GK自动过滤效率测试仪

1、厦门高科防静电装备有限公司GK-1000自动过滤效率测试仪研制报告1.研发背景1.1中国粉尘职业危害严重中国登记的粉尘作业人员已超过2000万人，至2010年全国已发生尘肺病有676541例，占职业病比例90.21%。近几年新发病例，每年都以万例数量在上升。由于目前尚无特效治疗方法，尘肺病患者晚期只能依靠氧气维持生命，大量尘肺病患者，给家庭带来极大影响，沉重的医疗费用给国家造成巨大的经济负担和大量劳动能力的损失等。1.2生物性呼吸道传染病时有发生2003年的“非典”呼吸道传染病在南方和北方的许多城市发生，严重威胁患者生命，“非典”传染性极强，引起社会恐慌。如何进行个人防护、选用什么样的防护口罩

2、？成了人们最为关注的话题，根据美国国家职业安全卫生研究所（NIOSH）对几种口罩过滤效率（钠盐法）的测试数据报告依次是：N95FPP2活性炭医用口罩医用口罩纱布口罩。因此，世界卫生组织（WHO）建议采用N95级别的口罩。我国北京医疗器械质量监督检验中心，采用美国TSI8130型自动滤料测试仪检测纱布口罩的过滤效率（钠盐法），检测数据是：16层纱布口罩为24%；24层纱布口罩为36.8%。纱布口罩不能防“非典”，一时间N95口罩市场上供不应求。1.3国家标准相继出台（1）2003年4月21日，国家发布强制性标准GB 19083-2003医用防护口罩技术要求，其中过滤效率要求与检测方法完全采用美国

3、标准（NIOSH 42CFR84 subparts k-Non-powerd Air Purifying Particulate Respirators,1995）.（2）2006年3月27日，国家发布强制性标准GB 2626-2006 呼吸防护用品 自吸过滤式防颗粒物呼吸器，其中过滤效率要求与检测方法分别参考采用了EN143：2000、EN149：2001和NIOSH42CFR84附录K方法，在过滤效率检测方法方面是采用NIOSH的方法。目前，该标准既是特种劳动防护用品安全标志产品中自吸过滤式防颗粒物呼吸器的执行标准，也是特种劳动防护用品生产许可证产品单元中自吸过滤式防颗粒物呼吸器的执行标准

4、。1.4国内外仪器现状国外有很多厂家和检测机构使用美国TSI公司生产的8130型自动滤料过滤效率测试设备进行过滤效率检测，还有欧洲的一些厂家和检测机构使用欧洲公司如SFP Services Ltd生产的检测设备。欧美等国对过滤效率的检测原理基本上是一致的，只是测试仪器和控制系统有些差异，但它们的核心技术内容大致相同，即用NaCL气溶胶检测非油性颗粒物滤料，用DOP或石蜡油气溶胶检测油性颗粒物滤料，采用8595L/min的检测流量，颗粒物的空气动力学粒径为0.3m左右，只在发生系统、颗粒物检测器和控制系统有些差异。欧洲公司的设备主要采用氢焰光度计检测NaCL颗粒物浓度，采用光散射光度计检测石蜡油

5、颗粒物浓度，而石蜡油气溶胶需要加热产生。美国如TSI公司设备采用激光光度计检测NaCL颗粒物和DOP等油性颗料物浓度，DOP气溶胶不需加热产生。目前国内在用的过滤效率检测设备有进口美国的TSI 8130，其费用高达9万元美元，只有极少数检测机构和企业购买。2006年10月，清华大学核能与新能源技术研究院和北京清能创新科技有限公司共同研制成“高效口罩过滤检测台”并通过教育部组织的鉴定，有小批量生产可供市场需要，但由于售价在40万元左右，许多生产防护面罩的小企业也难以承受，且仅能进行NaCl颗粒物的测试。2007年10月中钢集团武汉安全环保研究院通过引进国外先进设备技术并加以集成创新的技术路线研制

6、成“自吸过滤式防颗物呼吸器质量监督检测系统”，已通过科技部组织的验收和湖北省科技厅组织的成果鉴定，该项成果目前只作为国家劳动保护用品质量监督检验中心（武汉）的专用检测设备。由于该检测系统的核心技术为国外进口，检测项目全面，因而对检测机构比较适用，对生产企业来说不但价格偏高，而且有些内容并不需要，并不适用。此外，北京，江苏和浙江等地也有一些企业在近几年相继开发出过滤效率检测装置，也由于仪器性能不稳定、智能化程度不高，测试项目单一，测试时间很长（测试时间从60-300秒不等），工作效率低等问题，推广应用困难。1.5研发GK1000自动过滤效率测试仪的意义自吸过滤式防颗粒物呼吸器是个人呼吸防护用品，

7、国内通常称之为防尘面罩，其功能是将空气中的粉尘、烟、雾和微生物等颗粒状物质（简称颗粒物）阻隔在使用者呼吸区之外，预防因吸入颗粒物而导致的各种呼吸道疾病，包括尘肺病。防尘面罩作为一线从业人员预防呼吸性职业病危害的最后一道、也是最重要的防线，其防护性能好坏事关人身安全和健康，而过滤效率是评价防尘面罩性能的关键参数之一，因此，进行过滤效率测试是保证产品质量的前提条件。一方面，生产过程中，企业需要有过滤效率检测设备来保证其产品防护性能；另一方面，产品认证过程中，也要求企业配备过滤效率检测设备。由于国外同类设备价格和运行维护成本过高，大多数防尘面罩生产企业无法承受，而国内的某些同类仪器要么价格偏高，要么

8、性能不稳定，不能对产品防护性能提供确定的评价，因此，研发一种价格比较便宜、自动化程度较高，测试结果与国外设备有很好的比较性，便于生产企业进行自身质量控制的关于过滤效率的测试仪是十分必要的。我公司历时两年于2011年研发成GK1000型自动过滤效率测试仪，本仪器体积小，质量轻，一体化设计，集过滤效率测试控制与数据处理、管理于一体的特点，且造价低，价格仅为国外同类仪器的五分之一，国内同类仪器三分之一至二分之一，能按GB2626-2006标准要求进行过滤效率瞬时、穿透率、阻力测试和加载测试，仪器操作维护方便，设计软件人性化，为滤料及防尘面罩测试提供便捷、快速、可靠的检测方法，也可用于评价滤料、过滤元

9、件或面罩的过滤级别，适用于企业生产过程中的质量控制及产品验货检验。2.研制的技术路线2.1技术依据GB 26262006呼吸防护用品 自吸过滤式防颗粒物呼吸器标准采用“气溶胶”法，以空气动力学粒径约0.3m的氯化钠（NaCl，固体）和邻苯二甲酸二辛酯（DOP，油性液体）或其它性质相当的适用的油性颗粒物作为检测介质，进行过滤效率检测，氯化钠颗粒物检测KN类防尘面罩，DOP或性质相当的油性颗粒物检测KP类防尘面罩。按照GB 26262006规定，过滤效率的检测是在一定空气流量下，用规定浓度和粒度分布的颗粒物持续穿透过滤元件，测定“加载”过滤效率，即模拟实际使用过程中，颗粒物在过滤材料上有一定量的沉

10、积（容尘量）状态下的效率。美国TSI公司的Certi Test 8130型自动滤料测试仪可快速准确地测量滤料及面罩的过滤效率，其技术参数符合美国职业安全与健康局（NIOSH regulation 42 CFR, part 84）的规范，也符合GB 26262006关于过滤效率检测的相关要求，国内外有很多滤料和面罩制造商，以及部分检测机构正在使用该测试仪。本仪器的研制是依据GB 26262006规定的过滤效率检测原理和技术要求，并借鉴参考TSI8130自动滤料测试仪的工作原理和技术特性，设计制作一套满足标准要求、能分别进行NaCI颗粒物和DOP或其它类似油性颗粒物过滤效率检测的装置。2.2技术方

11、案研制解决的关键技术是气溶胶发生和浓度检测。GB 26262006规定了粒径分布范围很窄、浓度相对较高的颗粒物发生，检测分析用质量浓度进行，而国内与此相关的技术尚不成熟，国外仪器价格又太昂贵，无法应用。鉴于GB 2626标准是以空气动力学粒径约0.3m的颗粒物作为检测介质，本仪器结合国内现有技术，采用压缩空气喷雾法发生气溶胶，以及使用多分散气溶胶计数法，用激光尘埃粒子计数器检测分析，选择其中0.3m粒径通道的测试数据进行过滤效率评价。为实现标准要求的检测过程，建立本仪器的过滤效率检测方法，设计制作一个测试台，其中安装有气溶胶发生气路、气溶胶检测气路和检测控制系统。整个气路所需气源为外部压缩空气

12、，检测气路的动力由真空泵提供。在发生气路上设置气溶胶发生器、压电式静电中和器、快速加热装置、混合装置各1台，检测气路上设置带气缸的气动夹具1套、温湿度计1台、激光尘埃粒子计数器2台、转子流量计1个、真空泵1台。气动夹具由上下两部分组成，气缸工作使上下夹具闭合以夹紧样品，温湿度计用于测量显示上夹具激光尘埃粒子计数器腔内（即样品上游处）的温度和湿度，1台激光尘埃粒子计数器采集样品上游处混合气分析，另一台采集样品下游处混合气分析，检测流量通过真空泵抽取发生气路的气流，大小由人工调节流量计调节。检测控制系统是基于PC机的集成控制系统，包括计算机系统、I/O接口、各类控制阀、过程输入输出通道、计数器数据

13、变送环节等硬件及相关的应用软件。气溶胶发生器、压电式静电中和器、快速加热器装置、混合器和气动夹具根据检测需求设计制作。为实现检测过程的自动控制，按照本仪器的检测方法设计1套控制软件装于电脑内，通过操作电脑对测试过程实现自动控制和进行数据处理。仪器在检测气流的上下游处设置有压差传感器，还可测试滤料和防尘面罩的呼吸阻力。2.3主要技术参数气溶胶类型：氯化钠，DOP，DEHS，石蜡油、玉米油等气溶胶浓度：（50200）mg/m3（油性），（ 1220）mg/m3（氯化钠）检测器：CLJE型激光尘埃粒子计数器（符合JJF11902008尘埃粒子计数器校准规范）检测温度：（25±5）相对湿度：

14、（30±10）流量范围：（15100） L/min流量测量精度：满量程2压力检测：电子压力传感器（压差变送器）压力检测范围：（11000）Pa压力测量精度：2.5级效率测量范围：过滤效率（099.999）%，穿透率0.001%自动化操作和数据管理：专用软件，电脑控制处理电源：230 VAC，50Hz，1500W压缩气源要求：在550 kPa 下流量198 L/min外观尺寸：900MM×880MM×1510MM3.仪器工作原理 图一 GK-1000自动过滤效率测试仪系统图本仪器提供两台气溶胶发生器，一台为油性气溶胶发生器，可以使用DOP、石蜡油、DEHS、玉米油等

15、油性物质；一台为盐性气溶胶发生器，通常使用2%的NaCl溶液。根据滤料或过滤元件的类别，KN类的样品使用盐性气溶胶发生器，KP类的样品使用油性气溶胶发生器。来自外部的压缩空气经稳压过滤后分为三路，一路进入气溶胶发生器，发射出含颗粒物的混合气，然后再与另一路压缩空气在混合器内稀释混合，产生所需的检测介质，还有一路压缩空气进入气缸使上下夹具闭合夹紧样品。过滤效率测试时，真空泵抽取规定流量的检测介质通过夹具，测试结果通过2台计数器分别测出上下游0.3m颗粒物的计数浓度后计算得到。过滤效率=（上游计数器浓度-下游计数计数器浓度）×100/上游计数器浓度阻力由压力传感器测量夹具内样品上、下游的

16、压力差得到。4.仪器的设计4.1总体结构图二 GK-1000自动过滤效率测试仪正面图本仪器设计制作时兼顾人员安全性、总体外形美观性和操作维护的便利性，其整体为可移动操作台样式（见上图），采用一体化的金属结构，将发生气路、检测气路和控制系统集成于一体。发生器、压电式静电中和器、快速加热器装置、激光尘埃粒子计数器等部件按检测要求合理布置于仪器内，即考虑维护时的方便，也考虑空间结构的紧凑节约。夹具、流量计、显示屏等需操控和数据显示部件布置于面板上，便于测试人员操作和观测。仪器的发生气路上，设置两条压缩空气进入管路，一条管路连接至气溶胶发生器入口，发生器气溶胶出口与混合器相连，另一条管路与加热器、静电

17、中和器、混合器依次相连。从混合器出来的气体分为两路，一路连接上夹具串入检测气路，一路为排出多余检测气体至室外。另有一路压缩空气进入气缸压紧上下夹具，形成封闭的检测气路，通过真空泵连接下夹具抽取检测气流，真空泵与下夹具间设置可调流量计。整个气路连接保证气密，没有泄漏。4.2主要部件的设计气溶胶发生器过滤效率检测需要气溶胶发生装置发生符合测试要求的人工气溶胶作为测试尘源。气溶胶的发生方法众多，其中压缩空气喷雾法相对简单适用，并且发生的粒子浓度较高，本仪器所设计发生器即采用压缩空气喷雾法，其外观构造见下图，其中的核心部件喷嘴能发生高浓度多分散亚微米气溶胶粒子。发生器整体设计保证喷嘴喷雾发生的气溶胶分

18、散度和粒径保持稳态分布。喷嘴的构造和发生气溶胶的示意见下图图三 GK-1000自动过滤效率测试仪气溶胶发生器图仪器提供的两台气溶胶发生器均采用相同的喷嘴设计，所不同在于罐体容积，因盐性气溶胶发生器使用2%的NaCI溶液，为保证一定的气溶胶浓度，其罐体设计比油性气溶胶的大。加热器用途：加热稀释用压缩空气，用于干燥NaCI气溶胶。原理：利用金属在交变磁场中产生涡流发热原理，当较厚的金属处于交变磁场中时，由于电磁感应现象而产生电流，电流在金属内部形成螺旋形的流动路线，产生的热量被金属本身吸收，使金属加热圈快速升温，从而加热通过的气流。技术设计：采用优质不锈钢材料和严格工艺技术制成，弹簧式圆圈，加热圈

19、外表面光亮，具有控温绝缘，加热快的特点，从常温到150，只需短短几十秒的时间。圆形截面最大功率密度为9W/cm2，加热功率为350W，电压220V，为AC交流电源，K型控温热电偶，从常温至300只需20秒，并有恒温设定；国内生产测试仪从常温至300需300-600秒才能完成，加热速度比国内同类仪器快15-20倍.加热器使用时应注意事项：1）空气相对湿度不大于95%，无爆炸性和腐蚀性气体；2）工作电压应不大于额定值的1.1倍，外壳应有效接地；3）绝缘电阻1M，介电强度：2kV/1min；4）加热装置应定位固定在金属固体内，严禁空烧。表面有水垢或结碳时，应及时清除干净，以免影响散热而缩短使用寿命；

20、5）加热装置应有良好的散热条件，确保流过的空气均匀受热； 6）接线部分应放在保温层外面，避免与腐蚀性、爆炸性介质、水份接触；引接线应能长期承受接线部分的温度及加热负载，接线螺丝紧固。压电式静电中和器用途：主要用于消除NaCI气溶胶的静电，因固体颗粒物容易带有电荷，会影响测试的精确度。原理：通过尖端高压电晕放电将压缩空气电离为大量正负离子，然后与NaCI气溶胶混合以中和其中的静电。技术设计：采用压电型高压电源，配有电源电压指示及高压异常报警指示。内置一体除静电离子风嘴，将输入的直流电变为高频低压交流电，无高压配线，可方便的增加不同的部件，重量轻、体积小、无电磁干扰。配有高压异常监视系统，无外部高

21、压及高压配线，使用更加安全，方便。采用自动离子平衡系统，内置电晕放电产生离子的除电电极-钛合金放电针，长期使用不易磨损，金属细管结构，可深入狭窄空间内除电，产生的离子密度高，除电速度快，离子平衡可达（0±15）V以内。静电中和从±1000V降至±100V，时间为正0.7s、负0.8s。国内生产测试仪静电中和器，除静电效果相当，而高压发生器电压高达4600V,有漏电危险，我司设计的压电式静电中和器采用24V安全电压，确保仪器操作人员生命安全。粉尘浓度光纤自动控制系统 用途：主要用于对0.3m粒径档粉尘浓度的自动比对和准确控制。 原理：通过光纤对步进电机自动控制，实现

22、了对粉尘浓度自动控制调节，智能化程度较高；国内生产测试仪靠人工调整流量来实现对流量的控制，操作费时费力，精确度很低。混合器图四 GK-1000自动过滤效率测试仪气溶胶混合器图混合器是发生器产生的气溶胶与压缩空气充分混合以提供所需检测介质的地方。氯化钠溶液喷雾形成的细小液滴与干燥洁净的压缩空气混合稀释，形成氯化钠结晶粒子；油液喷雾后形成细小油雾与压缩空气混合稀释，形成油性气溶胶粒子。混合过程中，一部分大粒子会沉降，从而缩小粒子分布范围，提供相对较窄的粒径分布。混合器下端设置收集瓶，收集沉降的液滴。混合器出气口有两个，一个与上夹具连通，一个通过管路连至室外为排出多余气溶胶。气动夹具图五 GK-10

23、00自动过滤效率测试仪气动夹具图根据检测需求设计制作，分上下两部分，内部为空腔。样品置于上下夹具之间，通过气缸作用夹紧，形成隔开的上下两封闭空腔，检测介质自上而下穿过样品过滤层。上下夹具分别有开口与压差计和计数器采样端连接。夹具设计为通用样式，对于异形样品，可设计过渡装置于上下夹具间，接触部分加密封圈密封。4.3控制软件的设计本仪器的数据采集、测量值处理、控制与调节、信息管理、显示与操作等通过计算机实现，为此配套设计一专用软件，其针对本仪器的检测方法而编制，分为三个操作模式过滤效率瞬时测试、过滤效率加载测试、质量浓度测试。过滤效率瞬时测试界面及测试结果报告见下图过滤效率加载测试界面及测试结果报

24、告见下图质量浓度测试界面及结果报告见下图与TSI滤料测试数据比对：（OIL）与TSI滤料测试数据比对：（Nacl）5.仪器的操作流程和维护一、 开机前准备 检查空气压缩机气源与测试台软管连接; 开启测试仪电源 打开测试仪总电源开关，按下“加热”键，加热温度为120、“风机”按钮。将测试仪气动夹具调压阀调至0.3Mpa0.4Mpa之间，补气调节阀使补气流量保持在50-70 l/min，整机预热5分钟。 在气溶胶发生器加入测试用气溶胶溶液（2%NACL或DEHS、DOP、PAO、石蜡油气溶胶溶液），软管连接正确，更换不同气溶胶溶液时，最好将空气压缩机阀门关闭，并保证“喷雾”按钮开关处于关闭状态，以

25、免引起气溶胶发生器内溶液外溢，腐蚀测试仪面板。二、测试仪操作说明打开电脑双击FilterfestV.8 自动过滤效率测试仪界面开模 放入检测物 合模 调节检测流量 复位（压力清零） 浓度调节设置：点击“设置” 浓度调节 点击“增大【+】”“减小【-】”，按“调整”键，把当前浓度值设置15000-16000左右。质量浓度设置： 先用电子天平测出加载前的滤料重量，并记录下来，点击设置 选择“测试模式” 质量浓度加载测试 进入自动过滤效率测试仪界面，填写“流量”，“加载时间” 开始测试 至测试时间设定时间，测试仪将自动停机，取出滤料，并用电子天平，测量加载后滤料重量。点击“工具” “质量浓度” 质量

26、浓度换算工具 输入“滤料加载前质量”“滤料加载后质量” “计算”操作界面将自动算出“质量浓度”_mg/m3 ,点击“报告”，计算机系统将自动形成“质量浓度加载检测报告” 退出，质量浓度加载测试完成。过滤效率瞬时测试：点击“设置” “测试模式” “过滤效率瞬时测试” “自动过滤效率测试仪界面”选择检测用“气溶胶”，填写测试界面的表格 开始测试 10秒后电脑将自动生成Excel“过滤效率检测报告”，报表可选择自动显示，存储或打印。过滤效率加载测试，点击“设置” 测试模式 过滤效率加载测试 自动过滤效率测试仪界面 填写表格中的缺项 效率设置 开始测试 低于设置值测试仪将自动终止测试 效率设置 “采样

27、间隔”“加载时间”；根据设定时间，测试仪自动显示该时段测试数据，供我们比对，报表同样可以选择自动显示、存储或打印。做DEHS、DOP、PAO、石蜡油、油性气溶胶测试时，无需加热，只需关闭“加热”开关，重复以上步骤即可。三、自动过滤效率检测仪维护和保养。 保持夹具内部清洁，并处于闭合状态 气溶胶发生器在没进行检测时，应清洗干净，以免腐蚀工作台面或结晶堵塞管道。 空压机应定时排水，以免水份进入检测腔内，影响检测数据的准确性。 检测仪出现测试故障时，应在第一时间与制造商联系，不能随意拆卸检测设备。 检测仪应定期到有资质检验机构校正，方可使用。四、GK-1000自动过滤效率测试仪特点： GK-1000

28、自动过滤效率测试仪按GB/T2626-2006检测标准设计, 可以检测油性及非油性的颗粒物（KN和KP）随弃式面罩和可更换式面罩的过滤元件和滤料。快速测试软件，10秒钟可以完成一个0-99.9999过滤效率常规测试，并自动形成测试报表。完善的检测系统，有发生浓度控制系统，数据比对校正系统，日常快速检验，质量浓度测试，过滤效率加载，过滤效率限值加载，报表存储、打印系统等。快速加热系统 从常温至300只需20秒，并有恒温设定；国内生产测试仪从常温至300需300-600秒才能完成。压电式静电中和系统 将输入的直流电变为高频低压交流电，24V安全电压，无高压配线，产生的离子密度高，除静电速度快，离子

29、平衡可达（0±15）V以内；国内生产测试仪静电中和器，除静电效果相当，而电压发生器电压高达4600V,有漏电危险，我司设计的压电式静电中和器采用24V安全电压，保障仪器操作人员生命安全。粉尘浓度光纤自动控制系统 通过光纤对步进电机自动控制，实现了对粉尘浓度自动控制调节，智能化程度较高；国内生产测试仪靠人工调整流量来实现对流量的控制，操作费时费力，精确度很低。多功能一体机人机操作界面，操作简单，无需专业培训。性价比高，一机多用，价格仅为国外检测仪器的五分之一左右。五、测试仪技术参数流量计的量程为0-100L/min压差计的量程为0-1000Pa检测温度：（25±5）相对湿度：

30、（30±10）%过滤效率检测范围：0-99.999%过滤效率=（上游计数器浓度-下游计数器浓度）*100/上游计数器浓度穿透率=100%-过滤效率故障排除1)无电源，请检查设备电源线与各插座连接是否可靠，外部电源是否正常。2)气动夹具不能合模，检查空气压缩机是否有气源输出或压力等。3)检测过程中显示器显示0.3um10um各档数据显示异常时，可通过检查气溶胶发生器的观察窗，判断气溶胶溶液是否在安全刻度线上，低于刻度线应立即注入所需气溶胶溶液。4）设备与电脑无法连接，请检查RS232数据线连接是否正确可靠。电脑端口是否运行正常，如端口不存在，请重新更换电脑主机中PCI卡（双串口卡）。5） 软件运行时出错提示，如弹出错误窗口，先退出软件，重启计算机,再点击“FIL