矿用呼吸器面罩泄漏率测试装置

煤矿井下多发瓦斯、煤尘、顶板等事故，灾害现场环境恶劣，通常充满大量烟雾、粉尘、有毒有害气体，直接威胁矿山救援人员的生命安全。目前，氧气呼吸器是矿山救援个体防护的核心装备，是救援队员生命的重要保障。呼吸器面罩是呼吸器直接和使用者构成联系的关键部件，其性能好坏直接影响呼吸器的使用安全。具20 世纪90 年代至今的不完全统计，因呼吸器面罩密合性缺陷导致氧气泄漏造成窒息死亡事故10 余起，CO 中毒事故百余起[1]。研究如何检测呼吸器用面罩的优劣，对保证呼吸器的安全性能有重要作用。评价呼吸器面罩性能的1 个主要指标就是泄漏率[2]，即在规定条件下，受试者吸气时泄漏入面罩内的模拟剂浓度与吸入空气中模拟剂浓度的比值。但是目前针对矿用呼吸器面罩的研究比较匮乏，缺乏泄漏率的有效检测手段。口罩[3-5]、防毒面具[6]等相近行业，虽有类似指标的检验方法，但都为真人试验，存在伦理道德和生命健康安全等方面的风险。因此，针对矿用氧气呼吸器面罩泄漏率这个指标，研究并设计了专用的测试装置。

1 装置组成

面罩泄漏率装置结构示意图如图1。装置由检测仓、隔离门斗、引风机、HEPA 过滤器、气溶胶发生器、混匀稀释单元、扩散单元、气溶胶光度计、气溶胶收集及多级过滤单元、计算机及电气控制单元等组成。其中气溶胶发生器用来生成微小油雾颗粒，并由混匀稀释单元及扩散单元将油雾稀释成标准要求的浓度范围并将其均匀充满检测仓。气溶胶光度计用来实时采集分析面罩内外的油雾气体浓度。装置同时设计配备了呼吸模拟器和人体头模模型，用以模拟并取代真人试验。

图1 面罩泄漏率装置结构示意图
Fig.1 Structural diagram of mask leakage rate device

1-匀混稀释单元；2-扩散段；3-头模或试验人；4-检测仓；5-隔离门斗；6-HEPA；7-气溶胶发生器；8-引风机及多级过滤器；9-计算机控制系统；10-气溶胶光度计(内置)。

1）气溶胶发生器。气溶胶发生器可发生包括玉米油等多种气溶胶溶剂，发生量可通过流量控制器自由调节，发生环节采用静电消除器以保障气溶胶颗粒在输送管道中均匀分布。参数为：①流量调节范围：50～200 L/min；②发生粒径：0.02～2 μm；③压缩空气压力：20～23 psi（1 psi=6.895 kPa）。

2）气溶胶光度计。装置采用2 台气溶胶光度计分别检测仓内浓度和面具内部经过滤后的泄漏浓度。①光度计内置采样泵，采样流量：1～2 L/min；②检测范围：0.001～200 mg/m3；③检测精度：1%；④响应时间：500 ms。

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作为一种现代化的教育新形式，本研究从教育自身的角度出发，通过技术解决教育发展上的疑难问题.针对特定的教育问题，研究其规律，使用微课程解决数学教学中的重点或疑难问题，提供给学生有针对性的个性化学习，是回归微课应用价值的认知，也是技术回归教育本质的实践，其研究的思路和成果为区域微课程资源开发和应用提供了样本.

第二，朗读是有层阶的。从学段的纵向延伸看，由“学习朗读”到“朗读”再到“能朗读”，我们看到了朗读作为能力习惯的渐次更新；从每个学段的横向延伸看，由“正确朗读”到“流利朗读”再到“有感情朗读”，我们也看到了朗读作为技巧品质的不断提升。

3）模拟呼吸器。①模拟呼吸调节范围：30～60次/min；②模拟呼吸潮气量调节范围：0.5～3.0 L/min。

邓肃（1091-1132）《送成材》借冯道寄托忠奸之感慨：“伯夷自甘首阳蕨，商臣不戴周日月。那知世人冷笑渠，却言冯道有全节……” 〔17〕（卷七）胡寅（1098-1156）也针对苏辙维护冯道的言论，大谈君臣之义：“苏氏尝学春秋而昧乎君重于师之义，区区立论为道解纷，亦可见其不知王道之权衡矣……而乃君亡不愤，国破不耻，推戴他人，忍而安之，人理至此。则虽空天下而无人举，生齿而尽死亦何预。”〔18〕（卷三十）范浚（1102-1150）把国家灭亡归因于冯道这类人：“冯道相庄宗，又相明帝……方且著书，自陈更事四姓与契丹所得阶勋官爵以为荣，呜呼！有臣如此，唐与晋汉安得不亡乎？ ”〔19〕（卷八）

4）仿人头模型设计。考虑到矿用呼吸器的使用者为成年男性，本装置依据GB/T 5703—2010《用于技术设计的人体测量基础项目》[7]、GB/T 2428—1998《成年人头面部尺寸》[8]，结合中国成年男性头部尺寸参数，选定制作10 种不同规格头模, 面罩泄漏率测试装置头模设计尺寸见表1。

表1 面罩泄漏率测试装置头模设计尺寸
Table 1 Design of the head mould of mask leakage rate test device

规格10头长/mm 177.5 180.9 182.6 184.4 187.8 189.6 191.3 194.7 196.5 198.2头宽/mm 144.6 147.8 149.4 150.9 154.1 155.7 157.3 160.5 162 163.6头围/mm 525.3 537.5 543.7 549.8 562.1 568.0 574.4 586.6 592.8 598.9规格1规格2规格3规格4规格5规格6规格7规格8规格9

2 工作原理

装置的工作原理示意图如图2。

图2 装置工作原理示意图
Fig.2 Schematic diagram of the working principle of the device

1-微差压变送器1；2-球阀1；3-气溶胶发生器；4-静电消除器；5-过滤减压阀和流量控制器；6-气控阀；7-空气压缩机；8-球阀2；9-球阀3；10-微差压变送器2；11-高效过滤器；12-中效过滤器；13-初效过滤器；14-光度计2；15-光度计1。

测试开始前，首先开启管道风机，经高效过滤器向检测仓引入洁净空气。将被检面罩配戴到头模上，按面罩使用方法检查确认气密可靠后，利用光度计2 检测受试面罩内部浓度本底平均值C0，计算机记录并保存该数值。

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使用气溶胶发生器及静电消除器产生气溶胶雾气，在混匀稀释单元与经气溶胶发生器发出的玉米油颗粒物均匀混合形成空气动力学粒径为0.02～2 μm 的油雾。油雾浓度由压缩空气回路流量控制器决定，根据气溶胶光度计的检测结果进行闭环控制。风机产生的气流经过球阀1 进入进气通路，将油雾带入循环系统。当光度计1 检测到检测仓内油雾浓度C1 达到试验要求值时，球阀1 和球阀3 关闭，气溶胶发生器停止工作，浓度稳定的油雾将被循环利用进行试验，以减少气溶胶的损耗并缩短检测仓内油雾浓度均匀分布的时间。

控制测试用头模保持静置、上下摆动、左右摆动3 种状态各1 min，利用光度计2 自动读取受试面罩内部每种动作状态下的油雾浓度平均值C2i，通过计算机按照式（1）计算出单一状态泄漏率Ki。

使用不同的头模对面罩进行测试，每个头模的面罩泄漏率Kn 由式（2）计算：

分别用10 组头模进行测试，被测面罩样品的泄漏率K 由式（3）计算：

试验结束后，球阀2 关闭，球阀1、球阀3 打开，残余气溶胶可以经过多级过滤器滤除并回收，直至光度计1 检测到仓内气溶胶浓度为0 时停止工作。

3 装置性能验证

3.1 油雾浓度稳定性

油雾浓度是面罩泄漏率装置的主要技术指标之一[9-10]，其稳定性直接影响测试结果的准确度。装置的油雾浓度控制范围为150～200 mg/cm3，取中间值175 mg/cm3 对装置的油雾浓度稳定性进行验证。设置装置的油雾发生浓度为175 mg/cm3，待气溶胶发生器停止工作后，每隔2 min 测试1 次检测仓内的油雾浓度，连续测试1 h。测试时间内检测仓油雾浓度变化情况如图3，该时间段内，油雾浓度平均值为174.88 mg/cm3，标准偏差为3.02 mg/cm3。

图3 油雾浓度测试曲线
Fig.3 Test values of the oil mist concentration

3.2 泄漏率测试结果的重复性

选取不同地区不同企业生产的全面罩和半面罩各5 种，在175 mg/cm3 油雾浓度下进行测试，每个样品测试10 次，面罩泄漏率测试结果重复性见表2。全面罩测试结果的重复性误差均小于0.6%，半面罩测试结果的重复性误差均小于1.2%。

表2 面罩泄漏率测试结果重复性
Table 2 Repeatability of mask leakage rate test

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4 结 语

设 计了一款基于气溶胶和仿人模型的矿用呼吸器面罩泄漏率测试装置，实现了对矿用呼吸器面罩泄漏率的综合、精准测试。有助于全面评估、检测矿用呼吸器的综合安全性能。经过试验验证，该装置能够在非真人试验基础上，实现相关参数的高精度测试且性能稳定，为国内矿用呼吸器用面罩泄漏率的确定及标准化提供了良好的实验基础。