CN105954176A - 一种原位实时检测口罩滤料对不同粒径颗粒物过滤特性的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种原位实时检测口罩滤料对不同粒径颗粒物过滤特性的方法和装置。装置包括过滤流量和温湿度的实时监测装置、口罩夹持装置以及口罩吸气阻力测量装置。运用该方法和装置，能实时快速地检测口罩对不同粒径气溶胶粒子的过滤效率、分级过滤效率、压降以及过滤后气溶胶粒子的粒径分布情况。本发明具有口罩更换简单，操作维护简便，投资费用小、适用于实际环境测量以及测量准确度高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种口罩滤料过滤特性的检测技术，特别是涉及一种原位实时检测口罩滤料对不同粒径颗粒物过滤特性的方法和装置。
背景技术
近年来随着我国经济的发展，雾霾已成为一种环境污染。随着人们对空气污染的关注度越来越高，口罩、空气净化器等防护产品也应运而生。这些呼吸类防护用品的核心部件就是滤料。
研究发现，滤料的过滤特性与环境温湿度、气压等外在因素有一定的相关性，如温度影响颗粒物的热扩散能力。口罩为多孔材料，具有一定的吸湿性，空气的湿度改变也将改变口罩滤料的吸湿量，进而影响口罩对不同粒径颗粒物的过滤效率。此外，气溶胶粒子在呼吸道不同部位沉积的份额与气溶胶粒子的粒径有关，而气溶胶粒子在人体呼吸道内的沉积部位、深度及其所致人体呼吸道及心脑血管系统疾病不但与气溶胶粒子的浓度有关，也与气溶胶粒子的粒径分布有极大的相关性。
传统的滤料过滤特性检测方法，需要将样品送至实验室内进行检测，样品在运输、保存及处理的过程中，上述因素均发生了改变，降低了检测结果的可信度，不能反映口罩在实际环境中的过滤效果。因此，设计一种能够在现场对滤料过滤特性进行实时快速检测的方法和装置显得尤为重要。
发明专利《一种实际大气环境中评价PM2.5口罩过滤效率的装置》（CN 103792171A），具有体积小，方便携带的优点。但是该发明存在理论和装置设计方面的缺陷，（1）该装置将PM2.5测量仪置于缓冲箱中，环境中气溶胶从缓冲箱上的孔洞进入箱体后，由于孔洞的切割效应，其浓度及粒径分布已经发生显著改变，其测量数据不能反映实际环境中气溶胶粒子的质量浓度及粒径分布情况。（2）在测量过程中，两台PM2.5测量仪的流量值都一样，导致上游PM2.5测量仪采样流量占气体总流量的比重较大，绝大部分气溶胶在通过口罩过滤前要进入箱体中PM2.5测量仪，然后经PM2.5测量仪排出，由于PM2.5测量仪内部存在许多细小曲折的小管，气溶胶在通过PM2.5测量仪后的会大量衰减，导致通过口罩的气溶胶在过滤前就已大量损失，测量结果不准确。（3）该系统不能进行过滤流量的调控，只能依靠PM2.5测量仪提供过滤动力，而该仪器的流量仅为1.6～1.7 L/min，按《呼吸防护用品 自吸过滤式防颗粒物呼吸器》（GB 2626-2006）标准中的要求，过滤流量应该达到85 L/min。（4）该仪器只能测量口罩对PM2.5的过滤效率，不能测量口罩对其它粒径气溶胶粒子的过滤效率以及口罩滤料的压降和分级过滤效率。
因此，为了克服传统口罩过滤特性检测方法所存在的问题和缺陷，有必要设计一种具有体积小、操作维护方便以及检测准确度高等特点的方法和装置，实时准确地检测口罩在实际环境中过滤特性。
发明内容
本发明的目的是提供一种原位实时检测口罩滤料对不同粒径颗粒物过滤特性的方法和装置。该方法和装置能够实现滤料对气溶胶粒子的过滤效率、分级过滤效率、压降和过滤后气溶胶粒径分布的检测和测量。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种原位实时检测口罩滤料对不同粒径颗粒物过滤特性的装置，包括集气罩（1）、测试管道Ⅰ（2）、法兰（3）、测试管道Ⅱ（7）、波纹管（8）、风筒（9）；其中，
所述测试管道Ⅰ（2）左侧焊接集气罩（1），右侧焊接法兰（3），并在法兰（3）上固定和该法兰同样大小的软质垫片；
所述测试管道Ⅱ（7）左侧焊接另一个法兰（3），并在法兰上固定和该法兰同样大小的软质垫片；两个法兰中间夹放口罩滤料（28），通过固定夹（5）和紧固螺栓（4）将两个法兰固定在一起，紧固螺栓（4）底部与法兰上的定位槽（31）接触；
所述测试管道Ⅰ（2）表面开一温湿度测量仪探头安装孔（11），并将温湿度测量仪（21）的探头安放在该位置，用来监测管道内经口罩过滤前气体的温湿度T0和H0；同样地，在测试管道Ⅱ（7）表面开一温湿度测量仪探头安装孔（11），并将温湿度测量仪（21）的探头安放在该位置，用来监测管道内经口罩过滤后气体的温湿度T1和H1；
所述测试管道Ⅰ（2）底部开一气溶胶采样嘴安装孔（16），在该开孔位置处安装气溶胶采样嘴Ⅰ（10），该气溶胶采样嘴尾部伸出测试管道Ⅰ（2）从而与软管（17）相连接，再将软管（17）与一个气溶胶粒径谱仪（18）相连接，用来监测环境中的气溶胶质量浓度及粒径分布；同样地，测试管道Ⅱ（7）底部开一气溶胶采样嘴安装孔，在该开孔位置处安装气溶胶采样嘴Ⅱ（12），该气溶胶采样嘴尾部伸出测试管道Ⅱ（7）从而与软管（17）相连接，再将软管（17）与一个气溶胶粒径谱仪（18）相连接，用来监测经口罩过滤后的气溶胶粒子质量浓度及粒径分布；
所述测试管道Ⅰ（2）底部安装微压计正极接口（19），测试管道Ⅱ（7）底部安装微压计负极接口（22），微压计正极接口（19）及微压计负极接口（22）都与微压计（20）相连接，用来测量口罩的压降。
所述测试管道Ⅰ（2）及测试管道Ⅱ（7）都置于托架（24）上。
所述测试管道Ⅱ（7）右侧连接波纹管（8）一端，波纹管（8）的另一端连接风筒（9），将过滤后的气体导至远离测量点的区域，以减弱过滤后气体对测量点的影响。
所述风筒（9）的内部装有管道式变频风机（15），在风筒（9）的表面开一数显流量计探头安装孔（14），将数显流量计（27）的探头安放在此位置，用来监测管道内的过滤流量。
所述法兰表面定位槽（31）呈90°夹角均匀分布，固定夹（5）外形有和法兰外形相同的弧度，使得在固定两个法兰时固定夹（5）内壁能够较好的和法兰外表面贴合
装置的安装过程如下：
1、如附图1所示，首先在测试管道Ⅰ（2）左侧焊接集气罩（1），在测试管道Ⅰ（2）的右侧焊接法兰（3），并在法兰（3）上固定和该法兰同样大小的软质垫片；同样地，在测试管道Ⅱ（7）左侧焊接另一个法兰（3），并在该法兰上固定和该法兰同样大小的软质垫片。
2、在固定有垫片的两个法兰中间夹放大小合适的口罩滤料（28），之后用固定夹（5）和紧固螺栓（4）将两个法兰固定在一起。固定时，紧固螺栓（4）拧紧后应与相应位置的定位槽（31）相吻合。
3、在测试管道Ⅰ（2）表面开一温湿度测量仪探头安装孔（11），并将温湿度测量仪（21）的探头安放在该位置，用来监测管道内经口罩过滤前气体的温湿度T0和H0；同样地，在测试管道Ⅱ（7）表面开一温湿度测量仪探头安装孔（11），并将温湿度测量仪（21）的探头安放在该位置，用来监测管道内经口罩过滤后气体的温湿度T1和H1。
4、在测试管道Ⅰ（2）底部开一气溶胶采样嘴安装孔（16），在该开孔位置处安装气溶胶采样嘴（10），同时该采样嘴（10）尾部伸出测试管道Ⅰ（2）从而与软管（17）相连接，再将软管（17）与气溶胶粒径谱仪（18）相连接，用来监测环境中的气溶胶质量浓度及粒径分布；同样地，测试管道Ⅱ（7）底部开一气溶胶采样嘴安装孔，在该开孔位置处安装气溶胶采样嘴，同时该采样嘴尾部伸出测试管道Ⅱ（7）从而与软管相连接，再将软管与气溶胶粒径谱仪相连接，用来监测经口罩过滤后的气溶胶粒子质量浓度及粒径分布。
5、在测试管道Ⅰ（2）底部安装微压计正极接口（19）和测试管道Ⅱ（7）底部安装微压计负极接口（22），微压计正极接口（19）及微压计负极接口（22）都与微压计（20）相连接，用来测量口罩的压降。
6、将上述各个步骤组成的装置整体结构置于托架（24）上。
具体检测流程如下：
调整风筒（9）与出口位置，从而将过滤后的气体导至远离测量点的区域，以减弱过滤后气体对测量点的影响。
开启二台粒径谱仪、二台温湿度记录仪、微压计、数显流量计和管道式变频风机（15），通过管道式变频风机（15）风量控制旋钮，将数显流量计调至a（L/min），用来模拟人体在一定劳动强度下的呼吸流量b。
（1）
式中，d气溶胶粒径谱仪取样流量，单位L/min。
将与气溶胶采样嘴Ⅰ（10）相连的粒径谱仪采样开始时刻设为t0，每个采样周期内采样时长设置为c（s），采样数设为n，采用连续监测模式，周期间隔为d(分钟)。
将与气溶胶采样嘴Ⅱ（12）相连的粒径谱仪采样开始时刻设为t1，其值通过公式（2）计算，每个采样周期内采样时长设置为c（s），采样数设为n，采用连续监测模式，周期间隔为d(分钟)。由于气溶胶粒子从气溶胶采样嘴Ⅰ（10）运动到气溶胶采样嘴Ⅱ（12）的过程中，存在运动时间差，特别是在小流量采样中，由于气流速度小，气溶胶粒子运动时间差不能忽略，t1通过公式（2）计算：
（2）
式中：s气溶胶采样嘴Ⅰ（10）和气溶胶采样嘴Ⅱ（12）的距离，单位m；r测量管道的半径，单位m；b-人体呼吸流量，单位L/min。
待系统开始测量，并完成测量过程后，关闭所有仪器，结束测量。
口罩引起的压降由微压计记录。
两台温湿度记录仪分别记录经口罩过滤前后气体的温度值T0、T1和相对湿度值H0、H1。
粒径谱仪可以自动记录和统计0～20μm范围内气溶胶粒子质量浓度，根据两台粒径谱仪测量的数据可以得到经口罩滤料过滤前后的气溶胶质量浓度W 0（mg/m3）和W 1（mg/m3），则该口罩滤料的过滤效率可按公式（3）计算：
（3）
粒径谱仪可以记录和统计0～20μm范围内气溶胶粒子的粒径分布数据，第i粒径段的颗粒物质量浓度为P i （mg/m3），经口罩滤料过滤后第i粒径段的质量浓度为 （mg/m3），则口罩滤料对粒径为j μm气溶胶粒子的分级过滤效率可按公式（4）计算：
（4）
式中j为每个粒径段的代表粒径。
有益效果
本发明的测量管道气溶胶进气口位置安装有钟形的集气罩（小直径d=50 mm，大直径D=70 mm，高度h=20 mm），有助于减少流场中涡流的形成，降低管道震动产生的可能性，保证检测系统动静态特性，同时有助于保护取样嘴。
本发明的测试管道直径Φ=50 mm，长度L=200 mm，在满足测试要求的情况下，尽可能的小而短，减少了气溶胶在管道内的粘附，测量结果更精准；同时，管道采用轻型强度大的材料制作，具有体积小重量轻便于携带的特点，特别适用于现场测量。
本发明对滤料面积的要求较小，能满足绝大部分口罩滤料的检测需求。
本发明的法兰表面定位槽（31）呈90°夹角均匀分布，且定位孔在两个法兰完全对齐的情况下进行凿刻。当使用紧固螺栓（4）和固定夹（5）固定法兰时，只要保证紧固螺栓（4）拧紧后能够与定位孔（31）完全吻合，即可使得两个法兰能够在水平方向对齐。
本发明的固定夹（5）外形有和法兰外形相同的弧度，使得在固定两个法兰时固定夹（5）内壁能够较好的和法兰外表面贴合；此外，通过紧固螺栓（4）可以调节两个法兰夹持口罩时的松紧度，防止漏气。
本发明可实现对气流经过口罩后的压降的测量以及气体经过口罩过滤前后气体温湿度变化情况的监测。
本发明的气溶胶采样嘴Ⅰ（10）位于集气罩（1）的进口中心位置，而不是管道内部，更能反映外部环境中气溶胶的质量浓度及粒径分布情况，不受管道内气流组织的影响。
本发明采用管道式变频风机（15），通过与数显流量计（27）的配合，可以调节管道内过滤流量，其过滤流量范围为（0～100 L/min），能模拟人体在各种劳动强度下的呼吸速率。
本发明在变频风机（15）排气口上安装了风筒（9），将经口罩过滤后的气体导至远离测量点的地方，减弱了过滤后气体对测量点的影响。
附图说明
图1为本发明装置总体结构示意图；
图2-图4为本发明固定夹结构和紧固螺栓示意图；
图5为本发明口罩加持部位示意图。
具体实施方式
调整风筒（9）与出口位置，从而将过滤后的气体导至远离测量点的区域，以减弱过滤后气体对测量点的影响。
开启二台粒径谱仪、二台温湿度记录仪、微压计、数显流量计和管道式变频风机（15），通过管道式变频风机（15）风量控制旋钮，将数显流量计调至a（L/min），用来模拟人体在一定劳动强度下的呼吸流量b。
（1）
式中，d气溶胶粒径谱仪取样流量，单位L/min。
根据《呼吸防护用品 自吸过滤式防颗粒物呼吸器》（GB 2626-2006）标准中的要求，本次检测中过滤流量取b=85 L/min，d=5 L/min，按公式（1）计算得a=80 L/min。
将与气溶胶采样嘴Ⅰ（10）相连的粒径谱仪采样开始时刻设为t0=8:00，每个采样周期内采样时长设置为2700（s），采样数设为1，采用连续监测模式，周期间隔为30(分钟)。
将与气溶胶采样嘴Ⅱ（12）相连的粒径谱仪每个采样周期内采样时长设置为2700（s），采样数设为1，采用连续监测模式，周期间隔为30(分钟)。由于气溶胶粒子从气溶胶采样嘴Ⅰ（10）运动到气溶胶采样嘴Ⅱ（12）的过程中，存在运动时间差，特别是在小流量采样中，由于气流速度小，气溶胶粒子运动时间差不能忽略，与气溶胶采样嘴Ⅰ（10）相连的粒径谱仪采样开始时刻t1通过公式（2）计算：
（2）
式中：s气溶胶采样嘴Ⅰ（10）和气溶胶采样嘴Ⅱ（12）的距离，单位m；r测量管道的半径，单位m；b-人体呼吸流量，单位L/min。
本次实验中，s=0.16 m，r=0.025 m，b=85 L/min，按公式（1）计算得到t1，由于t1和t0相差仅为0.22 S，忽略气体传输时间差，取t1=8:00:00。
待系统开始测量，并完成测量过程后，关闭所有仪器，结束测量。
口罩引起的压降由微压计记录。
两台温湿度记录仪分别记录经口罩过滤前后气体的温度值T0、T1和相对湿度值H0、H1。
粒径谱仪可以自动记录和统计0～20μm范围内气溶胶粒子质量浓度，根据两台粒径谱仪测量的数据可以得到经口罩滤料过滤前后的气溶胶质量浓度W 0（mg/m3）和W 1（mg/m3），则该口罩滤料的过滤效率可按公式（3）计算：
（3）
粒径谱仪可以记录和统计0～20μm范围内气溶胶粒子的粒径分布数据，第i粒径段的颗粒物质量浓度为P i （mg/m3），经口罩滤料过滤后第i粒径段的质量浓度为（mg/m3），则口罩滤料对粒径为j μm气溶胶粒子的分级过滤效率按公式（4）计算：
（4）
式中j为每个粒径段的代表粒径。
实验验证：
测量条件：在南方某生产铀矿井下，对工人所用纱布口罩的过滤特性进行了现场实时检测，监测时间为8:00～12:00。
检测了纱布口罩对气溶胶粒子的过滤效率、压降和温湿度变化情况，监测数据及检测结果如下：
对两台粒径谱仪记录的数据按照公式（4）进行处理，得到纱布口罩对0～20μm范围内气溶胶粒子在不同时间段内的分级过滤效率，如下表所示：
Claims (7)
1.一种原位实时检测口罩滤料对不同粒径颗粒物过滤特性的装置，包括集气罩（1）、测试管道Ⅰ（2）、法兰（3）、测试管道Ⅱ（7）、波纹管（8）、风筒（9）；其中，
所述测试管道Ⅰ（2）左侧焊接集气罩（1），右侧焊接法兰（3），并在法兰（3）上固定和该法兰同样大小的软质垫片；
所述测试管道Ⅱ（7）左侧焊接另一个法兰（3），并在法兰上固定和该法兰同样大小的软质垫片；其特征在于，
两个法兰中间夹放口罩滤料（28），通过固定夹（5）和紧固螺栓（4）将两个法兰固定在一起，紧固螺栓（4）底部与法兰上的定位槽（31）接触；
所述测试管道Ⅰ（2）表面开一温湿度测量仪探头安装孔（11），并将温湿度测量仪（21）的探头安放在该位置，用来监测管道内经口罩过滤前气体的温湿度T0和H0；同样地，在测试管道Ⅱ（7）表面开一温湿度测量仪探头安装孔（11），并将温湿度测量仪（21）的探头安放在该位置，用来监测管道内经口罩过滤后气体的温湿度T1和H1；
所述测试管道Ⅰ（2）底部开一气溶胶采样嘴安装孔（16），在该开孔位置处安装气溶胶采样嘴Ⅰ（10），该气溶胶采样嘴尾部伸出测试管道Ⅰ（2）从而与软管（17）相连接，再将软管（17）与一个气溶胶粒径谱仪（18）相连接，用来监测环境中的气溶胶质量浓度及粒径分布；同样地，测试管道Ⅱ（7）底部开一气溶胶采样嘴安装孔，在该开孔位置处安装气溶胶采样嘴Ⅱ（12），该气溶胶采样嘴尾部伸出测试管道Ⅱ（7）从而与软管（17）相连接，再将软管（17）与一个气溶胶粒径谱仪（18）相连接，用来监测经口罩过滤后的气溶胶粒子质量浓度及粒径分布；
所述测试管道Ⅰ（2）底部安装微压计正极接口（19），测试管道Ⅱ（7）底部安装微压计负极接口（22），微压计正极接口（19）及微压计负极接口（22）都与微压计（20）相连接，用来测量口罩的压降。
2.根据权利要求1所述的一种原位实时检测口罩滤料对不同粒径颗粒物过滤特性的装置，其特征在于，所述测试管道Ⅰ（2）及测试管道Ⅱ（7）都置于托架（24）上。
3.根据权利要求1所述的一种原位实时检测口罩滤料对不同粒径颗粒物过滤特性的装置，其特征在于，所述测试管道Ⅱ（7）右侧连接波纹管（8）一端，波纹管（8）的另一端连接风筒（9），将过滤后的气体导至远离测量点的区域，以减弱过滤后气体对测量点的影响。
4.根据权利要求1所述的一种原位实时检测口罩滤料对不同粒径颗粒物过滤特性的装置，其特征在于，所述风筒（9）的内部装有管道式变频风机（15），在风筒（9）的表面开一数显流量计探头安装孔（14），将数显流量计（27）的探头安放在此位置，用来监测管道内的过滤流量。
5.根据权利要求1所述的一种原位实时检测口罩滤料对不同粒径颗粒物过滤特性的装置，其特征在于，所述法兰表面定位槽（31）呈90°夹角均匀分布。
6.根据权利要求1所述的一种原位实时检测口罩滤料对不同粒径颗粒物过滤特性的装置，其特征在于，所述固定夹（5）外形有和法兰外形相同的弧度。
7.一种原位实时检测口罩滤料对不同粒径颗粒物过滤特性的方法，其特征在于，具体检测流程如下：
调整风筒（9）与出口位置，从而将过滤后的气体导至远离测量点的区域，以减弱过滤后气体对测量点的影响；
开启二台粒径谱仪、二台温湿度记录仪、微压计、数显流量计和管道式变频风机（15），通过管道式变频风机（15）风量控制旋钮，将数显流量计调至a，单位L/min，用来模拟人体在一定劳动强度下的呼吸流量b，
（1）
式中，d气溶胶粒径谱仪取样流量，单位L/min，
将与气溶胶采样嘴Ⅰ（10）相连的粒径谱仪采样开始时刻设为t0，每个采样周期内采样时长设置为c（s），采样数设为n，采用连续监测模式，周期间隔为d，单位为分钟，
将与气溶胶采样嘴Ⅱ（12）相连的粒径谱仪采样开始时刻设为t1，其值通过公式（2）计算，每个采样周期内采样时长设置为c（s），采样数设为n，采用连续监测模式，周期间隔为d，单位为分钟，由于气溶胶粒子从气溶胶采样嘴Ⅰ（10）运动到气溶胶采样嘴Ⅱ（12）的过程中，存在运动时间差，特别是在小流量采样中，由于气流速度小，气溶胶粒子运动时间差不能忽略，t1通过公式（2）计算：
（2）
式中：s为气溶胶采样嘴Ⅰ（10）和气溶胶采样嘴Ⅱ（12）的距离，单位m；r为测量管道的半径，单位m；b-人体呼吸流量，单位L/min；
待系统开始测量，并完成测量过程后，关闭所有仪器，结束测量，
口罩引起的压降由微压计记录，
两台温湿度记录仪分别记录经口罩过滤前后气体的温度值T0、T1和相对湿度值H0、H1，
粒径谱仪，自动记录和统计0～20μm范围内气溶胶粒子质量浓度，根据两台粒径谱仪测量的数据可以得到经口罩滤料过滤前后的气溶胶质量浓度W 0和W 1，单位mg/m3，则该口罩滤料的过滤效率按公式（3）计算：
（3）
粒径谱仪记录和统计0～20μm范围内气溶胶粒子的粒径分布数据，第i粒径段的颗粒物质量浓度为P i （mg/m3），经口罩滤料过滤后第i粒径段的质量浓度为 （mg/m3），则口罩滤料对粒径为j μm气溶胶粒子的分级过滤效率可按公式（4）计算：
（4）
式中j为每个粒径段的代表粒径。
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