UL94 垂直燃燒儀的設計原理與應用
1．UL94 50W 垂直燃燒試驗方法的介紹
根據 UL94（第五版 ，2011）燃燒試驗標 準（UL Standard for Safety for Tests for Flammability
of Plastic Materials for Parts in Devices and Appliances）中 內 容 ，可 知 測 量 設 備 燃 燒 儀 主 要 由 源、燃 燒 燈、壓 力 計、流 量 計 和 計 時 器 等 部 件 組成。對于 50W 垂直燃燒測試，測試樣品的長寬尺寸 應 為 （125 ±5mm）×（13.0 ±0.5mm）， 使 用98%以上純度的甲烷氣體作為氣源，通過調節氣體 流 量 為 105mm/min 及 儀 器 背 壓 小 于 10mm 水柱使燃燒燈產生 20±1mm 的火焰高度。其中 燃燒燈構造及樣品放置方式如圖 1 所示。
測 試 時 從 試 樣 上 端 6mm 處 垂 直 夾 緊 試 樣 ，如圖 1 所示，打開氣源開啟設備調節好流量計、背壓等測試參數，使燃燒燈產生 20±1mm 高 的藍 色 火 焰 后 ， 在 燃 燒 燈 的 頂 部 中 心 距 試 樣 下 端10±1mm 處對樣品 施加 10±0.5s 火焰 ，然后立即快速撤離燃燒燈，同時開始觀察并記錄樣品有焰燃燒時間 t1 ，當試樣燃燒一停止立即再次將燃燒燈移至試樣下，并保持燈管頂部中心與剩余試樣的距離在 10±1mm，對樣品第二次施加火焰 10±0.5s 后撤離燃燒燈，同時開始測定有焰燃燒時間 t2 和無焰燃燒時間 t3，在樣品燃燒過程有必要時應移動燃燒燈，以躲開滴落物[ 3 ]。可借助脫脂棉幫助判斷樣品是否為無焰燃燒。
兩次施加火焰后根據樣品的有焰及無焰燃燒時間、熔滴是否引燃脫脂棉等指標，用 V-O、V-1、V-2 級別綜合評判材料的燃燒等級，如表 1 所示。國標 GB T 5169.22 等效采用此方法進行電工電子產品著火危險試驗。
2 .燃燒儀的技術要求及設計
UL94 標準對燃燒儀各部件的技術要求進行了明確的規定，如氣源純度、測試室的容積及密閉性、燃燒燈的尺寸及可移動性、流量計及壓力計的量程范圍等。根據 UL94 標準（第五版，2011）內容，燃燒儀的技術要求可歸納為表 2 中內容，標準還介紹了技術要求相對應的功能及影響。
標準在 8.5 章節內容還規定，對樣品兩次施壓 10±0.5s 火焰過程中，不論樣品長度是否有變化，燈管頂部中心與試樣均需始終保持 10±l mm 的距離，且當有熔融物或滴落物時，可將噴燈傾斜 45 度，這便要求燃燒燈還可以再垂直平面移動且能被傾斜至 45 度角[ 4 ]。由于在測試過程需要通過操作窗口隨時移動燃燒燈 位置，而 5.1 章節 中規定燃燒 儀外殼需 是密閉的，那么燃燒燈窗口也應是密閉的。
在以上技術要求項目中：甲烷氣體純度、壓力計、流量計、燃燒燈尺寸等因素直接影響火焰高度的調節；在對樣品施加火焰過程中，燃燒燈的可移動性、計時裝置等因素對測量結果起著重要影響；設備的空間及密封性、排氣裝置、操作窗口的設計等因素則影響操作的安全性及方便性。
3 .燃燒儀的設計
本文根據以上技術指標設計一臺燃燒試驗儀及量取火焰高度的夾具，分別如圖 2 及圖 3所示。其中：1- 壓力計；2- 后視鏡；3- 數顯流量計；4- 控制面版；5- 換氣裝置；6- 樣品夾；7- 數顯計時器；8- 燃燒燈；9- 操作窗口。
在圖 2 燃燒儀構造圖各部件中：1- 壓力計采用井型式的，可直接讀取高精度的壓力數值，能準確測量 10mm 的水壓；2- 后視鏡安置在燃燒燈后側，方便操作員觀察樣品后側的燃燒情況；3- 流量計為 數顯控制 ，且能精確到 1ml/min，量程大于 105ml/min；4- 控 制面版用 于 開 / 關測量設備及抽風裝置；5- 抽風裝置具有防腐蝕功能，同時配置逆止閥可保證測試室在測試過程中密閉，不會產生空氣對流現象，而測試結束后又能快速將燃燒室中的廢氣通過管道排出；6- 樣品夾部位與燃燒燈水平方向始終保持垂直，可自動在樣品上端 6mm 處夾緊樣品的功能；7- 數顯計時器通過可移動的遙控器控制燃燒時間，時間顯示器安置在試驗箱內部燃燒燈附近，如圖 2 中所示，方便操作員同時觀察樣品火焰燃燒情況并對燃燒時間進行控制；8-燃燒燈可在水平及垂直平面內移動，長 100±10mm,內徑為 9.5±0.3mm；且能夠傾斜至 45°角，參照 ASTM D502-2005 標準設計，燃燒燈各部件由金屬構成[ 5 ]；9- 操作窗口設計為手套形式，既可以通過塑料通道及隔膜在測試過程中移動燃燒燈，同時又能保證測試室密封。
該燃燒儀在滿足表 2 中的各項技術指標外，同時使用時操作方便，如流量計、樣品夾均為自動控制。
4 .試驗及應用
根據 3.0 部分內容研制一臺 UL94-50W 垂直燃燒試驗儀及夾具如圖 4 和圖 5 所示，設備體積為 200cm×200cm×150cm。其中燃燒燈為手持式，可在垂直及水平面上移動，還能傾斜至45°角。量取火焰高度的夾具可幫助操作員在測量過程中方便準確地調節火焰高度在 20±1mm 范圍內。
4 . 1 計量數據
計量機構對圖 3 中燃燒試驗儀各部件進行校準得到數據如表 3 所示，從表 3 中內容可知燃燒儀的燃燒燈、計時器、流量計、壓力計 等部件的技 術指標均符 合要求。
4 . 2 溫度驗證
按照 ASTM D5207-09 提供的火焰驗證方法，調整燃燒試驗儀 背壓小 于 10mm 水 壓、氣 體 流 量 為 105±5ml/min 使火焰高度為 20±1mm，等待 5min 燃燒穩定后，使用直徑為 0.5mm 的 K 型熱電偶及圖 6 所示的銅塊（直 徑 為 5.50±0.01mm、質 量 為 1.76±0.01g）放 置在 火 焰 上 方 10±1mm 處 ， 記 錄 銅 塊 溫 度 從 100℃ ±2℃升溫到 700℃±3℃的時間，對于 50W 垂直燃燒時間應在 44±2s 范圍[ 6 ]。
使用標準銅塊及熱電偶按照上述步驟對圖 3 中的燃燒試驗儀進行三次測量，試驗數據見下表 4，從表中數據可知銅塊由 100~700℃升溫時間（s）均在 44±2s 合格范圍內。
5 .結論
根 據 UL94 標 準 中 50W 垂 直 燃 燒 試 驗 部 分 內 容 ， 本 文 設 計 研 制 的 燃 燒 儀 能 達 到UL94 標準對 50W 垂直燃燒測量設 備的各項技 術指標，設備 在使用過程 中操作方 便，且計量校準數據及火焰溫度驗證結果均符合使用要求。
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