一种防护性口罩测试系统及测试方法与流程

本发明属于日用品防护性能测试技术领域，特别是涉及一种在不同温湿度的环境中，口罩对空气中的不同粒径颗粒物过滤效果的防护性口罩测试系统。

背景技术：

2014年起，国家将雾霾天气纳入自然灾情进行通报，而佩戴口罩对于普通人来讲就是出行时最直接有效的防雾霾手段。面对后续市面上陆续出现的各种防尘、防霾口罩质量参差不齐的行业乱象，国家组织制定、发布了《gb/t32610日常防护性口罩技术规范》，明确了此类防护性口罩的检验规范，其中就有关于“颗粒物防护效果的测试方法”。

该方法借助一个气溶胶发生器产生一定浓度和粒径的气溶胶颗粒，模拟颗粒物(即pm2.5)在空气中的悬浮状态，并以规定的流量通过口罩，使用颗粒物检测装置侦测通过口罩过滤前后的颗粒物浓度变化情况，以浓度减少量的百分比来评价口罩对颗粒物的防护效果。

目前，市面上已有成熟的设备可以满足此标准的测试要求，但是功能太单一，口罩的实际使用环境和标准要求是存在差异的：人带着口罩走动，口罩所处的环境温度和湿度不是固定不变的，恒定的温湿度不符合使用实际；同理，颗粒物的浓度在不同地点也不相同，气溶胶发生器颗粒物产生浓度在一次测试中应该可以变化；现有设备的温湿度、浓度测量采样频率太低，尤其是为弥补上述两个功能缺陷，较低的采样频率无法满足动态变化下的测试需要，此三个问题是我们的产品需要解决的问题。

技术实现要素：

针对目前此类颗粒物防护测试仪存在的问题，本发明提供一种防护性口罩测试系统，不仅满足国家标准，更可以满足客户多样化的测试需求。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明一种防护性口罩测试系统，包括测试舱、置于测试舱内的头颅模型、呼吸模拟器、气溶胶发生器及实时监控装置，所述测试舱内设置激光粒子计数器ⅰ、激光粒子计数器ⅱ、温控装置及温湿度感测装置，所述头颅模型内设置气室，所述气室分别连接呼吸模拟器、激光粒子计数器ⅱ、口部环境气体采样管及鼻部环境气体采样管；所述激光粒子计数器ⅰ用于测量所述测试舱内的颗粒物初始浓度；所述激光粒子计数器ⅱ用于测量经过口罩过滤之后的颗粒物浓度；温湿度感测装置用于测量所述测试舱内的湿度和温度；

实时监控装置分别连接温湿度感测装置、温控装置、激光粒子计数器ⅰ、激光粒子计数器ⅱ、呼吸模拟器和气溶胶发生器，通过实时控制呼吸模拟器模拟人正常生活的呼吸频率和吸气流量变化，通过控制溶胶发生器模拟生活环境中的颗粒物悬浮浓度，通过温湿度感测装置检测的测试舱内的温湿度，控制温控装置的启动及关闭，测试待测口罩的防护性能。

优选地，所述温湿度感测装置包括感温棒i、感温棒ⅱ、感湿布及感湿水槽，所述感湿棒i和感温棒ⅱ平行置于所述测试舱侧壁上，感温棒ⅱ位于感温棒i的正下方，检测测试舱温度，感湿水槽设置在所述测试舱内感温棒ⅱ的下方，所述感湿布5悬挂在感温棒ⅱ4上，感湿布5的底部置于感湿水槽6中，感温棒i和感温棒ⅱ分别连接实时监控装置和温湿度控制器，通过实时监控装置得到并显示所述测试舱内的实际温度和湿度。

优选地，所述测试舱内还设置有促使舱内空气循环流动的循环风扇，调节舱内温湿度的均匀度。

优选地，所述激光粒子计数器i和激光粒子计数器ⅱ均设置在所述测试舱内，激光粒子计数器i检测所述测试舱内未经口罩过滤的颗粒物初始浓度；激光粒子计数器ⅱ检测经过口罩过滤之后的颗粒物浓度。

优选地，所述实时监控装置包括plc和pc显示器，激光粒子计数器ⅰ、激光粒子计数器ⅱ及温湿度感测装置的感温i和感温棒ⅱ分别连接plc的信号输入端，传递检测信号，plc通过温度控制模块分别连接加热装置和制冷装置，plc流量控制模块分别连接呼吸模拟器和气溶胶发生器，通过pc显示器显示检测的温度、湿度计颗粒物浓度。

优选地，所述温控装置包括加热装置、制冷装置和温湿度控制器,所述加热装置置于测试舱内，温湿度控制器分别连接加热装置和制冷装置的控制开关，调节加热装置和制冷装置的功率大小，通过温湿度控制器控制温湿度上升、下降、稳定。

优选地，所述制冷装置包括压缩机和蒸发器，所述压缩机设置在测试舱的外机台下部空间，蒸发器设置在测试仓内壁，低温冷媒流经蒸发器，蒸发带走测试舱1内热量，用以降温。

优选地，所述实时监控装置包括plc、温度控制模块、湿度控制模块、流量控制模块和pc显示器，激光粒子计数器ⅰ8、激光粒子计数器ⅱ9及温湿度感测装置的感温棒i3和感温棒ⅱ4分别连接plc的信号输入端，传递检测信号，plc输出端分别连接温度控制模块、湿度控制模块和流量控制模块，通过温度控制模块和湿度控制模块分别连接加热装置和制冷装置，通过流量控制模块分别连接呼吸模拟器和气溶胶发生器；通过pc显示器显示检测的温度、湿度计颗粒物浓度。

本发明所述防护性口罩测试系统的测试方法，采用定值控制模式的测试方法：在plc控制器中输入温度、湿度和环境颗粒物浓度三者的设定值，温度的当前实际值由感温棒i直接测得，湿度由感温棒i和感温棒ⅱ测得温度之后，根据当前实际温度和两者温差处理计算得到，测试舱1内的颗粒物浓度由激光粒子计数器i测得，显示在pc显示器上当前的温度、湿度、颗粒物浓度实际值；同时，得到并切换温湿度随时间的变化曲线。

本发明所述防护性口罩测试系统的测试方法，采用程式控制模式的测试方法，包括以下步骤：

s1：营造测试舱1内的温湿度以及颗粒物浓度氛围：预先设定每段程序需要的温度、湿度、颗粒物浓度值，并依次执行，实时监控装置的plc控制器经过相应的pid运算，分别设置测试舱内的温湿度、环境颗粒物浓度的预设值；

s2：判断温度是否达到设定值，测试舱内热平衡是否完成？当温度高于预设值时，温湿度控制器经pid运算，对制冷装置输出信号，制冷装置制冷，测试舱内温度下降；当温度低于预设值时，温湿度控制器对加热装置输出加热信号，加热器加热，测试舱内温度上升；

通过感温棒i和感温棒ⅱ检测湿度是否达到设定值？通过温湿度控制器进行比较，湿度低于预设值时，加湿水槽内的加热丝工作，水槽中的水蒸发加湿；湿度高于预设值时，制冷装置的蒸发器制冷吸湿；

当湿度达到预设值后，激光粒子计数器ⅰ、ⅱ感测的颗粒物浓度反馈给气溶胶发生器，气溶胶发生器自动控制自身的生产速率，使测试舱内浓度符合设定的浓度要求；

s3：在设定的温湿度条件下，plc控制器自动比较测试舱内颗粒物浓度和口罩过滤后的颗粒物浓度值，并以此评判口罩的过滤性能。

本发明的有益效果为：

本发明温湿度控制方面，在一个很大的范围内温湿度是可调的，并且可实现可程式分段控制；气溶胶发生器产生颗粒浓度分段可调，此程序可与前述温湿度程序组合作用；选用高采样频率的温湿度传感器以及pm2.5传感器，反馈更快，调控更灵敏。

附图说明

图1是本发明的温湿度控制部分示意图。

图2是本发明颗粒物浓度控制部分示意图。

图3是本发明实时监控装置示意图。

图4是本发明实时监控装置电路原理图。

图5是本发明温控装置原理图。

图6是本发明的测试方法示意图。

图中：1.测试舱，2.头颅模型，3.感温棒i，4.感温棒ⅱ，5.感湿布，6.感湿水槽，7.循环风扇，8.激光粒子计数器ⅰ，9.激光粒子计数器ⅱ，10.呼吸模拟器，11.气室，12.鼻部环境气体采样管，13.口部环境气体采样管，14.呼吸模拟器管，15.吸入气体采样管，16.气溶胶发生器,17.压缩机，18.蒸发器，19.加热丝ⅰ，20.加热丝ⅱ。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。

实施例1：本发明口罩防护性测试系统依靠硬件结构以及软件操作两部分的有机配合来完成测试目的。硬件部分如图1所示，本发明一种防护性口罩测试系统，包括测试舱1、置于测试舱1内的头颅模型2、呼吸模拟器10、气溶胶发生器16及实时监控装置；

其中测试舱1是所述头颅模型2的固定场所，其内可以营造试验者需要的温湿度以及颗粒物浓度氛围；

所述测试舱1内设置激光粒子计数器ⅰ8、激光粒子计数器ⅱ9、加热装置、制冷装置及温湿度感测装置，所述头颅模型2内设置气室11，所述气室11分别连接呼吸模拟器10、激光粒子计数器ⅱ9、口部环境气体采样管13及鼻部环境气体采样管12；所述激光粒子计数器ⅰ8用于测量所述测试舱内的颗粒物初始浓度；所述激光粒子计数器ⅱ9用于测量经过口罩过滤之后的颗粒物浓度；温湿度感测装置用于测量所述测试舱内的湿度和温度；

实时监控装置分别连接温湿度感测装置、加热装置、制冷装置、激光粒子计数器ⅰ8、激光粒子计数器ⅱ9、呼吸模拟器10和气溶胶发生器16，通过实时控制呼吸模拟器10模拟人正常生活的呼吸频率和吸气流量变化，通过控制溶胶发生器16模拟生活环境中的颗粒物悬浮浓度，通过温湿度感测装置检测的测试舱内的温湿度，控制加热装置和制冷装置的启动及关闭，测试待测口罩的防护性能。

所述温湿度感测装置包括感温棒i3、感温棒ⅱ4、感湿布5及感湿水槽6，所述感湿棒i3和感温棒ⅱ4平行置于所述测试舱1的侧壁上，与舱壁垂直，感温棒ⅱ4位于感温棒i3的正下方，检测测试舱1内的温度，感湿水槽6设置在所述测试舱1内感温棒ⅱ4的下方，本例二者相距约5cm，所述感湿布5悬挂在感温棒ⅱ4上，感湿布5的底部置于感湿水槽6中，感温棒i和感温棒ⅱ分别连接实时监控装置，感温棒i3和感温棒ⅱ4分别连接实时监控装置；其中：感温棒i3测得所述测试舱1内的当前实际温度，根据感湿棒i3和感温棒ⅱ4测得的温度差和当前实际温度计算得到湿度。

所述测试舱1内还设置有促使舱内空气循环流动的循环风扇7，通过电动马达带动其旋转，调节测试舱1内温湿度的均匀度。

所述激光粒子计数器i8和激光粒子计数器ⅱ9均设置在所述测试舱1内，所述激光粒子计数器i8检测所述测试舱1内未经口罩过滤的颗粒物初始浓度；用于表征口罩防护效果；所述激光粒子计数器ⅱ9检测经过口罩过滤之后的颗粒物浓度；用于表征口罩过滤效果。

如图3、图4所示，所述实时监控装置包括plc、温度控制模块、湿度控制模块、流量控制模块和pc显示器，激光粒子计数器ⅰ8、激光粒子计数器ⅱ9及温湿度感测装置的感温棒i3和感温棒ⅱ4分别连接plc的信号输入端，传递检测信号，plc输出端分别连接温度控制模块、湿度控制模块和流量控制模块，通过温度控制模块和湿度控制模块分别连接加热装置和制冷装置，通过流量控制模块分别连接呼吸模拟器和气溶胶发生器；通过pc显示器显示检测的温度、湿度计颗粒物浓度。

所述plc还可以连接打印机，打印任意时间点或时间段的检测报告。

如图5所示，所述温控装置包括加热装置、制冷装置和温湿度控制器,所述加热装置置于测试舱内靠近循环风扇7设置，温湿度控制器分别连接加热装置和制冷装置的控制开关，调节加热装置和制冷装置的开启和功率大小。

所述加热装置为加热器，本例采用大功率加热丝ⅰ19，靠近测试舱1内的循环风扇设置。

所述制冷装置包括压缩机17和蒸发器18，所述压缩机设置在测试舱的外机台下部空间，蒸发器设置在测试仓后侧壁上，低温冷媒流经蒸发器，蒸发带走测试舱1内热量，用以降温。

高热空气在测试舱1内循环用以提升测试舱1内的温度，温控器控制温湿度上升、下降、稳定：其中温度控制：当实际温度高于设定值，则温控器控制制冷装置加大功率，温度下降；当实际温度低于设定值，则温控器控制加热装置加大功率，温度上升；稳定过程是一个动态的平衡过程，理论上加热和制冷的功率一致就可以维持；湿度控制：当实际湿度高于设定值，则温控器控制制冷装置加大功率，蒸发器吸收湿气，降低测试舱1内的湿度值；当实际湿度低于设定值时，在测试舱外部设置的加热器(本例采用小加热丝ⅱ20，置于水槽下方)加热加湿水槽，蒸发水槽内的水汽，起到加湿效果。

所述头颅模型2共有两款，分别仿照成人和儿童头部大小制作，用于测试成年和未成年人群佩戴的口罩。

所述头颅模型2内的气室11连接的四条气体通道，其中鼻部环境气体采样管12模拟呼吸时从鼻子吸气；口部环境气体采样管13模拟使用嘴巴吸气；头部模型呼吸管道14连接呼吸模拟器10，所述呼吸模拟器10可以模拟人正常生活的呼吸频率和吸气流量变化；吸入气体采样管15连接所述激光粒子计数器ⅱ9，测量经过口罩过滤之后的颗粒物浓度；气溶胶发生器16可产生一定粒径范围的油性或者盐性颗粒物，配合所述循环风扇7模拟生活环境中的颗粒物悬浮流动状态。

如图4所示，本发明的防护性口罩测试系统，在程式控制模式下的测试方法，包括以下步骤：

s1：预先设定多段温度、湿度和颗粒浓度，同时可设定每段程序的保持时间，例如：程序1：温度30℃，湿度60％rh，浓度10μg/m³，时间10min；

程序2：温度50℃，湿度60％rh，浓度14μg/m³，时间20min；

程序3：温度50℃，湿度50％rh，浓度20μg/m³，时间15min；

......

根据测试需要自由设定程序段条件，最高可以设置九段程序；

当温度高于预设值时，plc的温度控制模块经pid运算，对制冷装置输出信号，制冷装置制冷，测试舱内温度下降；当温度低于预设值时，plc温度控制模块对加热装置输出加热信号，加热器加热，测试舱内温度上升；

s2：通过感温棒i和感温棒ⅱ检测湿度是否达到设定值？通过温湿度温控器进行比较，湿度低于预设值时，加湿水槽内的加热丝工作，加湿水槽中的水蒸发加湿；湿度高于预设值时，制冷装置的蒸发器制冷吸湿；

湿度达到预设值后，激光粒子计数器ⅰ、ⅱ感测的颗粒物浓度反馈给气溶胶发生器，气溶胶发生器自动控制自身的生产速率，使测试舱内浓度符合设定的浓度要求；

s3：在设定的温湿度条件下，plc控制器自动比较测试舱内颗粒物浓度和口罩过滤后的颗粒物浓度值，并以此评判口罩的过滤性能。

本发明通过加热系统和制冷系统有机协调，控制温湿度上升、下降、稳定，当实际温度高于设定值，则温控器控制制冷装置功率加大，温度下降；实际温度低于设定值，则温控器控制加热装置功率加大，温度上升；稳定过程是一个动态的平衡过程，理论上加热和制冷的功率一致就可以维持；当实际湿度高于设定值，则温控器控制制冷功率加大，蒸发器吸收湿气，降低测试舱内的湿度值，湿度低于设定值时，加湿水槽的小加热丝加热，蒸发水槽内的水汽蒸发，起到加湿效果。

本发明在定值控制模式下的测试方法：在plc控制器界面中可以输入温湿度和环境颗粒物浓度三者的设定值，温度的当前实际值由感温棒i直接测得，湿度由感温棒i和感温棒ⅱ测得温度之后，根据当前实际温度和两者温差处理计算得到，测试舱1内的颗粒物浓度由激光粒子计数器i测得，并且显示在pc显示器上当前的温度、湿度、颗粒物浓度实际值；同时，可以得到并切换温湿度随着时间的变化曲线。

本发明的程式控制模式测试方法，是需要预先设定多段温湿度和颗粒浓度程序，以及每段程序的保持时间，相比定值控制模式，每段程序的至少一个条件不相同，本发明按照设定的程序逐一执行，该模式方便研究不同环境下的口罩过滤效果；其激光粒子计数器ⅱ测到的过滤之后的颗粒物浓度同样会实时显示在主界面上；本发明可选择生成测试报告，内容包含必要的测量值、温湿度曲线、过滤效率(％)等，尤其是过滤效率选项中可选择某一时间点、某一段时间甚至某一个程序下整体的过滤效果，此报告可以以图片格式保存，也可以直接连接打印机打印出来。所述程式控制模式相较定值控制模式可一次设定多组条件，因此可以研究口罩在不同条件下的过滤性能，更加节约测试时间，偏研究性使用。