的过程，通过本发明实施例提供的技术方案测试热防护服的热阻，测试环境更符合实际情况，测试结果更加准确。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例提供的一种测试热阻的系统组成示意图；

图2是本发明实施例提供的一种测试热阻的方法流程图；

图3是本发明实施例提供的另一种测试热阻的方法流程图。

【具体实施方式】

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

应当理解，尽管在本发明实施例中可能采用术语第一、第二来描述指定距离、指定时长，但这些名词不应限于这些术语。这些术语仅用来将名词彼此区分开。例如，在不脱离本发明实施例范围的情况下，第一指定时长也可以被称为第二指定时长，类似地，第二指定时长也可以被称为第一指定时长。

取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测(陈述的条件或事件)”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测(陈述的条件或事件)时”或“响应于检测(陈述的条件或事件)”。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

本发明实施例提供了一种测试热阻的系统，适用于高温热辐射环境中人体出汗状态下，测试热防护服热阻的过程中，如图1所示，所述系统包括加热器11、辐射挡板12、人体出汗模拟系统13、热电偶测量系统14、热流密度计15以及数据采集系统16。

热防护服置于所述加热器11下方的第一指定距离处，所述热防护服的外层面向所述加热器11，所述加热器11为所述热防护服提供热辐射。

在一个具体的测量过程中，第一指定距离可以是25mm(毫米)，热防护服的面积可以是100mm*100mm。

其中，热防护服的功能是为高温热辐射环境中的工作人员提供防护功能，为了达到防护效果，通常热防护服会包括很多层，如最外侧的外层和最内侧的舒适层。在一种具体的应用场景中，如图1所示，在外层和舒适层之间还依次包括防水透气层和隔热层。

在具体的应用场景中，热防护服可以置于加热器11下方的服装支架上，防护服的外层面向上方的加热器11，舒适层面向下方。

在一种具体可行的实施方式中，加热器11可以是锥形加热器。

所述辐射挡板12置于所述加热器11与所述热防护服之间，用于间隔所述加热器11与所述热防护服之间的热辐射。

其中，当辐射挡板12在加热器11和热防护服之间时，辐射挡板12为热防护服遮挡加热器11的热辐射；当辐射挡板12被移开时，热防护服暴露在加热器下，接收加热器11散发的热辐射，可以模拟高温热辐射环境下的受热状态。

所述人体出汗模拟系统13用于模拟人体皮肤出汗状态。

具体的，人体出汗模拟系统13包括超声波雾化器、绝热导管、热敏电阻、电加热温度系统多个器件，通过各个器件的不同功能之间的合作，来实现模拟人体皮肤出汗状态。各器件的功能见下文对人体出汗模拟系统13模拟人体皮肤出汗状态的详细介绍。

所述热电偶测量系统14用于测量所述热防护服外层的外表面温度与舒适层的内表面温度。

其中，热电偶测量系统14布置在热防护服外层的外表面和舒适层的内表面，以测量其温度。为了测量的准确性，热电偶测量系统14可以包括一个或多个对称的K型电偶。

所述热流密度计15置于所述热防护服内表面下方的第二指定距离处，用于测量所述热防护服舒适层的热流密度。

需要说明的是，热防护服内表面即是最内侧舒适层的内表面。

其中，为了测试的可靠和准确性，通过多次测量得到所述第二指定距离的最佳大小为7mm。

所述数据采集系统16用于根据所述热防护服外层的外表面温度与舒适层的内表面温度、热流密度，得到所述热防护服的热阻。

可选的是，如图1所示，所述系统还包括空气层设置系统17，所述空气层设置系统17用于在所述热防护服不同层之间设置空气层，以及控制所述空气层的厚度。

其中，可以使用不同厚度的耐高温隔热材料垫片放置于热防护服不同层之间来模拟空气层，如图1中位置A、位置B。位置A代表外层和防水透气层之间的位置，位置B代表防水透气层和隔热层之间的位置。

在具体的应用场景中，考虑到测试系统的规格，以及被测热防护服的大小，耐高温隔热材料垫片的尺寸可以如下：外尺寸12mm*12mm，内尺寸10mm*10mm，厚度范围0～24mm。

在热防护服不同层之间设置空气层，并且空气层的厚度可以改变，也带来了本技术方案的另一个有益效果：通过本技术方案可以研究空气层对热防护服热阻的影响，即研究空气层对热防护服防护性能的影响。

进一步的对人体出汗模拟系统13模拟人体皮肤出汗状态进行详细介绍，所述人体出汗模拟系统13包括超声波雾化器、绝热导管、热敏电阻、电加热温度系统：

所述超声波雾化器用于产生雾化液滴，所述绝热导管用于传输雾化滴液，并从出口处喷出雾化滴液至所述热防护服内表面下方的第三指定距离处。

其中，所述雾化滴液的直径范围为0.5～5um(微米)。需要说明的是，因为织物纤维最小尺寸为15um，所以雾化滴液的直径范围为0.5～5um，可以保证接近真实人体在热防护服内部的湿气传递。

其中，考虑到人体皮肤与热防护服的距离，第三指定距离可以指定为30mm。

所述热敏电阻用于测量所述绝热导管出口处雾化滴液的温度。

所述电加热系统用于对所述绝热导管出口处雾化液滴进行加热，并通过内部比例-积分-微分PID控制器控制所述绝热导管出口处雾化滴液的温度在预设值上。

其中，PID控制器的可以控制绝热导管出口处雾化滴液的温度稳定在预设值上。而根据人体皮肤的常温，预设值的范围为33～35摄氏度。

本发明实施例提供了一种测试热阻的系统，包括加热器、辐射挡板、人体出汗模拟系统、热电偶测量系统、热流密度计以及数据采集系统，通过人体出汗模拟系统模拟高温热辐射环境中，人体出汗状态，并由热电偶测量系统、热流密度计以及数据采集系统测量计算热防护服热阻的相关参数，整个系统可以模拟高温热辐射环境中，人体出汗状态时外部热量透过热防护服到达人体皮肤的过程，通过本发明实施例提供的技术方案测试热防护服的热阻，测试环境更符合实际情况，测试结果更加准确。

本发明实施利提供了一种测试热阻的方法，适用于上述任一可能的实现方式所组成测试热阻的系统，如图2所示，所述方法包括：

201、设置预设热辐射功率，并启动所述加热器。

其中，预设热辐射功率是根据对高温热辐射环境的测试研究，得到的较为符合实际的热辐射功率。

需要说明的是，在一种具体的实用场景中，预设热辐射功率的设置可以通过设置加热器的温度来实现。

202、当所述加热器达到所述预设热辐射功率后第一指定时长时，启动人体出汗模拟系统。

203、当所述人体出汗模拟系统达到预设人体皮肤出汗状态时，将所述热防护服暴露在所述加热器下进行加热。

其中，所述热防护服的最外侧为外层，最内侧为舒适层。并且，在一种可能的实现方式中，在外层和舒适层之间还依次包括防水透气层和隔热层。

具体的，人体出汗模拟系统是否达到预设人体皮肤出汗状态，可以通过判断人体出汗模拟系统的绝热导管出口处雾化液体温度是否达到预设值来确定。

204、加热第二指定时长后，监测所述热防护服是否达到热平衡状态。

其中，加热热防护服可以通过操作辐射挡板来实现，加热热防护服时移开辐射挡板即可。

需要说明的是，热防护服是否达到平衡状态通过热防护服在高温热辐射环境中的温度变化曲线进行判断。

205、在所述热防护服达到热平衡状态后，通过所述热电偶测量系统测量所述热防护服外层的外表面温度与舒适层的内表面温度，并通过所述热流密度计测量所述热防护服舒适层的热流密度。

需要说明的是，为了测量的准确性，对于步骤205中的各测量参数：外层的外表面温度、舒适层的内表面温、热流密度，可以多次测量求平均值。

进一步说明的是，考虑到测量效率和资源有效利用，可以在热防护服达到热平衡状态后的15分钟内完成参数测量。

在一个具体的测试过程中，第一指定时长可以是10分钟，第二指定时长可以5分钟。

206、所述数据采集系统根据所述预设热辐射功率、热防护服外层的外表面温度与舒适层的内表面温度、热流密度，得到所述热防护服的热阻。

本发明实施例提供了一种测试热阻的方法，加热器、辐射挡板、人体出汗模拟系统、热电偶测量系统、热流密度计以及数据采集系统构成测试热阻的系统，通过人体出汗模拟系统模拟高温热辐射环境中，人体出汗状态，并由热电偶测量系统、热流密度计以及数据采集系统测量计算热防护服热阻的相关参数，整个系统可以模拟高温热辐射环境中，人体出汗状态时外部热量透过热防护服到达人体皮肤的过程，通过本发明实施例提供的技术方案测试热防护服的热阻，测试环境更符合实际情况，测试结果更加准确。

进一步来说，结合前述方法流程，为了研究空气层对热防护服热阻的影响，即研究空气层对热防护服防护性能的影响，本发明还提供了一种可行的技术方案，即在热防护服不同层之间设置厚度可变的空气层。

具体的，可以所述外层与所述防水透气层之间设置有空气层。

和/或，在所述防水透气层与所述隔热层之间设置有空气层。

其中，所述空气层可以通过耐高温隔热材料垫片模拟，垫片的厚度灵活可变。

当设置空气层后，再重新执行步骤201至206，以测量有空气层时热防护服的热阻，研究空气层对热防护服防护性能的影响。

进一步来说，结合前述方法流程，为了进一步介绍人体出汗模拟系统的具体工作方法，本发明实施例的另一种可能的实现方式，针对步骤202的实现还提供了以下方法流程，如图3所示，包括：

2021、设置所述人体出汗模拟系统的绝热导管出口处雾化液体温度的预设值，并启动所述人体出汗模拟系统的电加热温度系统。

其中，根据人体皮肤的常温，绝热导管出口处雾化液体温度的预设值的范围为33～35摄氏度。

则步骤203具体执行为，

2031、当所述绝热导管出口处雾化液体的温度达到预设值后第四指定时长时，将所述热防护服暴露在所述加热器下进行加热。

在一个具体的测试过程中，第四指定时长可以是10分钟。

进一步来说，结合前述方法流程，本发明实施例的另一种可能的实现方式，针对步骤206中所述数据采集系统根据所述预设热辐射功率、热防护服外层的外表面温度与舒适层的内表面温度、热流密度，得到所述热防护服的热阻的实现过程，还提供了具体的公式计算方法，如下，包括：

首先需要基于方程(1)计算所述热防护服的散热量，

H_t＝HF-R₁-C (1)；

然后基于方程(2)计算所述热防护服的热阻，

其中，H_t表示所述热防护服的散热量，HF表示所述预设热辐射功率，R₁表示所述热防护服舒适层的热流密度，C表示所述热防护服舒适层内表面下方空气的换热值，I_T表示所述热防护服的热阻，T_out表示所述热防护服外层的外表面温度，T_in表示所述热防护服舒适层的内表面温度。具体的C通过T_out和T_in计算可得。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。

上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机装置(可以是个人计算机，服务器，或者网络装置等)或处理器(Processor)执行本发明各个实施例所述方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。