CN109781608A - 一种口罩过滤性能测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种口罩过滤性能测试装置及方法，依据口罩过滤性测试原理，即口罩内外环境中不同粒径颗粒物浓度的差值，使用双泵交替工作的方式，实现对人呼吸的模拟，本发明装置主要包括滤料固定装置、口罩气流控制装置和口罩内外颗粒浓度测试装置三大部分，可模拟人呼气和吸气的动态过程，调节呼吸流量，并在此情形下测试双向气流交替通过口罩时，口罩的过滤效率，对于有呼吸阀的口罩，本仪器更容易发现呼吸阀对口罩过滤效率的影响。

Description

一种口罩过滤性能测试装置及方法

技术领域

本发明涉及测试装置，具体涉及一种具备呼吸模拟功能的口罩效果简易测试装置，以及口罩过滤性能测试方法。

背景技术

空气颗粒物是环境空气中的主要污染物，较高水平的空气颗粒可形成严重雾霾天气，也是生产环境中的主要职业有害因素——生产性粉尘。生产性粉尘是我国最为严重的职业危害因素，导致的职业病尘肺病占我国新发职业病的80%以上，而佩戴防颗粒物口罩是保护工人呼吸系统健康的有效途径。

近年来，随着我国居民对环境空气污染尤其是雾霾的认识提高，越来越多的居民关注这个问题，防颗粒物口罩也逐渐成为广大居民进行呼吸防护的重要用品，特别在呼吸系统传染性疾病流行的季节，防颗粒物口罩也具备一定的防护呼吸系传染性疾病的作用，美国劳工部1995年即批准在医院使用有效的防颗粒物口罩预防肺结核等呼吸系传染病。

随着防颗粒物口罩的广泛使用，其防护效果也日益受到关注。口罩滤料的过滤效率是影响防护口罩防护性能的关键因素，目前我国防护口罩过滤性能的检测仪器基本以单向气流通过口罩进行测试，没有考虑人体呼气和吸气的双向通气功能。

发明内容

为更好地模拟人体实际情况，本发明的目的之一是提供一种可模拟呼、吸双向气流通过的空气颗粒物防护口罩过滤性能测试装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种口罩过滤性能测试装置，由滤料固定装置、口罩气流控制装置及口罩内外颗粒浓度测试装置顺序连接而成；其中所述的滤料固定装置由底座、橡胶垫和中间带孔的口罩固定器紧固连接而成；所述的口罩气流控制装置包括作为模拟肺的气囊、由呼气泵和第一空气流量计串接形成的呼气通道以及由吸气泵和第二空气流量计串接形成的吸气通道，所述的呼气通道和吸气通道反向并联在气囊上，还包括分别与呼气泵和吸气泵连接的交替开关，所述的第一空气流量计和第二空气流量计分别通过呼吸管道与底座连接；所述的颗粒浓度测试装置包括颗粒计数器以及通过数据线与颗粒计数器连接的电脑，所述的颗粒计数器通过内连接管连接气囊，颗粒计数器通过外连接管连通环境空气。

所述的一种口罩过滤性能测试装置，其颗粒计数器采用PortaCount测试仪。

所述的一种口罩过滤性能测试装置，其呼吸管道采用硅胶管，与底座180度笔直延伸连接。

所述的一种口罩过滤性能测试装置，其呼气泵和吸气泵气流量范围为9～35L/min。

所述的一种口罩过滤性能测试装置，其第一空气流量计和第二空气流量计上均设置有流量调节阀。

本发明的目的之二是提供上述测试装置测试带呼吸阀口罩过滤性能的方法，包括如下步骤：

第一步，通过口罩固定器将待测口罩固定在滤料固定装置上，采用密封胶泥对口罩边缘进行密封，隔离口罩内外环境；

第二步，分别校正第一空气流量计和第二空气流量计，然后打开PortaCount颗粒计数器，稳定30min，再次检查各装置连接口；

第三步，开启交替开关，使得呼气泵和吸气泵按照2s一呼/2s一吸的周期交替轮流工作，实现对人呼气和吸气动态过程的模拟；

第四步，联合颗粒计数器和分析软件，读取并记录颗粒计数器显示的口罩内外环境中的颗粒物浓度，以1min为计数单位，除去前20s和后20s部分，记录中间20s的浓度值，根据以下公式自动算出过滤效率：

过滤效率=1-C_内/C_外

C_内与C_外分别代表口罩内与口罩外环境中测得的颗粒物浓度；

第五步，测试至少3次，然后取平均值并输送至电脑。

与现有技术相比，本发明的监测装置主要具备以下的技术优点：

1，本装置通过设置两台气泵，一个向内吸气，一个向外呼气，提供空气循环动力，在传统的单向呼吸的防颗粒口罩测试仪基础上进行改进，增加了吸气的模拟，使流经口罩的空气可以进行呼和吸双向动作模拟，更接近人体自然的呼吸动态过程。

2，本装置采用呼吸器适合性测试专用仪器PortaCount对口罩内外颗粒物浓度测试，该仪器通过测试空气中最难以过滤的0.3μm 颗粒的浓度，直接计算过滤效率，结果比较准确可靠。

附图说明

图1是本发明测试装置的结构示意图。

各附图标记为：1—滤料固定装置，11—底座，12—橡胶垫，13—口罩固定器，2—口罩气流控制装置，21—气囊，22—吸气泵，23—呼气泵，24—交替开关，25—第一空气流量计，26—第二空气流量计，27—呼吸管道，3—颗粒浓度测试装置，31—电脑，32—数据线，33—颗粒计数器，34—内连接管，35—外连接管。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

防颗粒物口罩过滤性能测试装置原理

防颗粒物口罩过滤材料的过滤效率指其滤除颗粒物的百分比。过滤效率的测试原理是当一定流量空气通过口罩过滤材料时，测试口罩内外或者口罩两侧颗粒物数量或者浓度，可写成下面公式：过滤效率=1-C_内/C_外。

其中，C_内与C_外分别代表口罩内与口罩外环境中测得的颗粒物数量(或浓度)。

依据过滤效率的测试原理，本发明提供的口罩过滤性能测试装置主要包括：滤料固定装置1、口罩气流控制装置2和口罩内外颗粒浓度测试装置3三大部分，而装置的核心部分主要是口罩气流控制装置2。

如图1所示，本发明的滤料固定装置1用于固定口罩过滤材料，采用三级连接：钢制底座11、橡胶垫12和钢制的中间有孔的口罩固定器13，以螺丝拧紧，保证密封。

滤料固定装置1将待测口罩固定并使口罩边缘密封，起到隔离口罩内外环境的作用；口罩固定方式是采用密封胶泥固定，密封胶泥避免了热熔胶因热胀冷缩而可能产生的缝隙。

所述的口罩气流控制装置2包括作为模拟肺的气囊21、由呼气泵22和第一空气流量计25串接形成的呼气通道以及由吸气泵23和第二空气流量计26串接形成的吸气通道，所述的呼气通道和吸气通道反向并联在气囊21上，两个流量计用于显示当前空气流量，显示范围0.5～5m³/h，且自带流量调节阀，可调节流量大小，两台气泵一个向内吸气，一个向外呼气，提供空气循环动力，放置口罩后，气流量至少达到9L/min，因为9L/min是人呼吸的正常肺通气量，还包括分别与呼气泵22和吸气泵23连接的交替开关24，用于控制两个气泵交替轮流工作，交替周期为两秒钟一呼两秒钟一吸，以符合人的呼吸频率。

本发明的口罩气流控制装置2和接口连接是本发明专利的重点，原理是用交替开关24使两个空气泵交替工作，分别模拟呼和吸，以实现呼吸动态模拟。由气流量范围9～35L/min的呼气泵22和吸气泵23和两个流量计25、26分别串联再反向并联组成，然后再由一个交替开关24控制两个气泵交替轮流工作，交替周期为两秒钟一呼两秒钟一吸，与人平静呼吸频率相同。在呼气泵22和吸气泵23的末端加装一个气囊21作为模拟肺，用来储存吸入的气体。第一空气流量计25和第二空气流量计26通过模拟呼吸管道27与底座11下侧连接，呼吸管道27采用硅胶管，保证接口连接紧密，且抽气时不会被抽瘪，硅胶管与底座11管道的连接采用的是180度笔直延伸连接，避免了因为硅胶管扭曲而导致的密封性不佳、连接易松动、气流不稳定等问题。

测试前将口罩过滤材料放置在口罩固定器13上，使用前，使用密封胶泥将口罩边缘下侧密封、固定，保证边缘密封。

本发明的颗粒浓度测试装置3包括一个颗粒计数器33以及通过数据线32与颗粒计数器33连接的电脑31，根据流体力学计算，过滤材料主要通过阻留和静电作用滤除颗粒物，最难以过滤的颗粒物粒径为空气动力学直径0.3μm，设计采用呼吸器适合性测试专用仪器PortaCount (TSI8330，美国) 作为颗粒计数器33测试口罩内外的颗粒物浓度，可测量各种规格的呼吸防护口罩内、外环境粉尘颗粒物浓度，计算口罩过滤效率，该仪器用核凝计术器法分别测试口罩内外两侧（0.3±0.335）μm范围的空气颗粒物的个数，换算为颗粒物计数浓度，口罩内外颗粒物浓度的比值为过滤效率。同时，在我国现有颗粒物水平条件下，无须使用传统气室或气溶胶发生器，使测试更加便利。

颗粒计数器33有两根连接管，一根外连接管35置于环境空气中，测试口罩外颗粒物浓度；一根内连接管34与模拟肺的末端气囊21相连，测试口罩内颗粒物浓度；两根连接管分别连通口罩内/外环境，这样内/外环境中的粉尘颗粒经过内/外环境连接管到达颗粒计数器33。PortaCount自带的FitPlusTM软件，可动态地显示口罩内外环境中的颗粒物浓度，软件计数1min，除去前20s和后20s部分，记录中间20s的颗粒物浓度，并自动算出过滤效率，每个品牌口罩测试3次，取平均值。

口罩的过滤效率是防颗粒物口罩有效防护的前提，一般过滤效率测试仪器往往仅仅是单向抽气，不具备模拟呼吸的功能，与不能更好地接近人的真实情况。本研究依据滤料过滤效率测试原理进行设计，并创造性的使用双泵交替实现呼吸模拟功能，取得了较好的测试效果。

实际测试分析

利用本发明测试装置和普通口罩过滤性能测试装置分别测试了常用的6个品牌32种自吸过滤式颗粒物防护口罩和1种普通纱布口罩的滤料过滤效率。每个口罩测试3个样本，合计39个口罩。测试前先测试了各类口罩的吸气阻力，在85L/min流量下，阻力均＜100Pa，符合相关呼吸防护器的吸气阻力小于350Pa的要求。

防颗粒物口罩测试流程

测试防颗粒物口罩，准备测试防颗粒物口罩样本，口罩无外观损坏。

测试前的仪器准备：准备密封口罩的密封胶泥，校正两个空气流量计25和26，打开PortaCount呼吸器密合度测试仪，稳定30min；检查各装置连接口，确保密封且无污染、堵塞等。

测试步骤

（1）用密封胶泥将被测口罩固定于口罩固定容器3内，确定被测口罩的边缘均密封。

（2）打开交替开关24使吸气泵23和呼气泵22开始工作，调节流量调节阀，直至流量显示在实验需要的流量，动态呼吸1min。

（3）读取颗粒计数器33的数据，计算被测试口罩的过滤效率。

防颗粒物口罩的过滤效率测试

利用本发明测试装置与传统单向吸气功能仪器同时测试了常用市售6个品牌39个口罩，结果见下方不同类型防颗粒物口罩过滤效率和口罩内外颗粒物浓度比的两种仪器测试结果比较表（由于PortaCount仪器的C_外/C_内检出上限为200，此时过滤效率为99.5%）。

除棉纱口罩外，其余口罩的过滤效率均大于95%，满足N95型口罩要求。

测试结果显示，在无呼吸阀组的口罩中，本仪器与传统单向呼吸测试仪器的测试结果相差不大。但在有呼吸阀的口罩中，本仪器的测试的口罩过滤效率（98.63%）低于传统仪器（99.5%）；本仪器测试的口罩外部和内部颗粒浓度比低于传统仪器，差异均值为326.63，可能与呼吸阀在呼气时开放，呼气气流通过呼吸阀时对口罩的过滤效率有一定影响，也表明本仪器更接近实际的呼吸情况。

胶泥密封呼吸阀后的前后比较

为了排除有呼吸阀组的其他影响，我们将呼吸阀用密封胶泥密封，然后观察其过滤效率有无改变，结果见下方胶泥密封呼吸阀前后口罩过滤性能测试结果表。

当用胶泥密封了呼吸阀之后，本仪器测试的口罩过滤效率明显提高。提示：呼吸阀的确在一定程度上降低了口罩的过滤效率，而这种影响在传统的单向呼吸测试仪中没有观察到。

在使用人体自然呼吸流量进行模拟测试并与传统单向呼吸口罩过滤性能测试仪比较，发现对于具有呼吸阀的防护口罩，本仪器的过滤效率测试更为客观。口罩使用呼吸阀虽然可以使使用者感到通气顺畅，但存在降低其过滤效率的风险，而这种风险通过传统的单向吸气口罩过滤效率检测装置难以检出。

通过此装置对武汉市购6个品牌33种型号口罩的测试结果可以看出，此装置对不同口罩过滤效率检测结果稳定，能较好的区分不同材质的过滤效率。相较以往的类似装置，本发明测试装置的特点增加了呼吸模拟功能，更加贴近人体的实质。在实际使用前应注意清洁，实际测试时，要注意过滤材料边缘的密封，以免影响测试结果。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种口罩过滤性能测试装置，其特征在于：由滤料固定装置（1）、口罩气流控制装置（2）及颗粒浓度测试装置（3）顺序连接而成；其中

所述的滤料固定装置（1）由底座（11）、橡胶垫（12）和中间带孔的口罩固定器（13）紧固连接而成；

所述的口罩气流控制装置（2）包括作为模拟肺的气囊（21）、由呼气泵（22）和第一空气流量计（25）串接形成的呼气通道以及由吸气泵（23）和第二空气流量计（26）串接形成的吸气通道，所述的呼气通道和吸气通道反向并联在气囊（21）上，还包括分别与呼气泵（22）和吸气泵（23）连接的交替开关（24），所述的第一空气流量计（25）和第二空气流量计（26）分别通过呼吸管道（27）与底座（11）连接；

所述的颗粒浓度测试装置（3）包括颗粒计数器（33）以及通过数据线（32）与颗粒计数器（33）连接的电脑（31），所述的颗粒计数器（33）通过内连接管（34）连接气囊（21），颗粒计数器（33）通过外连接管（35）连通环境空气。

2.根据权利要求1所述的一种口罩过滤性能测试装置，其特征在于，所述的颗粒计数器（33）采用PortaCount测试仪。

3.根据权利要求1所述的一种口罩过滤性能测试装置，其特征在于，所述的呼吸管道（27）采用硅胶管，与底座（11）180度笔直延伸连接。

4.根据权利要求1所述的一种口罩过滤性能测试装置，其特征在于，所述的呼气泵（22）和吸气泵（23）气流量范围为9～35L/min。

5.根据权利要求1所述的一种口罩过滤性能测试装置，其特征在于，所述的第一空气流量计（25）和第二空气流量计（26）上均设置有流量调节阀。

6.一种采用权利要求1所述测试装置测试带呼吸阀口罩的过滤性能的方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步，通过口罩固定器（13）将待测口罩固定在滤料固定装置（1）上，采用密封胶泥对口罩边缘进行密封，隔离口罩内外环境；

第二步，分别校正第一空气流量计（25）和第二空气流量计（26），然后打开PortaCount颗粒计数器（33），稳定30min，再次检查各装置连接口；

第三步，开启交替开关（24），使得呼气泵（22）和吸气泵（23）按照2s一呼/2s一吸的周期交替轮流工作；

第四步，读取并记录颗粒计数器（33）显示的口罩内外环境中的颗粒物浓度，以1min为计数单位，除去前20s和后20s部分，记录中间20s的浓度值，根据以下公式算出过滤效率：

过滤效率=1-C_内/C_外

C_内与C_外分别代表口罩内与口罩外环境中测得的颗粒物浓度；

第五步，测试至少3次，然后取平均值。