用于个人防护装备电弧防护性能值（ATPV）测定的光学量热计传感器开发

《Sensors》：Development of an Optical Calorimeter Sensor for the Arc Thermal Performance Value (ATPV) Determination on Arc-Rated Materials for Personal Protective Equipment Fernanda Cristina Salvador Soares, Márcio Bottaro, Paulo Futoshi Obase, Rogério Masaro, Gleison Elias da Silva and Josemir Coelho Santos

　　

用于制造电弧防护个人防护服装的材料，其电弧等级测定需在电弧事件中通过耦合于铜盘的热电偶进行量热，测量入射能量与透射能量。研究人员开发了同时集成热电偶丝与嵌入式光纤温度传感器的定制量热计，针对三种不同电弧防护面料测定其电弧热防护性能值（ATPV）。结果表明两种传感器测量结果存在差异：光纤温度传感器的响应速度更快且无电弧电流产生的电磁干扰，测得的ATPV比热电偶结果低约27%。这一发现凸显了对现行电弧等级测定方法进行核查的必要性，以确保入射与透射能量的测量准确性。

本研究发表于《Sensors》，针对电弧防护个人防护装备（PPE）的核心性能指标——电弧热防护性能值（ATPV）的测定方法展开系统性优化研究。当前工业标准中采用的热电偶（TC）量热法存在显著局限：8kA级电弧产生的高强度电磁干扰（EMI）会污染温度信号，需依赖数字滤波处理；同时热电偶因热惯性导致响应延迟，可能低估瞬态透射能量峰值，造成防护性能的高估。这种测量偏差直接影响防护服装的分类评级与工人安全保障，因此开发抗干扰、快响应的新型传感技术具有重要工程价值。

研究人员采用金属化光纤布拉格光栅（FBG）传感器构建复合量热系统，关键技术包括：① 依据IEC 61482-1-1标准加工铜盘量热计，通过化学镀与电镀工艺实现裸光纤（包层直径80μm）与铜基体的冶金结合，形成嵌入式光纤温度传感器（OFTS）；② 建立双通道采集系统，OFTS连接Micron Optics SM230光波长解调仪（采样率500Hz），热电偶连接NI-9213模块（采样率100Hz）；③ 在圣保罗大学能源与环境研究所电弧实验室完成三种商用电弧防护面料的对比测试，每种面料进行20-22次电弧实验，电弧电流8kA±0.5kA，持续时间0.08-0.32秒。

1. 引言

现行标准IEC 61482-1-1与ASTM F1959规定采用K型热电偶（NiCr-NiAl，线径0.05mm2）测量铜盘温升，通过铜的比热容计算能量。但电弧产生的高幅值电磁脉冲会通过热电偶回路感应噪声，需采用隔离采集与数字滤波降噪。光纤布拉格光栅（FBG）传感器基于波长调制原理，具有抗电磁干扰、分布式复用与微型化优势，但其用于ATPV测定的可行性尚未验证。

2. 材料与方法

量热计严格遵循标准要求：铜盘质量18g，直径40mm，厚度1.6mm。在铜盘背面加工深0.3mm的V型槽嵌入FBG传感器，经化学镀铜与电镀工艺实现传感器与铜盘的热耦合。FBG中心波长（CWL）与温度的标定在20-150℃范围内完成，拟合二阶多项式转换公式。测试系统布置于电弧笼"位置A"，距离垂直电极457mm，依据平方反比定律将能量折算至305mm标准距离。通过逻辑回归分析计算ATPV，对比两种传感器的评级差异。

3. 结果

校准显示金属化FBG平均灵敏度达29.1pm/℃。动态测试中，OFTS无电磁噪声且升温速率显著快于热电偶：电弧结束后OFTS在3秒内达到最高温度，较热电偶提前2.5秒，峰值温度高出约10℃。这种差异导致透射能量评估出现分歧：在Fabric 1的9号电弧实验中，OFTS测得透射能量超过斯托尔（Stoll）二级烧伤阈值，而热电偶结果未超标。三种面料的ATPV测定结果显示：Fabric 1的OFTS测定值（5.9 cal/cm2）较热电偶（8.1 cal/cm2）降低27%；Fabric 2与Fabric 3的差异仅为3%，处于常规测量不确定度范围内。热衰减因子（HAF）测试表明两种方法结果在置信区间内一致。

4. 讨论

OFTS的快速响应特性使其能更准确捕获瞬态传热峰值，避免热电偶因热惯性造成的能量低估。面料结构差异影响传感器动态误差：Fabric 1的松散结构导致传热波动更大，放大了测量偏差；紧密结构的Fabric 2与Fabric 3则受传感器响影响较小。虽然本研究采用单组量热计（标准需三组），但数据仍证明光纤传感可提升测试精度，建议后续开展多量程重复性与长期稳定性验证。

5. 结论

光学量热计通过消除电磁干扰与提升时间分辨率，显著改善了ATPV测试的准确性。对于具有复杂瞬态传热特性的面料，传感器响应速度成为评级关键参数。该技术的推广应用可避免防护装备的误分类风险，保障电力作业人员安全，同时为IEEE 1584等电弧能量计算模型提供更可靠的实验基准。本研究系作者在IEEE ESW-Brasil 2023会议论文的修订扩展版本。