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。