CN207280915U - 一种口罩防护效果与负载呼吸阻力同步实时测试装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及口罩检测技术领域，具体是一种口罩防护效果与负载呼吸阻力同步实时测试装置，能够检测不同颗粒物状态下的口罩防护效果与负载呼吸阻力，具有使用方便，结构简单的技术特点。本实用新型采用的技术方案是：一种口罩防护效果与负载呼吸阻力同步实时测试的装置，其特征在于：包括测试仓、用于佩戴口罩的头模、通过管路连接测试仓的颗粒物发生模块、通过管路连接头模的呼吸模拟机以及与头模相连的数据接收与处理模块，颗粒物发生模块生成的颗粒物送入测试仓，数据接收与处理模块检测头模模拟呼吸时口罩的颗粒防护效果以及负载呼吸阻力。
Description
技术领域
本实用新型涉及口罩检测技术领域，具体是一种口罩防护效果与负载呼吸阻力同步实时测试装置。
背景技术
每到秋冬季节，我国就进入雾霾多发期，其中对人体危害最大的就是空气动力学直径小于2.5μm的颗粒污染物(Particulate Matter，PM2.5)，其被吸入人体后会直接进入肺支气管或血液循环系统，急性呼吸道疾病，脑血管疾病、心肌缺血和肺癌等疾病均与PM2.5颗粒物有关。防雾霾口罩几乎成了市民出门的标配，但与之相对的却是口罩产品质量参差不齐，有的产品虚假宣传，消费者不知该如何选择合适的口罩。
防雾霾口罩的防护效果与呼吸阻力是衡量口罩品质最重要的两个指标。防护效果指人体佩戴口罩过程中所起到的真实颗粒物过滤效果。除了口罩使用材料本身的过滤效率，口罩样式设计也是决定防护效果的关键，一旦口罩与佩戴者脸部无法完全密合，颗粒物就会从空隙处泄露进来，造成防护失效，像口罩鼻梁处的铁条，四周边缘的弹性垫片，均是为了提高口罩与人脸密合性而设计。GB 2626(GB2626-2006)标准规定必须对口罩进行泄漏率检测，要求用真人检测，选择10名刮净胡须的受试者，其脸型应属该类产品的有代表性的使用者，并考虑面型和性别的不同，在一定盐/油颗粒物浓度的测试仓内顺序做5个动作，包括静止、左右转动头部、抬头低头、大声阅读文字、静止等，模拟正常使用情况。在进行每个动作时，同时检测测试仓和口罩内颗粒物质量浓度。此方法主要存在如下问题：采用真人测试，会危害检测人员身体健康；不同机构的检测人员，同一机构的不同批检测人员，泄漏率测试结果可能存在偏差，容易引起口罩送检企业对不合格测试结果的争议。GB/T 32610(GB/T 32610-2016)标准规定采用3种不同号型(大、中、小)的成人头模代替真人，通过呼吸模拟机模拟人体呼吸过程，来检测口罩防护效果。
口罩呼吸阻力大小，直接决定了消费者佩戴口罩时的舒适性。目前GB/T32610标准和GB 2626标准规定的口罩呼吸阻力均为固定85L/min吸气/呼气流量下的洁净空气静态测试结果，而实际佩戴过程中，人体处于循环反复的动态呼吸过程，随着佩戴时间的延长，颗粒物会逐渐沉积到口罩上，而盐性颗粒物的沉积，往往会造成口罩防护效果提高与呼吸阻力增加。口罩滤料过滤分三个阶段：洁净滤料的稳态过滤，含尘滤料的非稳态过滤和滤料表面有粉尘层时的表面非稳态过滤。从过滤方式看，主要有内部过滤和表面过滤两种。内部过滤又称深层过滤，首先起过滤作用的是滤料中的纤维，然后滤料内部的粉尘将和纤维一起参与过滤过程。当达到一定的负载量后，后续的粉尘将沉积在滤料表面，形成滤饼，此时粉尘层将起主要的过滤作用，就是表面过滤。用TSI 8130测试口罩负载过滤效率时发现，初始压力降为100Pa的口罩，经20min颗粒物负载测试之后，压力降大于350Pa，已超出中美标准对吸气阻力的限值要求。因此，在评价口罩佩戴舒适性时，不仅仅要考虑洁净口罩的呼吸阻力，更要考察在颗粒物负载过程中，呼吸阻力的变化速度以及口罩的容尘量。
目前用于测试口罩防护效果所使用的颗粒物为多分散颗粒物，如GB/T 32610标准规定盐颗粒物的空气动力学直径分布应为0.02μm至2μm，质量中位径约为0.6μm；玉米油颗粒物的空气动力学直径分布应为0.02μm至2μm，质量中位径约为0.3μm，而实际情况中，不同使用环境下颗粒物粒径分布明显不同，且颗粒物粒径对于沉积过程影响很大。目前国内尚无不同颗粒物状态下的口罩防护效果与负载呼吸阻力同步实时测试装置。
实用新型内容
本实用新型的目的是克服背景技术中的不足，提供一种口罩防护效果与负载呼吸阻力同步实时测试装置，能够检测不同颗粒物状态下的口罩防护效果与负载呼吸阻力，具有使用方便，结构简单的技术特点。
本实用新型采用的技术方案是：
一种口罩防护效果与负载呼吸阻力同步实时测试的装置，其特征在于：包括测试仓、用于佩戴口罩的头模、通过管路连接测试仓的颗粒物发生模块、通过管路连接头模的呼吸模拟机以及与头模相连的数据接收与处理模块，颗粒物发生模块生成的颗粒物送入测试仓，数据接收与处理模块检测头模模拟呼吸时口罩的颗粒防护效果以及负载呼吸阻力。
作为优选，所述颗粒物发生模块包括压缩气源组件、检测盐颗粒组件以及检测油颗粒组件，压缩气源组件的气流出口分两路，一路通过第一阀门与检测盐颗粒组件连接，另一路通过第二阀门与检测油颗粒组件连接；检测盐颗粒组件与检测油颗粒组件的气流出口分别通过管路连接到测试仓的上部。
作为优选，所述压缩气源组件包括通过管路依次连接的压缩气源、第一稳压阀及第一质量流量控制器，第一质量流量控制器的出口作为所述压缩气源组件气源组件的气流出口。
作为优选，所述检测盐颗粒组件包括通过管路依次连接的盐气溶胶发生器、第一混合腔以及第一颗粒物粒径切割器，其中，盐气溶胶发生器的入口与第一阀门连接，第一颗粒物粒径切割器的出口作为检测盐颗粒组件的气流出口；检测盐颗粒组件还包括通过管路依次连接的静电中和器、加热管以及干净气源组件，静电中和器与第一混合腔连接，加热管与干净气源组件的出口之间设有第三阀门。
作为优选，所述检测油颗粒组件包括通过管路依次连接的油气溶胶发生器、第二混合腔以及第二颗粒物粒径切割器，其中，油气溶胶发生器的入口与第一阀门连接，第二颗粒物粒径切割器的出口作为检测油颗粒组件的气流出口；检测油颗粒组件还包括干净气源组件，干净气源组件的出口通过管路以及第四阀门与第二混合腔连接。
作为优选，所述干净气源组件包括通过管路依次连接的干净气源、第二稳压阀以及第二质量流量控制器，第二质量流量控制器的出口作为干净气源组件的出口。
作为优选，所述测试仓为具有观察窗的可密闭仓室，仓内放置有风扇，仓底制有排气用的开口。
作为优选，所述数据接收与处理模块包括与头模相连的颗粒物检测模块与阻力测试模块，及接收并处理颗粒物检测模块与阻力测试模块信号的上位机系统。
作为优选，所述头模具有三个开孔，分别为嘴巴及两个鼻孔，其中嘴巴通过管路与呼吸模拟机相连，一个鼻孔与颗粒物检测模块相连，另一个鼻孔与阻力测试模块相连。
本实用新型工作原理如下：通过颗粒物发生模块发生不同粒径分布和浓度的盐颗粒或油颗粒来模拟污染空气环境；通过呼吸模拟机与头模相连来模拟人体的呼吸过程；通过颗粒物检测模块对测试仓和口罩内颗粒物浓度测量来实现口罩防护效果的检测；通过阻力测试模块检测口罩两侧压力差实现对口罩呼吸阻力的检测；通过上位机系统实时记录口罩内外颗粒物浓度与压力差，可计算可得到口罩防护效果及呼吸阻力随时间的变化曲线，根据测试过程中的实时口罩内外浓度差及呼吸流量，经计算可得到颗粒物实时负载量，进一步得到呼吸阻力和防护效果关于颗粒物负载量的关联曲线(可得到颗粒物负载过程对呼吸阻力的影响)。用此方法可以实现口罩防护效果与负载呼吸阻力同步实时测试，并可得到不同种类、粒径、浓度的颗粒物负载过程对口罩防护效果和负载呼吸阻力的影响。
本实用新型所述方法能实现如下有益效果：可再现人体佩戴口罩时的情景；机构检测人员均为成年人，儿童款口罩没法检测泄漏率，改用儿童头模来代替，可解决儿童款口罩无法测试防护效果的问题；颗粒物浓度、发生流量和粒径稳定且可控；测试仓内部颗粒物分布均匀；负载呼吸阻力与口罩内外颗粒物浓度能实时记录，能研究不同粒径、浓度颗粒物对防护效果和负载呼吸阻力的影响；选取某阻力值为中断测试值，可以得到口罩的极限负载量以及佩戴的使用寿命，为不同使用情况下口罩更换频率提供参考。本实用新型可应用于口罩检测行业，并更加真实准确地评价防雾霾口罩性能，结构简单，操作方便。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图。
图2为本实用新型实施例测试中口罩内外侧颗粒物浓度随时间的变化曲线。
图3为本实用新型实施例测试中呼吸阻力随时间的变化曲线。
图4为本实用新型实施例测试中阻力与防护效果随时间的变化曲线。
图5为本实用新型实施例测试中阻力与防护效果关于颗粒物负载量的关联曲线。
图中所示:颗粒物发生模块1、头模2、呼吸模拟机3、数据接收与处理模块4、压缩气源组件5、压缩气源6、第一稳压阀7、第一质量流量控制器8、检测盐颗粒组件9、检测油颗粒组件10、盐气溶胶发生器11、第一混合腔12、加热管13、静电中和器14、干净气源组件15、干净气源16、第二稳压阀17、第二质量流量控制器18、油气溶胶发生器19、第二混合腔20、第一颗粒物粒径切割器21、第二颗粒物粒径切割器22、颗粒物检测模块23、阻力测试模块24、上位机系统25、管路26、测试仓27，第一阀门28-1，第二阀门28-2，第三阀门28-3，第四阀门28-4。
具体实施方式
下面对本实用新型作进一步说明，但本实用新型并不局限于以下实施例。
如图1所示，一种口罩防护效果与负载呼吸阻力同步实时测试装置，包括头模2，通过管路26连接测试仓27的颗粒物发生模块1，通过管路26连接头模2的呼吸模拟机3，与头模2相连的数据接收与处理模块4，颗粒物发生模块1包括压缩气源组件5、通过第一阀门28-1与压缩气源组件5连接的检测盐颗粒组件9、通过第二阀门28-2与压缩气源组件5连接的检测油颗粒组件10，数据接收与处理模块4包括与头模2相连的颗粒物检测模块23与阻力测试模块24，及接收并处理颗粒物检测模块23与阻力测试模块24信号的上位机系统25。头模2制有3个开孔，分别为嘴巴及两个鼻孔，其中嘴巴通过管路26与呼吸模拟机3相连，一个鼻孔处连接数据接收与处理模块4中的颗粒物检测模块23相连，另一个鼻孔与数据接收与处理模块4中的阻力测试模块24相连。头模2佩戴口罩样品，放置于测试仓27内。
测试仓27为大小合理，具有观察窗的可密闭仓室，颗粒物发生模块1通过管路26与测试仓27相连，管路26与测试仓27连接处做密封处理。颗粒物从顶部均匀送入，仓内放置风扇，使测试过程中颗粒物能在测试仓内均匀分布，测试结束后，颗粒物从仓底的开口排出。
压缩气源组件5包括压缩气源6、通过管路26连接压缩气源6的第一稳压阀7及通过管路26与稳压阀7相连的第一质量流量控制器8，可使得颗粒物发生状态稳定。
所述检测盐颗粒组件9包括通过管路26依次连接的盐气溶胶发生器11、第一混合腔12以及第一颗粒物粒径切割器21，其中，盐气溶胶发生器的入口与第一阀门28-1连接，第一颗粒物粒径切割器的出口作为检测盐颗粒组件的气流出口；检测盐颗粒组件还包括通过管路依次连接的静电中和器14、加热管13以及干净气源组件15，静电中和器14与第一混合腔12连接，加热管13与干净气源组件15的出口之间设有第三阀门28-3。在第一混合腔内形成稳定、静电中和、干燥的盐颗粒物；通过调节压缩气源和干净气源流速，可调节颗粒物浓度；通过颗粒物粒径切割器，可调节颗粒物粒径分布，进而研究粒径对防护效果以及负载呼吸阻力的影响。
检测油颗粒组件10包括与第二混合腔20通过管路26以及第四阀门28-4相连的干净气源组件15、油气溶胶发生器19及第二颗粒物粒径切割器23，在混合腔内形成稳定的油颗粒物；通过调节颗粒物发生气源和干净气源流速，可调节颗粒物浓度；通过颗粒物粒径切割器，可调节颗粒物粒径分布，进而研究粒径对防护效果以及负载呼吸阻力的影响。
所述干净气源组件包括通过管路依次连接的干净气源16、第二稳压阀17以及第二质量流量控制器18，第二质量流量控制器的出口作为干净气源组件的出口。
呼吸模拟机3可实现频率为20次/min，潮气量为1.5L的正弦呼吸气流，模拟人体呼吸过程。也可根据实际测试需要调节频率和潮气量，频率调节范围为5～40次/min，潮气量调节范围为0.5～3.0L。
颗粒物检测模块23主要部件为颗粒物浓度监测装置，可同时监测测试仓及头模佩戴口罩后吸入气体中的颗粒物浓度，经上位机系统计算得到防护效果，计算用的编程技术为现有技术，在此不作详细介绍。
阻力测试模块24主要部件为压差传感器，测试呼吸阻力。
通过颗粒物发生模块1发生不同粒径分布和浓度的盐颗粒或油颗粒来模拟空气环境；通过呼吸模拟机3与头模2相连来模拟人体的呼吸过程；通过颗粒物检测模块23对测试仓和口罩内颗粒物浓度测量来实现口罩防护效果的检测；通过阻力测试模块24检测口罩两侧压力差实现对口罩呼吸阻力的检测；通过上位机系统25实时记录口罩内外颗粒物浓度与压力差，可计算可得到口罩防护效果及呼吸阻力随时间的变化曲线，根据测试过程中的实时口罩内外浓度差及呼吸流量，经计算可得到颗粒物实时负载量，进一步得到呼吸阻力和防护效果关于颗粒物负载量的关联曲线。用此方法可以实现口罩防护效果与负载呼吸阻力同步实时测试，并可得到不同粒径、浓度的颗粒物对口罩防护效果和负载呼吸阻力的影响。
测试开始前，将口罩样品佩戴在头模2上，放入测试仓27内，通过管路26与呼吸模拟机3相连，然后打开颗粒物浓度发生模块1中的压缩气源组件5，盐颗粒物组件9或油颗粒物组件10的电源，得到所需浓度和粒径分布的颗粒物，并将颗粒物从测试仓27的顶部均匀送入，打开颗粒物检测模块23与阻力测试模块24，开启仓内风扇，当测试仓27内浓度达到预设值时，打开呼吸模拟机3，通过记录并分析口罩两侧的颗粒物浓度及压力差实现对口罩防护效果与负载呼吸阻力特性的测量。
下面以一个具体的实施例来进一步说明本实用新型。
选取5个典型的口罩试样；测试参数为测试仓内盐颗粒物浓度稳定在25mg/m3，浓度偏差小于5％，颗粒物经粒径切割器后粒径范围控制在小于1μm；呼吸频率设定为20次/min，潮气量为1.5L；每个口罩样品均持续进行60分钟实验。图2为本实施例中1号口罩试样外侧/测试仓和内侧/头模嘴部颗粒物浓度随时间的变化曲线，图3为本实施例中1号口罩试样呼吸阻力随时间的变化曲线。选取一个呼吸周期曲线中的最大吸气阻力或者呼气阻力作为阻力实测值。下表为5个口罩试样防护效果与负载呼吸阻力的测试结果。
| 相关数值 | 口罩1 | 口罩2 | 口罩3 | 口罩4 | 口罩5 |
| 初始防护效果 | 80％ | 80％ | 65％ | 75％ | 75％ |
| 60min后防护效果 | 90％ | 88％ | 75％ | 83％ | 80％ |
| 防护效果增加值 | 10％ | 8％ | 10％ | 8％ | 5％ |
| 初始吸气阻力 | 100pa | 100pa | 60pa | 85pa | 105pa |
| 60min后吸气阻力 | 180pa | 210pa | 110pa | 195pa | 192pa |
| 吸气阻力增加值 | 80pa | 110Pa | 50Pa | 110Pa | 87Pa |
根据测试过程中的实时口罩内外浓度差及呼吸流量，经计算可得到颗粒物实时负载量。图4和图5为经数据处理与分析后得到的典型口罩试样防护效果与负载呼吸阻力随时间的变化曲线，以及关于颗粒物负载量的关联曲线。由图可看到测试过程中随着时间的增加，盐颗粒物不断负载到口罩上，使得呼吸阻力增加、防护效果变好。
口罩1初始防护效果最高，测试结束后防护效果增加值最大；初始吸气阻力偏高，但是阻力增加值较低，可得到试验样本中口罩1的防护效果性能最好，颗粒物负载对阻力影响较小，综合评价性能最优，适用于严重雾霾天气。如果更注重佩戴舒适性，口罩3是最佳选择，适用于轻微雾霾天气。
上述实施方式是本实用新型的一个实例，本实用新型在基本结构和工作原理不变的情况下还有其它的实施方式，并不限于以上描述。任何熟悉本专业的技术人员在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，都应该涵盖在本实用新型的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种口罩防护效果与负载呼吸阻力同步实时测试装置，其特征在于：包括测试仓(27)、用于佩戴口罩的头模(2)、通过管路(26)连接测试仓(27)的颗粒物发生模块(1)、通过管路(26)连接头模(2)的呼吸模拟机(3)以及与头模(2)相连的数据接收与处理模块(4)，颗粒物发生模块(1)生成的颗粒物送入测试仓(27)，数据接收与处理模块(4)检测头模(2)模拟呼吸时口罩的颗粒防护效果以及负载呼吸阻力。
2.根据权利要求1所述的一种口罩防护效果与负载呼吸阻力同步实时测试装置，其特征在于：所述颗粒物发生模块(1)包括压缩气源组件(5)、检测盐颗粒组件(9)以及检测油颗粒组件(10)，压缩气源组件(5)的气流出口分两路，一路通过第一阀门(28-1)与检测盐颗粒组件(9)连接，另一路通过第二阀门(28-2)与检测油颗粒组件(10)连接；检测盐颗粒组件(9)与检测油颗粒组件(10)的气流出口分别通过管路(26)连接到测试仓(27)的上部。
3.根据权利要求2所述的一种口罩防护效果与负载呼吸阻力同步实时测试装置，其特征在于：所述压缩气源组件(5)包括通过管路(26)依次连接的压缩气源(6)、第一稳压阀(7)及第一质量流量控制器(8)，第一质量流量控制器(8)的出口作为所述压缩气源组件(5)的气流出口。
4.根据权利要求2所述的一种口罩防护效果与负载呼吸阻力同步实时测试装置，其特征在于：所述检测盐颗粒组件(9)包括通过管路(26)依次连接的盐气溶胶发生器(11)、第一混合腔(12)以及第一颗粒物粒径切割器(21)，其中，盐气溶胶发生器(11)的入口与第一阀门连接，第一颗粒物粒径切割器(21)的出口作为检测盐颗粒组件(9)的气流出口；检测盐颗粒组件(9)还包括通过管路(26)依次连接的静电中和器(14)、加热管(13)以及干净气源组件(15)，静电中和器(14)与第一混合腔(12)连接，加热管(13)与干净气源组件(15)的出口之间设有第三阀门(28-3)。
5.根据权利要求2所述的一种口罩防护效果与负载呼吸阻力同步实时测试装置，其特征在于：所述检测油颗粒组件(10)包括通过管路(26)依次连接的油气溶胶发生器(19)、第二混合腔(20)以及第二颗粒物粒径切割器(22)，其中，油气溶胶发生器(19)的入口与第一阀门连接，第二颗粒物粒径切割器(22)的出口作为检测油颗粒组件(10)的气流出口；检测油颗粒组件(10)还包括干净气源组件(15)，干净气源组件(15)的出口通过管路(26)以及第四阀门(28-4)与第二混合腔(20)连接。
6.根据权利要求4或5所述的一种口罩防护效果与负载呼吸阻力同步实时测试装置，其特征在于：所述干净气源组件(15)包括通过管路(26)依次连接的干净气源(16)、第二稳压阀(17)以及第二质量流量控制器(18)，第二质量流量控制器的出口作为干净气源组件(15)的出口。
7.根据权利要求1所述的一种口罩防护效果与负载呼吸阻力同步实时测试装置，其特征在于：所述测试仓(27)为具有观察窗的可密闭仓室，仓内放置有风扇，仓底制有排气用的开口。
8.根据权利要求1所述的一种口罩防护效果与负载呼吸阻力同步实时测试装置，其特征在于：所述数据接收与处理模块(4)包括与头模(2)相连的颗粒物检测模块(23)与阻力测试模块(24)，及接收并处理颗粒物检测模块(23)与阻力测试模块(24)信号的上位机系统(25)。
9.根据权利要求8所述的一种口罩防护效果与负载呼吸阻力同步实时测试装置，其特征在于：所述头模(2)具有三个开孔，分别为嘴巴及两个鼻孔，其中嘴巴通过管路(26)与呼吸模拟机(3)相连，一个鼻孔与颗粒物检测模块(23)相连，另一个鼻孔与阻力测试模块(24)相连。
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110320141A (zh) * | 2019-05-10 | 2019-10-11 | 中国建筑科学研究院有限公司 | 一种电动口罩送风量和净化性能的检测装置和检测方法 |
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| CN116429664A (zh) * | 2023-06-13 | 2023-07-14 | 广东毅达医疗科技股份有限公司 | 一种呼吸机口鼻面罩阻力检测装置 |
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