口罩盐性颗粒物过滤效率试验台设计

2021-03-19张茜

机械工程师 2021年3期

张茜

（沈阳紫微恒检测设备有限公司，沈阳110144）

0 引言

自2019年12月新冠肺炎（COVID-19）爆发以来，截至2020年7月31日，全球累计确诊病例16 812 755人，死亡6 662 095人[1]。虽然新冠肺炎具有高度的传染性，并可以通过飞沫和气溶胶感染，但只要正确佩戴口罩，新型冠状病毒感染的风险就可以大大降低。口罩可以有效地阻挡含病毒的飞沫核，防止佩戴者吸入并感染。随着疫情的持续加重，口罩的市场需求量飞速增加，甚至出现了一“罩”难求的局面，导致口罩生产产业链迅速膨胀，据国家发展改革委2020年2月27日宣布：全国口罩日产能达到7285万只，日产量达到7619万只[2]。在产量迅速提高的同时，口罩的质量把控也显得尤为重要，为此国家质检总局于2020年2月13日出台了《市场监管总局等八部门关于开展打击整治非法制售口罩等防护产品专项行动的紧急通知》[3]的文件，对口罩质量提出了严格要求并进行严格监管。

口罩盐性颗粒物过滤效率是评判口罩质量的重要指标。根据国内外相关文献的实验数据，飞沫是一种非油性颗粒物，直径0.5～20.0 μm的飞沫会悬浮在空气中并被易感人群吸入，因此预防新型冠状病毒感染的口罩必须能有效阻挡直径在0.5 μm以上的非油性颗粒物，才能起到防护作用[4]。如何判断口罩对于新冠病毒的防护作用，这就需要专业的测试设备对口罩的非油性颗粒物即盐性颗粒物的过滤效率进行测试，得出科学结论。

迫于疫情的持续蔓延和口罩的大量生产，因此当务之急需要尽快研制出既能达到国内的相关口罩标准，而且成本相对较低，又有较高测试准确度的口罩盐性颗粒物过滤效率试验台，进而满足市场急需，为疫情防控工作提供有力的技术支撑。

1 设备简介及技术参数

口罩盐性颗粒物过滤效率试验台主要用于测试口罩盐性颗粒物的过滤效率试验和口罩的气流阻力试验。试验台为操作台与控制系统集成一体机，整体外壳采用钣金喷塑箱体，箱体下部有脚轮可进行移动和调整，压缩空气管路及零部件均采用耐腐蚀材料。上位机采用一体式计算机，软件程序基于VC平台开发，实时显示当前设备的流量、压差、温湿度和颗粒物浓度等参数。在进行数据设定后，口罩自动进行装夹，设备自动进行试验，流量和颗粒物浓度自动进行调节，试验结束后自动计算过滤效率。而且试验数据可进行储存、导出和历史查询。根据国内口罩相关标准[5-9]的试验参数对照表如表1所示。由此确定试验台的设计技术参数为：盐性颗粒物类型为NaCl，盐性颗粒物溶液配比为2% 的NaCl溶液。颗粒物浓度范围为12～30 mg/m3，计数中位径（0.075±0.020）μm，粒度分布的几何偏差不超过1.86，质量中值粒径（0.24±0.06）μm。气体流量测试范围为15～100 L/min，准确度为±2% F.S。压力传感器量程为0～1000 Pa，准确度±0.5% F.S。颗粒物数据采集误差范围为±5%。盐性颗粒物过滤效率测量范围为0～99.999%。外形尺寸为0.9 m×0.88 m×1.51 m。供电为交流220 V，功率为1.5 kW。

表1 口罩相关标准中盐性颗粒物过滤效率试验参数对照表

2 系统组成

口罩盐性颗粒物过滤效率试验台系统原理如图1所示。

图1 口罩盐性颗粒物过滤效率试验台系统原理图

考虑到设备后期维护的便捷性，该系统采用正压形式，动力源为空压机。压缩空气经过滤减压阀减压和初级除水过滤后，进入精密过滤器进行三级过滤，最高过滤精度达到0.05 μm。压缩空气管路安装电解点压力表，实时监控主压缩空气管路内部气压。经过精密过滤器过滤后的压缩空气分为3路：第一路为洁净压缩空气，经过主气路电气比例阀，根据流量与压差之间的关系，通过控制气压从而控制流量；第二路为盐性颗粒物发生气路，经过颗粒物发生气路电气比例阀调节压力来控制盐性颗粒物的发生浓度，在颗粒物发生气路电气比例阀与颗粒物发生器之间安装单向阀，防止由于清洁管路的压缩空气压力过高发生溶液反流，对阀门造成损坏；第三路为气缸动力气源，通过气缸电磁阀控制夹紧气缸对口罩夹具实现开闭，对试验用口罩进行装夹。口罩夹具采用碗式结构，下部固定，上部加紧，气流通过有效面积100 cm2，满足相关标准要求。

第一路的洁净空气与第二路的盐性颗粒物混合空气在混合器进行均匀混合后进入口罩夹具上部，经过试验用口罩后，通过下部的喷嘴排出。排出端采用颗粒计数器对排出空气的盐性颗粒物进行采集，从而计算口罩的过滤效率。其中试验件压差传感器用于采集试验用口罩在设定流量下的气流阻力。流量计用压差传感器用于采集喷嘴两端的压差，经过计算可得出当前的体积流量。设备外观图如图2所示。

3 测试原理

试验台采用颗粒计数器对盐性颗粒的计数浓度进行采集，过滤效率可通过对未放置试验用口罩前的颗粒物浓度和放置口罩后的颗粒物浓度进行采集并计算得出：

图2 设备外观图

式中：η为盐性颗粒物的过滤效率，%；C1为未放置试验用口罩前的颗粒物计数浓度，颗/cm3；C2为放置试验用口罩后的颗粒物计数浓度，颗/cm3。

4 设计重点

从口罩相关标准中对盐性过滤效率试验的试验参数可知，要实现过滤效率的测试的真实性，必须保证盐性颗粒物的发生粒径范围满足标准要求。

盐性颗粒物气溶胶发生分为很多种方式，但压缩空气喷射法相对简单易行，便于维护，且发生的颗粒物浓度较高。该试验台的盐性颗粒物发生器采用Laskin喷嘴形式。Laskin喷嘴是一种结构形式相对简单的喷嘴，但能发生高浓度多分散亚微米气溶胶粒子[10]，试验台盐性颗粒物气溶胶喷嘴如图3所示。

采用压缩空气通过Laskin 喷嘴发生器对2%的NaCl溶液进行喷射，发生出盐性颗粒物气溶胶。并用美国TSI 公司生产的SMPS-3936型扫描电迁移率颗粒物粒径谱仪，对发生粒径进行扫描，NaCl颗粒物粒径分布图谱如图4所示，根据图谱计算结果如表2所示。

图3 盐性颗粒物气溶胶喷嘴

图4 NaCl颗粒物粒径分布图谱

综上所述，该试验台的盐性颗粒物发生器发生的NaCl颗粒物粒径分布满足标准要求。

5 控制及电气系统设计

控制系统是试验台的数据采集和处理的控制中心，由计算机、电气附件及控制软件组成。计算机形式为触摸式一体机，操作系统为WIN10中文版，计算机内置开关量控制卡和模拟量控制卡，该部分是控制系统的核心。电气附件主要由断路器、接触器、保护器和继电器等组成，该部分是控制系统的执行单元。控制软件基于VC软件平台编写，界面通俗易懂，操作简单，可实时监控当前设备的流量、压差等参数。软件还可以对工作参数进行设定，可根据设定的试验方法自动进行试验，并且存储试验数据，该部分为控制系统的人机交互界面，软件界面如图5所示。