ISOTS 198502022 着火试验.用LED（发光二极管）代替白光测量烟雾参数标准立项发展报告

着火试验用LED（发光二极管）代替白光测量烟雾参数标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Firetests—UseofLED(light-emittingdiode)asanalternativetowhitelightformeasuringsmokeparameters摘要随着全球消防安全标准的持续深化与技术创新，烟雾测量技术作为建筑材料、电缆及高分子材料火灾危险性评价的关键环节，其精确性和环境适应性日益受到重视。传统烟雾测量系统长期依赖白炽灯作为光源，在寿命、能耗、热辐射及稳定性方面存在明显瓶颈。ISO/TS19850:2022《着火试验用LED（发光二极管）代替白光测量烟雾参数》由国际标准化组织（ISO）正式发布，确立了基于发光二极管（LED）光源替代传统白光光源的技术规范。本报告系统阐述了该标准的立项背景、技术演进逻辑、核心条款内容及实施路径，分析了LED光源在烟雾测量中的光谱适配性、光电响应特征和工程替代可行性。报告指出，该标准的发布不仅有效解决了白炽灯光源在寿命短、易老化、光衰大等方面的痛点，更在全球范围内统一了LED光源在着火试验烟雾测量领域的应用规范，对提升烟雾测量精度、降低试验运行成本、推动绿色实验室建设具有里程碑意义。结合我国消防标准化工作现状，报告提出了标准实施、转化和后续研究的建议，旨在为我国相关领域的技术研发、标准对接和产业升级提供权威性参考与决策依据。关键词：着火试验；烟雾测量；发光二极管；标准规范；光电技术；火灾安全；国际标准化Keywords:Firetests;Smokemeasurement;Light-emittingdiode;Standardspecification;Optoelectronictechnology;Firesafety;Internationalstandardization1引言1.1立项背景在火灾科学研究与消防工程实践中，烟雾浓度的精确测量是评估材料燃烧特性、构建设备火灾探测模型、制定建筑防火设计参数及开展火灾危险性分级的重要基础。无论是建筑材料、电缆线缆还是装饰装修材料，其在受热分解和燃烧过程中释放的烟雾颗粒浓度、粒径分布及光学特性，均直接关系到火灾烟气对人员疏散视距、能见度以及有毒有害物质扩散的评估。因此，烟雾测量技术的准确性、重复性和可追溯性在全球范围内均被列为消防标准化工作的核心命题。长期以来，以白光为光源的烟雾测量系统在国际标准体系中占据主导地位，ISO5659-2、ISO5660-2（锥形量热仪法）及ISO7240-6等标准均以白炽灯或卤钨灯作为光学测量光源。白炽灯依靠灯丝高温热辐射发光，具有连续光谱和近似黑体辐射的光学特性，在光束穿过烟雾区域后借助硅光电池等光电探测器完成吸光度或透光率测量。然而，白炽灯技术固有的缺陷随着精细化测量和长时程试验需求的增长日益凸显：首先，白炽灯灯丝在工作温度下（通常约2700~3000K）存在明显的光谱漂移，导致光源色温和光通量在试验周期内不够稳定，影响测量数据的可重复性；其次，白炽灯热辐射能量大，发热明显，对试验腔体的热环境造成干扰，尤其在密封式烟密度箱中可能导致附加热浮力效应，干扰烟雾沉降和均匀分布；再次，灯丝在机械振动和频繁开关条件下易于烧断，光源寿命通常仅数百小时，大幅增加了实验室维护成本；此外，白炽灯光源的启动时间较长，难以满足某些快速响应测量的要求。进入21世纪以来，半导体照明技术取得了突破性进展。以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）等宽禁带半导体材料为基础的高亮度LED芯片，其发光效率已突破200lm/W，远超传统光源。LED光源具有体积小、寿命长（额定寿命可达数万小时）、瞬时启动、光输出稳定、光谱可选且可调控等显著优势，在工业检测、光学计量和传感技术领域获得了广泛应用。在此背景下，国际标准化组织火灾试验技术委员会着手将LED光源纳入烟雾测量系统标准框架。1.2标准立项过程基于上述技术需求，ISO于2018年正式批准由ISO/TC92（火灾安全技术委员会）下设的SC1（着火反应分技术委员会）启动新工作项目提案（NWIP），编号为ISO/NP19850，旨在制定一项关于LED光源替代白光用于烟雾参数测量的技术规范。经过WD（工作组草案）、CD（委员会草案）、DIS（国际标准草案）和FDIS（最终国际标准草案）各阶段的严格审议和投票程序，该标准于2022年5月11日正式发布，最终标准编号为ISO/TS19850:2022，标准名称为*Firetests—UseofLED(light-emittingdiode)asanalternativetowhitelightformeasuringsmokeparameters*，由ISO/TC92/SC1归口管理。|阶段|时间节点|主要工作内容||------|----------|--------------||NWIP提案|2018年|提交新工作项目提案并获得批准||WD工作草案|2019年|成立工作组，编制工作草案||CD委员会草案|2020年|委员会内部审议并形成统一意见||DIS国际标准草案|2021年|面向全体成员国征求意见并投票||FDIS最终草案|2022年初|最终表决通过||正式发布|2022年5月11日|由ISO中央秘书处正式出版|1.3标准性质与定位ISO/TS19850:2022属于技术规范（TechnicalSpecification，TS）类文件，而非国际标准（IS）。技术规范的性质决定了该文件具有一定的试行和过渡特征，主要面向行业内具备一定研究基础的检测机构、设备制造商和科研院所，提供技术细节层面的指导和参考。考虑到LED光源替代涉及光学系统设计、探测器匹配、校准方法及与既有标准的兼容性等问题，ISO选择以技术规范形式发布，以便在实施经验积累的基础上，适时转化为正式国际标准。这种务实的分层标准策略，既体现了ISO对技术创新的包容态度，也为其纳入更广泛的法规框架预留了制度接口。2标准编制背景与必要性分析2.1传统光源在烟雾测量中的局限性根据ISO5659-2等烟雾密度试验标准的规范要求，烟雾测量系统通常由光源、光学透镜组、试验腔体、光电探测器和信号处理单元组成。系统在无烟状态下建立初始光通量基准，待材料燃烧产生烟雾后，通过测量透过烟雾的光通量衰减来计算透光率或吸光度。该原理依赖于两个核心条件——光源光谱的稳定性与光电探测器的光谱响应匹配度。然而，以白炽灯为代表的热辐射光源存在以下几方面的系统性问题：光谱漂移与色温变化：白炽灯的光谱能量分布与其工作电压、灯丝温度和寿命阶段密切相关。随着使用时间的延长，灯丝材料逐步蒸发变细，工作电阻和温度发生变化，导致光谱输出出现可测量的偏移。这种光谱漂移通过烟雾颗粒的消光截面（吸收与散射的组合效应）对测量结果产生直接影响，尤其是在烟雾颗粒粒径分布较宽的情况下，不同波长下的消光效率差异会放大光谱变化带来的误差。光源寿命与维护成本：白炽灯在正常连续工作条件下寿命约为750~2000小时。在长时间、重复性试验工况下，灯丝的热循环疲劳和钨丝蒸发导致的玻璃罩黑化，使得光源的光通量在寿命末期显著衰减。实验室为保持测量精度，需频繁更换光源并进行重新校准，既增加了耗材成本，也干扰了试验的连续性和数据可比性。热辐射对试验环境的干扰：白炽灯在工作时将大部分电能转化为红外辐射和热能，灯体温度可达数百度。在封闭式烟密度箱中，光源热辐射会加热周围空气，产生局部的热对流和热浮力效应，改变烟雾颗粒在测量光路中的分布均匀性，从而引入系统误差。2.2LED光源的技术优势LED作为一种固态电致发光器件，其工作原理基于半导体PN结中电子与空穴的辐射复合。相较于白炽灯，LED光源在以下维度展现出显著的工程优势：|性能维度|白炽灯光源|LED光源||----------|-----------|---------||额定寿命|750~2000小时|30000~50000小时||光电转换效率|约5%~10%|30%~50%||光谱稳定性|受灯丝温度漂移影响|温漂极低，输出稳定||启动时间|秒级（需预热）|微秒级瞬时启动||热辐射量|大（大量红外辐射）|小（冷光源）||光谱可选择性|固定连续光谱|可选用特定波长或宽谱||体积与安装|体积大、抗震性差|体积小、固态抗震|值得关注的是，LED光源具有明确且可设计的峰值波长，可通过选择不同半导体材料体系（如InGaN蓝光、AlInGaP红光等）或采用荧光粉转换方式，实现从窄带单色光到类白光宽谱的不同光谱分布。在烟雾测量应用中，研究人员可根据烟雾颗粒的光学特性选择最优探测波长，提高测量灵敏度。2.3国际消防标准化的发展趋势近年来，国际标准化组织在火灾安全领域持续推进技术创新与标准更新。以ISO/TC92为例，近年来相继启动了多个涉及先进传感技术、光电测量和数字化试验方法的标准研制项目。2021年发布的ISO5659-2:2017《塑料生烟量测定第2部分：单室法测定光密度》修订版中，已初步探讨了光源替代的技术可行性，为LED技术的引入提供了标准接口。与此同时，欧盟EN标准体系和美国ASTM标准体系也在关注光源升级对烟雾测量精度的影响，并开展了系列比對研究。ISO/TS19850:2022的发布，是对这一国际趋势的系统性回应。3标准主要内容3.1适用范围ISO/TS19850:2022为在着火试验中采用LED光源替代传统白光光源测量烟雾参数提供了技术规范。该标准适用于依据ISO5659-2（塑料生烟量测定第2部分：单室法测定光密度）、ISO5660-2（对火反应试验热释放、生烟量及质量损失率第2部分：动态法测定烟密度）开展烟雾测量的试验装置，同时也为其他采用光学透射法测量烟雾浓度的试验方法提供了光源替换的技术指引。标准内容涵盖LED光源选型、光学系统结构调整、光电探测器匹配、校准程序及测量不确定度评估等方面。3.2技术条款3.2.1光源规格标准规定，用于替代白光光源的LED应具备以下基本技术参数：-色温范围：标准推荐LED光源的色温应在2700K至6500K之间，以确保在可见光波段具有足够覆盖。在对光谱敏感的测量场景下，必要时可采用单色LED并规定其峰值波长与半高全宽（FWHM）。-显色指数（CRI）：若采用白光LED，其显色指数不应低于80，以保证在可见光谱范围内具有接近连续光源的光谱分布。-光通量稳定性：LED在正常工作条件下的光通量漂移在1000小时内不应超过初始值的5%。这一指标显著优于白炽灯的对应参数。-光束发散角和光斑均匀性：LED出射光束应经过光学准直系统整合，在探测器接收面上形成均匀的光斑，其不均匀度不应超过±5%。3.2.2光学系统适配-准直光学系统：应设计合适的光束准直系统以消除LED固有的朗伯辐射特性，保证测量光路中的光束发散角满足试验要求。-光学滤光片：当采用单色LED时，可根据需要配置窄带干涉滤光片以进一步窄化光谱宽度，抑制环境杂散光的干扰。-窗口清洁与防污染：LED小型化特征为光学窗口的结构优化提供了空间，标准建议采用更易清洁和维护的窗口设计。3.2.3光电探测器匹配LED光源与光电探测器之间的光谱匹配系数对于测量准确度具有决定性影响。标准建议：-探测器的光谱响应范围应与LED发射光谱充分重叠，匹配度不低于80%；-优先选用硅光电二极管，其在整个可见光至近红外波段具有稳定的量子效率和良好的线性响应；-对探测器的温度系数进行补偿，确保在规定工作温度范围内测量输出的稳定性。3.2.4校准方法标准采用与传统白光测量系统等效的校准策略，核心操作包括：1.零点校准：在无烟雾条件下，调节探测器的输出信号至满量程，建立测量基线；2.标准滤光片校准：使用经计量溯源的标准中性密度滤光片对系统进行多点校准，建立吸光度与输出信号之间的线性关系；3.系统间比对校验：当同一实验室同时配备白光光源和LED光源两套系统时，应定期开展比对试验，确保同一材料在两种光源条件下测得的烟雾参数偏差不超过规定限值（一般不大于5%）。3.2.5测量不确定度为保障测量数据的可靠性，标准引入了包含LED光源光强波动、光电探测器噪声、光学系统污染及校准链误差等因素在内的不确定度评定框架。典型LED烟雾测量系统的扩展不确定度（k=2）应控制在5%以内。4标准主要参与单位本标准的制定汇聚了国际火灾安全领域多家权威科研机构和标准化组织的共同努力。其中，英国建筑研究院（BuildingResearchEstablishment，BRE）作为核心参与单位，在标准制定中发挥了关键的技术引领作用。BRE成立于1921年，是全球建筑与火灾安全领域历史最悠久、规模最大的综合性研究机构之一，总部位于英国沃特福德。BRE设有专业的火灾安全研究中心，拥有包括大型火灾试验厅、锥形量热仪实验室、烟雾密度测定实验室在内的世界一流设施。BRE长期承担英国标准协会（BSI）中火灾安全相关技术委员会的秘书处工作，同时也是ISO/TC92的积极成员单位。在ISO/TS19850的研制过程中，BRE的火灾安全研究团队围绕LED光源与烟雾颗粒消光特性的相互作用开展了系统性的实验研究。BRE的研究人员利用自行搭建的双光源对比试验平台，在相同烟雾条件下同步采集白光光源和LED光源的透射信号，对比了不同烟雾浓度下两种光源在消光系数测量上的偏差特征。这些实验数据为确定LED光源的光谱适用范围和探测器匹配要求提供了直接科学依据。同时，BRE结合其在烟雾毒性、材料火灾特性等领域的长期积累，为标准的校准程序和不确定度评定框架提出了重要建议。此外，来自日本国立消防研究所、美国国家标准与技术研究院（NIST）消防研究部、德国联邦材料研究与试验研究所（BAM）等机构的专家也为标准的制定贡献了关键力量。5标准实施与行业影响5.1技术经济效益ISO/TS19850:2022的发布实施为烟雾测量实验室和设备制造商带来了显著的技术经济效益。从成本维度来看，LED光源的寿命是白炽灯的15至25倍，假设某小型实验室拥有5台烟密度试验设备，每年累计运行3000小时，过去每年需更换白炽灯约8至10次/台，标准化LED光源替换后，光源更换频率可降至每2至3年1次，仅光源购置成本一项，每年即可节省数千至上万元。若计入因更换光源而停机重校所消耗的标准工时，综合效益更为可观。在能耗维度，LED光源的功率仅为白炽灯（通常为15~25W）的1/5至1/10，且其冷光源特性能够有效避免光源热辐射对烟密度箱内温度场和气流场的干扰，从而减小测量偏差。以ISO5659-2标准试验为例，采用LED光源后，因光源发热导致的箱内温度附加升高值从白炽灯的2~5℃降至不足0.5℃，显著提升了测量结果的可比性和可重复性。5.2国际标准协调ISO/TS19850:2022与ISO5659-2、ISO5660-2等现行国际标准形成了互补关系，而非替代关系。技术规范的发布在技术层面提供了灵活而规范的光源升级路径，避免了因光源形式差异导致的各国实验室测量结果不可比问题。标准实施后，采用LED光源的实验室可以根据相同规范进行设备改造和数据报告，从而保障了全球范围内烟雾测量数据的互认性。5.3兼容性与过渡ISO/TS19850:2022在编制过程中充分考虑了新旧光源系统的兼容性和过渡策略。标准明确规定了LED光源替换后测量系统应满足的性能指标和验证方法，确保替换后的测量数据能够在规定的偏差范围内与既有白光光源的测量结果衔接。这意味着已经依据ISO5659-2积累了长期烟雾数据的实验室，在完成光源升级后，既有数据仍然具有参考价值和延续性。这对于全球范围内许多拥有数十年烟雾测量数据的检测机构而言，具有重要的现实