ISO 14934-2:2006
(Main)Fire tests — Calibration and use of heat flux meters — Part 2: Primary calibration methods
Fire tests — Calibration and use of heat flux meters — Part 2: Primary calibration methods
ISO 14934-2:2006 describes three methods for calibration of total hemispherical radiometers and total heat flux meters that are exposed to a well-defined radiation from a radiant heat source. The equipment is designed to minimize influences due to convective heat transfer during calibration. It is important to note that when the instruments are used in practice they measure a combination of radiant and convective heat transfers. The latter will depend on the design of the heat flux meter, the orientation, local temperature and flow conditions, and on the temperature of the cooling water.
Essais au feu — Étalonnage et utilisation des appareils de mesure du flux thermique — Partie 2: Méthodes d'étalonnage primaire
L'ISO 14934-2:2006 décrit trois méthodes d'étalonnage pour les radiomètres hémisphériques totaux et les fluxmètres thermiques totaux, ces appareils étant exposés à un rayonnement bien défini provenant d'une source de chaleur rayonnante. L'équipement est dimensionné pour minimiser les influences du transfert thermique par convection pendant l'étalonnage. Il est important de noter que, dans leur utilisation pratique, ces instruments mesurent une combinaison du transfert thermique par rayonnement et du transfert thermique par convection. L'influence de cette dernière composante dépendra de la conception du fluxmètre thermique, de l'orientation, des conditions locales de température et d'écoulement ainsi que de la température de l'eau de refroidissement.
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INTERNATIONAL ISO
STANDARD 14934-2
First edition
2006-02-15
Corrected version
2006-04-15
Fire tests — Calibration and use of heat
flux meters —
Part 2:
Primary calibration methods
Essais au feu — Étalonnage et utilisation des appareils de mesure du
flux thermique —
Partie 2: Méthodes d'étalonnage primaire
Reference number
ISO 14934-2:2006(E)
©
ISO 2006
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ISO 14934-2:2006(E)
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ISO 14934-2:2006(E)
Contents Page
Foreword. v
Introduction . vii
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions. 1
4 Principles. 5
4.1 General principles. 5
4.2 Principle of the vacuum black-body cavity (VBBC) method (method 1). 5
4.3 Principle of the spherical black-body cavity method (method 2) . 5
4.4 Principle of the variable temperature black-body (VTBB) method (method 3) . 5
5 Suitability of a gauge for calibration. 6
5.1 Types of heat flux meters . 6
5.2 Design of heat flux meters. 6
5.3 Measuring range . 6
5.4 Status of heat flux meter prior to calibration. 6
6 Relationship between output voltage and total heat flux. 6
7 Vacuum black-body cavity (VBBC) method (method 1) . 7
7.1 Apparatus . 7
7.2 Operating procedure . 10
7.3 Uncertainty . 10
8 Spherical black-body cavity method (method 2). 11
8.1 Apparatus . 11
8.2 Operating procedure . 15
8.3 Uncertainty . 15
9 Variable-temperature black-body (VTBB) method (method 3). 16
9.1 Apparatus . 16
9.2 Operating procedure . 18
9.3 Uncertainty . 20
10 Number of calibration levels. 21
11 Expression of results . 22
12 Calibration report. 22
Annex A (normative) Operating procedure for vacuum black-body cavity method (VBBC)
(method 1). 24
Annex B (normative) Calculating the irradiance from the vacuum black-body cavity (VBBC) to the
heat flux meter . 26
Annex C (informative) Examples of computer screens for calculating the irradiance from the
vacuum black-body cavity (VBBC) . 29
Annex D (normative) Operating procedure for spherical black-body cavity method (method 2). 30
Annex E (normative) Calculating the irradiance from the spherical black-body cavity to the heat
flux meter. 31
Annex F (normative) Drawings for the fixed and movable cooler to the spherical black-body
cavity. 35
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ISO 14934-2:2006(E)
Annex G (informative) Guidance notes for operators using the spherical black-body cavity
method . 38
Annex H (normative) Electrical substitution radiometer (ESR) operating procedure. 39
Annex I (normative) Procedure for heat flux meter calibration using the 25-mm VTBB method
(method 3). 41
Annex J (normative) Data reduction procedure for the VTBB method (method 3) . 43
Bibliography . 45
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ISO 14934-2:2006(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
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non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the
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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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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 14934-2 was prepared by Technical Committee ISO/TC 92, Fire Safety, Subcommittee SC 1, Fire
initiation and growth.
ISO 14934 consists of the following parts, under the general title Fire tests — Calibration and use of heat flux
meters:
⎯ Part 1: General principles
⎯ Part 2: Primary calibration methods
⎯ Part 3: Secondary calibration methods
The following part is under preparation:
⎯ Part 4: Guidance on the use of heat flux meters in fire tests
This corrected version of ISO 14934-2 incorporates the following changes:
⎯ 7.1.1: the first item in unnumbered list changed to read as follows:
“.electrically heated [(3), (6)], black-body cavity (4).”;
2 2
⎯ 9.1.4: the radiometer range changed to “.0,4 kW/m to 42 kW/m , .”;
⎯ 9.2.3: the reference for the procedure for making calibration measurements changed to Annex I;
⎯ Clause 11: in the list in the fourth paragraph, the second bullet changed to read as follows:
“— field of view of the heat flux meter, expressed in degrees. In case of view-limiting apertures,
specify field of view from the centre of the sensing surface to the edge of the view-limiting aperture. In
case of flat receivers, specify 180°;”
⎯ Clause E.1: the note in Figure E.1 changed to read as follows:
“NOTE If a spacer ring is used, use curve 2. .”
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ISO 14934-2:2006(E)
2 2
⎯ Annex G, second paragraph: the radiation range changed to “.2 kW/m and 25 kW/m .”
⎯ Annex J, Figure J.1: “1” on the right changed to “2”.
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ISO 14934-2:2006(E)
Introduction
In many fire test methods, the radiation level is specified and, therefore, it is of great importance that the
radiant heat flux is well defined and measured with sufficient accuracy. Radiant heat transfer is also the
dominant mode of heat transfer in most real fires.
In practice, radiant heat flux is usually measured with so-called total heat flux meters of the Schmidt-Boelter
1)
(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 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. Thus it is always necessary to determine and control this part.
To determine the fraction of total heat flux due to radiation, a calibration scheme is developed where primary
calibration is performed on two different types of heat flux meters: (1) a total hemispherical radiometer
sensitive to radiation only, and (2) a total heat flux meter, (most frequently used) sensitive to both radiant heat
transfer and to convective heat transfer. A comparison of measurements between the two types of meters in
secondary (or transfer) calibration methods allows a characterization of the influence of convection in the
method. Where possible, in all calibrations and measurements of radiative heat flux, the uncertainty
calculations should include the uncertainty associated with removing the convective component. For
secondary calibration methods, a combined use of hemispherical radiometers and total heat flux meters
makes it possible to estimate the convection contribution. The same arrangement can be used in calibration of
fire test methods as well.
Primary calibration is performed in a black-body cavity under conditions where the convective part of the heat
transfer can be neglected or controlled. One such apparatus is an evacuated black-body facility with the
unique characteristic of negligible convection and conduction effects described in this document as the
vacuum black-body cavity (VBBC) method (method 1). Other (non-evacuated) black-body facilities can also
be suitable as primary heat sources for calibration, providing they are fully characterized, particularly in terms
of any convection effects on the sensing surface of the heat flux meter being calibrated. One such facility,
described in this document as the spherical black-body cavity method (method 2), is a furnace with an orifice
pointing downwards to minimize the convection. Another is the variable temperature black-body method
(method 3) in which the effect of the convective component is minimized by the adoption of a substitution
procedure in which the heat flux meter to be calibrated is compared with a primary standard radiometer.
Under such conditions the convective effect for each measurement can be asumed to be of a similar
magnitude.
1) Schmidt-Boelter meters and Gardon meters are examples of suitable products available commercially. This
information is given for the convenience of users of this part of ISO 14934 and does not constitute an endorsement by ISO
of this product.
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 14934-2:2006(E)
Fire tests — Calibration and use of heat flux meters —
Part 2:
Primary calibration methods
1 Scope
This part of ISO 14934 describes three methods for calibration of total hemispherical radiometers and total
heat flux meters that are exposed to a well-defined radiation from a radiant heat source. The equipment is
designed to minimize influences due to convective heat transfer during calibration. It is important to note that
when the instruments are used in practice they measure a combination of radiant and convective heat
transfers. The latter will depend on the design of the heat flux meter, the orientation, local temperature and
flow conditions, and on the temperature of the cooling water.
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
IEC 60584-2:1982, Thermocouples — Part 2: Tolerances
International vocabulary of basic and general terms in metrology (VIM), BIPM/IEC/IFCC/ISO/IUPAC/IUPAP/OIML,
1993
Guide to the expression of uncertainty in measurement (GUM), BIPM/IEC/IFCC/ISO/IUPAC/IUPAP/OIML,
1993 (Corrected and reprinted, 1995)
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 13943:2000, GUM, and the
following apply.
3.1
radiation
emission or transfer of energy in the form of electromagnetic waves with the associated photons
NOTE See Reference [1].
3.2
convection
movement of fluid
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ISO 14934-2:2006(E)
3.3
heat
thermal energy
NOTE Heat is expressed in joules.
3.4
heat transfer
movement of heat between bodies by means of radiation, convection, or conduction
EXAMPLE The bodies can be a gas, a liquid, a solid body or combinations of them.
NOTE Heat transfer is expressed in watts.
3.5
radiant heat transfer
heat transfer by radiation
NOTE Radiant heat transfer is expressed in watts.
3.6
convective heat transfer
heat transfer from a surrounding fluid to a surface by convection depending on the fluid velocity and the
temperature difference between fluid and surface
NOTE Convective heat transfer is expressed in watts.
3.7
total heat transfer
sum of the radiant heat transfer and the convective heat transfer
NOTE Total heat transfer is expressed in watts.
3.8
heat flux
heat passing through a surface per unit area and unit time
NOTE Heat flux for fire testing purposes is expressed in watts per square metre. Outside the fire testing field, this
definition is given as heat flux density.
3.9
incident heat radiation
incoming radiant heat flux to a surface
NOTE Incident heat radiation is expressed in watts per square metre.
3.10
absorbed heat radiation
radiant heat absorbed by a surface
NOTE Absorbed heat radiation is expressed in watts per square metre.
3.11
emitted heat radiation
radiant heat emitted from a surface
NOTE Emitted heat radiation is expressed in watts per square metre.
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ISO 14934-2:2006(E)
3.12
net heat radiation
absorbed heat radiation minus emitted heat radiation
NOTE Net heat radiation is expressed in watts per square metre.
3.13
leaving heat flux
composed of emitted heat radiation and reflected heat radiation
NOTE The term is also called radiosity. Leaving heat flux is expressed in watts per square metre.
3.14
radiant heat flux
heat flux by radiant heat transfer
NOTE Radiant heat flux is expressed in watts per square metre.
3.15
convective heat flux
heat flux by convective heat transfer
NOTE Convective heat flux is expressed in watts per square metre.
3.16
total heat flux
sum of net heat radiation and convective (heat) flux
NOTE Total heat flux is expressed in watts per square metre.
3.17
black-body radiant source
ideal thermal radiating source which absorbs completely all incident heat radiation, whatever wavelength and
direction
NOTE This definition is part of the definition given in Reference [1].
3.18
irradiance
incident radiant heat flux arriving from all hemispherical directions
NOTE Irradiance is expressed in watts per square metre.
3.19
emissivity
ratio of the radiant heat flux emitted by a surface to the radiant heat flux emitted by a black-body radiator at
the same temperature
NOTE Emissivity is dimensionless.
3.20
absorptivity
ratio of the absorbed radiant heat flux to the incident radiant heat flux
NOTE Absorptivity is dimensionless.
3.21
radiant intensity
radiant heat transfer per unit solid angle leaving a source in a given direction
NOTE Radiant intensity is expressed in watts per steradian.
© ISO 2006 – All rights reserved 3
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ISO 14934-2:2006(E)
3.22
heat flux meter
instrument responding to incident radiant heat flux and/or to convective heat transfer to a cooled surface
3.23
radiometer
heat flux meter responding to incident radiant heat flux only
3.24
total hemispherical radiometer
radiometer equally sensitive to radiant intensity arriving from all directions above the sensing surface
3.25
total heat flux meter
heat flux meter responding to both incident radiant heat flux and convective heat transfer to a cooled surface
NOTE The expression “heat flux meter” without the denotation “total” should only be used when it is not defined
whether the instrument is a radiometer or a total heat flux meter. When the instrument responds to both radiant and
convective heat flux the expression “total heat flux meter” is the proper designation.
3.26
primary standard
standard that is designated or widely acknowledged as having the highest metrological qualities and whose
value is accepted without reference to other standards of the same quantity
[VIM:1993]
3.27
secondary-standard heat flux meter
heat flux meter with a calibration traceable to a primary standard, used only for calibration of working-standard
heat flux meters
3.28
working-standard heat flux meter
heat flux meter to be calibrated by reference to a secondary standard for subsequent use during the course of
fire tests
3.29
sensing surface
surface of the heat flux meter which detects the irradiance
3.30
sensitivity
ratio of the output voltage to the measured quantity
3.31
Stefan-Boltzmann constant
σ
constant in the expression for calculating the radiant heat flux from the absolute temperature equal to
–8
5,67 × 10 watt per square metre Kelvin to the fourth power
NOTE See Reference [2].
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ISO 14934-2:2006(E)
4 Principles
4.1 General principles
Calibration of heat flux meters (total hemispherical radiometers and total heat flux meters) is performed with a
black-body radiant heat source.
4.2 Principle of the vacuum black-body cavity (VBBC) method (method 1)
2 2
This method is used to calibrate heat flux meters between 2 kW/m and 70 kW/m . It is designed to accept
total heat flux meters or total hemispherical radiometers with a housing diameter of up to 50 mm. These may
have pipes for water or/and air that are located axially. Calibration of heat flux meters consists of reading the
output voltage of total heat flux meters or total hemispherical radiometers when irradiated by a traceable
black-body radiant source operating under vacuum. By lowering the absolute pressure in the black-body
cavity to between 0,5 Pa and 2 Pa, the convective heat transfer is significantly reduced. Heat flux meters to be
calibrated are fixed on a support and form a part of the closed system. The operating procedure is given in
Annex A. The relation between the furnace and the irradiance to the heat flux meter is given in Annex B.
Examples of computer screens are given in Annex C.
4.3 Principle of the spherical black-body cavity method (method 2)
2 2
This method is used to calibrate heat flux meters between 2 kW/m and 70 kW/m . A black-body radiant heat
source designed as a spherical furnace with an aperture at the bottom is used. The temperature level of the
furnace is controlled with high precision and is very uniform inside the furnace assuring a high precision of the
radiant heat level.
Heat flux meters to be calibrated are inserted through the aperture at the bottom of the furnace with the
sensing surface of the heat flux meter oriented horizontally. The influence of convection is thus reduced to a
minimum. The heat flux meter sees nothing but the controlled environment of the black-body emitter. The
radiation level of this black-body emitter depends primarily on the measured temperature making it traceable
to international thermal calibration standards.
The accuracy of the method depends on the design of the test apparatus. The operating procedure is given in
Annex D. The relation between the furnace temperature and the irradiance to the heat flux meter is described
in Annex E. The limits of errors assume that the apparatus is constructed according to the figures in Annex F.
Guidance notes for operators are given in Annex G.
4.4 Principle of the variable temperature black-body (VTBB) method (method 3)
The technique uses the principle of electrical substitution radiometry to calibrate heat flux sensors up to
2
50 kW/m . The sensors are calibrated with reference to a room-temperature electrical substitution radiometer
whose calibration is traceable to a primary standard high accuracy cryogenic radiometer (HACR). This is a
standard for optical radiation power and is supported through a chain of independent calibrations.
The calibration uses the 25 mm cavity diameter variable temperature black-body (VTBB) facility as broadband
radiant source. The VTBB consists of a dual-cavity, electrically heated graphite tube. The black-body
temperature is controlled and is stable within ± 0,1 K of the set value.
The heat flux sensor to be calibrated and the reference standard radiometer are located at a fixed distance
away from the black-body aperture, depending on the heat flux level. The variation in the incident heat flux
level at the sensor location is obtained by varying the VTBB temperature. The operating procedure for
electrical substitution radiometer is given in Annex H. The calibration procedure is given in Annex I. The data
reduction procedure is given in Annex J.
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ISO 14934-2:2006(E)
5 Suitability of a gauge for calibration
5.1 Types of heat flux meters
All three methods are intended for calibration of total hemispherical radiometers and of total heat flux meters.
The total heat flux meters are usually of so called Schmidt-Boelter and Gardon types. Along with the
experimental calibration data, an expression of the sensitivity of the heat flux meter is normally also given. It
should be noted that for each given wavelength, λ, the heat flux meter has a specific spectral sensitivity. For
heat flux meters used in fire tests, it can, however, be assumed that the sensitivity does not depend on the
wavelength over the spectral range of the radiating sources commonly examined. Deviations from the ideal
directional response characteristics may be neglected.
The field of view is assumed to be hemispherical (solid angle 180°), and the surface is assumed to behave as
a perfect black-body, both regarding the spectral characteristics and the directional response.
The methods can be used for radiometers with a limited field of view, provided that this field of view is
characterized, and that corrections made for this field of view are traceable.
5.2 Design of heat flux meters
Radiometers and heat flux meters with a housing diameter of up to 50 mm and a sensing surface diameter up
to 10 mm can be accommodated in methods 1 and 2. During the calibration the heat flux meter body
temperature must remain constant. This is usually achieved by using water-cooling. In some cases an air
supply is used to keep the window free from dust. If possible, water and/or air supply piping are routed parallel
to the axis of the meter so as to keep the lines within the housing diameter of 50 mm.
For the NIST open-mode method, there is no restriction on the sensor-housing diameter, and on how the
cooling water or purge gas lines are routed. However, it is recommended that the sensing surface of the
gauge is limited to less 10 mm in diameter.
5.3 Measuring range
Radiometers are typically designed for use within a certain range. They should be calibrated within this range.
For radiometers that will be used beyond the range of the method used extrapolation of the obtained
calibration results may not be used unless justified.
5.4 Status of heat flux meter prior to calibration
The coating on the sensor is visually inspected, and if the conditions indicate the need for repainting, the
customer is informed accordingly.
6 Relationship between output voltage and total heat flux
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 heat radiation.
The total heat flux to the sensor, q , may be written as
tot
qq=−q +q (1)
tot rad emi con
where
q is the total heat flux to the sensor;
tot
q is the heat radiation absorbed by the sensor;
rad
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ISO 14934-2:2006(E)
q is the emitted heat radiation from the sensor;
emi
q is the convective heat transfer to the sensor.
con
The heat radiation that is absorbed by the sensor depends on the absorptivity of the sensor surface as
qI=⋅ε (2)
rad rad
where
ε is the absorptivity of the sensor; the absorptivity and the emissivity of the sensor are assumed
equal;
I is the incident heat
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 14934-2
Première édition
2006-02-15
Essais au feu — Étalonnage et utilisation
des appareils de mesure du flux
thermique —
Partie 2:
Méthodes d'étalonnage primaire
Fire tests — Calibration and use of heat flux meters —
Part 2: Primary calibration methods
Numéro de référence
ISO 14934-2:2006(F)
©
ISO 2006
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ISO 14934-2:2006(F)
Sommaire Page
Avant-propos. v
Introduction . vi
1 Domaine d'application. 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions. 1
4 Principes. 5
4.1 Principes généraux. 5
4.2 Principe de la méthode VBBC (cavité corps noir sous vide) (Méthode 1). 5
4.3 Principe de la méthode de la cavité corps noir sphérique (Méthode 2). 5
4.4 Principe de la méthode VTBB (corps noir à température variable) (Méthode 3). 5
5 Aptitude d'un capteur à l'étalonnage. 6
5.1 Types de fluxmètres thermiques. 6
5.2 Conception des fluxmètres thermiques . 6
5.3 Étendue de mesure. 6
5.4 État du fluxmètre thermique avant l'étalonnage. 6
6 Relation entre tension de sortie et flux thermique total . 6
7 Méthode de la cavité corps noir sous vide (VBBC) (Méthode 1) . 8
7.1 Appareillage . 8
7.2 Mode opératoire de fonctionnement. 10
7.3 Incertitude. 11
8 Méthode de la cavité corps noir sphérique (Méthode 2) . 12
8.1 Appareillage . 12
8.2 Mode opératoire de fonctionnement. 16
8.3 Incertitude. 16
9 Méthode VTBB (corps noir à température variable) (Méthode 3) . 16
9.1 Appareillage . 16
9.2 Mode opératoire de fonctionnement. 19
9.3 Incertitude. 20
10 Nombre de niveaux d'étalonnage. 22
11 Expression des résultats . 22
12 Rapport d'étalonnage . 23
Annexe A (normative) Mode opératoire pour la méthode VBCC (cavité corps noir sous vide)
(Méthode 1). 24
Annexe B (normative) Calcul de l'éclairement énergétique produit par la cavité corps noir
sous vide (VBCC) sur le fluxmètre thermique . 26
Annexe C (informative) Exemples de captures d'écran d'ordinateur pour le calcul de l'éclairement
énergétique produit par la cavité corps noir sous vide (VBCC) . 29
Annexe D (normative) Mode opératoire pour la méthode de la cavité corps noir sphérique
(Méthode 2). 30
Annexe E (normative) Calcul de l'éclairement énergétique produit par la cavité corps noir
sphérique sur le fluxmètre thermique . 31
Annexe F (normative) Plans pour les refroidisseurs fixe et mobile par rapport à la cavité corps
noir sphérique . 35
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ISO 14934-2:2006(F)
Annexe G (informative) Recommandations pour les opérateurs utilisant la méthode
de la cavité corps noir sphérique. 38
Annexe H (normative) Mode opératoire du radiomètre à substitution électrique (ESR) . 39
Annexe I (normative) Mode opératoire pour l'étalonnage du fluxmètre thermique à l'aide
de la méthode du VTBB de 25 mm (Méthode 3). 41
Annexe J (normative) Procédure de réduction des données pour la méthode VTBB (Méthode 3). 43
Bibliographie . 45
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ISO 14934-2:2006(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.
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 14934-2 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 92, Sécurité au feu, sous-comité SC 1,
Amorçage et développement du feu.
L'ISO 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
⎯ Partie 2: Méthodes d'étalonnage primaire
⎯ Partie 3: Méthode d'étalonnage secondaire
La partie suivante est en cours de préparation:
⎯ Partie 4: Lignes directrices pour l'utilisation des fluxmètres thermiques dans les essais de feu
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ISO 14934-2:2006(F)
Introduction
Dans de nombreuses méthodes d'essais au feu, le niveau de rayonnement est spécifié et, donc, il est très
important que le flux thermique radiatif soit bien défini et mesuré avec une précision suffisante. Le transfert
thermique radiatif est également le mode prépondérant de transfert thermique dans la plupart des feux réels.
Dans la pratique, le flux thermique radiatif est habituellement mesuré au moyen des fluxmètres thermiques
1) 1)
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 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: (1) un
radiomètre hémisphérique total, sensible uniquement au rayonnement, et (2) un fluxmètre thermique total
(plus fréquemment utilisé), sensible à la fois au transfert thermique par rayonnement et au transfert thermique
par convection. La comparaison des mesures entre les deux types d'appareils de mesure dans des méthodes
d'étalonnage (ou de transfert) secondaire permet de caractériser l'influence de la convection dans la méthode.
Pour tous les étalonnages et mesures du flux thermique radiatif, il convient dans toute la mesure du possible
d'inclure dans les calculs d'incertitude celle qui est associée à l'élimination de la composante de convection.
Pour les méthodes d'étalonnage secondaire, l'utilisation combinée des radiomètres hémisphériques et
fluxmètres thermiques totaux permet d'estimer la contribution de la convection. La même configuration peut
être également utilisée dans l'étalonnage des méthodes d'essais de feu.
L'étalonnage primaire est réalisé dans une cavité corps noir dans des conditions où la composante convective
du transfert thermique peut être négligée ou contrôlée. Un exemple d'un tel appareillage est une installation
de corps noir sous vide ayant la caractéristique unique de présenter des effets négligeables de la convection
et de la conduction décrits dans le présent document comme étant la méthode de cavité corps noir sous vide
(Méthode 1). D'autres installations de corps noirs (non sous vide) peuvent également être appropriées comme
sources primaires de chaleur pour l'étalonnage, sous réserve qu'elles soient complètement caractérisées,
particulièrement en termes d'effets convectifs éventuels sur la surface sensible du fluxmètre thermique qui est
en cours d'étalonnage. Un exemple d'une telle installation décrite dans le présent document comme étant la
méthode de la cavité corps noir sphérique (Méthode 2) est un four ayant un orifice orienté vers le bas afin de
réduire la convection au minimum. Un autre exemple en est la méthode du corps noir à température variable
(Méthode 3) dans laquelle l'effet de la composante convective est réduit au minimum par l'adoption d'une
procédure de substitution où le fluxmètre thermique devant être étalonné est comparé à un radiomètre étalon
primaire. Dans ces conditions, l'effet convectif pour chaque mesurage peut être supposé comme étant d'un
même ordre de grandeur.
1) Les fluxmètres Schmidt-Boelter et Gardon sont des exemples de produits appropriés dispopnibles sur le marché.
Cette information est donnée à l'intention des utilisateurs du présent document et ne signifie nullement que l'ISO approuve
ou recommande l'emploi exclusif des produits ainsi désignés.
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NORME INTERNATIONALE ISO 14934-2:2006(F)
Essais au feu — Étalonnage et utilisation des appareils
de mesure du flux thermique —
Partie 2:
Méthodes d'étalonnage primaire
1 Domaine d'application
La présente partie de l'ISO 14934 décrit trois méthodes d'étalonnage pour les radiomètres hémisphériques
totaux et les fluxmètres thermiques totaux, ces appareils étant exposés à un rayonnement bien défini
provenant d'une source de chaleur rayonnante. L'équipement est dimensionné pour minimiser les influences
du transfert thermique par convection pendant l'étalonnage. Il est important de noter que, dans leur utilisation
pratique, ces instruments mesurent une combinaison du transfert thermique par rayonnement et du transfert
thermique par convection. L'influence de cette dernière composante dépendra de la conception du fluxmètre
thermique, de l'orientation, des conditions locales de température et d'écoulement ainsi que de la température
de l'eau de refroidissement.
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
CEI 60584-2:1982, Couples thermoélectriques — Partie 2: Tolérances
Vocabulaire international des termes fondamentaux et généraux de métrologie (VIM), BIPM/CEI/FICC/ISO/
OIML/ICPA/UIPPA
Guide pour l'expression de l'incertitude de mesure (GUM), BIPM/CEI/FICC/ISO/OIML/UICPA/UIPPA
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l'ISO 13943:2000 et dans le
GUM ainsi que les suivants s'appliquent.
3.1
rayonnement
émission ou transfert d'énergie sous la forme d'ondes électromagnétiques avec les photons associés
NOTE Voir la Référence [1].
3.2
convection
mouvement de fluide
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ISO 14934-2:2006(F)
3.3
chaleur
énergie thermique
NOTE La chaleur est exprimée en joules.
3.4
transfert thermique
mouvement de la chaleur entre des corps par rayonnement, convection ou conduction
EXEMPLE Les corps peuvent être un gaz, un liquide, un corps solide ou leurs combinaisons.
NOTE Le transfert thermique est exprimé en watts.
3.5
transfert thermique radiatif
transfert thermique par rayonnement
NOTE Le transfert thermique radiatif est exprimé en watts.
3.6
transfert thermique convectif
transfert thermique entre un fluide environnant et une surface par convection dépendant de la vitesse du
fluide et de la différence de température entre le fluide et la surface
NOTE Le transfert thermique convectif est exprimé en watts.
3.7
transfert thermique total
somme du transfert thermique radiatif et du transfert thermique convectif
NOTE Le transfert thermique total est exprimé en watts.
3.8
flux thermique
chaleur passant à travers une surface par aire et par temps
NOTE Le flux thermique pour les besoins de l'essai est exprimé en watts par mètre carré. Hors du champ des essais
de feu, la définition devient «densité de flux thermique».
3.9
rayonnement thermique incident
flux thermique radiatif qui arrive sur une surface
NOTE Le rayonnement thermique incident est exprimé en watts par mètre carré.
3.10
rayonnement thermique absorbé
flux thermique radiatif absorbé par une surface
NOTE Le rayonnement thermique absorbé est exprimé en watts par mètre carré.
3.11
rayonnement thermique émis
flux thermique émis depuis une surface
NOTE Le rayonnement thermique émis est exprimé en watts par mètre carré.
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ISO 14934-2:2006(F)
3.12
rayonnement thermique net
rayonnement thermique absorbé diminué du rayonnement thermique émis
NOTE Le rayonnement thermique net est exprimé en watts par mètre carré.
3.13
flux thermique quittant une surface
flux composé du rayonnement thermique émis et du rayonnement thermique réfléchi
NOTE Le terme est également appelé «radiosité». Le flux thermique quittant une surface est exprimé en watts par
mètre carré.
3.14
flux thermique radiatif
flux thermique par transfert thermique radiatif
NOTE Le flux thermique radiatif est exprimé en watts par mètre carré.
3.15
flux thermique convectif
flux thermique par transfert thermique convectif
NOTE Le flux thermique convectif est exprimé en watts par mètre carré.
3.16
flux thermique total
somme du flux thermique net radiatif et convectif
NOTE Le flux thermique total est exprimé en watts par mètre carré.
3.17
source rayonnante corps noir
source rayonnante thermique idéale qui absorbe tout le rayonnement thermique incident, quelles que soient la
longueur d'onde et la direction
NOTE Cette définition est une partie de la définition donnée dans la Référence [1].
3.18
éclairement énergétique
flux thermique radiatif incident qui arrive de toutes les directions hémisphériques
NOTE L'éclairement énergétique est exprimé en watts par mètre carré.
3.19
émissivité
quotient du flux thermique radiatif émis par une surface par le flux thermique radiatif émis par un radiateur
corps noir à la même température
NOTE L'émissivité est sans dimension.
3.20
absorptivité
quotient du flux thermique radiatif absorbé par le flux thermique radiatif incident
NOTE L'absorptivité est sans dimension.
3.21
intensité énergétique
transfert thermique radiatif par angle solide quittant une source dans une direction donnée
NOTE L'intensité énergétique est exprimée en watts par stéradian.
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ISO 14934-2:2006(F)
3.22
fluxmètre
appareil de mesure de flux thermique
instrument réagissant au flux thermique radiatif incident et/ou au transfert thermique convectif vers une
surface refroidie
3.23
radiomètre
appareil de mesure du flux rayonné
fluxmètre thermique qui n'est sensible qu'au flux thermique radiatif incident
3.24
radiomètre hémisphérique total
radiomètre également sensible à l'intensité énergétique provenant de toutes les directions au-dessus de la
surface sensible
3.25
fluxmètre thermique total
fluxmètre thermique sensible tant au flux thermique radiatif incident qu'au transfert thermique convectif vers
une surface refroidie
NOTE Il convient de n'utiliser l'expression «fluxmètre thermique» sans le qualificatif «total» que lorsqu'il n'est pas
précisé que l'instrument est un radiomètre ou un fluxmètre thermique total. Lorsque l'instrument est sensible tant au flux
thermique radiatif qu'au flux thermique convectif, il convient de toujours utiliser l'expression «fluxmètre thermique total».
3.26
étalon primaire
étalon qui est réputé ou largement reconnu comme ayant les plus hautes qualités métrologiques et dont la
valeur est acceptée sans référence à d'autres étalons de la même quantité
[VIM:1993]
3.27
fluxmètre thermique étalon secondaire
fluxmètre thermique avec un étalonnage traçable par rapport à un étalon primaire, utilisé uniquement pour
l'étalonnage des fluxmètres thermiques étalons de travail
3.28
fluxmètre thermique étalon de travail
fluxmètre thermique étalonné par rapport à un étalon secondaire pour une utilisation ultérieure au cours des
essais de feu
3.29
surface sensible
surface du fluxmètre thermique qui détecte l'éclairement énergétique
3.30
sensibilité
quotient de la tension de sortie par la quantité mesurée
3.31
constante de Stefan-Boltzmann
σ
constante dans l'expression utilisée pour calculer le flux thermique radiatif à partir de la température absolue,
−8
égale à 5,67 × 10 watts par mètre carré Kelvin à la quatrième puissance
NOTE Voir la Référence [2].
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ISO 14934-2:2006(F)
4 Principes
4.1 Principes généraux
L'étalonnage des fluxmètres thermiques (radiomètres hémisphériques totaux et fluxmètres thermiques totaux)
est effectué avec une source de chaleur rayonnante de type corps noir.
4.2 Principe de la méthode VBBC (cavité corps noir sous vide) (Méthode 1)
2 2
Cette méthode est utilisée pour étalonner les fluxmètres thermiques entre 2 kW/m et 70 kW/m . Elle est
conçue pour les fluxmètres thermiques totaux ou les radiomètres hémisphériques totaux ayant un diamètre
hors tout de 50 mm au maximum. Ces appareils peuvent avoir des tubes pour l'eau et/ou l'air qui sont placés
dans la direction axiale. L'étalonnage des fluxmètres thermiques consiste à lire la tension de sortie des
fluxmètres thermiques totaux ou des radiomètres hémisphériques totaux lorsqu'ils sont éclairés par une
source rayonnante corps noir traçable fonctionnant sous vide. Le fait de baisser la pression absolue dans la
cavité corps noir à une valeur comprise entre 0,5 Pa et 2 Pa réduit considérablement le transfert thermique
convectif. Les fluxmètres thermiques devant être étalonnés sont fixés sur un support et font partie intégrante
du système fermé. Le mode opératoire en est donné en Annexe A. La relation entre la température du four et
l'éclairement énergétique au niveau du fluxmètre thermique est donnée en Annexe B. Des exemples de
captures d'écran d'ordinateur sont donnés en Annexe C.
4.3 Principe de la méthode de la cavité corps noir sphérique (Méthode 2)
2 2
Cette méthode est utilisée pour étalonner les fluxmètres thermiques entre 2 kW/m et 70 kW/m . Une source
de chaleur rayonnante corps noir conçue comme un four sphérique comportant une ouverture à sa partie
inférieure est utilisée. La température du four, réglée avec une précision élevée, est très uniforme à l'intérieur
du four, assurant un niveau élevé de précision de la chaleur rayonnante.
Les fluxmètres thermiques devant être étalonnés sont insérés par l'ouverture située au fond du four, la
surface sensible du fluxmètre thermique étant orientée horizontalement. L'influence de la convection est
réduite à un minimum. Le fluxmètre thermique ne «voit» que l'environnement contrôlé de l'émetteur corps noir.
Le niveau de rayonnement de cet émetteur corps noir dépend principalement de la température mesurée, ce
qui le rend traçable par rapport aux étalons internationaux de température.
L'exactitude de la méthode dépend de la conception de l'appareillage d'essai. Le mode opératoire est donnée
en Annexe D. La relation entre la température du four et l'éclairement énergétique au niveau du fluxmètre
thermique est décrit en Annexe E. Les limites d'erreurs supposent que l'appareillage est construit
conformément aux figures montrées dans l'Annexe F. Des recommandations pour les opérateurs sont
données dans l'Annexe G.
4.4 Principe de la méthode VTBB (corps noir à température variable) (Méthode 3)
La méthode exploite le principe de la radiométrie à substitution électrique pour étalonner des capteurs de flux
2
thermique pouvant atteindre 50 kW/m au maximum. Les capteurs sont étalonnés en se référant à un
radiomètre à substitution électrique à température ambiante dont l'étalonnage est traçable par rapport à un
radiomètre cryogénique de haute précision (HACR) étalon primaire. Il s'agit d'un étalon qui est utilisé pour la
puissance optique rayonnée et qui est soutenu par une chaîne d'étalonnages indépendants.
L'étalonnage utilise un corps noir à température variable (VTBB) de 25 mm de diamètre de cavité comme
source rayonnante à large bande. Le VTBB se compose d'une cavité double dans un tube de graphite
chauffée électriquement. La température de corps noir est régulée et stable à ± 0,1 K par rapport à la valeur
de consigne.
Le capteur de flux thermique devant être étalonné et le radiomètre étalon de référence sont placés à une
distance fixe de l'ouverture du corps noir, en fonction du niveau du flux thermique. La variation du niveau du
flux thermique incident au droit de l'emplacement du capteur est obtenue en faisant varier la température du
VTBB. Le mode opératoire pour le radiomètre à substitution électrique est donnée en Annexe H. Le mode
opératoire de l'étalonnage est donné en Annexe I. La procédure de réduction des données est donnée en
Annexe J.
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ISO 14934-2:2006(F)
5 Aptitude d'un capteur à l'étalonnage
5.1 Types de fluxmètres thermiques
Toutes les trois méthodes sont prévues pour l'étalonnage des radiomètres hémisphériques totaux et des
fluxmètres thermiques totaux. Les fluxmètres thermiques totaux sont généralement du type Schmidt-Boelter et
du type Gardon. Les données d'étalonnage expérimentales sont normalement accompagnées d'une
expression indiquant la sensibilité du fluxmètre. Il convient de noter que le fluxmètre a une sensibilité
spectrale spécifique à chaque longueur d'onde λ. Toutefois, pour les fluxmètres thermiques utilisés dans les
essais de feu, la sensibilité peut être supposée indépendante de la longueur d'onde sur la plage spectrale des
sources rayonnantes communément examinées. Les écarts par rapport aux caractéristiques idéales de
réponse directionnelle peuvent être négligés.
Le champ est admis hémisphérique (angle solide de 180°) et la surface est censée se comporter comme un
corps noir parfait, tant du point de vue des caractéristiques spectrales que de celui de la réponse
directionnelle.
Les méthodes peuvent être utilisées pour les radiomètres ayant un champ limité, à condition que ce champ
soit bien caractérisé et que les corrections apportées pour ce champ soient traçables.
5.2 Conception des fluxmètres thermiques
Les radiomètres et les fluxmètres thermiques ayant un diamètre hors tout maximal de 50 mm et un diamètre
de surface sensible pouvant atteindre 10 mm peuvent être pris en charge par les Méthodes 1 et 2. Au cours
de l'étalonnage, la température de corps du fluxmètre thermique doit rester constante. Un refroidissement à
l'eau permet de s'en assurer. Dans un certain nombre de cas, une alimentation d'air est utilisée pour maintenir
la fenêtre exempte de poussière. Dans la mesure du possible, les canalisations d'eau et/ou d'air suivent un
chemin parallèle à l'axe de l'appareil de mesure afin de maintenir les conduites dans les limites du diamè
...
Questions, Comments and Discussion
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