CN106023756A - 一种模拟真实人体咳嗽的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模拟真实人体咳嗽的装置。包括颗粒物发生系统和压缩空气射流的产生系统；颗粒物发生系统包括颗粒物发生器、排空电磁阀、加尘电磁阀、加尘控制时间继电器；射流空气发生系统包括空压机、压力表、调压阀、流量调节阀、射流控制电磁阀、射流控制时间继电器和气缸；射流控制电磁阀出气管路与颗粒物发生系统加尘电磁阀引出的管路并联后连接咳嗽射流管路。此套设备能模拟真实人体咳嗽特点，能满足真实人体的咳嗽速度及流量，另外射流的速度变化和温度也与真实人体参数一致；只需通过电磁阀控制启停，操作简单精确；本装置采用高频热线风速仪确定射流出口气体流速变化规律，根据测量结果标定装置的速度和流量曲线，可以准确的确定参数。

Description

一种模拟真实人体咳嗽的装置

技术领域

本发明涉及研究建筑室内人体污染物暴露水平以及咳嗽污染物传播的重要模拟装置，是一种涉及模拟真实人体咳嗽的装置，属于室内空气质量与污染物传播领域。

背景技术

近年来通过空气传播的疾病严重威胁人们的健康，像SARS、流感病毒以及在非洲肆虐的埃博拉病毒都可通过飞沫在空气中传播，咳嗽是产生飞沫的一个主要的来源，人体通过吸入带有这种病毒的空气而感染疾病。

2003年自从首例被确认感染的SARS病例后，非典在全球很快开始蔓延，这其中一个很大途径就是在飞机上传播，感染体通过呼吸、咳嗽使病毒扩散到周围空气，健康的人通过吸入病毒污染的空气而感染病毒。据统计,非典仅在中国内地就造成5327例感染,329例死亡。非典不仅对人们的健康造成了严重威胁,还给国家乃至世界经济造成了巨大损失。研究咳嗽的射流规律能够帮助人们定量的分析咳嗽的传播距离和范围，有助于预防飞沫带来的疾病传播，是十分有意义的。

目前对咳嗽射流的而研究主要有两种方法，一种是采用数值模拟的方法，通过合理选择咳嗽的边界条件，模拟射流规律及颗粒物传播规律；另一种是采用实验的手段，实验方法原理上就是使咳嗽气流可视化以及颗粒物检测，射流研究主要有纹影法[1]和PIV方法[2],颗粒物的研究主要是通过采样设备检测某点的颗粒物浓度以及粒径。目前实验方法采用的都是真人，咳出可视化的气体，采用高速相机拍摄，颗粒物也可通过检测设别检测[1],这种方法比较准确。

研究咳嗽主体是人，但是从安全、健康的角度来说，真实人体进行实验是有困难的。而且从实验的可重复性上说，真人的不确定性较大，而且不同人之间差异较大，故需要开发一种能模拟不同参数的真实人体咳嗽功能的装置。

发明内容

本发明旨在开发一种模拟真实人体咳嗽过程的装置，用于分析人体咳嗽射流，为控制传染病传播提供支持。

本发明采用暖体假人模拟真实人体，外部轮廓及嘴部开口都与真实人体参数一致。其中压缩空气储存和释放装置模拟咳嗽的射流，储存装置具有加热功能，能够加热压缩空气至接近人体温度；另外颗粒物发生系统与压缩空气系统并联,通过时间控制,实现射流气体含有设 定的颗粒物,能够实现真实咳嗽过程。

本发明的技术方案如下：

一种模拟真实人体咳嗽过程的装置，包括颗粒物发生系统和压缩空气射流的产生系统；颗粒物发生系统包括颗粒物发生器、排空电磁阀、加尘电磁阀、加尘控制时间继电器；颗粒物发生器出口并联连接排空电磁阀和加尘电磁阀,两个电磁阀共同连接加尘控制时间继电器；射流空气发生系统包括空压机、压力表、调压阀、流量调节阀、射流控制电磁阀、射流控制时间继电器和气缸；空压机连接调压阀，调压阀上设置有上有压力表，调压阀连接射流控制电磁阀；射流控制电磁阀连接射流控制时间继电器，射流控制电磁阀设置有进气口和出气口，同时设置有气缸连接口；射流控制电磁阀出气管路与颗粒物发生系统加尘电磁阀引出的管路并联后连接咳嗽射流管路,连接假人嘴部。

各个设备间气路连接气管耐压为≤1.0MP。每个设备进气口和出气口采用快插接头,三条管路连接部分采用三通快插，快插与设备螺纹连接。

本发明的装置中，除了调压阀和压力表间的连接气管直径为Φ4，其余气管直径采用Φ12。

所述气缸为单侧连接，气缸的进气和出气是通过同一管路的。

所述加尘时间继电器及射流控制时间继电器控制精度为0.01s。

所述气缸外包有加热丝，将气缸内气体加热至人体温度。

根据发明装置对应的条件和操作方法如下：

(1)为了更加真实反应人体的咳嗽行为，首先确定真实人体咳嗽流动等咳嗽射流特征.经过调研文献，咳嗽的射流气体标准体积1.4～2.2L,射流速度平均11.2m/s，持续时间为0.8s，嘴部张开面积为4平方厘米[4]。

(2)采用密封的气缸模仿人体肺部功能。气缸内装有活塞，活塞的位置可以通过手动调节，可以固定到某一个位置，当活塞位置固定时，气缸内部的容积也就随之确定。

(3)压缩空气从空压机出来之后，先连接压力控制装置，然后通过电磁阀连接气缸和排气管路。电磁阀上有三个管路连接口，通过时间继电器控制三个管路的启闭，可以控制气缸的充气和排气。气缸的容积是可调的，调节到固定体积后可以固定。

(4)整套设备组装完毕之后，可通过高频热线风速仪测量嘴部出口射流的流速变化，计算得出流量变化和总射流体积。同时把测得的模拟咳嗽射流速度变化规律与真实咳嗽射流变化规律比较，调节装置，使其射流变化与真实人体咳嗽射流变化规律一样。

(5)压缩空气在进入气缸后，气缸外包有加热丝，可以将气缸内气体加热至人体温度。

(6)颗粒物发生装置是用于向咳嗽射流中加入需要的不同粒径和性质的颗粒物。例如研究人体咳嗽射流中颗粒物传播规律时，颗粒物发生装置产生的颗粒物就要与人体咳嗽的 颗粒物粒径分布及浓度一致；当采用PIV分析咳嗽射流的动力学特征时，颗粒物发生装置需要产生满足PIV拍摄的气溶胶颗粒，使得射流可视化。

(7)暖体假人采用与真实人体等比例的模型，外表缠绕电阻丝，通电功率75W左右，接近真实人体，嘴部开孔面积按照真实人体统计结果设定。

本发明由于采取以上技术方案，具有以下优点：

压缩空气产生系统由空压机、调压阀、压力表、射流控制电磁阀、射流控制时间继电器和可加热的气缸组成，射流气体最后通过暖体假人嘴部排出；颗粒物发生系统由颗粒物发生器、排空电磁阀、加尘电磁阀、加尘时间继电器组成，颗粒物排出有两个出口，通过加尘时间继电器控制实现两个出口的交替排放。此套设备能模拟真实人体咳嗽特点，能满足真实人体的咳嗽速度及流量，另外射流的速度变化和温度也与真实人体参数一致；

本装置带有压力控制装置，活塞是可以固定的，所以气缸的容积和内部压力是可以固定的，那么本装置的可重复性强，理论上只要固定后每次射流规律是不变的；

本装置连接气路后只需通过电磁阀控制启停，操作简单精确；

本装置采用高频热线风速仪确定射流出口气体流速变化规律，根据测量结果标定装置的速度和流量曲线，可以准确的确定参数。

暖体假人更加接近真实人体，射流的空气是经过气缸加热至人体温度，避免因为温度不同影响实验结果；

压缩空气系统和颗粒物发生系统并联，通过嘴部颗粒物与压缩空气的交替排出，实现了射流气体中含有满足需求的颗粒物。

附图说明

图1为咳嗽射流流量随时间变化图；

图2为本发明装置的原理图；

图3为本装置咳嗽射流标定的速度变化曲线；

其中：

1-颗粒物发生器；2-排空电磁阀；3-加尘电磁阀；4-发尘控制时间继电器；5-空气压缩机；6-压力调节阀；7-压力表；8-流量调节阀；9-射流控制电磁阀；10-射流控制时间继电器；11-可加热气缸；M-排空排气口；N-嘴部排气口；①-射流控制电磁阀排气口；②-射流控制电磁阀进气口；③-射流控制电磁阀与气缸连接口。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图对本发明进行详细说明。如图2所示，整套系统有压缩空气产生系统和颗粒物发生系统组成。包括颗粒物发生系统和压缩空气射流的产生系统；颗粒物发生系统包括颗粒物发生器(1)、排空电磁阀(2)、加尘电磁阀(4)、发尘控制时间继电器(4)；颗粒物发生器(1)出口并联连接排空电磁阀(2)和加尘电磁阀(3),两个电磁阀共同连接加尘时间继电器(4)；射流空气发生系统包括空压机(5)、压力表(7)、调压阀(6)、流量调节阀(8)、射流控制电磁阀(9)、射流控制时间继电器(10)和气缸(11)；空压机(5)连接调压阀(6)，调压阀(6)上设置有上有压力表(7)，调压阀(6)连接射流控制电磁阀(9)；射流控制电磁阀(9)连接射流控制时间继电器(10)，射流控制电磁阀(9)设置有进气口②和出气口①，同时设置有气缸连接口③；射流控制电磁阀(9)出气管路与颗粒物发生系统加尘电磁阀(4)引出的管路并联后连接咳嗽射流管路,连接假人嘴部N。

颗粒物发生系统主要由1-颗粒物发生器、2-排空电磁阀、3-加尘电磁阀、4-发尘控制时间继电器及相关管路组成,颗粒物发生器气管连接三通,分别连接排空电磁阀和加尘电磁阀,而这两个电磁阀共同连接加尘时间继电器,控制精度为0.01s，然后从两个电磁阀出来的两条气管，一条排空连接排空口M，另一条加尘电磁阀连出的气管与另一个系统射流发生系统连接，周期性的将尘发到连接假人嘴部N的射流管道里面。

射流空气发生系统主要由5-空压机、6-压力表、7-调压阀、8-流量调节阀、9-射流控制电磁阀、10-射流控制时间继电器、11-气缸及相关管路组成。空压机(5)通过气管连接调压阀(7)，调压阀(7)上有三个接口，进气连接空压机(5)，侧面小口连接压力表(6)，实时显示空气压力，出口气管连接射流控制电磁阀(9)，射流控制电磁(9)有三个口连接管路，同侧两个分别是进气②和出气①，对侧的口③连接气缸，气缸为单侧连接，即气缸的进气和出气是通过同一管路，射流控制电磁阀(9)连接射流控制时间继电器(10)，控制精度为0.01s，控制气缸的进气和排气。射流控制电磁阀(9)出气侧管路引出后，通过三通与颗粒物发生系统加尘电磁阀(3)引出的管路并联，混合后进入同一管路连接嘴部N。

设备间气路连接都是耐压气管(＜1.0MP),每个设备进气口和出气口都采用快插接头,快插与设备螺纹连接,除调压阀7和压力表6间的连接气管为Φ4外，其余气管均采用Φ12，三条管路连接部分采用三通快插。

压缩空气从空压机出来后先是通过压力调节阀(6)，观察压力表(7)，调节至适当的压力。压缩空气进入射流控制电磁阀(9)，射流控制电磁阀(9)连通气缸(11)和射流出口，通过高射流控制时间继电器(10)控制电磁阀(9)的开闭，可实现气缸(11)周期性的充气和排气过程。

具体实施方式按照两个主要过程进行描述：

A-咳嗽射流的速度和流量标定过程：

射流速度和流量的标定是确保末端假人嘴部呼出的气流满足真实人体的射流规律。首先按照附图咳嗽射流发生系统连接管路，气溶胶添加系统不连接。

(1)射流控制电磁阀(9)和射流控制时间继电器(10)的设置。射流控制电磁阀(9)是常开型，即在不通电的情况下，电磁阀进气口②和与气缸连接口③是联通的，电磁阀排气口①是关闭的。射流控制时间继电器的精度是0.01s，通电，设置其两个时间参数分别是3s和0.8s，连接电磁阀，控制射流电磁阀(9)的排气和充气时间；

(2)开启空压机(5)，射流控制电磁阀(9)和射流控制时间继电器(10)不通电。因为射流控制电磁阀(9)是常开的，所以进气口②和连接气缸的连接口③是连通的，此时观察压力表(6)，通过调节压力调节阀(7)，将压力调节至0.4MPa；

(3)同时开启射流控制电磁阀(9)和射流控制时间继电器(10)的电源开关(二者电源插到同一个插线板上，通过开启插线板供电实现同时开启)，观察气缸(11)和电磁阀(9)的排气口，是否满足时间继电器(10)设定的，每充气2s，排气0.8s。若顺序颠倒，则反接电磁阀(9)的信号线即可。调试完毕后关闭空压机(5)，关闭电源；

(4)电磁阀(9)排气口①管路末端连接2.7厘米x1.5厘米(4.05平方厘米)的矩形管路(矩形管路由硬质塑料制成，排气管路末端通过密封胶带与矩形管路连在一起)，这样矩形出口末端就相当于人体的嘴部面积；

(5)将高频热线风速仪(采样频率最大可达100kHz)测量探头固定在三维坐标支架上，将矩形管路出口位置固定在地面固定支架上并调节出口位置到接近测量探头附近位置，调节三维坐标支架，使得高频热线风速仪的探头位于矩形出口的中心位置；

(6)开启空压机(5)，观察压力表(7)稳定在0.4MPa，开启热线风速仪，打开时间继电器(10)和电磁阀(9)的电源插线板，观察热线风速仪上速度变化规律；

(7)附图3是速度测量的一个瞬时值，进过计算射流体积约为1.5L满足要求，射流速度变化与标准曲线接近，满足要求；

(8)若要获得其他咳嗽气体体积、咳嗽速度或者不同的速度变化曲线，可以通过调节调压阀(6)控制压力、汽缸体积或者调节流量调节阀(8)来实现；

B-咳嗽发生器系统的完整发生过程：

(1)按照附图2连接颗粒物发生器系统并与射流发生系统连接，其中两个系统的所有电磁阀和时间继电器的电源都连接在一个插线板上，保证能够同时开启，；

(2)打开电源，调节发尘控制时间继电器(4)(精度0.01s)，两个时间参数为2s和1.8s，其中加尘电磁阀(3)控制时间为2s，控制方式为通电开启，排空电磁阀(2)控制时间为0.8s，控制方式为通电关闭。咳嗽射流发生系统的时间继电器(10)保持标定 时的状态。这里的时间控制与咳嗽射流产生系统的时间继电器(10)的控制彼此对应，电源打开时，射流控制时间继电器(10)3秒开始，此时为气缸(11)充气时间，与此同时加尘电磁阀(3)开启，2s内为往咳嗽射流管路加尘时间，2s后加尘电磁阀(3)关闭，排空电磁阀(2)开启，开启时间为1.8s,尘由N口排空，当开启到1s时，射流控制时间继电器(10)开始进入0.8s的控制时间，此时射流控制电磁阀(9)的进气口②关闭，排气口③开启，持续0.8s，0.8s结束后，排气口③关闭，进气口②打开，同时排空电磁阀(2)关闭，加尘电磁阀(3)开启，进入下一个循环；

(3)打开空压机(5)，观察压力表(7)，稳定在0.4MPa。开启电源，用手感受假人嘴部N，有周期射流产生。开启颗粒物发生器(1)，观察假人嘴部N，有带颗粒物的射流产生，咳嗽模拟成功；

(4)实验结束后,关闭颗粒物发生器(1)，关闭空压机(5)，通过改变射流控制时间继电器(10)的时间设定，进气时间调为0，待气缸(11)内压缩空气排净后，关闭电源，拆除各连接；

1.参考文献：

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Claims (8)

1.一种模拟真实人体咳嗽过程的装置，其特征是包括颗粒物发生系统和压缩空气射流的产生系统；颗粒物发生系统包括颗粒物发生器、排空电磁阀、加尘电磁阀、加尘控制时间继电器；颗粒物发生器出口并联连接排空电磁阀和加尘电磁阀,两个电磁阀共同连接加尘控制时间继电器；射流空气发生系统包括空压机、压力表、调压阀、流量调节阀、射流控制电磁阀、射流控制时间继电器和气缸；空压机连接调压阀，调压阀上设置有上有压力表，调压阀连接射流控制电磁阀；射流控制电磁阀连接射流控制时间继电器，射流控制电磁阀设置有进气口和出气口，同时设置有气缸连接口；射流控制电磁阀出气管路与颗粒物发生系统加尘电磁阀引出的管路并联后连接咳嗽射流管路,连接假人嘴部。

2.如权利要求1所述的装置，其特征是设备间气路连接气管耐压为≤1.0MP。

3.如权利要求1所述的装置，其特征是每个设备进气口和出气口采用快插接头,三条管路连接部分采用三通快插，快插与设备螺纹连接。

4.如权利要求1所述的装置，其特征是设置中调压阀和压力表间的连接气管直径为Φ4，其余气管直径采用Φ12。

5.如权利要求1所述的装置，其特征是气缸为单侧连接，气缸的进气和出气是通过同一管路的。

6.如权利要求1所述的装置，其特征是加尘控制时间继电器,控制精度为0.01s。

7.如权利要求1所述的装置，其特征是射流控制时间继电器，控制精度为0.01s。

8.如权利要求1所述的装置，其特征是气缸外包有加热丝，将气缸内气体加热至人体温度。