[摘要]空气呼吸器的测试技术在从传统感官测试方法到引入自动化控制技术的计算机测试方法，其性能测试尤其是压力测试精度得到了大大提高。但随着新型精密机械装置应用在空气呼吸器性能检测装置中，测试精度得到较大提高的同时，却忽略了管路压力、头模呼吸通道压力等方面的压力损失对测试数据的影响，这些压力损失同样是影响呼吸器性能测试精度的重要因素。本文从理论和实验的角度论述压力损失等因素对呼吸器测试精度的影响。
　　[关键词]空气呼吸器性能性能测试方法呼吸器性能测试精度压力损失
　　中图分类号：TP306+.2 文献标识码：TP 文章编号：1009―914X（2013）31―0006―03
　　
　　
　　一、概述
　　随着空气呼吸器的测试技术的发展，空气呼吸器性能测试精度得到了很大的提高。空气呼吸器性能测试最早使用的方法为感官测试法，测试人员试验佩戴空气呼吸器，凭借测试人员的感官感受来判定空气呼吸器的性能是否符合标准，不同的测试人员对同一套空气呼吸器的感受不尽相同，测试空气呼吸器性能的结果也千变万化，没有一个严谨的、客观的、细致的测试结论，测试精度就更加谈不上了。因此，简单机械测试方法逐渐取代了传统的感官测试法。简单机械测试方法是空气呼吸器性能测试的二代测试方法，其主要利用电机、曲柄、气囊、头模等装置模拟出人们的呼吸状态，使用膜盒压力表来测试呼吸器的呼吸阻力、静压力等性能。通过压力表测量压力和简单机械模拟呼吸装置，成功避免了传统的感官测试法的非科学性，同时提高了测试空气呼吸器性能效率，促进了测试精度的提高。但是，压力表的测量精度不够高，导致性能测试精度不是很高，并且模拟呼吸的机械装置只能模拟出人的一种环境下呼吸的状态，不能模拟出人的不同状况下的呼吸状态，相对于空气呼吸器性能测试来说简单机械测试法也有不小缺陷。
　　在简单机械测试方法的基础上引入自动化技术，由计算机自动控制曲柄上下往复运动，带动气囊模拟出人们的呼吸，此测试方法定义计算机测试方法。计算机测试方法的特点为其应用压力变送器，差压变送器等传感装置来实现精确的测量；计算机能够精确的控制测试的每一个步骤，使测试万无一失；2004年公安部颁布空气呼吸器性能测试标准①规定空气呼吸器性能测试装置必须能够模拟出两种不同温度和压力环境条件下人们的呼吸状态，一种为在常温常压下人们的呼吸频率标准为40次/min，呼吸量标准为100L/min，另一种为低温低压下人们的呼吸频率标准为25次/min，呼吸量标准为50L/min。计算机测试方法可在两种测试环境条件下任意的、自动的转换，使空气呼吸器性能测试更加完善、更加合理。计算机测试方法是目前空气呼吸器性能测试所应用的最好测试方法，其简便的操作、使用方便、合理使用精度高的传感器、提高了测试精度。
　　二、空气呼吸器检测系统原理
　　
　　图1空气呼吸器性能测试装置结构原理图
　　1、头模；2、气囊；3、电机；4、曲柄联动机构；5、数据采集模块；6、差压变送器；7、计算机主机；8、显示器
　　在计算机测试方法中，空气呼吸器性能测试的装置的结构（如图1）由头模、气囊、电机、曲柄联动机构、数据采集模块、差压变送器以及计算机等组成，其原理是由电机带动曲柄和气囊上下往复运动，气囊中空气随着气囊的收缩被挤压到头模的口腔中，模拟出人的呼气状态；气囊中空气随着气囊的扩展被从外部通过头模的口腔吸入气囊中，模拟出人的吸气状态。通过差压变送器监测了头模的左眼部位的压力变化，并且将监测数据传送给数据采集模块，经过其处理传送给上位计算机进行统计分析，判断空气呼吸器性能是否达标，同时上位计算机预先的设定条件控制电机执行指定的运动，带动曲柄和气囊上下往复运动模拟出人的呼吸状态。从其原理来看，头模和气囊是空气呼吸器性能测试中重要工具，并且是不可或缺的。从空气动力学知识来看，头模、头模口腔和气囊的大小、形状、光滑度、硬度都能影响空气呼吸器性能测试精度，从而可以总结出上述细微的损耗是指头模、头模口腔和气囊或因加工精度不够、或因选材硬度不够等各种因素引起头模佩戴面罩时漏气、头模口腔压力损失过多、气囊的硬度不够时常呼吸转换中膨胀等现象影响空气呼吸器性能测试精度。
　　
　　图2三种气管模型
　　三、仿真分析
　　以头模口腔气管为例，图2列举了三种在转弯处不同形状的气管模型，通过三种气管模型来研究气管的形状对空气呼吸器性能测试精度的影响。三种气管的内径为38mm，其进气口的阻力为700pa，通过Ansys CFX的仿真计算得出以下结论分析：
　　（1）三种气管模型的出气口阻力分析
　　
　　图3三种气管模型的阻力分布图
　　如图3 所示，三种气管模型的出气口的阻力通过Ansys CFX软件在静态环境下仿真得出的结果。由图2可以看出三种气管模型在转角处从圆滑逐渐变得生硬，最后一个模型在转角处是直角，随着三种气管模型转角变化，其出气口的阻力变化如图4所示，随着三种气管模型在转角处从圆滑逐渐变得生硬，其出气口的阻力逐渐变大，那么第三种气管模型在吸气过程中需要电机带动气囊的输出功率比其它两种气管模型大，也就是说明在同一电机带动气囊并且输出功率一致的情况下，第三种气管模型在吸气过程中进气口的阻力小于其它两种气管模型。根据理想气体定律（ ），在同等体积和温度的情况下，进气口的阻力与呼吸量成正比，那么就可以判定第三种气管模型在模拟人吸气过程中吸气流量最少，从而对空气呼吸器性能测试的精度有一定的影响。
　　
　　图4三种气管模型与出气口阻力的关系
　　（1）三种气管模型的Stream分析
　　气管模型如图5所示，三种气管模型的Stream线通过Ansys CFX软件在静态环境下仿真得出的结果。在图5中，可以发现第三种气管模型的进气口速度最大，第一种气体模型的进气口速度最小。据统计，三种气管模型的动能损耗如图6所示，第三种气管模型在模拟吸气过程中，动能损耗最大。
　　
　　图5三种气管模型的Stream线
　　
　　图6三种气管模型的动能损耗
　　
　　图7两种内径不同气管模型
　　上述分析了相同内径的三种气管模型对空气呼吸器性能测试精度的影响，图7中分析了两种不同内径的气管模型的仿真观察对空气呼吸器性能测试精度的影响。图7所示，第一种气管模型的内径为38mm，第二种气管模型进气口为38mm，经过15mm的距离变径为28mm，这两种气管模型的进气口阻力都为700pa。
　　通过Ansys CFX的仿真计算得出以下结论分析：
　　（1）两种内径不同的气管模型阻力分析：
　　
　　图8两种内径不同气管模型阻力分布
　　图8所示，两种内径不同的气管模型进出气口阻力稍有不同，第二种气管模型的进气口阻力稍大，分布不均匀，出气口阻力稍小，根据理想气体定律（ ），可以判断出第一种气管模型相对于第二种气管模型吸气量大，也就是说明第一种气管模型很接近标准。
　　（2）两种内径不同的气管模型Stream分析：
　　（3）两种内径不同的气管模型Stream分析：
　　
　　图9两种内径不同气管模型Stream线
　　图9所示，第二种气管模型在进气口的速度很小，在变径处空气加速，出气口处速度相对于第一种气管模型出气口处的速度大很多，这说明内径越小的气管模型出气口的速度很大，但是就是因为出气口的速度大，其在同等质量气体的动能很大，也就是说明电机带动气囊从吸气状态运动到呼气状态时需要很大能量来改变，这就给电机带来一定附加的负荷，导致电机的输出功率不是很稳定，影响空气呼吸器性能测试的精度。
　　在上述三种转弯处不同的气管模型和两种内径不同的气管模型的结论分析，了解到空气呼吸器性能测试装置的形状不同对测试精度影响很大，那么装置表面的粗糙度对测试精度影响会是什么？以图7中第一种气管模型为例，气管模型内壁的表面粗糙度不同，前者表面粗糙度小，后者表面粗糙度大，通过Ansys CFX的仿真计算得出以下结论分析：
　　（1）两种内壁表面粗糙度不同的气管模型阻力分析
　　图10所示，比较两种内壁表面粗糙度不同的气管模型阻力分布，其没有太明显的区别，只是出气口的阻力稍有不同，这就是说明表面粗糙度对空
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　　气呼吸器性能测试精度的影响不是很明显。
　　
　　图10 两种内壁粗糙度不同气管模型阻力分布（2）两种内壁表面粗糙度不同的气管模型Stream分析：
　　
　　图11两种内壁粗糙度不同气管模型Stream线
　　图11所示，内壁表面粗糙度只在贴近内壁的Stream线造成一定影响，对进气口和出气口的影响不大，可以发现空气呼吸器性能测试装置的表面粗糙度对测试精度的影响不大，表面粗糙度不是空气呼吸器性能测试精度的主要因素。
　　四、结论
　　综上所述，空气呼吸器性能测试装置的形状、表面粗糙度对性能测试精度有一定影响，并且验证了装置的形状对性能测试精度造成误差的主要原因，表面粗糙度是次要原因，但是有很多对精度有影响的因素，如头模、气囊或因加工精度不够、或因选材硬度不够等各种因素引起头模佩戴面罩时漏气、气囊的硬度不够时常呼吸转换中膨胀等没有进行验证，但是从上文中可以了解到不光技术的进步能提高空气呼吸器性能测试精度，同时应在性能测试装置本身的仿生部分应大大提高其精度从而提高空气呼吸器性能测试精度。
　　参考文献
　　[1] 沈坚敏、凌新亮、戴国定、曹家胜、戎军.《正压式消防空气呼吸器》（GA124-2004）.中华人民共和国公安部.2004.3发布，2004.10实施。