过滤式防毒面具面罩性能试验方法

前　　言

谈到面罩的物理性能，包括的范围应该说还要多一些，比如力学性能方面，还有面罩的硬度、强度、对头部的压力;光学性能除镜片的透光率、视野等外，还有影响观察的保明能力和成像质量方面的问题;声学有通话效能方面的问题，等等。但这些问题，一方面，国内有关各单位尚无成熟的基础，就是从国外一些国家有关的标准看，也都没有很全面的借鉴。为适应工业防护面具的急需，只能以我国现有的经验为基础，参考一些国外资料，对一些主要性能规定它们的试验方法。其他方面，待将来条件成熟再作进一步的补充和修改。

这里所编入的，有呼气阀(活门)的气密性和阻力、面罩吸气阻力、面罩的实际有害空间、佩戴面具后的视野以及漏气系数等6项试验方法。这些试验方法中，对试验设备的要求总的精神是能保证测试结果的可靠性就行，没有做太具体的规定。

因呼气阀的阻力和面罩的吸气阻力的测量都很简单，这里不再予以说明。

一、关于呼气阀气密性试验方法

佩戴面具吸气时，呼气阀应能保证从开始吸气至面罩内处于最大负压时都具有可靠的气密程度，这就要求阀门动作灵敏，在小流量吸气时即能关闭，在所经受的负压内漏气速率不大。

标准GB2891.1-82中规定活门装接在定容腔体上试验，用≤500ml/min的流速抽气至腔体负压达到125mmH2O时关闭抽气阀，从负压120mmH2O起观测压力恢复到常压时所用的时间，作为气密程度的衡量标准。

这里包括了两方面，用≤500ml/min流速抽气首先就检验了阀动作的灵敏性，若不能使腔体内造成指定的负压，则活门起不到应有的作用是明显的。因为不论在多高的负压时，这么大的漏气流速是不能容许的。这个规定比日本标准(1L/min)要求高，但是这个要求是能达到的;根据对一些国内活门测试的情况看，只要呼气阀的气密性合格，只要很小的流速(例如：200ml/min)很快就能达到120mmH2O的负压。

120mmH2O是从事中、上等体力劳动时面罩内部可能出现的最大负压值，也是呼吸阀所应承受负压水平，这个水平与日本标准一致。
气密程度的衡量参量，各国所采用的基本上有两种，一种是选取在某种负压情况下来测定恒压差下的漏气速率;这种方法为英、美和一些欧洲国家所采用。这种方法在概念上，容易和允许漏入的有毒浓度相联系，测量时与仪器的内容积和压力计无关;但一般说，不同负压下漏气速率不同，而且测试方法上稍微费事些。

另一种是在与阀门相连的定容腔体内造成负压，用漏气引起负压变化的快慢来衡量;这种方法为日本、苏联及我国所采用。形式又有两种：要求高的指定1min内容许负压变化的最大量;要求稍低的，则规定恢复到常压至少需要的时间。

在试验过程中与阀门相通的内容积相对变化很小，我们就可把这容积看作恒定的气室，定容气室压力变化情况可用下式描述：
(dp)/(dt)=(RT)/V•(dm)/(dt) (1)
式中：　(dp)/(dt)--为压力的变化速度，N/s;
(dm)/(dt)--容积内气体量变化速率,mol/s;
V--容积，m^3;
T--温度，K;
R--气体常数。
可以看出：压力变化的快慢和漏气速率、温度成正比，和容积成反比，由于绝对温度的相对变化小，我们把它和容积一样看成是恒定的。容积规定50±5ml容许相差约10%，温度在293±20K内相差还不到10%。水柱压力指示管的内径规定为3~4mm，太细会产生毛细管现象，使用不便。内径3mm时，压力从150mmH2O降到0，引起的内腔容积变化约为1ml，可以不计。

对半面罩，我们量取的是负压从120mmH2O降至0的时间，这实际是(dp)/(dt)倒数的积分量，在标准中规定它不得少于20s，相当于平均的漏气速率不得超过2.2ml/min。

标准推荐的两种测试仪器，同等有效，只是在有抽气泵的仪器中调控抽气流较容易，靠水位降落的吸引瓶设备中抽气流不好掌握些。

二、关于面具视野的试验方法

定义：人员头、眼不动，直视前方所能观察到的全部空间称为视野，两眼视野的空间总和称总视野;双眼都能观察到的空间称双目视野。视野某方位边界线与眼的水平视轴所夹的角称为该方位的视野宽度(或方位视野)。

佩戴面具后的视野对我国成年人平均视野(亦称为生理视野)的百分比，称为该面具的视野保存率(亦可简称为该面具的视野)。

所以视野的表征量应是立体角，单位为球面度，视野宽度以度或弧度为单位，而面具视野保存率则用“%”表示。
在面具标准GB2890-82中已经提到了两种视野的表征方法：就是按整个能观察到的立体角相对值表示法和按各个方位视野宽度表示法。前种表示法的意义比较完整，总视野、双目视野和单目视野都用一个数据概括范围，但不直接反映方位的结构情况;方位视野值表示，可以按着工作需要，突出对面具的某些方向。而且可在测得的视野图上直接读出而不必经过计算。“面具标准”采取了兼容的规定，理由见该“标准”的编制说明。

虽然国外有不同的表示法和要求，但试验方法和基本设备都是大同小异的，都是在佩戴面具的人和头型面前，造成某一半径的半球面，而在半球面上设置表明方位角的刻度线和视野宽度刻度线以及视标。半球面的半径有的较大，有的较小，很多视野仪采用有刻度弧弓，旋转弧弓就可以得到半球面。对于用人佩戴来作测试的方法大的弧弓半径(球面半径)较方便一些。

用受试人作试验。要求有较多的受试者，得到统计的结果，变差一般较大。

我国已有人头模型的标准。采取用头型测量的方法，可以大大节省测试时间和缩小测试的变差。标准GB2891.4-82中规定分别使左、右眼处于弧弓旋转球面的球心处，而不是像“日本标准”那样，把两眼中点放在球心处。这样能更好地反映立体角，特别当弧弓半径不大的时候更好些。

计算总视野或双目视野的保存率，应该先分别算未戴面具时和戴上面具后视野图上所代表的立体角Ω(单位：球面度)然后算出百分数表示的保存率。
2π
θ=∫ (1-cosφ)(dθ) (2)
0
计算工作可在计算器上进行。假若视野图是标绘在sin(φ/2) 成比例的同心圆视野网图上，则用求积仪在图纸上量得的视野图面积就正比于立体角。(见图)
总之
视野保存率=Ω面具/Ω正常×100% (3)

目前，我们采用的一般医用视野计，其所记录的视野网图是等距同心圆的;在视野图上量取面积之比不能代表立体角之比，必须给予修正。根据我国成年人平均视野情况所作的一次近似修正值γ，可从给出的曲线查到。若以Si表示面具视野面积，S表示正常人视野，则

视野保存率=γ•Si/S×100% (4)

下面再谈谈“下方视野”的规定。
当人从某方位观察时，他看到的总是或大或小的扇面角的一部分，如图中阴影部。假若取一个规定的扇面角内的最大值或平均值来表示，意义可能实际些。但这可能计算，较繁。若规定死按某方位角(例270°处)来取，则测量时佩戴稍歪，取得的值变

差很大。故试验方法应规定以左右眼视野图的下方交叉点为准，比较明确。

用标准头型测量，变差的主要来源是面具佩戴正确与否，戴松戴紧，倾斜不正，都会影响测试，所以要求操作者多加注意，使用与面具相应的头型号码，戴测3次，以平均结果表示。

三、关于面罩实际有害空间的试验方法

分几点作说明：

1. 基本概念
戴着面具时，面罩与人的头面部之间形成的空间称为有害空间(也称死腔、几何死腔、几何有害空间或形态有害空间等)。面罩在标准头型上的有害空间，可以用灌水，灌沙等方法测出来。

有害空间之所以有害，是因为它阻留一部分呼出气，而这部分气在吸气时又首先被吸入肺部，使肺泡通气量减小，影响呼吸中的气体交换。但有害空间并非全部腔体都起阻留作用，某些角落或“停滞区”，可能不参与这一阻留过程。我们把实际起作用的部分称为实际有害空间。

2　测试原理
将面具(罩)戴在标准头型上，排除密合框的漏气(必要时可采取贴封之类的辅助措施)，用人工肺(或称机械肺)做模拟呼吸。以高浓度为a的二氧化碳作试验气，供给头型呼吸气，测得吸气时吸入头型后的二氧化碳浓度为b，若设被吸的环境空气中含二氧化碳浓度为c，通气量为V，呼吸道死腔容积为K，可以建立下面等式;
b•V=a(P+K)+c[V-(P+K)] (5)
式中：P--实际有害空间，可以得出：
P=[(b-c)V]/(a-c)-K (6)
实验的主要工作就是收集吸入后的气体，分析其浓度b。K是头型的仪器的定数，可预先用灌水，灌沙或几何计算得到，因而P可以容易算出，若能保证c≤1%，上式可简化为：
P=(1/a)V-K (7)
3　影响测试的条件
(1) 呼吸的条件(流速和周期)显然会影响有害空间有效部分的大小。温经以某面具为样做过考察，实验证实呼吸量增加会引起P增大。所以“试验方法”规定机械肺的呼吸气量为24±1L/min，呼吸频率为21~24次/min，这相当于中等劳动时的呼吸。
(2) 环境条件：面具进口周围的环境空气若不注意，其浓度c变化无从知道，必须采取通风措施及时把呼出的高浓度二氧化碳气排离进气口周围，否则式(6)中c值实际可能变大，不能忽视。
(3) 器材设备条件：带有呼气阀的面具，其吸气阀在呼气时严重漏气或失效，也会使结果变大，应予清除。密合框漏气当然造成结果偏高。所以这部分漏气应尽量排除。

四、关于佩戴面具漏气系数的试验方法

1. 受试人问题
防毒面具要有效地达到防护目的，一是靠滤毒器(罐)的滤毒能力，再是靠面具结构严密，阀门性能良好。这些都是与使用者无关的器材因素。面罩体密合框设计得好不好，适应使用者各种头面型以保持气密的能力如何，则是关系到发挥器材作用的前提，而这个因素，却是个变异很大的因素。
对这个问题，国外有不同的试验方法，英、美国家，采用人受试。日本以标准头型测试，苏联以前以人受试为主，以模型人头和人工肺测试为补充，77年的标准，则只规定了用标准头型的检验。
人受试测试，情况近实，能信服地说明问题。但由于人的因素变异大，有一个基本的抽样人数问题，要很好解决。英国标准以10人的平均漏气系数来鉴定(不大于0.25%)，我国军用面具的鉴定要求较严，密合适佩率采取了较大的受试子样(注：受试体的任一被试部分均称子样)。
标准头型加人工肺的测试，变异性小，测试明确简单，但目前我国尚无可作为标准的气密试验用人头模型，所以试验方法规定每种面具选10名人员佩戴试验。这里除受试子样大小可讨论，还有判别标准亦要斟酌。
2. 判别标准
根据有关单位的经验，在随机征集的一批受试者中，总有个别的所谓“特殊头型”出现，他们对面具密合框的设计质量要求特别高，常常难以得到<0.01%的漏气系数。所以作为面具设计制造的鉴定参数，需从两方面考虑，一是按受试子样的密合适佩率鉴定;二是按受试子样的平均漏气系数判定。英国的标准是按第二种进行的，而且平均漏气系数只要求<0.25%，似乎偏低。按第一方案判定，适佩率的高低应与防护因数P.F.要求和受试子样大小联系考虑。对于工业面具国内尚无成熟经验积累，标准草案未作出规定，望讨论。
3. 防护因数
六十年代已有人开始用防护因数(P.F.或称防护系数)来作为面具综合防护能力的评价。它的定义如下：
P.F.=环境空气中污染浓度/佩戴面具后吸入气中污染浓度=c0/c (8)
按定义，对于过滤式防护面具可以有式(9)：
V•c=c0[(V-L)(1-e)+L] (9)
式中：V--吸气量;
e--滤毒器效率;
L--密合框和呼气阀门的漏气量。
在下列两种条件下，可以只把L看作是密合框的漏气量：
(1) 阀门漏气比密合框漏气小得多;
(2) 阀门处于某种相当于生理室设计的保护下。
我们定义漏气系数为：
K=L/V(×100%) (10)
从式(10)可能得到
P.F.=c0/c=1/[1-e(1-K)] (11)
若视e=1(即100%滤除)，则
P.F.=1/K
若视K为0(即不漏气)，则
F.F.=1/(1-e)
单独由e或K决定P.F.的情况，一般要求另一个因素提供的防护能力比它要高一个数量级以上。
所以漏气系数<0.05%，就能保证效率高至99.5%的过滤器发挥充分作用，而要测试0.05%这样大小的密合框漏气系数，应该要求测试时的e大于99.995%，才能使
K=L/V=c/c0
满足上述条件的测试方法最好是使过滤器不直接吸入试验用的气溶胶( 油雾或钠盐雾)。
4. 其他影响因素
除标准GB 2891.6-82中提到的人员头面部状态(如鬓角长发、面部汗湿、头部动作等)外，还对如下问题再提点看法：
连续抽样气流大小问题：从吸气中抽取气流来测定浓度，等于增加了受试者的吸气量，或者说等于使受试者处于比在油雾室实际活动稍高活动量状态，这对于评价面具是无害的。
由于呼吸过程中气流量有周期变化，连续取样的读数会有变化是可预料的。目前我们用目测的光学仪器，一般按变化过程出现的最大值取数。
在有自动记录设备的测试中，按记录曲线积分是更准确的。
标准中规定受试者完成的动作，是为了测定密合适佩的可靠性，以对应使用者佩戴着面具工作的需要。