在完全自动化的自燃温度测量装置中的高温火焰检测

时间:2026年2月5日
来源:Journal of Loss Prevention in the Process Industries

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自动点火温度(AIT)测试装置开发及火焰检测标准优化,采用热电偶与紫外/可见近红外光电二极管组合检测,解决冷火焰检测难题,提出传感器布局与温度上升率(ΔT/Δt>80℃/s)等标准化参数,提升测试准确性和自动化水平。

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Petr Kuna | Bretislav Janovsky | Stefan H. Spitzer | Sabine Zakel
帕尔杜比采大学,化学技术学院,能源材料研究所,Studentska 95,532 10,帕尔杜比采,捷克共和国

摘要

自燃温度(AIT)对于评估易燃液体在与热表面接触时的危险性至关重要。国际ISO/IEC标准描述了AIT测量的方法和协议,以及通过肉眼检测点火的方法。如果在设备验证过程中获得相同的结果,该标准还允许自动火焰检测。由于火焰现象的强度、温度和颜色可能取决于物质类别和数量,因此当其他传感器参数影响检测信号时,如何可靠地检测点火就成为一个问题。这尤其适用于那些容易产生冷火焰的物质。该标准没有提供关于传感器类型的详细指导,而且给出的火焰检测参数也值得商榷。尽管如此,市面上有一些使用半自动火焰检测的AIT测试装置,但这些装置的标准由制造商自行设定。本研究旨在开发一种高度自动化的AIT测量装置,包括温度控制、液体加注和烧瓶清洗等功能。首先重点关注在点火测试过程中对热火焰的检测。未来的工作将涉及冷火焰的检测。本文旨在明确所使用的传感器、它们的位置以及火焰检测参数,以实现几乎无需人工监控的操作。文中还提供了关于热火焰检测的新建议。VIS/NIR和UV光电二极管均被成功用于热火焰检测;当ΔT/Δt > 80 °C/s时,基于温度上升率的热电偶测量结果也被证明是可靠的。

引言

自燃温度(AIT)是一种安全特性,用于根据易燃液体在受热时自燃的能力对其进行分类。它是易燃气体或蒸汽与空气或空气/惰性气体混合物中发生点火的最低温度。该温度取决于易燃物质的性质、氧化剂、压力、容器体积和材料、热表面的形状、混合物的流动情况以及惰性气体的性质。因此,有必要在标准化条件下确定点火温度。与在开放环境中测量的热表面点火温度(HSIT)不同,AIT是在部分封闭的环境中(如Erlenmeyer烧瓶或圆底烧瓶)中测量的。这种设置使得产生的蒸汽能够在与空气的混合物中形成易燃环境,并在最长五分钟的延迟时间内引发点火(ISO/IEC 80079-20-1:2017)。这些条件几乎理想地模拟了热表面点火的情况,从而提供了一个保守的安全值(Babrauskas, 2022)。
目前有效的国际AIT测定标准是ISO/IEC 80079-20-1:2017,该标准目前正在修订中。在欧洲,它取代了已废止的EN 60079-20-1:2010和VDE 0170-20-1:2010(这两个标准在之前的修订版中包含了AIT的测定内容)。在此之前,AIT的测定方法在已废止的DIN EN 14522:2005中有规定。从技术角度来看,这两个标准的测定方法是一致的。不过根据实验室间测试的结果,测量不确定度从1.5%提高到了3%(Lüth, 2014)。由于测量不确定度是从测量结果中扣除的,这会影响最终的AIT值(用于计算安全距离)。在德国,还有另一项有效的标准DIN 51794:2003,其内容与当前的ISO标准类似,但数据处理方式有所不同。由于结果会四舍五入到最接近的5°C,因此我们更倾向于使用ISO/IEC标准以获得更准确的结果。对于自动化装置,标准允许使用热电偶和光电二极管等传感器;不过标准仅要求装置能够检测所有类型的点火现象,但并未具体规定光电二极管的类型或用于表征点火的信号类型。对于淡蓝色火焰(所谓的冷火焰),无论是人眼还是光电二极管都可能难以准确检测。
AIT的测定方法在第2.2节中有详细描述。由于需要在不同温度下进行多次测试并且物质用量也会有所变化,因此这一过程非常耗时。对于非自动化装置,操作人员必须在加注液体后观察烧瓶五分钟,以确保不会错过点火现象。为此,制造商开发了半自动化装置,这些装置采用主动温度控制、吹出装置(并非所有装置都配备)和自动火焰检测功能来测定AIT和点火延迟时间。不同制造商的装置中,点火延迟时间通常在五到十分钟之间。不过,某些装置的液体样品仍需手动加入,且操作人员必须在场,因为有时火焰检测器可能会出现故障,此时操作人员需要手动按下点火按钮来停止测量。这可能是由于在特定情况下会产生淡蓝色火焰。此外,不同操作人员的光学敏感度也可能存在差异。手册中对光学探头的描述不够详细,有时还会使用光纤来传输信号,而光纤本身也可能影响信号的光学带宽。
本研究的新颖之处在于实现了自主操作,即使用校准过的加注装置进行液体加注,并可靠地检测点火现象。因此,这项工作的重点不在于光学传感器检测技术本身,而在于标准化标准以及不同物质类别之间的差异。最终目标是明确哪些物质类别可以通过现有传感器可靠检测,哪些类别可能需要更复杂的传感器。
如果通过热电偶检测到点火,标准规定温度变化达到200°C且变化率至少为10°C/s则视为点火,但标准并未明确热电偶的位置,而热电偶的位置对测量结果有很大影响。此外,10°C/s的变化率似乎过低。附录C中提供了检测冷火焰的方法:将热电偶放置在烧瓶底部上方约10毫米处、靠近烧瓶壁的位置。在这种情况下,火焰的温度差应在50°C到150°C之间,温度上升率应在20°C/s到30°C/s范围内。然而,在这种配置下,即使是明显的橙色火焰也可能无法达到这些条件。最终可能会出现“点火”与“未点火”之间的判断重叠问题(Johnson and Mashuga, 2022; Martin and Shepherd, 2021)。鉴于目前有一些非标准条件下的应用(如在高压力下测定AIT),因此准确的基础值尤为重要(Huang et al., 2021; Cadman et al., 2000; Du et al., 2019)。此外,也有关于AIT模拟的研究(Zhang et al., 2023; Pan et al., 2009)。
因此,本工作的目的是明确所使用的传感器及其位置。本研究采用了热电偶和光电二极管(UV或VIS/NIR)的组合。文中提供了火焰检测所需的参数值,使得装置几乎可以在无需人工监控的情况下运行。

装置简介

装置

图1是自燃温度测量装置的示意图,图2是该装置的照片。该装置按照ISO标准(ISO/IEC 80079-20-1, 2017)附录A的要求制造,采用DIN型烤箱。装置通过气动系统驱动,控制与数据采集由National Instruments公司的模块和LabVIEW程序完成。装置包含一个200毫升的烧瓶,置于电炉中以防止其接触炉壁。烧瓶的温度由相应的传感器检测。

UV光电二极管

由于VIS/NIR光电二极管对光照条件要求较高,因此选择了UV光电二极管作为替代方案。如图5所示,UV光电二极管在火焰闪现时会产生一个清晰、非常窄的峰值。然而,随后的蓝色火焰产生的信号非常微弱,难以与背景信号区分开来。除了n-丁基醋酸酯外,UV光电二极管对所有化合物都适用,并能可靠地检测到火焰峰值。
UV光电二极管的显著优势在于...

结论

该自燃温度(AIT)检测装置实现了高度自动化,采用了烤箱控制器、校准过的加注装置、空气进气系统以及多种火焰检测传感器。随后对六种产生热火焰的化学物质进行了AIT测试。VIS/NIR光电二极管和UV光电二极管均成功检测到了点火现象。对于VIS/NIR光电二极管来说,使用暗室环境更为有利;此外,UV光电二极管不易受到周围环境的干扰。

CRediT作者贡献声明

Bretislav Janovsky:撰写、审稿与编辑、监督。Petr Kuna:撰写初稿、软件开发、数据分析、形式化分析。Stefan H. Spitzer:撰写、审稿与编辑、验证、监督、数据分析。Sabine Zakel:概念构思、资源准备、撰写、审稿与编辑

未引用参考文献

ISO/IEC 80079-20-1, 2017; Lüth et al., 2014.

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢Yannick Klemme和Gerald Riesner在布伦瑞克PTB协助安装实验装置所提供的帮助。

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