ISO/TS 14934-4:2007
(Main)Fire tests — Calibration of heat flux meters — Part 4: Guidance on the use of heat flux meters in fire tests
Fire tests — Calibration of heat flux meters — Part 4: Guidance on the use of heat flux meters in fire tests
ISO/TS 14394-1:2007 provides guidance on the use of heat flux meters in fire testing applications, including the description and working principles of common heat flux meters and methods for their selection and maintenance. The guidance can also be applied to measuring heat flux from radiant panels and other large heat sources used to simulate the heat flux from a fire. It is applicable for all common testing purposes when measuring heat flux from radiant sources. ISO/TS 14394-1:2007 also provides basic theory and working principles of heat flux meters and methods for selection, use and maintenance of heat flux meters. Although it is particularly aimed at the application of heat flux meters in fire tests and experimental works concerning fire research, it can also serve as a guide for other research applications, for example, research on boilers, combustion processes, etc. Instruments, which measure the transient temperature of a solid body of known mass and heat capacity to infer the heat flux (slug calorimeter type), are not covered by ISO/TS 14394-1:2007.
Essais au feu — Étalonnage et utilisation des appareils de mesure du flux thermique — Partie 4: Lignes directrices pour l'utilisation des fluxmètres thermiques dans les essais au feu
L'ISO/TS 14934-4:2007 fournit des lignes directrices sur l'utilisation des fluxmètres thermiques dans les applications d'essai au feu, y compris la description et les principes de fonctionnement des fluxmètres thermiques ordinaires ainsi que les méthodes de sélection et de maintenance. Elle peut également s'appliquer au mesurage du flux thermique de panneaux radiants et autres sources thermiques importantes utilisées pour simuler le flux thermique provenant d'un feu. Elle est applicable à tous les essais ordinaires consistant à mesurer le flux thermique provenant de sources rayonnantes. L'ISO/TS 14934-4:2007 fournit également la théorie de base et les principes de fonctionnement des fluxmètres thermiques, ainsi que les méthodes de sélection, d'utilisation et de maintenance de ce type d'instrument. Bien que portant principalement sur l'application des fluxmètres thermiques dans les essais au feu et les travaux expérimentaux de recherche sur le feu, elle peut aussi servir de guide pour d'autres applications de recherche, par exemple sur les chaudières ou les processus de combustion. Les instruments permettant de mesurer la température transitoire d'un corps solide de masse et de capacité thermique connues pour en déduire le flux thermique (calorimètre de type «slug») ne sont pas couverts par l'ISO/TS 14934-4:2007.
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TECHNICAL ISO/TS
SPECIFICATION 14934-4
First edition
2007-02-15
Fire tests — Calibration of heat flux
meters —
Part 4:
Guidance on the use of heat flux meters
in fire tests
Essais au feu — Étalonnage et utilisation des appareils de mesure du
flux thermique —
Partie 4: Lignes directrices pour l'utilisation des fluxmètres thermiques
dans les essais au feu
Reference number
ISO/TS 14934-4:2007(E)
©
ISO 2007
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ISO/TS 14934-4:2007(E)
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ISO/TS 14934-4:2007(E)
Contents Page
Foreword. iv
Introduction . v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions. 1
4 General information on heat flux meters. 1
4.1 General. 1
4.2 Principle of measurement. 2
4.3 Design of heat flux meter. 3
4.4 Measurement characteristics . 5
4.5 Physical shape of heat flux meter. 7
5 Attachments to heat flux meters . 8
5.1 Air purging. 8
5.2 Windows . 9
5.3 Cooling system . 10
6 Selection of a suitable heat flux meter . 12
6.1 General. 12
6.2 Range of measurement . 12
6.3 Type, dimensions and orientation . 13
6.4 View angle . 13
6.5 Response time . 13
6.6 Sensitivity to convective heat transfer. 13
7 Performing a measurement . 14
7.1 Installation . 14
7.2 Target surface . 15
7.3 Electronics. 15
7.4 Relationship between output voltage and total heat flux. 15
8 Calibration . 16
8.1 Secondary standard heat flux meter. 16
8.2 Working standard heat flux meters. 16
8.3 Frequency of calibration . 16
9 Maintenance . 17
9.1 Absorber . 17
9.2 Wiring. 17
9.3 Water supply . 17
10 Use of heat flux meters in fire tests. 17
10.1 General. 17
10.2 Ignitability test (see ISO 5657) . 17
10.3 Spread of flame test (see ISO 5658, all parts) . 17
10.4 Heat release, smoke production and mass loss (see ISO 5658, all parts, and ISO 17554). 18
10.5 Full-scale room test for surface products (see ISO 9705) . 18
10.6 Façade tests (see ISO 13785-2) . 18
10.7 Spread of flame test for floor coverings (see ISO 9239, all parts) . 18
10.8 Intermediate-scale heat-release calorimeter (ICAL) (see ISO/TR 14696) . 18
Bibliography . 19
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ISO/TS 14934-4:2007(E)
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies
(ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO
technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been
established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and
non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the
International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards
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International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
In other circumstances, particularly when there is an urgent market requirement for such documents, a
technical committee may decide to publish other types of normative document:
An ISO/PAS or ISO/TS is reviewed after three years in order to decide whether it will be confirmed for a
further three years, revised to become an International Standard, or withdrawn. If the ISO/PAS or ISO/TS is
confirmed, it is reviewed again after a further three years, at which time it must either be transformed into an
International Standard or be withdrawn.
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent
rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
ISO/TS 14934-4 was prepared by Technical Committee ISO/TC 92, Fire safety, Subcommittee SC 1, Fire
initiation and growth.
ISO/TS 14934 consists of the following parts, under the general title Fire tests — Calibration of heat flux
meters:
⎯ Part 1: General principles (Technical Specification)
⎯ Part 2: Primary calibration methods
⎯ Part 3: Secondary calibration method
⎯ Part 4: Guidance on the use of heat flux meters in fire tests (Technical Specification)
iv © ISO 2007 – All rights reserved
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ISO/TS 14934-4:2007(E)
Introduction
In practice, radiant heat flux is usually measured with so-called total heat flux meters of the Schmidt-Boelter
(thermopile) or Gardon (foil) type. Such meters register the combined heat flux by radiation and convection to
a cooled surface. The contribution to the heat transfer by convection depends mainly on the temperature
difference between the surrounding gases and the sensing surface, and on the velocity of the surrounding
gases. It will, however, also depend on the size and shape of the heat flux meter, its orientation and on its
temperature level, which is near the cooling-water temperature. In many practical situations in fire testing, the
contribution due to convection to the sensing surface of the instrument can amount to 25 % of the radiant heat
flux. Therefore, it is always necessary to determine and control this part.
To determine the fraction of total heat flux due to radiation, a calibration scheme has been developed where
primary calibration is performed on two different types of heat flux meters:
⎯ a total hemispherical radiometer sensitive to radiation only;
⎯ a total heat flux meter (most frequently used) sensitive to both radiant heat transfer and to convective
heat transfer.
When using heat flux meters, it is important to realize that only incident radiant heat flux can be measured
directly. The net radiant heat flux, as well as the heat transfer by convection to a body, depend on, among
other things, the temperature of the receiving surface, while the instrument responds to heat transfer to a
cooled surface.
This Technical Specification provides guidance on how this type of instrument is used and how the results are
interpreted.
© ISO 2007 – All rights reserved v
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TECHNICAL SPECIFICATION ISO/TS 14934-4:2007(E)
Fire tests — Calibration of heat flux meters —
Part 4:
Guidance on the use of heat flux meters in fire tests
1 Scope
This Technical Specification provides guidance on the use of heat flux meters in fire testing applications,
including the description and working principles of common heat flux meters and methods for their selection
and maintenance. The guidance can also be applied to measuring heat flux from radiant panels and other
large heat sources used to simulate the heat flux from a fire. It is applicable for all common testing purposes
when measuring heat flux from radiant sources.
This Technical Specification also provides basic theory and working principles of heat flux meters and
methods for selection, use and maintenance of heat flux meters. Although it is particularly aimed at the
application of heat flux meters in fire tests and experimental works concerning fire research, it can also serve
as a guide for other research applications, for example, research on boilers, combustion processes, etc.
Instruments, which measure the transient temperature of a solid body of known mass and heat capacity to
infer the heat flux (slug calorimeter type), are not covered by this Technical Specification.
2 Normative references
The following referenced documents are indispensable for the application of this document. For dated
references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition of the referenced
document (including any amendments) applies.
ISO 13943:2000, Fire safety — Vocabulary
ISO 14934-2:2006, Fire tests — Calibration and use of heat flux meters — Primary calibration methods
ISO 14934-3, Fire tests — Calibration and use of heat flux meters — Secondary calibration method
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 13943:2000 and ISO 14934-2 apply.
4 General information on heat flux meters
4.1 General
A heat flux meter is an instrument which measures the radiant and convective heat that is transferred from the
fire environment to a sensing element. In practice, heat flux is most commonly measured with total heat flux
meters of the Schmidt-Boelter (thermopile) or Gardon (foil) type. Although there is a wide variety of designs of
heat flux meters, a typical design consists of a thermopile sensor, mounted on a metal body that is cooled by
water. The body acts as a constant-temperature heat sink. The thermopile sensor typically has a nearly black
surface which is assumed to absorb all incident radiation, or of which the which emissivity is given.
© ISO 2007 – All rights reserved PROOF/ÉPREUVE 1
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ISO/TS 14934-4:2007(E)
It is assumed that sensitivity does not depend on wavelength over the spectral range of the radiating sources.
Deviations from the ideal directional response characteristics can normally also be disregarded.
In a normal situation, the field of view is assumed to be 180° and the surface is assumed to be a perfect black
body, both regarding the spectral characteristics and the directional response.
In general, heat flux meters consist of an absorber of heat flux, body, water-cooling system and wiring as
shown in Figure 1. They often also have a flange for mounting purposes.
Key
1 Absorber 5 Tube for wiring
2 Body 6 Cable
3 Flange 7 Heat-flux-meter signal
4 Tube for water supply 8 Temperature-sensor signal
Figure 1 — General features of heat flux meters
The sensing surface shall remain free of deposition of soot or other particulates. It should be noted that soot
may collect on the cool gauge surface and can affect the gauge output.
4.2 Principle of measurement
The incident heat flux onto the absorber creates a local temperature difference. This difference is measured,
resulting in an output signal (voltage). As a first approximation, this voltage is linear with the heat flux received
by the sensor. In most heat flux meters, the measurement of the temperature difference is based on
thermocouples or thermopiles, which are passive and do not require any external power.
Within a limited working range, the relationship between the heat flux received by the sensor and the output
signal can be assumed to be linear. However, it should be noted that the output signal is not always linear to
the incident heat flux (see 3.4.3).
2 PROOF/ÉPREUVE © ISO 2007 – All rights reserved
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4.3 Design of heat flux meter
4.3.1 General
There are two types of heat flux meters that are widely used in fire tests: so-called Gardon (foil) type and
Schmidt-Boelter (thermopile) type.
The Gardon-type heat flux meter has a very wide working range and a very fast response time. However, it
has a low sensitivity and therefore does not work with low heat fluxes.
The Schmidt-Boelter-type heat flux meter generally has a much higher sensitivity than Gardon gauges.
Another type of heat flux meter is a hemispherical radiometer, sensitive to irradiance only, i.e. it is not
sensitive to the surrounding gas temperature and velocity, and is used for estimating the convective part of the
heat transfer measured with total heat flux meters.
4.3.2 Gardon-type heat flux meter
The Gardon-type heat flux meters have an absorber, which is deposited on a thin foil. The absorbed heat is
conducted radially along the foil into the body, which is water-cooled. The absorber has an approximately
parabolic temperature distribution. The temperature at the centre is high, varying with heat flux to the sensor,
while the temperature at the edge is relatively low, remaining at the constant body temperature, i.e. the
temperature of the cooling water. The temperature profile is no longer parabolic when a significant convective
cross-flow is present. The temperature difference between the centre and the edge is measured by a
thermocouple. A schematic view of the Gardon-type heat flux meter is shown in Figure 2.
Key
1 Foil with black absorber (usually constantan) 4 Cooling water
2 Incident heat flux 5 Wire connected to the body (or edge of the foil)
3 Wire connected to the centre of the foil 6 Thermocouple for body temperature measurement
Figure 2 — Gardon-type heat flux meter
4.3.3 Schmidt-Boelter-type heat flux meter
A Schmidt-Boelter-type heat flux meter has a relatively thick thermopile mounted on a heat sink, the water-
cooled body of the gauge. The absorbed heat is conducted perpendicular to the absorber surface through the
sensor into the heat sink. The absorber has a relatively uniform temperature distribution. The temperature
difference between the sensor and the body is measured by the multiple thermocouples connected in series in
the thermopile. A schematic view of the Schmidt-Boelter-type heat flux meter is shown in Figure 3.
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ISO/TS 14934-4:2007(E)
Key
1 Foil with black absorber (usually constantan) 4 Cooling water
2 Incident heat flux 5 Wire connected to the centre of the thermopile
3 Wire connected to the centre of the thermopile 6 Thermocouple for body temperature measurement
Figure 3 — Schmidt-Boelter-type heat flux meter
4.3.4 Hemispherical radiometer
A hemispherical radiometer is used for measuring irradiance. It is not sensitive to convective heat transfer
conditions, i.e. surrounding gas temperature and velocity.
Hemispherical radiometers, as shown in Figure 4, have a reflecting interior (usually gold plated), which reflects
the irradiance to the absorber, which is thus kept free of the influence of convection. Hemispherical
radiometers are often used in flame research and are often equipped with air purging to keep the reflector free
of soot.
Key
1 Aperture 3 Heat sink
2 Body with reflecting interior 4 Output wire
Figure 4 — Hemispherical radiometer
4 PROOF/ÉPREUVE © ISO 2007 – All rights reserved
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ISO/TS 14934-4:2007(E)
4.4 Measurement characteristics
4.4.1 Response time
Because the duration of many standardized tests is limited, a quick response is required from heat flux meters.
In many cases, a full-scale response (99 %) of less than 10 s is required.
In general, in the application of the response time when a heat flux meter with a constant body temperature is
exposed to an irradiance level starting from t = 0, the behaviour of signal output can be described by
Equation (1):
-tt
sen
UI=⋅S 1e− (1)
out 1( )
where
U is the output signal, in V;
out
−2
S is the primary sensitivity, in mV/W⋅m ;
1
2
I is the heat flux, in W/m ;
t is the time, in s;
t is the sensor time constant, in s.
sen
The response time of a particular sensor is therefore usually indicated by its time constant. The time constant
of a heat flux meter can also be seen as the time in which 63 % of the full scale (100 %) response is reached.
As a rule, the full-scale response (99 %) is reached within a timeframe of 5 times the time constant. In practice,
this means that after 5 times the time constant, the response time no longer is a significant source of error.
For Gardon gauges, based on a foil, the response time can be approximated by Equation (2):
2
tc=⋅ρ ⋅D 16λ (2)
sen p
where
t is the sensor time constant, in s;
sen
3
ρ is the foil density, in kg/m ;
c is the foil specific heat capacity, in J/kg⋅K;
p
D is the foil diameter, in m;
λ is the foil thermal conductivity, in W/m⋅K.
For Schmidt-Boelter Gauges, based on a thermopile, the response time can be approximated according to
Reference [7] by Equation (3):
22
tc=π4 ρ⋅⋅Dλ (3)
()()
sen p
where
t is the sensor time constant, in s;
sen
3
ρ is the sensor density, in kg/m
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ISO/TS 14934-4:2007(E)
c is the sensor specific heat capacity, in J/kg⋅K;
p
D is the sensor thickness, in m;
λ is the sensor thermal conductivity, in W/m⋅K.
Most heat flux meters currently used for fire tests have a time constant of about 1 s or less. Therefore,
measured results of heat flux in nearly steady-state conditions in fire tests can be deemed as instantaneous.
If heat flux is measured during a very fast phenomenon, such as a flashover stage or explosion, it may be
necessary to correct the measured results of heat flux using the time constant.
4.4.2 Working range
In general, a heat flux meter of a particular type is designed to measure within a certain heat flux range (its
working range). Also, the sensor has a certain sensitivity and a certain response time to reach a certain output
signal level. The main restriction is that the absorber temperature is kept within acceptable limits, in which the
paint and sensor will not be destroyed.
The absorber temperature rise is a result of the incident heat flux, sensor construction and cooling system.
4.4.3 Sensitivity of heat flux meters
The sensitivity of heat flux meters is primarily determined by the physical composition of the sensor itself. The
combined properties of the absorber, surrounding geometry (limiting the field of view), window and thermopile
will result in a certain output at a certain level of incident radiation.
The incident radiation level, as a function of the output voltage signal, is assumed to be a second-degree
polynomial:
2
IA=+A⋅U +A⋅U (4)
01 out 2 out
where
I is the incident radiation as defined by the calibration method (Clauses 7, 8 and 9 and ISO 14934-2);
NOTE The calculation procedure for this method takes into account. the view-angle dependence.
A , A and A are constants to be determined by the calibration procedure;
0 1 2
U is the output voltage signal, in V;
out
A can be identified as:
0
4
A=⋅ησ⋅T (5)
0wc
where
η is a coefficient expressing the influence of convection in the calibration situation;
T is the absolute temperature of the cooling water during calibration, in K.
wc
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ISO/TS 14934-4:2007(E)
When the heat transfer by convection during calibration can be neglected, the coefficient η is equal to 1,0 and
A can be calculated directly. Otherwise A has to be determined together with A and A in a best-fit
0 0 1 2
procedure as described in Clause 10 and ISO 14934-2. The coefficient η can then be calculated as:
4
ησ=⋅A T (6)
0wc
When used in practice, the incident radiation I is calculated for various water temperatures, T , as:
w
2
II=+A⋅U +A⋅U
w1 out 2 out
where
4
I =⋅ησ⋅T (7)
ww
and
T is the in use temperature of the cooling water. The first and third terms are, in most cases, small in
w
comparison to the second term.
In many cases, manufacturers only provide a linearized sensitivity coefficient (A and A in Équation (4)), In
0 1
such cases, they assume that A and A are zero.
0 2
4.4.4 Spectral and directional response
The values measured by the heat flux meters described in this Technical Specification, i.e. the Gardon type,
the Schmidt-Boelter type and the hemispherical radiometers, can be affected by their distance from the fire
and the orientation of the sensing surface in relation to the fire. These meters also respond differently to
radiation in different spectral ranges. However, they are designed to have a close to hemispherical view angle
and the sensing elements are coated to achieve spectral absorptivities in excess of 0,9. Therefore, for many
common fire tests for which they are used, the uncertainty caused by directional and spectral variations in the
fires themselves can be assumed to be small.
There are two situations that need particular care when using these heat flux meters that could cause them to
deviate significantly from the ideal. First, if a window is fitted to the heat flux meter to eliminate convection,
both the view angle and the spectral response of the heat flux meter can be significantly affected. Second, if
the coating on the sensing element becomes contaminated, the spectral response of the heat flux meter may
change. The manufacturer's recommendations should be followed for recoating the sensing element to
minimize uncertainties due to spectral response.
4.4.5 Sensitivity to convective heat transfer
The Gardon and Schmidt-Boelter-type heat flux meters described in 4.3.2 and 4.3.3 are sensitive to both
incident radiant heat flux and convective heat transfer. The convective heat transfer is normally reduced to a
minimum during calibration in a calibration furnace, while in a fire test situation the convective heat transfer
can be significant. Furthermore, it should be noted that the convective heat transfer in an arbitrary situation
could give either a positive contribution (heating the sensor) or a negative (cooling the sensor) depending on
the gas temperature adjacent to the sensor in comparison to the sensor surface temperature.
4.5 Physical shape of heat flux meter
The shape of a heat flux meter is usually cylindrical. The absorber is usually directly attached to the body: a
water-cooled heat sink. There is a wide variety of sizes (diameter as well as height) of the cylindrical body.
Tubes for water inlet and outlet, as well as lead wires from the thermocouple or thermopile, are attached to the
body. Heat flux meters can be categorized by the type of tube attachment: the horizontal type as shown in
Figure 5 with tubes and wiring attached to the side wall of the body, and the vertical type as shown in Figure 1
with tubes and wiring attached to the bottom of the body.
© ISO 2007 – All rights reserved PROOF/ÉPREUVE 7
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ISO/TS 14934-4:2007(E)
In order to facilitate installation, a flange may be attached to the body of the heat flux meter (see Figure 6).
The side of the body may have a threaded hole or female thread for installation (see Figure 6).
Key
1 Absorber 5 Tube for water supply
2 Body 6 Tube for wiring
3 Temperature-sensor signal 7 Cable
4 Heat-flux-meter signal
Figure 5 — Horizontal-type heat flux meter
a) Flanged heat flux meter b) Flanged and threaded heat flux meter
Figure 6 — Heat flux meters
5 Attachments to heat flux meters
5.1 Air purging
Air purging (see Figure 7) may be used in combination with a heat flux meter. This is particularly useful when
an extensive amount of smoke or soot is expected during the experiment. Air-purge systems are used to
prevent the smoke particles from accumulating onto the absorber of the heat flux meter. It should be noted
that purged air can affect the combustion and heat transfer, in particular convection, around the heat flux
m
...
SPÉCIFICATION ISO/TS
TECHNIQUE 14934-4
Première édition
2007-02-15
Essais au feu — Étalonnage et utilisation
des appareils de mesure du flux
thermique —
Partie 4:
Lignes directrices pour l'utilisation des
fluxmètres thermiques dans les essais au
feu
Fire tests — Calibration of heat flux meters —
Part 4: Guidance on the use of heat flux meters in fire tests
Numéro de référence
ISO/TS 14934-4:2007(F)
©
ISO 2007
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ISO/TS 14934-4:2007(F)
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ii © ISO 2007 – Tous droits réservés
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ISO/TS 14934-4:2007(F)
Sommaire Page
Avant-propos. iv
Introduction . v
1 Domaine d'application. 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions. 2
4 Informations générales relatives aux fluxmètres thermiques . 2
4.1 Généralités . 2
4.2 Principe de mesurage. 3
4.3 Conception des fluxmètres thermiques . 3
4.4 Caractéristiques de mesurage . 5
4.5 Aspect physique des fluxmètres thermiques . 8
5 Dispositifs fixés aux fluxmètres thermiques .9
5.1 Purge d'air . 9
5.2 Fenêtres . 10
5.3 Système de refroidissement. 11
6 Choix d'un fluxmètre thermique adapté .13
6.1 Généralités . 13
6.2 Étendue de mesure. 13
6.3 Type, dimensions et orientation. 14
6.4 Angle de vue. 14
6.5 Temps de réponse . 14
6.6 Sensibilité au transfert thermique convectif.14
7 Réalisation d'une mesure . 15
7.1 Installation . 15
7.2 Surface cible. 16
7.3 Électronique . 16
7.4 Relation entre la tension de sortie et le flux thermique total . 16
8 Étalonnage. 18
8.1 Fluxmètre thermique étalon secondaire.18
8.2 Fluxmètres thermiques étalons de travail.18
8.3 Fréquence d'étalonnage. 18
9 Maintenance . 18
9.1 Absorbeur. 18
9.2 Câblage . 18
9.3 Alimentation en eau. 18
10 Utilisation des fluxmètres thermiques dans les essais au feu . 19
10.1 Généralités . 19
10.2 Essai d'allumabilité (voir l'ISO 5657). 19
10.3 Essai de propagation de la flamme (voir l'ISO 5658, toutes les parties) . 19
10.4 Émission de chaleur, dégagement de fumée et perte de masse (voir l'ISO 5660, toutes les
parties et l'ISO 17554) . 19
10.5 Essai dans une pièce en vraie grandeur pour les produits de surface (voir l'ISO 9705) . 19
10.6 Essais de façades (voir l'ISO 13785-2). 19
10.7 Essai de propagation de la flamme pour les revêtements de sol (voir l'ISO 9239, toutes les
parties) . 20
10.8 Calorimètre à dégagement de chaleur, à échelle intermédiaire (ICAL) (voir l'ISO/TR 14696). 20
Bibliographie . 21
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ISO/TS 14934-4:2007(F)
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux de
normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général confiée
aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du
comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non
gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec
la Commission électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI,
Partie 2.
La tâche principale des comités techniques est d'élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes
internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur
publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités membres
votants.
Dans d'autres circonstances, en particulier lorsqu'il existe une demande urgente du marché, un comité
technique peut décider de publier d'autres types de documents normatifs:
Une ISO/PAS ou ISO/TS fait l'objet d'un examen après trois ans afin de décider si elle est confirmée pour trois
nouvelles années, révisée pour devenir une Norme internationale, ou annulée. Lorsqu'une ISO/PAS ou
ISO/TS a été confirmée, elle fait l'objet d'un nouvel examen après trois ans qui décidera soit de sa
transformation en Norme internationale soit de son annulation.
L'attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne
pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.
L'ISO/TS 14934-4 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 92, Sécurité au feu, sous-comité SC 1,
Amorçage et développement du feu.
L'ISO/TS 14934 comprend les parties suivantes, présentées sous le titre général Essais au feu — Étalonnage
et utilisation des appareils de mesure du flux thermique:
⎯ Partie 1: Principes généraux [Spécification technique]
⎯ Partie 2: Méthodes d'étalonnage primaire
⎯ Partie 3: Méthode d'étalonnage secondaire
⎯ Partie 4: Lignes directrices pour l'utilisation des fluxmètres thermiques dans les essais au feu
[Spécification technique]
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ISO/TS 14934-4:2007(F)
Introduction
Dans la pratique, le flux thermique radiatif est habituellement mesuré au moyen des fluxmètres thermiques
totaux du type Schmidt-Boelter (thermopile) ou du type Gardon (feuil). Ces fluxmètres enregistrent le flux
thermique combiné par rayonnement et convection par rapport à une surface refroidie. La contribution au
transfert thermique par convection dépend principalement de la différence de température entre les gaz
environnants et la surface sensible et de la vitesse des gaz environnants. Elle dépendra également de la taille
et de la forme du fluxmètre thermique, de son orientation et de sa température qui est proche de la
température de l'eau de refroidissement. Dans de nombreuses situations pratiques dans les essais de feu, la
contribution de la convection à la surface sensible de l'instrument peut s'élever à 25 % du flux thermique
radiatif. Par conséquent, il est toujours nécessaire de déterminer et de contrôler cette composante.
Pour déterminer la fraction du flux thermique total dû au rayonnement, un schéma d'étalonnage a été mis au
point dans lequel l'étalonnage primaire est réalisé sur deux types différents de fluxmètres thermiques:
⎯ un radiomètre hémisphérique total, sensible uniquement au rayonnement;
⎯ un fluxmètre thermique total (plus fréquemment utilisé) sensible à la fois au transfert thermique par
rayonnement et au transfert thermique par convection.
Concernant l'utilisation des fluxmètres thermiques, il est important de noter que seul le flux thermique radiatif
incident peut être mesuré directement. Le flux thermique net radiatif ainsi que le transfert thermique par
convection vers un corps dépendent, entre autres, de la température de la surface réceptrice, tandis que
l'instrument répond au transfert thermique vers une surface refroidie.
La présente Spécification technique fournit des lignes directrices sur l'utilisation de ce type d'instrument et
l'interprétation des résultats.
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SPÉCIFICATION TECHNIQUE ISO/TS 14934-4:2007(F)
Essais au feu — Étalonnage et utilisation des appareils de
mesure du flux thermique —
Partie 4:
Lignes directrices pour l'utilisation des fluxmètres thermiques
dans les essais au feu
1 Domaine d'application
La présente Spécification technique fournit des lignes directrices sur l'utilisation des fluxmètres thermiques
dans les applications d'essai au feu, y compris la description et les principes de fonctionnement des
fluxmètres thermiques ordinaires ainsi que les méthodes de sélection et de maintenance. Elle peut également
s'appliquer au mesurage du flux thermique de panneaux radiants et autres sources thermiques importantes
utilisées pour simuler le flux thermique provenant d'un feu. Elle est applicable à tous les essais ordinaires
consistant à mesurer le flux thermique provenant de sources rayonnantes.
La présente Spécification technique fournit également la théorie de base et les principes de fonctionnement
des fluxmètres thermiques, ainsi que les méthodes de sélection, d'utilisation et de maintenance de ce type
d'instrument. Bien que portant principalement sur l'application des fluxmètres thermiques dans les essais au
feu et les travaux expérimentaux de recherche sur le feu, elle peut aussi servir de guide pour d'autres
applications de recherche, par exemple sur les chaudières ou les processus de combustion.
Les instruments permettant de mesurer la température transitoire d'un corps solide de masse et de capacité
thermique connues pour en déduire le flux thermique (calorimètre de type «slug») ne sont pas couverts par la
présente Spécification technique.
2 Références normatives
Les documents de référence suivants sont indispensables pour l'application du présent document. Pour les
références datées, seule l'édition citée s'applique. Pour les références non datées, la dernière édition du
document de référence s'applique (y compris les éventuels amendements).
ISO 13943:2000, Sécurité au feu — Vocabulaire
ISO 14934-2:2006, Essais au feu — Étalonnage et utilisation des appareils de mesure du flux thermique —
Partie 2: Méthodes d'étalonnage primaire
ISO 14934-3, Essais au feu — Étalonnage et utilisation des appareils de mesure du flux thermique —
Partie 3: Méthode d'étalonnage secondaire
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ISO/TS 14934-4:2007(F)
3 Termes et définitions
Pour les besoins de la présente partie de l'ISO 14934, les termes et définitions donnés dans l'ISO 13943:2000
et l'ISO 14934-2 s'appliquent.
4 Informations générales relatives aux fluxmètres thermiques
4.1 Généralités
Un fluxmètre thermique est un instrument de mesure de la chaleur radiative et convective transférée depuis
l'environnement en feu jusqu'à un élément de détection. Dans la pratique, le flux thermique est habituellement
mesuré au moyen de fluxmètres thermiques totaux du type Schmidt-Boelter (thermopile) ou du type Gardon
(feuil). Bien qu'il existe toute une variété de fluxmètres thermiques, ceux-ci consistent généralement en un
capteur à thermopile monté sur un corps métallique refroidi à l'eau. Le corps agit comme un radiateur à
température constante. Le capteur à thermopile dispose normalement d'une surface pratiquement noire
censée absorber tout le rayonnement incident, ou dont l'émissivité est donnée.
La sensibilité est supposée indépendante de la longueur d'onde sur la plage spectrale des sources
rayonnantes. Normalement, les écarts par rapport aux caractéristiques idéales de réponse directionnelle
peuvent également être négligés.
En situation normale, le champ de vision est supposé être de 180° et la surface est censée constituer un
corps noir parfait, tant du point de vue des caractéristiques spectrales que de celui de la réponse
directionnelle.
Les fluxmètres thermiques se composent généralement d'un absorbeur de flux thermique, d'un corps, d'un
système d'eau de refroidissement et d'un système de câblage, comme illustré à la Figure 1. Souvent ils
disposent également d'une bride pour les besoins du montage.
Légende
1 absorbeur 5 tube de câblage
2 corps 6 câble
3 bride 7 signal du fluxmètre thermique
4 tube d'alimentation en eau 8 signal du capteur de température
Figure 1 — Caractéristiques générales des fluxmètres thermiques
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ISO/TS 14934-4:2007(F)
La surface sensible doit rester exempte de dépôts de suie ou d'autres particules. Il convient de noter que de
la suie peut s'accumuler sur la surface refroidie de la jauge et affecter les résultats.
4.2 Principe de mesurage
Le flux thermique incident arrivant sur l'absorbeur crée une différence locale de température. Cette différence
est mesurée et résulte en un signal de sortie (tension). Suivant une première approximation, cette tension est
linéaire en fonction du flux thermique reçu par le capteur. Dans la plupart des fluxmètres thermiques, la
différence de température est mesurée au moyen de thermocouples ou de thermopiles qui sont passifs et ne
nécessitent aucune source d'alimentation externe.
Dans une plage de fonctionnement limitée, le rapport entre le flux thermique reçu par le capteur et le signal de
sortie peut être supposé linéaire. Il convient cependant de noter que le signal de sortie n'est pas toujours
linéaire avec le flux thermique incident (voir 3.4.3).
4.3 Conception des fluxmètres thermiques
4.3.1 Généralités
Il existe deux types de fluxmètres thermiques largement utilisés dans les essais au feu: les fluxmètres
thermiques du type Gardon (feuil) et les fluxmètres thermiques du type Schmidt-Boelter (thermopile).
Les fluxmètres thermiques du type Gardon ont une très grande plage de fonctionnement et un temps de
réponse très rapide. Toutefois, leur sensibilité est faible, et par conséquent ils ne permettent pas de mesurer
les flux thermiques de faible niveau.
Les fluxmètres thermiques du type Schmidt-Boelter sont généralement beaucoup plus sensibles que les
jauges Gardon.
Un autre type de fluxmètre thermique sont les radiomètres hémisphériques, sensibles uniquement à
l'éclairement énergétique, c'est-à-dire qu'ils ne sont pas sensibles à la température ni à la vitesse des gaz
environnants mais permettent d'évaluer la part convective du transfert thermique mesuré par les fluxmètres
thermiques totaux.
4.3.2 Fluxmètres thermiques du type Gardon
Les fluxmètres thermiques du type Gardon sont munis d'un absorbeur reposant sur un feuil fin. La chaleur
absorbée est conduite le long du feuil dans le sens radial vers le corps refroidi à l'eau. La température de
l'absorbeur est répartie de façon quasi parabolique. Au centre, la température est élevée et varie selon le flux
thermique arrivant sur le capteur, tandis qu'au bord elle est relativement faible et reste à la température
constante du corps, c'est-à-dire la température de l'eau de refroidissement. Le profil de température cesse
d'être parabolique lorsque le flux transversal convectif est significatif. La différence de température entre le
centre et le bord extérieur est mesurée à l'aide d'un thermocouple. Un schéma de fluxmètre thermique du type
Gardon est représenté à la Figure 2.
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ISO/TS 14934-4:2007(F)
Légende
1 feuil avec absorbeur noir (constantan généralement) 4 eau de refroidissement
2 flux thermique incident 5 fil raccordé au corps (ou au bord extérieur du feuil)
3 fil raccordé au centre du feuil 6 thermocouple de mesure de la température du corps
Figure 2 — Fluxmètre thermique du type Gardon
4.3.3 Fluxmètres thermiques du type Schmidt-Boelter
Les fluxmètres thermiques du type Schmidt-Boelter sont munis d'une thermopile relativement épaisse montée
sur un radiateur, le corps refroidi à l'eau de la jauge. La chaleur absorbée est conduite dans le radiateur à
travers le capteur, perpendiculairement à la surface de l'absorbeur. La température de l'absorbeur est répartie
relativement uniformément. La différence de température entre le capteur et le corps est mesurée à l'aide de
plusieurs thermocouples montés en série dans la thermopile. Un schéma de fluxmètre thermique du type
Schmidt-Boelter est représenté à la Figure 3.
Légende
1 feuil avec absorbeur noir (constantan généralement) 4 eau de refroidissement
2 flux thermique incident 5 fil raccordé au centre de la thermopile
3 fil raccordé au centre de la thermopile 6 thermocouple de mesure de la température du corps
Figure 3 — Fluxmètre thermique du type Schmidt-Boelter
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4.3.4 Radiomètres hémisphériques
Les radiomètres hémisphériques sont utilisés pour mesurer l'éclairement énergétique. Ils ne sont pas
sensibles au transfert thermique convectif, c'est-à-dire à la température et à la vitesse des gaz environnants.
Les radiomètres hémisphériques, comme illustré à la Figure 4, sont réfléchissants à l'intérieur (intérieur doré
en général), ce qui permet de réfléchir l'éclairement énergétique vers l'absorbeur qui, par conséquent, ne
subit pas l'influence de la convection. Les radiomètres hémisphériques sont souvent utilisés dans les
recherches sur le feu et équipés d'un système d'épuration d'air pour éviter que la suie ne s'accumule sur le
réflecteur.
Légende
1 ouverture 3 radiateur
2 corps avec intérieur réfléchissant 4 fil de sortie
Figure 4 — Radiomètre hémisphérique
4.4 Caractéristiques de mesurage
4.4.1 Temps de réponse
La durée de beaucoup d'essais normalisés étant limitée, une réponse rapide est exigée des fluxmètres
thermiques. Dans la majorité des cas, une réponse pleine-échelle (99 %) de moins de 10 s est exigée.
En général, dans l'application du temps de réponse au cas d'un fluxmètre thermique avec un corps à
température constante est exposé à un niveau d'éclairement énergétique démarrant à t = 0, le comportement
du signal de sortie peut être représenté par l'Équation (1):
-tt
sen
UI=⋅S 1e− (1)
out 1( )
où
U est le signal de sortie, V;
out
–2
S est la sensibilité primaire, mV/W·m ;
1
2
I est le flux thermique, W/m ;
t est le temps, s;
t est la constante de temps du capteur, s.
sen
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ISO/TS 14934-4:2007(F)
Le temps de réponse d'un capteur donné est donc généralement indiqué par sa constante de temps. La
constante de temps d'un fluxmètre thermique peut également être considérée comme le temps nécessaire
pour atteindre 63 % de la réponse pleine-échelle (100 %).
La règle veut que la réponse pleine-échelle (99 %) soit atteinte dans un délai de 5 fois la constante de temps.
En pratique, cela signifie qu'au bout de 5 fois la constante de temps, le temps de réponse n'est plus une
source d'erreur significative.
Pour les jauges Gardon, munies d'un feuil, le temps de réponse peut être approché par l'Équation (2):
2
tc=⋅ρ ⋅D 16λ (2)
sen p
où
t est la constante de temps du capteur, s;
sen
3
ρ est la masse volumique du feuil, kg/m ;
c est la capacité thermique massique du feuil, J/kg·K;
p
D est le diamètre du feuil, m;
λ est la conductivité thermique du feuil, W/m·K.
Pour les jauges Schmidt-Boelter, munies d'une thermopile, le temps de réponse peut être approché, selon la
Référence [7], par l'Équation (3):
22
tc=π4 ρ⋅⋅D λ (3)
sen()()p
où
t est la constante de temps du capteur, s;
sen
3
ρ est la masse volumique du capteur, kg/m ;
c est la capacité thermique propre du capteur, J/kg·K;
p
D est l'épaisseur du capteur, m;
λ est la conductivité thermique du capteur, W/m·K.
La plupart des fluxmètres thermiques couramment utilisés pour les essais au feu ont une constante de temps
d'environ 1 s ou inférieure. Par conséquent, les mesures de flux thermique dans les essais au feu dans des
conditions quasi stationnaires peuvent être considérées comme instantanées.
Si le flux thermique est mesuré lors d'un phénomène très rapide tel qu'un embrasement ou une explosion, il
peut être nécessaire de corriger les mesures de flux thermique à l'aide de la constante de temps.
4.4.2 Plage de fonctionnement
En général, un type donné de fluxmètre thermique est conçu pour mesurer une certaine plage de flux
thermique (sa plage de fonctionnement). En outre, le capteur a une certaine sensibilité et un temps de
réponse spécifique pour atteindre un niveau déterminé de signal de sortie. La principale restriction est que la
température de l'absorbeur soit maintenue dans des limites acceptables, de façon à éviter la destruction de la
zone peinte et du capteur.
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ISO/TS 14934-4:2007(F)
L'augmentation de la température de l'absorbeur est due au flux thermique incident, à la construction du
capteur, et au système de refroidissement.
4.4.3 Sensibilité des fluxmètres thermiques
La sensibilité des fluxmètres thermiques dépend principalement de la composition physique du capteur
lui-même. Les propriétés combinées de l'absorbeur, de la géométrie environnante (limitant le champ de
vision), de la fenêtre et de la thermopile se traduiront par une certaine tension de sortie pour un niveau de
rayonnement incident donné.
Le niveau de rayonnement incident en tant que fonction du signal de tension de sortie est supposé être un
polynôme du second degré:
2
IA=+A⋅U +A⋅U (4)
01 out 2 out
où
I est le rayonnement incident tel que défini par la méthode d'étalonnage (Articles 7, 8 et 9 et
ISO 14934-2);
NOTE La procédure de calcul de cette méthode tient compte de la dépendance de l'angle de vue.
A , A et A sont des constantes devant être déterminées par le mode opératoire d'étalonnage;
0 1 2
U est le signal de tension de sortie, V;
out
A peut être exprimé comme suit:
0
4
A=⋅ησ⋅T (5)
0wc
où
η est un coefficient exprimant l'influence de la convection dans la situation d'étalonnage;
T est la température absolue de l'eau de refroidissement au cours de l'étalonnage, K.
wc
Lorsque le transfert thermique par convection au cours de l'étalonnage est négligeable, le coefficient η est
égal à 1,0 et A peut être calculé directement. Autrement, A doit être déterminé de même que A et A selon
0 0 1 2
la procédure de meilleur ajustement décrite dans l'Article 10 et l'ISO 14934-2. Le coefficient η peut alors être
calculé comme suit:
4
ησ=⋅A T (6)
0wc
Dans son utilisation pratique, le rayonnement incident I est calculé comme suit pour différentes températures
d'eau, T :
w
2
II=+A⋅U +A⋅U
w1 out 2 out
où
4
I =⋅ησ⋅T (7)
ww
et
T est la température de service de l'eau de refroidissement. Dans la majorité des cas, les premier et
w
troisième termes sont inférieurs au deuxième terme.
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ISO/TS 14934-4:2007(F)
Souvent les fabricants ne fournissent qu'un coefficient de sensibilité linéarisé [A et A dans l'Équation (4)].
0 1
Dans ce cas, A et A sont supposés égaux à zéro.
0 2
4.4.4 Réponse spectrale et directionnelle
Les valeurs mesurées par les fluxmètres thermiques décrits dans la présente Spécification technique, c'est-à-
dire les fluxmètres thermiques du type Gardon, du type Schmidt-Boelter et les radiomètres hémisphériques,
peuvent être affectées par leur distance par rapport au feu et l'orientation de la surface sensible. La réponse
au rayonnement diffère également selon la plage spectrale. Toutefois, ces instruments sont conçus pour
approcher un angle de vue hémisphérique et les éléments sensibles sont revêtus de manière à atteindre des
absorptivités spectrales supérieures à 0,9. Par conséquent, pour beaucoup d'essais au feu ordinaires utilisant
ce type d'instruments, l'incertitude due aux variations directionnelles et spectrales des feux eux-mêmes peut
être
...
Questions, Comments and Discussion
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