CN113865949B - 一种口罩型霾污染天气人体呼吸暴露采样装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种口罩型霾污染天气人体呼吸暴露采样装置及方法，包括呼吸面罩、采样头、采样管、呼吸管和采样主机；呼吸面罩的边缘处设置有密封环，采样头设置于呼吸面罩的中下部，采样头的一侧安装有封板；采样主机包括壳体和设置于壳体内的气泵、第一流量计、第二流量计、控制器和电池；呼吸管的一端与呼吸面罩的敞口的一侧连通，呼吸管的另一端与第一流量计的出气口连通；采样管的一端穿过呼吸面罩伸入封板内，采样管的另一端与第二流量计的进气口连通，第二流量计的出气口与气泵的进气口连通；气泵、第一流量计、第二流量计和电池均与控制器电性连接。本申请解决了现有技术中的人体呼吸暴露采样装置的采样结果存在较大误差的问题。

Description

一种口罩型霾污染天气人体呼吸暴露采样装置及方法

技术领域

本申请属于大气颗粒物采样技术领域，具体涉及一种口罩型霾污染天气人体呼吸暴露采样装置及方法。

背景技术

大气细颗粒物是大气环境中化学组成最复杂、危害最大的污染物，现已成为影响大气环境质量和人体健康的主要危害因素之一，PM2.5是大气霾污染的主要成分，其空气动力学等效粒径≤2.5m，颗粒表面形态结构复杂且比表面积大，利于富集环境空气中毒害组分，进而穿透肺部参与全身血液循环引发一系列心脑血管疾病。有研究表明，高浓度PM2.5暴露会引发人体血压上升、心律失常，产生中风、急性心梗、动脉粥样硬化等症状，且暴露时间越长，心血管疾病患者死亡率越高。以霾污染天气为代表的PM2.5污染呼吸暴露会显著增加人体健康风险，短期霾天气污染暴露可能会增加呼吸系统(非肺癌)人群寿命的损失，如果PM2.5污染浓度降低至中国或世界卫生组织日均浓度标准可能会延长呼吸系统疾病人群的寿命。

现有的人体呼吸暴露采样装置通常为可穿戴式，该类采样装置通常挂在人员的腰间或者肩上等部位，因此不能直接采集人员呼吸范围内的有效空气样本，即使将人体呼吸暴露采样装置设置于人员面部，也不能真实体现人员的呼吸流量，因此现有的人体呼吸暴露采样装置不能直接采集反映人体呼吸暴露的有效样本，给采样结果带来了较大的误差，同时现有的人体呼吸暴露采样装置还存在价格昂贵、穿戴不便等问题，进而给个人空气污染暴露情况的评估带来了诸多不便。

发明内容

本申请实施例通过提供一种口罩型霾污染天气人体呼吸暴露采样装置及方法，解决了现有技术中的人体呼吸暴露采样装置的采样结果存在较大误差的问题。

为了实现上述目的，本发明实施例提供了一种口罩型霾污染天气人体呼吸暴露采样装置，包括呼吸面罩、采样头、采样管、呼吸管、以及采样主机；

所述呼吸面罩具有盖合至鼻部和口部的敞口，所述呼吸面罩和面部接触的边缘处设置有密封环，所述呼吸面罩的两侧设置有相配合的头带；

所述采样头设置于所述呼吸面罩的中下部，所述采样头位于所述呼吸面罩的敞口的一侧安装有用于密封所述采样头的封板；

所述采样主机包括壳体、以及设置于所述壳体内的气泵、第一流量计、第二流量计、控制器和电池；

所述呼吸管的一端与所述呼吸面罩的敞口的一侧连通，所述呼吸管的另一端与所述第一流量计的出气口连通；

所述采样管的一端穿过所述呼吸面罩伸入所述封板内，所述采样管的另一端与所述第二流量计的进气口连通，所述第二流量计的出气口与所述气泵的进气口连通；

所述气泵、所述第一流量计、所述第二流量计、以及所述电池均与所述控制器电性连接。

在一种可能的实现方式中，所述密封环为环状结构的管，所述密封环采用柔性材料；

所述气泵的进气口分出两路进气管道，两路所述进气管道包括采样进气管和充气进气管；所述采样进气管的端部与所述第二流量计的出气口连通，所述充气进气管的端部与大气连通；

所述气泵的出气口分出两路出气管道，两路所述出气管道包括采样出气管和充气出气管，所述采样出气管的端部与大气连通；所述充气出气管的端部与充气管的一端连通，所述充气管的另一端与所述密封环连通；

所述采样进气管、所述充气进气管、所述采样出气管、以及所述充气出气管上均设置有电磁阀，所述电磁阀和所述控制器电性连接。

在一种可能的实现方式中，所述呼吸面罩的下部设置有气管安装座，所述气管安装座上设置有采样口、通气口和充气口；

所述采样口在所述气管安装座靠近所述呼吸面罩的敞口的一侧设置有采样输气管，所述采样输气管的端部与伸入所述封板内；

所述通气口通过呼吸输气管与所述呼吸面罩的敞口的一侧连通；

所述充气口在所述气管安装座靠近所述呼吸面罩的敞口的一侧设置有密封输气管，所述密封输气管的端部与所述密封环连通；

所述呼吸管、所述采样管、以及所述充气管的远离所述采样主机的一端分别连接有通气插口、采样插口、以及充气插口，所述通气插口、所述采样插口、以及所述充气插口均安装于气管对接座上，所述气管对接座和所述气管安装座可拆卸连接。

在一种可能的实现方式中，所述呼吸面罩的中部设置有过滤阀；

所述过滤阀和所述采样头远离所述呼吸面罩的敞口的一侧均设置有密封盖；

所述密封盖包括口框、挡板、以及滑盖，所述挡板设置于所述口框的下部，所述口框的两侧设置有滑槽，所述滑盖两侧卡接于所述滑槽内，所述滑盖的周向设置有密封条，滑动所述滑盖可开合所述密封盖。

在一种可能的实现方式中，所述第一流量计的出气口处设置有过滤组件。

在一种可能的实现方式中，所述壳体上设置有显示屏和功能按键，所述显示屏和所述功能按键均与所述控制器电性连接；

所述控制器采用微处理器，所述微处理器上设置有蓝牙wifi模块。

本发明实施例还提供了一种口罩型霾污染天气人体呼吸暴露采样方法，使用上述的口罩型霾污染天气人体呼吸暴露采样装置，包括以下步骤：

通过头带佩戴呼吸面罩；

启动采样主机，人员正常呼吸，使得空气从第一流量计的进气口进入，然后经第一流量计的出气口和呼吸管进入人员体内，第一流量计实时监控人员呼入的空气流量；

控制器根据第一流量计监测的空气流量，控制气泵运行，使气泵通过采样管吸入同等体积的空气，第二流量计对气泵吸入的空气流量进行监测；

采样管吸入的空气进入采样头和封板的封闭空间，然后穿过采样头排至大气，在这过程中，空气中的大气颗粒物附着在采样头的滤膜上；

第二流量计监测的空气流量和第一流量计监测的空气流量相等时，控制器控制气泵关闭吸入的空气流量；

重复以上步骤直至完成空气的采样，然后关闭采样主机，摘除呼吸面罩。

本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明实施例提供了一种口罩型霾污染天气人体呼吸暴露采样装置及方法，该装置在使用时，人员通过呼吸管进行呼吸，第一流量计实时监控人员呼入的空气流量，控制器根据第一流量计监测的空气流量，控制气泵运行，使气泵通过采样管吸入同等体积的空气，第二流量计对气泵吸入的空气流量进行监测，根据第二流量计监测的空气流量和第一流量计监测的空气流量相等时，控制器控制气泵关闭吸入的空气流量；空气中的大气颗粒物附着在采样头的滤膜上，从而实现了个体的精准采样。

本发明首先将人员呼入的空气流量进行检测，再将人员面部呼吸范围内的空气通过气泵等量抽入，因此能够真实体现人员的呼吸流量，从而使该装置能够直接采集反映人体呼吸暴露的有效样本，因此该方法误差小，结果精确，避免了现有采样装置不能直接采集人员呼吸范围内的有效空气样本、以及不能真实体现人员的呼吸流量的问题。该方法不会造成人员呼吸受阻而导致身体不适的问题，并且该装置结构简单，因此成本低，便于穿戴，实用性强。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的口罩型霾污染天气人体呼吸暴露采样装置的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的呼吸面罩外侧的结构示意图。

图3为本发明实施例提供的呼吸面罩敞口侧的结构示意图。

图4为本发明实施例提供的过滤阀的安装示意图。

图5为本发明实施例提供的采样主机的内部结构示意图。

图6为本发明实施例提供的采样主机的外部结构示意图。

附图标记：1-呼吸面罩；11-密封环；12-头带；2-采样头；21-封板；3-采样管；4-呼吸管；5-采样主机；51-壳体；52-气泵；53-第一流量计；54-第二流量计；55-控制器；56-电池；57-显示屏；6-气管安装座；61-采样口；62-通气口；63-充气口；64-采样输气管；65-呼吸输气管；66-密封输气管；7-充气进气管；8-充气出气管；9-采样出气管；10-采样进气管；13-过滤阀；14-密封盖；141-口框；142-挡板；143-滑盖；15-电磁阀；16-气管对接座，17-充气管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

如图1至图6所示，本发明实施例提供的口罩型霾污染天气人体呼吸暴露采样装置，包括呼吸面罩1、采样头2、采样管3、呼吸管4、以及采样主机5。

呼吸面罩1具有盖合至鼻部和口部的敞口，呼吸面罩1和面部接触的边缘处设置有密封环11，呼吸面罩1的两侧设置有相配合的头带12。

采样头2设置于呼吸面罩1的中下部，采样头2位于呼吸面罩1的敞口的一侧安装有用于密封采样头2的封板21。

采样主机5包括壳体51、以及设置于壳体51内的气泵52、第一流量计53、第二流量计54、控制器55和电池56。

呼吸管4的一端与呼吸面罩1的敞口的一侧连通，呼吸管4的另一端与第一流量计53的出气口连通。

采样管3的一端穿过呼吸面罩1伸入封板21内，采样管3的另一端与第二流量计54的进气口连通，第二流量计54的出气口与气泵52的进气口连通。

气泵52、第一流量计53、第二流量计54、以及电池56均与控制器55电性连接。

需要说明的是，密封环11用于保证呼吸面罩1和人的面部为密封连接，从而避免气体流出而导致采样结果不准确的问题。

呼吸面罩1两侧的头带12数量均为两个，两个相配合的头戴通过卡扣和卡环连接，头带12采用弹性材料，从而可进一步保证密封性。

人员佩戴好本发明的采样装置后，通过控制器55启动该采样装置即可进行大气的采样。采样时，人员通过呼吸管4进行呼吸，第一流量计53实时监控人员呼入的空气流量，第一流量计53对人员呼出的流量不进行监测。控制器55根据第一流量计53监测的空气流量，控制气泵52运行，使气泵52通过采样管3吸入同等体积的空气，第二流量计54对气泵52吸入的空气流量进行监测，根据第二流量计54监测的空气流量和第一流量计53监测的空气流量相等时，控制器55控制气泵52关闭,即人员呼入的空气流量等于气泵52吸入的空气流量。空气中的大气颗粒物附着在采样头2的滤膜上，从而实现了个体的精准采样。

本实施例中，密封环11为环状结构的管，密封环11采用柔性材料。

气泵52的进气口分出两路进气管道，两路进气管道包括采样进气管10和充气进气管7。采样进气管10的端部与第二流量计54的出气口连通，充气进气管7的端部与大气连通。

气泵52的出气口分出两路出气管道，两路出气管道包括采样出气管9和充气出气管8，采样出气管9的端部与大气连通。充气出气管8的端部与充气管17的一端连通，充气管17的另一端与密封环11连通。

采样进气管10、充气进气管7、采样出气管9、以及充气出气管8上均设置有电磁阀15，电磁阀15和控制器55电性连接。

需要说明的是，人员佩戴好本发明的采样装置时，通过控制器55控制采样进气管10和采样出气管9上的电磁阀15关闭，控制充气进气管7和充气出气管8上的电磁阀15开启。然后控制气泵52运行，气泵52通过充气管17将气体充入密封环11，密封环11胀大，密封环11胀大后与人的面部紧密贴合，从而能够提高呼吸面罩1和人的面部的密封性，进而提高了该采样装置的可靠性。

采样时，关闭充气进气管7和充气出气管8上的电磁阀15，并打开采样进气管10和采样出气管9上的电磁阀15。

本实施例中，呼吸面罩1的下部设置有气管安装座6，气管安装座6上设置有采样口61、通气口62和充气口63。

采样口61在气管安装座6靠近呼吸面罩1的敞口的一侧设置有采样输气管64，采样输气管64的端部与伸入封板21内。

通气口62通过呼吸输气管65与呼吸面罩1的敞口的一侧连通。

充气口63在气管安装座6靠近呼吸面罩1的敞口的一侧设置有密封输气管66，密封输气管66的端部与密封环11连通。

呼吸管4、采样管3、以及充气管17的远离采样主机5的一端分别连接有通气插口、采样插口、以及充气插口，通气插口、采样插口、以及充气插口均安装于气管对接座上，气管对接座和气管安装座6可拆卸连接。

需要说明的是，通气插口可插入通气口62，并实现密封连接。采样插口可插入采样口61，并实现密封连接。充气插口可插入充气口63，并实现密封连接。

本发明的采样装置不使用时，将气管对接座和气管安装座6拆卸，通气插口退出通气口62，采样插口退出采样口61，充气插口退出充气口63。然后采用堵盖将气管安装座6封堵，防止杂物污染。进而使该采样装置便于携带，便于维护。

如图4所示，本实施例中，呼吸面罩1的中部设置有过滤阀13。

过滤阀13和采样头2远离呼吸面罩1的敞口的一侧均设置有密封盖14。

密封盖14包括口框141、挡板142、以及滑盖143，挡板142设置于口框141的下部，口框141的两侧设置有滑槽，滑盖143两侧卡接于滑槽内，滑盖143的周向设置有密封条，滑动滑盖143可开合密封盖14。

需要说明的是，本发明的采样装置采样时，关闭过滤阀13上的密封盖14，打开采样头2上的密封盖14。

将采样主机5和呼吸管4、采样管3、以及充气管17拆卸后，本发明的采样装置可作为过滤面具使用，使用时，打开过滤阀13上的密封盖14，关闭采样头2上的密封盖14，堵盖将气管安装座6封堵，过滤阀13作为过滤空气的部件。

本实施例中，第一流量计53的出气口处设置有过滤组件。

需要说明的是，本发明的采样装置采样时，人员呼吸的空气可通过过滤组件进行过滤，从而保证采样时人员的安全性。

如图6所示，本实施例中，壳体51上设置有显示屏57和功能按键，显示屏57和功能按键均与控制器55电性连接。

控制器55采用微处理器，微处理器上设置有蓝牙wifi模块。

需要说明的是，显示屏57和功能按键可便于人机交互。蓝牙wifi模块可便于人员通过手机控制或显示采样主机5的工作状态。

如图1至图6所示，本发明实施例还提供了一种口罩型霾污染天气人体呼吸暴露采样方法，使用上述的口罩型霾污染天气人体呼吸暴露采样装置，包括以下步骤：

通过头带12佩戴呼吸面罩1。

启动采样主机5，人员正常呼吸，使得空气从第一流量计53的进气口进入，然后经第一流量计53的出气口和呼吸管4进入人员体内，第一流量计53实时监控人员呼入的空气流量。

控制器55根据第一流量计53监测的空气流量，控制气泵52运行，使气泵52通过采样管3吸入同等体积的空气，第二流量计54对气泵52吸入的空气流量进行监测。

采样管3吸入的空气进入采样头2和封板21的封闭空间，然后穿过采样头2排至大气，在这过程中，空气中的大气颗粒物附着在采样头2的滤膜上。

第二流量计54监测的空气流量和第一流量计53监测的空气流量相等时，控制器55控制气泵52关闭,此时，人员呼入的空气流量等于气泵52吸入的空气流量。

重复以上步骤直至完成空气的采样，然后关闭采样主机5，摘除呼吸面罩1。

需要说明的是，本发明首先将人员呼入的空气流量进行检测，再将人员面部呼吸范围内的空气通过气泵52等量抽入，因此能够真实体现人员的呼吸流量，从而使该装置能够直接采集反映人体呼吸暴露的有效样本，因此该方法误差小，结果精确，避免了现有采样装置不能直接采集人员呼吸范围内的有效空气样本、以及不能真实体现人员的呼吸流量的问题。该方法不会造成人员呼吸受阻而导致身体不适的问题，并且该装置结构简单，因此成本低，便于穿戴，实用性强。

本实施例中，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (7)

1.一种口罩型霾污染天气人体呼吸暴露采样装置，其特征在于：包括呼吸面罩(1)、采样头(2)、采样管(3)、呼吸管(4)、以及采样主机(5)；

所述呼吸面罩(1)具有盖合至鼻部和口部的敞口，所述呼吸面罩(1)和面部接触的边缘处设置有密封环(11)，所述呼吸面罩(1)的两侧设置有相配合的头带(12)；

所述采样头(2)设置于所述呼吸面罩(1)的中下部，所述采样头(2)位于所述呼吸面罩(1)的敞口的一侧安装有用于密封所述采样头(2)的封板(21)；

所述采样主机(5)包括壳体(51)、以及设置于所述壳体(51)内的气泵(52)、第一流量计(53)、第二流量计(54)、控制器(55)和电池(56)；

所述呼吸管(4)的一端与所述呼吸面罩(1)的敞口的一侧连通，所述呼吸管(4)的另一端与所述第一流量计(53)的出气口连通；

所述采样管(3)的一端穿过所述呼吸面罩(1)伸入所述封板(21)内，所述采样管(3)的另一端与所述第二流量计(54)的进气口连通，所述第二流量计(54)的出气口与所述气泵(52)的进气口连通；

所述气泵(52)、所述第一流量计(53)、所述第二流量计(54)、以及所述电池(56)均与所述控制器(55)电性连接。

2.根据权利要求1所述的口罩型霾污染天气人体呼吸暴露采样装置，其特征在于：所述密封环(11)为环状结构的管，所述密封环(11)采用柔性材料；

所述气泵(52)的进气口分出两路进气管道，两路所述进气管道包括采样进气管(10)和充气进气管(7)；所述采样进气管(10)的端部与所述第二流量计(54)的出气口连通，所述充气进气管(7)的端部与大气连通；

所述气泵(52)的出气口分出两路出气管道，两路所述出气管道包括采样出气管(9)和充气出气管(8)，所述采样出气管(9)的端部与大气连通；所述充气出气管(8)的端部与充气管(17)的一端连通，所述充气管(17)的另一端与所述密封环(11)连通；

所述采样进气管(10)、所述充气进气管(7)、所述采样出气管(9)、以及所述充气出气管(8)上均设置有电磁阀(15)，所述电磁阀(15)和所述控制器(55)电性连接。

3.根据权利要求2所述的口罩型霾污染天气人体呼吸暴露采样装置，其特征在于：所述呼吸面罩(1)的下部设置有气管安装座(6)，所述气管安装座(6)上设置有采样口(61)、通气口(62)和充气口(63)；

所述采样口(61)在所述气管安装座(6)靠近所述呼吸面罩(1)的敞口的一侧设置有采样输气管(64)，所述采样输气管(64)的端部与伸入所述封板(21)内；

所述通气口(62)通过呼吸输气管(65)与所述呼吸面罩(1)的敞口的一侧连通；

所述充气口(63)在所述气管安装座(6)靠近所述呼吸面罩(1)的敞口的一侧设置有密封输气管(66)，所述密封输气管(66)的端部与所述密封环(11)连通；

所述呼吸管(4)、所述采样管(3)、以及所述充气管(17)的远离所述采样主机(5)的一端分别连接有通气插口、采样插口、以及充气插口，所述通气插口、所述采样插口、以及所述充气插口均安装于气管对接座上，所述气管对接座和所述气管安装座(6)可拆卸连接。

4.根据权利要求1所述的口罩型霾污染天气人体呼吸暴露采样装置，其特征在于：所述呼吸面罩(1)的中部设置有过滤阀(13)；

所述过滤阀(13)和所述采样头(2)远离所述呼吸面罩(1)的敞口的一侧均设置有密封盖(14)；

所述密封盖(14)包括口框(141)、挡板(142)、以及滑盖(143)，所述挡板(142)设置于所述口框(141)的下部，所述口框(141)的两侧设置有滑槽，所述滑盖(143)两侧卡接于所述滑槽内，所述滑盖(143)的周向设置有密封条，滑动所述滑盖(143)可开合所述密封盖(14)。

5.根据权利要求1所述的口罩型霾污染天气人体呼吸暴露采样装置，其特征在于：所述第一流量计(53)的出气口处设置有过滤组件。

6.根据权利要求1所述的口罩型霾污染天气人体呼吸暴露采样装置，其特征在于：所述壳体(51)上设置有显示屏(57)和功能按键，所述显示屏(57)和所述功能按键均与所述控制器(55)电性连接；

所述控制器(55)采用微处理器，所述微处理器上设置有蓝牙wifi模块。

7.一种口罩型霾污染天气人体呼吸暴露采样方法，其特征在于，使用如权利要求1至6任一项所述的口罩型霾污染天气人体呼吸暴露采样装置，包括以下步骤：

通过头带(12)佩戴呼吸面罩(1)；

启动采样主机(5)，人员正常呼吸，使得空气从第一流量计(53)的进气口进入，然后经第一流量计(53)的出气口和呼吸管(4)进入人员体内，第一流量计(53)实时监控人员呼入的空气流量；

控制器(55)根据第一流量计(53)监测的空气流量，控制气泵(52)运行，使气泵(52)通过采样管(3)吸入同等体积的空气，第二流量计(54)对气泵(52)吸入的空气流量进行监测；

采样管(3)吸入的空气进入采样头(2)和封板(21)的封闭空间，然后穿过采样头(2)排至大气，在这过程中，空气中的大气颗粒物附着在采样头(2)的滤膜上；

第二流量计(54)监测的空气流量和第一流量计(53)监测的空气流量相等时，控制器(55)控制气泵(52)关闭,此时，人员呼入的空气流量等于气泵(52)吸入的空气流量；

重复以上步骤直至完成空气的采样，然后关闭采样主机(5)，摘除呼吸面罩(1)。

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