醫用口罩氣體交換壓力差測試儀的設計

冀中祥

(沈陽紫微恒檢測設備有限公司，遼寧 沈陽 110114)

0 引言

2020年突如其來的新型冠狀病毒感染肺炎疫情席卷了全球各個國家，由于新型冠狀病毒通過飛沫傳播，因此人們出行佩戴口罩成為必須。同時市場上涌現出各種各樣的口罩并且質量參差不齊，特別是醫用口罩應用于醫療門診、實驗室、手術室等高要求環境，所以對于口罩質量的檢測刻不容緩。

醫用口罩具有阻止血液、體液及飛濺物傳播的防護功能，其防護安全性較高，對于病毒和細菌的阻隔也有較強的能力。口罩為了達到較好的防護效果其阻力必然加大，但是影響人體呼吸的流暢及舒適度，所以氣體交換性壓力差值非常關鍵。為了保證醫用口罩的氣體交換壓力差數值，本文參考我國相關標準要求，設計研制了醫用口罩氣體交換壓力差測試儀，可實現對醫用口罩壓力差數值的直觀便捷測量。

1 醫用口罩氣體交換壓力差測試儀測試原理與結構

1.1 測試原理

醫用口罩氣體交換壓力差測試儀用于醫用口罩通力阻力的測定,一定流量氣體通過口罩表面一定截面積A時，口罩兩側產生的氣體壓力差值為PM，即口罩在單位面積對氣流的阻力為交換壓力差值ΔP，計算公式為：

(1)

1.2 測試儀結構

本醫用口罩氣體交換壓力差測試儀主要由箱體、測試夾具、質量流量計、壓差傳感器、緩沖容器、隔膜泵、電氣控制系統及人機界面等組成，如圖1所示。測試時，將醫用口罩裝于測試夾具并夾緊，通過流量計和電氣控制系統的PLC調節隔膜泵輸出流量為8 L/min的氣體，通過PLC采集壓差傳感器信號，經觸摸屏處理顯示出口罩兩側氣體交換壓力差值。

1-被檢醫用口罩；2-測試夾具；3-質量流量計；4-緩沖容器；5-隔膜泵

1.2.1 測試夾具

測試夾具主要由固定板、固定座、上腔、下腔、O型圈、石墨銅套、快速夾鉗、快插接頭等組成，如圖2所示。

1-固定板；2-鎖母接頭；3-快插接頭；4-頂絲；5-下腔固定座；6-下腔；7-O型圈；8-滑動上腔；9-石墨銅套；10-上腔固定座；11-快速夾鉗固定座；12-快速夾鉗

本測試夾具夾持口罩并在口罩兩側形成檢測氣腔，所以密封很重要，故采用端面密封方式，既保證了口罩與下腔的密封，又方便口罩的夾持，無需裁剪口罩即可進行試驗。

下腔裝入下腔固定座內并用頂絲緊固，以防轉動;上腔固定座內鑲入石墨銅套并與滑動上腔進行滑動配合，其中石墨銅套具有自潤滑性，既提高了銅套的使用壽命又保證了石墨銅套與滑動上腔之間滑動自如；下腔固定座、上腔固定座及快速夾鉗固定座均固定在固定板上，這樣容易保證滑動上腔、下腔及快速夾鉗之間的同軸度，以保證上、下腔壓緊后上、下腔內孔氣流經過的截面積一致。

在口罩裝夾時，先將快速夾鉗旋轉至0°，將口罩展開平鋪在下腔端面的O型圈上，然后將快速夾鉗旋轉至90°，經快速夾鉗帶動滑動上腔使其端面壓緊口罩，行成測試腔。

1.2.2 電氣控制系統及人機界面

控制系統上位機采用觸摸屏界面作為人機界面，下位機采用PLC作為控制系統。PLC的模擬量輸入點用于采集壓差傳感器和質量流量計的輸出信號，模擬量輸出點用于調節隔膜泵以滿足調節流量的要求。

測試時，在人機界面上設定氣體流量8 L/min，點擊開始按鍵，隔膜泵自動啟動，PLC自動調節隔膜泵轉速和采集質量流量計的輸出信號來調節所需氣體流量。當流量穩定后，PLC會自動采集壓差傳感器輸出信號，經觸摸屏數據處理后相關數據均顯示在觸摸屏界面上，包括當前壓差、當前阻力和流量。檢測完成后，試驗數據均自動記錄并且自動保存在歷史數據里，以便查詢。控制系統人機界面如圖3所示。

圖3 控制系統人機界面

2 測試儀技術特點

(1)測試夾具采用端面密封口罩，不僅密封性好，而且無需裁剪破壞送檢樣品，有利于被檢樣品保持原樣。采用快速夾鉗可直接準確定位、快速夾緊，操作方便快捷，提高效率。

(2)測試儀內置隔膜泵，通過PLC和質量流量計可以自動調節隔膜泵進氣流量，方便智能，可實現1 L/min～10 L/min氣體流量的自動調節，并且控制流量更精準。結合高精度壓差傳感器，使該測試儀的檢測精度更準確，為醫用口罩是否合格提供了有效的保障。

(3)采用觸摸屏顯示，人機界面友好，操作方便，有利于提高測試效率。

本測試儀不僅可以用于醫用口罩氣體交換壓力差的測試，也可用來測定其他紡織材料的氣體交換壓力差，應用廣泛。

3 測試儀計量分析

為了保證測量的交換壓力差值的準確性，需要對該測試儀進行計量校準。該測試儀使用的壓差傳感器、質量流量計的準確性直接關系到設備的精度，所以重點需要對這兩個傳感器進行檢定。

3.1 壓差傳感器

壓差傳感器的具體參數：量程為0 Pa～400 Pa，精度為±1%F.S，輸出方式為4 mA～20 mA電流。

壓差傳感器檢定依據為JJG875—2019《數字壓力計檢定規程》，低壓端連接大氣，高壓端與檢定裝置連接，檢定示意圖如圖4所示。

圖4 壓差傳感器檢定示意圖

3.2 質量流量計

質量流量計具體參數：量程為0.1 L/min～10 L/min，精度為±(1.5%Rd+0.2%F.S)，輸出方式為4 mA～20 mA電流。

質量流量計檢定依據為JJG1132—2017《熱式氣體質量流量計》，采用皂膜式氣體流量標準裝置進行檢定，檢定示意圖如圖5所示。

圖5 質量流量計檢定示意圖

經以上檢定后，所采用壓差傳感器、質量流量計均滿足出廠精度要求，同時也滿足YY/T0969—2013《一次性使用醫用口罩》、YY0469—2011《醫用外科口罩》中對流量和壓差數值的要求，該測試儀可以對醫用口罩進行氣體交換壓力差數值的測試。

4 結語

本文設計的醫用口罩氣體交換壓力差測試儀采用觸摸屏和PLC作為控制系統，不僅操作簡單而且有助于提高檢測效率。該測試儀經過計量完全合格，能夠實現對醫用口罩交換壓力差數值的測定并符合相關標準，適用于檢測部門推廣使用。