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UL94 垂直燃烧仪的设计原理与应用
日期：2016-05-09|作者：标准集团 |人气：
1．UL94 50W 垂直燃烧试验方法的介绍根据 UL94（第五版 ，2011）燃烧试验标 准（UL Standard for Safety for Tests for Flammability
of Plastic Materials for Parts in Devices and Appliances）中 内 容 ，可 知 测 量 设 备 燃 烧 仪 主 要 由 源、燃 烧 灯、压 力 计、流 量 计 和 计 时 器 等 部 件 组成。对于 50W 垂直燃烧测试，测试样品的长宽尺寸 应 为 （125 ±5mm）×（13.0 ±0.5mm）， 使 用98%以上纯度的甲烷气体作为气源，通过调节气体 流 量 为 105mm/min 及 仪 器 背 压 小 于 10mm 水柱使燃烧灯产生 20±1mm 的火焰高度。其中 燃烧灯构造及样品放置方式如图 1 所示。
测 试 时 从 试 样 上 端 6mm 处 垂 直 夹 紧 试 样 ，如图 1 所示，打开气源开启设备调节好流量计、背压等测试参数，使燃烧灯产生 20±1mm 高 的蓝 色 火 焰 后 ， 在 燃 烧 灯 的 顶 部 中 心 距 试 样 下 端10±1mm 处对样品 施加 10±0.5s 火焰 ，然后立即快速撤离燃烧灯，同时开始观察并记录样品有焰燃烧时间 t1 ，当试样燃烧一停止立即再次将燃烧灯移至试样下，并保持灯管顶部中心与剩余试样的距离在 10±1mm，对样品第二次施加火焰 10±0.5s 后撤离燃烧灯，同时开始测定有焰燃烧时间 t2 和无焰燃烧时间 t3，在样品燃烧过程有必要时应移动燃烧灯，以躲开滴落物[ 3 ]。可借助脱脂棉帮助判断样品是否为无焰燃烧。
两次施加火焰后根据样品的有焰及无焰燃烧时间、熔滴是否引燃脱脂棉等指标，用 V-O、V-1、V-2 级别综合评判材料的燃烧等级，如表 1 所示。国标 GB T 5169.22 等效采用此方法进行电工电子产品着火危险试验。
2 .燃烧仪的技术要求及设计
UL94 标准对燃烧仪各部件的技术要求进行了明确的规定，如气源纯度、测试室的容积及密闭性、燃烧灯的尺寸及可移动性、流量计及压力计的量程范围等。根据 UL94 标准（第五版，2011）内容，燃烧仪的技术要求可归纳为表 2 中内容，标准还介绍了技术要求相对应的功能及影响。
标准在 8.5 章节内容还规定，对样品两次施压 10±0.5s 火焰过程中，不论样品长度是否有变化，灯管顶部中心与试样均需始终保持 10±l mm 的距离，且当有熔融物或滴落物时，可将喷灯倾斜 45 度，这便要求燃烧灯还可以再垂直平面移动且能被倾斜至 45 度角[ 4 ]。由于在测试过程需要通过操作窗口随时移动燃烧灯 位置，而 5.1 章节 中规定燃烧 仪外壳需 是密闭的，那么燃烧灯窗口也应是密闭的。
在以上技术要求项目中：甲烷气体纯度、压力计、流量计、燃烧灯尺寸等因素直接影响火焰高度的调节；在对样品施加火焰过程中，燃烧灯的可移动性、计时装置等因素对测量结果起着重要影响；设备的空间及密封性、排气装置、操作窗口的设计等因素则影响操作的安全性及方便性。
3 .燃烧仪的设计
本文根据以上技术指标设计一台燃烧试验仪及量取火焰高度的夹具，分别如图 2 及图 3所示。其中：1- 压力计；2- 后视镜；3- 数显流量计；4- 控制面版；5- 换气装置；6- 样品夹；7- 数显计时器；8- 燃烧灯；9- 操作窗口。
在图 2 燃烧仪构造图各部件中：1- 压力计采用井型式的，可直接读取高精度的压力数值，能准确测量 10mm 的水压；2- 后视镜安置在燃烧灯后侧，方便操作员观察样品后侧的燃烧情况；3- 流量计为 数显控制 ，且能精确到 1ml/min，量程大于 105ml/min；4- 控 制面版用 于 开 / 关测量设备及抽风装置；5- 抽风装置具有防腐蚀功能，同时配置逆止阀可保证测试室在测试过程中完全密闭，不会产生空气对流现象，而测试结束后又能快速将燃烧室中的废气通过管道排出；6- 样品夹部位与燃烧灯水平方向始终保持垂直，可自动在样品上端 6mm 处夹紧样品的功能；7- 数显计时器通过可移动的遥控器控制燃烧时间，时间显示器安置在试验箱内部燃烧灯附近，如图 2 中所示，方便操作员同时观察样品火焰燃烧情况并对燃烧时间进行控制；8-燃烧灯可在水平及垂直平面内移动，长 100±10mm,内径为 9.5±0.3mm；且能够倾斜至 45°角，参照 ASTM D502-2005 标准设计，燃烧灯各部件完全由金属构成[ 5 ]；9- 操作窗口设计为手套形式，既可以通过塑料通道及隔膜在测试过程中移动燃烧灯，同时又能保证测试室完全密封。
该燃烧仪在满足表 2 中的各项技术指标外，同时使用时操作方便，如流量计、样品夹均为自动控制。
4 .试验及应用
根据 3.0 部分内容研制一台 UL94-50W 垂直燃烧试验仪及夹具如图 4 和图 5 所示，设备体积为 200cm×200cm×150cm。其中燃烧灯为手持式，可在垂直及水平面上移动，还能倾斜至45°角。量取火焰高度的夹具可帮助操作员在测量过程中方便准确地调节火焰高度在 20±1mm 范围内。
4 . 1 计量数据
计量机构对图 3 中燃烧试验仪各部件进行校准得到数据如表 3 所示，从表 3 中内容可知燃烧仪的燃烧灯、计时器、流量计、压力计 等部件的技 术指标均符 合要求。
4 . 2 温度验证
按照 ASTM D5207-09 提供的火焰验证方法，调整燃烧试验仪 背压小 于 10mm 水 压、气 体 流 量 为 105±5ml/min 使火焰高度为 20±1mm，等待 5min 燃烧稳定后，使用直径为 0.5mm 的 K 型热电偶及图 6 所示的铜块（直 径 为 5.50±0.01mm、质 量 为 1.76±0.01g）放 置在 火 焰 上 方 10±1mm 处 ， 记 录 铜 块 温 度 从 100℃ ±2℃升温到 700℃±3℃的时间，对于 50W 垂直燃烧时间应在 44±2s 范围[ 6 ]。
使用标准铜块及热电偶按照上述步骤对图 3 中的燃烧试验仪进行三次测量，试验数据见下表 4，从表中数据可知铜块由 100~700℃升温时间（s）均在 44±2s 合格范围内。
5 .结论
根 据 UL94 标 准 中 50W 垂 直 燃 烧 试 验 部 分 内 容 ， 本 文 设 计 研 制 的 燃 烧 仪 能 完 全 达 到UL94 标准对 50W 垂直燃烧测量设 备的各项技 术指标，设备 在使用过程 中操作方 便，且计量校准数据及火焰温度验证结果均符合使用要求。
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