ISO 14934-4:2014
(Main)Fire tests — Calibration and use of heat flux meters — Part 4: Guidance on the use of heat flux meters in fire tests
Fire tests — Calibration and use of heat flux meters — Part 4: Guidance on the use of heat flux meters in fire tests
ISO 14934-4:2014 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 14934-4:2014 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 of fire research, it can also serve as a guide for other research applications like research of 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 14934-4:2014.
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
ISO 14934-4:2014 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. ISO 14934-4:2014 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, telles que les chaudières ou les processus de combustion, etc. 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 cette partie de l'ISO 14934.
General Information
Relations
Buy Standard
Standards Content (Sample)
INTERNATIONAL ISO
STANDARD 14934-4
First edition
2014-08-15
Fire tests — Calibration and use 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 14934-4:2014(E)
©
ISO 2014
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO 14934-4:2014(E)
COPYRIGHT PROTECTED DOCUMENT
© ISO 2014
All rights reserved. Unless otherwise specified, no part of this publication may be reproduced or utilized otherwise in any form
or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, or posting on the internet or an intranet, without prior
written permission. Permission can be requested from either ISO at the address below or ISO’s member body in the country of
the requester.
ISO copyright office
Case postale 56 • CH-1211 Geneva 20
Tel. + 41 22 749 01 11
Fax + 41 22 749 09 47
E-mail copyright@iso.org
Web www.iso.org
Published in Switzerland
ii © ISO 2014 – All rights reserved
---------------------- Page: 2 ----------------------
ISO 14934-4:2014(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 . 8
5 Attachments to heat flux meters . 9
5.1 Air purging . 9
5.2 Windows .10
5.3 Cooling system .11
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 .14
6.5 Response time.14
6.6 Sensitivity to convective heat transfer.14
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 .16
9.1 Absorber .16
9.2 Wiring .16
9.3 Water supply .16
10 Use of heat flux meters in fire tests .16
10.1 General .16
10.2 Ignitability test: ISO 5657 .17
10.3 Spread of flame test: ISO 5658 series .17
10.4 Heat release, smoke production and mass loss: ISO 5660 series and ISO 17554 .18
10.5 Full-scale room test for surface products: ISO 9705 and ISO 13784 series .18
10.6 Façade tests: ISO 13785 series .18
10.7 Spread of flame test for floor coverings: ISO 9239 series .18
10.8 Intermediate-scale heat release calorimeter (ICAL): ISO 14696 .18
Bibliography .19
© ISO 2014 – All rights reserved iii
---------------------- Page: 3 ----------------------
ISO 14934-4:2014(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.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are
described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular the different approval criteria needed for the
different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the
editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www.iso.org/directives).
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. Details of any
patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or on
the ISO list of patent declarations received (see www.iso.org/patents).
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
constitute an endorsement.
For an explanation on the meaning of ISO specific terms and expressions related to conformity
assessment, as well as information about ISO’s adherence to the WTO principles in the Technical Barriers
to Trade (TBT) see the following URL: Foreword - Supplementary information
The committee responsible for this document is ISO/TC 92, Fire safety, Subcommittee SC 1, Fire initiation
and growth.
This first edition of ISO 14934-4 cancels and replaces ISO/TS 14934-4:2007, which has been technically
revised.
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
— Part 4: Guidance on the use of heat flux meters in fire tests
iv © ISO 2014 – All rights reserved
---------------------- Page: 4 ----------------------
ISO 14934-4:2014(E)
Introduction
In many fire test methods, the radiation level is specified and, therefore, it is of great importance that
the radiative heat flux is well defined and measured with sufficient accuracy. Radiative heat transfer is
also the dominant mode of heat transfer in most real fires.
In practice, radiative 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 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 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: (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 convective heat transfer.
When using heat flux meters, it is important to realize that, provided that convective heat transfer is
kept to a minimum, 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 part of ISO 14934 provides guidance on how this type of instrument is used and how the results
are interpreted.
© ISO 2014 – All rights reserved v
---------------------- Page: 5 ----------------------
INTERNATIONAL STANDARD ISO 14934-4:2014(E)
Fire tests — Calibration and use of heat flux meters —
Part 4:
Guidance on the use of heat flux meters in fire tests
1 Scope
This part of ISO 14934 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 part of ISO 14934 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 of fire research, it can also serve as
a guide for other research applications like research of 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 part of ISO 14934.
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, Fire safety — Vocabulary
ISO 14934-1, Fire tests — Calibration and use of heat flux meters — Part 1: General principles
ISO 14934-2, Fire tests — Calibration and use of heat flux meters — Part 2: Primary calibration methods
ISO 14934-3, Fire tests — Calibration and use of heat flux meters — Part 3: Secondary calibration method
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 13943 and ISO 14934-1 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 are 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 which
emissivity is given.
© ISO 2014 – All rights reserved 1
---------------------- Page: 6 ----------------------
ISO 14934-4:2014(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 may normally be also disregarded.
In a normal situation, the field of view is assumed to be 2π sr and the surface is assumed to be a perfect
blackbody, 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.
1
9
2
3
4
5
6
7
8
Key
1 absorber 6 cable
2 body 7 heat flux meter signal
3 flange 8 temperature sensor signal
4 tube for water supply 9 incident heat flux
5 tube for wiring
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 accumulate 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 4.4.3).
2 © ISO 2014 – All rights reserved
---------------------- Page: 7 ----------------------
ISO 14934-4:2014(E)
4.3 Design of heat flux meter
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 meters have a very wide working range and a very fast response time.
However, they have a low sensitivity and therefore do not work with low heat fluxes.
The Schmidt-Boelter type heat flux meters generally have 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 surrounding gas temperature and velocity and is used for estimating the convective part of
the heat transfer measured with total heat flux meters.
4.3.1 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. 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.
1
2
3 4
5
6
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
4.3.2 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.
Temperature difference between the sensor and the body is measured by the multiple thermocouples
connected in series in the thermopile. The schematic view of the Schmidt-Boelter type heat flux meter
is shown in Figure 3.
© ISO 2014 – All rights reserved 3
---------------------- Page: 8 ----------------------
ISO 14934-4:2014(E)
1
2
3 4
5
6
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
4.3.3 Hemispherical radiometer
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, 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.
1
5
2
3
4
Key
1 aperture 4 output wire
2 body with reflecting interior 5 incident heat flux
3 heat sink
Figure 4 — Hemispherical radiometer
4 © ISO 2014 – All rights reserved
---------------------- Page: 9 ----------------------
ISO 14934-4:2014(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, 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
Formula (1):
−t
t
sen
UI=⋅S 1−e (1)
out 1
where
U is the output signal in V;
out
2 −1
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 as in Formula (2):
2
ρ⋅cd
p
t = (2)
sen
16λ
where
t is the sensor time constant in s;
sen
−3
ρ is the foil density in kg m ;
−1 −1
c is the foil specific heat capacity in J kg K ;
p
d is the foil diameter in m;
−1 −1
λ is the foil thermal conductivity in W m K .
© ISO 2014 – All rights reserved 5
---------------------- Page: 10 ----------------------
ISO 14934-4:2014(E)
For Schmidt-Boelter Gauges, based on a thermopile, the response time can be approximated as in
[7]
Formula (3):
2
ρcd
4
p
t = (3)
sen
2
λ
π
where
t is the sensor time constant in s;
sen
−3
ρ is the sensor density in kg m ;
−1 −1
c is the sensor specific heat capacity in J kg K ;
p
d is the sensor thickness in m;
−1 −1
λ is the sensor thermal conductivity in W m K .
Most heat flux meters currently used for fire tests have a time constant around 1 s or less. Therefore,
measured results of heat flux in nearly steady-state condition in fire tests can be deemed as instantaneous.
If heat flux is measured in a very fast phenomenon such as flashover stage or explosion, measured results
of heat flux might be needed to correct 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 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 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 as a second-degree
polynomial as in Formula (4):
2
IA=+AU +AU (4)
01 outo2 ut
where, I is the incident radiation as defined by the calibration method (Clause 7, 8, and 9).
The view angle dependence is then considered by the calculation procedure of the method.
A , A , and A are constants to be determined by the calibration procedure.
0 1 2
U is the output voltage signal.
out
6 © ISO 2014 – All rights reserved
---------------------- Page: 11 ----------------------
ISO 14934-4:2014(E)
A can be identified as in Formula (5):
0
4
AT=ησ (5)
0 wc
where
η is a coefficient to consider influence of convection in the calibration situation;
T is the absolute temperature of the cooling water during calibration;
wc
−8 −2 −4
σ is the Stefan-Boltzmann constant given as 5,67051 × 10 W·m ·K .
When the heat transfer by convection during calibration may be neglected, the coefficient η is equal to
1,0 and A may be calculated directly. Otherwise, A has to be determined together with A and A in a
0 0 1 2
best-fit procedure as described in ISO 14934-2 and ISO 14934-3. The coefficient η can then be calculated
as in Formula (6):
A
0
η = (6)
4
σT
()
wc
When used in practice, the incident radiation, I, is calculated for various water temperatures, T , as in
w
Formula (7):
2
II=+AU +AU (7)
Wo12ut out
where
4
IT=ησ (8)
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 Formula (4)).
0 1
In such cases, they assume 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 part of ISO 14934, 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 can change. The manufacturer’s recommendations should be followed for recoating
the sensing element to minimize uncertainties due to spectral response.
© ISO 2014 – All rights reserved 7
---------------------- Page: 12 ----------------------
ISO 14934-4:2014(E)
4.4.5 Sensitivity to convective heat transfer
The Gardon and Schmidt-Boelter type heat flux meters described in 4.3.1 and 4.3.2 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 contribution (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 ab
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 14934-4
Première édition
2014-08-15
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 and use of heat flux meters —
Part 4: Guidance on the use of heat flux meters in fire tests
Numéro de référence
ISO 14934-4:2014(F)
©
ISO 2014
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO 14934-4:2014(F)
DOCUMENT PROTÉGÉ PAR COPYRIGHT
© ISO 2014
Droits de reproduction réservés. Sauf indication contraire, aucune partie de cette publication ne peut être reproduite ni utilisée
sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique, y compris la photocopie, l’affichage sur
l’internet ou sur un Intranet, sans autorisation écrite préalable. Les demandes d’autorisation peuvent être adressées à l’ISO à
l’adresse ci-après ou au comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.
ISO copyright office
Case postale 56 • CH-1211 Geneva 20
Tel. + 41 22 749 01 11
Fax + 41 22 749 09 47
E-mail copyright@iso.org
Web www.iso.org
Publié en Suisse
ii © ISO 2014 – Tous droits réservés
---------------------- Page: 2 ----------------------
ISO 14934-4:2014(F)
Sommaire Page
Avant-propos .v
Introduction .vi
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 1
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
4.3.1 Fluxmètres thermiques du type Gardon . 3
4.3.2 Fluxmètre thermique du type Schmidt-Boelter . 4
4.3.3 Radiomètre hémisphérique . . 5
4.4 Caractéristiques de mesurage . 5
4.4.1 Temps de réponse . 5
4.4.2 Plage de fonctionnement . 6
4.4.3 Sensibilité des fluxmètres thermiques . 7
4.4.4 Réponse spectrale et directionnelle . 8
4.4.5 Sensibilité au transfert thermique convectif . 8
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
6.2.1 Évaluation de la plage de fonctionnement et d’étalonnage .13
6.2.2 Choix de la méthode d’essai requise .13
6.2.3 Estimation du flux thermique prévu .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
7.1.1 Installation du fluxmètre thermique sur l’équipement d’essai .15
7.1.2 Installation du fluxmètre thermique sur l’éprouvette .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 .16
8.1 Fluxmètre thermique étalon secondaire .16
8.2 Fluxmètres thermiques étalons de travail .16
8.3 Fréquence d’étalonnage .16
9 Maintenance .17
9.1 Absorbeur .17
9.2 Câblage .17
9.3 Alimentation en eau .17
© ISO 2014 – Tous droits réservés iii
---------------------- Page: 3 ----------------------
ISO 14934-4:2014(F)
10 Utilisation des fluxmètres thermiques dans les essais au feu .17
10.1 Généralités .17
10.2 Essai d’allumabilité: ISO 5657 .18
10.3 Essai de propagation de la flamme: Série ISO 5658 .18
10.4 Dégagement de chaleur, production de fumée et perte de masse: Série ISO 5660 et
ISO 17554 .19
10.5 Essai dans une pièce en vraie grandeur pour les produits de surface: Séries
ISO 9705 et ISO 13784 .19
10.6 Essais de façades: Série ISO 13785.19
10.7 Essai de propagation de la flamme pour les revêtements de sol: Série ISO 9239 .19
10.8 Calorimètre à dégagement de chaleur, à échelle intermédiaire (ICAL): ISO 14696 .19
Bibliographie .21
iv © ISO 2014 – Tous droits réservés
---------------------- Page: 4 ----------------------
ISO 14934-4:2014(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 (IEC) en ce qui concerne
la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier de prendre note des différents
critères d’approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été
rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir www.
iso.org/directives).
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. Les détails concernant les
références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de l’élaboration
du document sont indiqués dans l’Introduction et/ou dans la liste des déclarations de brevets reçues par
l’ISO (voir www.iso.org/brevets).
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données pour
information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un engagement.
Pour une explication de la signification des termes et expressions spécifiques de l’ISO liés à l’évaluation de
la conformité, ou pour toute information au sujet de l’adhésion de l’ISO aux principes de l’OMC concernant
les obstacles techniques au commerce (OTC), voir le lien suivant: Avant-propos — Informations
supplémentaires.
Le comité chargé de l’élaboration du présent document est l’ISO/TC 92, Sécurité au feu, sous-comité SC 1,
Amorçage et développement du feu.
Cette première édition de l’ISO 14934-4 annule et remplace l’ISO/TS 14934-4:2007 qui a fait l’objet d’une
révision technique.
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: Méthodes d’étalonnage secondaire
— Partie 4: Lignes directrices pour l’utilisation des fluxmètres thermiques dans les essais au feu
© ISO 2014 – Tous droits réservés v
---------------------- Page: 5 ----------------------
ISO 14934-4:2014(F)
Introduction
Dans de nombreuses méthodes d’essai au feu, le niveau de rayonnement est spécifié, et il est très
important par conséquent, que le flux thermique radiatif soit bien défini et mesuré avec une précision
suffisante. Le transfert thermique radiatif est également un mode de transfert de la chaleur majeur dans
la plupart des incendies réels.
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. 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: (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.
Concernant l’utilisation des fluxmètres thermiques, il est important de noter que, à condition que le
transfert thermique convectif soit maintenu au minimum, 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 partie de l’ISO 14934 fournit des lignes directrices sur l’utilisation de ce type d’instrument
et l’interprétation des résultats.
vi © ISO 2014 – Tous droits réservés
---------------------- Page: 6 ----------------------
NORME INTERNATIONALE ISO 14934-4:2014(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
Cette partie de l’ISO 14934 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.
Cette partie de l’ISO 14934 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, telles que les chaudières ou les processus de combustion, etc.
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 cette partie de l’ISO 14934.
2 Références normatives
Les documents suivants, en totalité ou en partie, sont référencés de manière normative dans le présent
document et sont indispensables pour son application. 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, Sécurité au feu — Vocabulaire
ISO 14934-1, Essais au feu — Étalonnage et utilisation des appareils de mesure du flux thermique — Partie 1:
Principes généraux
ISO 14934-2, 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
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l’ISO 13943 et l’ISO 14934-1
s’appliquent.
© ISO 2014 – Tous droits réservés 1
---------------------- Page: 7 ----------------------
ISO 14934-4:2014(F)
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 2 π sr 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 collerette pour les besoins du montage.
1
9
2
3
4
5
6
7
8
Légende
1 absorbeur 6 câble
2 corps 7 signal du fluxmètre thermique
3 collerette 8 signal du capteur de température
4 tube d’alimentation en eau 9 flux thermique incident
5 tube de câblage
Figure 1 — Caractéristiques générales des fluxmètres thermiques
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.
2 © ISO 2014 – Tous droits réservés
---------------------- Page: 8 ----------------------
ISO 14934-4:2014(F)
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 4.4.3).
4.3 Conception des fluxmètres thermiques
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 concerne le radiomètre hémisphérique, sensible uniquement à
l’éclairement énergétique, c’est-à-dire qu’il n’est pas sensible à la température ni à la vitesse des gaz
environnants, mais permet d’évaluer la part convective du transfert thermique mesuré par les fluxmètres
thermiques totaux.
4.3.1 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.
© ISO 2014 – Tous droits réservés 3
---------------------- Page: 9 ----------------------
ISO 14934-4:2014(F)
1
2
3 4
5
6
Légende
1 feuil avec absorbeur noir (constantan 4 eau de refroidissement
généralement)
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
4.3.2 Fluxmètre thermique du type Schmidt-Boelter
Un fluxmètre thermique du type Schmidt-Boelter est muni d’une thermopile relativement épaisse montée
sur un radiateur, constituant 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. Le schéma de
fluxmètre thermique du type Schmidt-Boelter est représenté à la Figure 3.
1
2
3 4
5
6
Légende
1 feuil avec absorbeur noir (constantan 4 eau de refroidissement
généralement)
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
4 © ISO 2014 – Tous droits réservés
---------------------- Page: 10 ----------------------
ISO 14934-4:2014(F)
4.3.3 Radiomètre hémisphérique
Le radiomètre hémisphérique est utilisé pour mesurer l’éclairement énergétique. Il n’est pas sensible 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), qui réfléchit 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
les flammes et équipés d’un système de purge d’air pour éviter que la suie ne s’accumule sur le réflecteur.
1
5
2
3
4
Légende
1 ouverture 4 Fil de sortie
2 corps avec intérieur réfléchissant 5 flux thermique incident
3 radiateur
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 la Formule (1):
−t
t-sen
UI=⋅S 1−e (1)
out 1
où
U est le signal de sortie, V;
out
2 -1;
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
© ISO 2014 – Tous droits réservés 5
---------------------- Page: 11 ----------------------
ISO 14934-4:2014(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 comme indiqué dans
la Formule (2):
2
ρ⋅cd
p
t = (2)
sen
16λ
où
t est la constante de temps du capteur, s;
sen
-3
ρ est la masse volumique du feuil, kg m ;
-1 -1;
c est la capacité thermique massique du feuil, J kg K
p
d est le diamètre du feuil, m;
-1 -1
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
[7]
comme indiqué dans la Formule (3):
2
ρcd
4
p
t = (3)
sen
2
λ
π
où
t est la constante de temps du capteur, s;
sen
-3
ρ est la masse volumique du capteur, kg m ;
-1 -1;
c est la capacité thermique propre du capteur, J kg K
p
d est l’épaisseur du capteur, m;
-1 -1
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 thermiq
...
Questions, Comments and Discussion
Ask us and Technical Secretary will try to provide an answer. You can facilitate discussion about the standard in here.