正压式呼吸防护设备的制作方法

1.本技术大体上涉及正压式呼吸防护设备、特别是可以佩戴于人体的便携正压式呼吸防护设备。


背景技术：

2.为了在遍布粉尘、颗粒物、有毒气体的工作现场、甚至是诸如新冠病毒潜在工作现场开展工作，作业者需要佩戴呼吸防护设备，从而确保作业者可以在现场呼吸道安全干净的空气。为此，此类呼吸防护设备可以包括可以佩戴于作业者腰间的主机、以及由作业者穿戴的防护服和/或由作业者佩戴的呼吸面罩和/或头盔，在主机与防护服和/或呼吸面罩和/或头盔之间连接有气密性软管。主机内设有过滤器以及鼓风机，从而鼓风机通电启动时通过从周围环境将空气吸入主机内并经过过滤器过滤，再将过滤后的空气经气密性软管输送到防护服和/或呼吸面罩和/或头盔。由于主机输出的过滤后的空气为正压，所以此类呼吸防护设备通常也称为正压式呼吸防护设备。
3.这种正压式呼吸防护设备的主机设有多个(例如两个或三个风力调节档位)挡位，从而依据需要不同风量的过滤后的空气可以从主机经气密性软管输出。为了确保当主机处于特定的挡位，足够的量的过滤后的空气可以经由气密性软管输出，现有技术中通常会在主机出厂前利用事先标定的方式对不同挡位的主机的鼓风机的激励电流进行标定，从而对应于不同挡位的正压风量。在这种事先标定的方式中，通常需要在气密性软管的自由开口端部模拟相应的堵塞程度(与使用者实际穿戴防护服和/或佩戴呼吸面罩和/或头盔的状况对应)从而测量在相应的挡位对鼓风机所施加的电激励程度，并记录相应的数据和/或利用相应的数据进行拟合，从而将数据和/或拟合的曲线储存到主机的电子控制单元中，以便在主机的实际使用过程中基于不同的挡位相应调用数据并以此控制鼓风机进行工作。
4.但是，现有技术这种事先标定的方式首先工作量非常大，即使主机事先标定，但是在随后的使用过程中容易受到使用温度、电机老化、流的多路径等因素影响，因此很难进行超过3个挡位以上的标定，从而很难避免调整鼓风机速度时因可调节用挡位过少而造成不利的气流振荡产生，进而影响使用者的体验。此外，这种事先标定的方式也很难确保批量产品的参数一致性得到妥善地满足。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本技术旨在提出一种改进的正压式呼吸防护设备，从而可以以相对简单、受使用环境因素干扰小、以及精度高的方式实现对设备主机的流量控制、特别是闭环连续控制。
6.根据本技术的一个方面，提供了一种正压式呼吸防护设备，包括：
7.能够佩戴的主机，所述主机包含外壳、在外壳内设置的过滤盒和电动鼓风机；
8.个人防护模块；以及
9.在所述主机与所述个人防护模块之间气密性连接的软管，以使得所述电动鼓风机
运行时产生经所述软管流向所述个人防护模块的经所述过滤盒过滤的空气流，所述正压式呼吸防护设备还包括检测模块，所述检测模块在所述主机的外壳外设置于所述软管与所述主机连接处或设置于所述软管或设置于所述软管与所述个人防护模块连接处，所述检测模块包含mems流量传感器，所述mems流量传感器配置成测量流经所述软管的空气流量，所述电动鼓风机的运行功率因所述测量的空气流量而能够线性地改变。
10.可选地，所述检测模块布置于所述软管的外侧。
11.可选地，所述检测模块布置于所述软管的内侧。
12.可选地，所述软管包括用于与所述主机的外壳以及所述个人防护模块分别能够拆卸地连接的第一接头和第二接头，所述检测模块设置在所述第一接头或第二接头中。
13.可选地，所述软管包括用于与所述主机的外壳以及所述个人防护模块分别能够拆卸地连接的第一接头和第二接头，所述检测模块设置在所述第二接头中。
14.可选地，所述个人防护模块包括由使用者穿戴的可充注气体的防护服、能够由使用者佩戴在面部的防护面罩、和能够由使用者佩戴在头部上的头盔中的一个或多个。
15.可选地，在期望所述软管向所述个人防护模块以一供气流量设定值供应过滤的空气后，所述mems流量传感器定期测量所述空气流量以获得测量值，所述测量值与所述设定值相比较，以相应增减所述电动鼓风机的转速，从而确保所述测量值等于或接近所述设定值。
16.可选地，所述检测模块还包括mems温度传感器和/或mems湿度传感器和/或mems流体压力传感器，在测量所述空气流量时，所述mems流量传感器与所述mems温度传感器和/或所述mems湿度传感器和/或所述mems流体压力传感器的测量结果输入一预先确定转换函数，并且所述转换函数的输出作为所述测量值。
17.可选地，在根据所述测量值与所述设定值比较结果而调节所述电动鼓风机的运行时，所述电动鼓风机以空气流量的测量值最小增减单位为1slpm的方式增减转速。
18.可选地，所述检测模块在期望所述软管向所述个人防护模块以所述供气流量设定值供应过滤的空气后经过一预定的间隔时间才进行测量。
19.利用本技术的上述技术手段，可以摒弃现有技术中对产品事先标定的方式，从而确保批量产品的参数一致性。另外，采用闭环反馈控制鼓风机的运行可以精确地达成期望的气流流量设定，同时避免调节风量时的气流振动产生，进而提升了用户体验。
附图说明
20.从下文的详细说明并结合下面的附图将能更全面地理解本技术的原理及各个方面。需要指出的是，各附图的比例出于清楚说明的目的有可能不一样，但这并不会影响对本技术的理解。在附图中：
21.图1示意性示出了正压式呼吸防护设备的系统框图；
22.图2示意性示出了在正压式呼吸防护设备中采用的根据本技术的一个实施例的检测模块的系统框图；
23.图3示意性示出了根据本技术的一个实施例的正压式呼吸防护设备的系统框图；
24.图4示意性示出了根据本技术的另一个实施例的正压式呼吸防护设备的系统框图；
25.图5示意性示出了根据本技术的一个实施例的控制方法的流程图。
具体实施方式
26.在本技术的各附图中，结构相同或功能相似的特征由相同的附图标记表示。
27.图1示意性示出了根据现有技术的正压式呼吸防护设备100的系统框图。这种正压式呼吸防护设备100主要包括主机110、个人防护模块120以及在主机110与个人防护模块120之间气密性连接的软管130。例如，主机110可以设计为能够佩戴在使用者的腰间。再例如，个人防护模块120可以包括能够由使用者穿戴的可充注气体的防护服、能够由使用者佩戴在面部的防护面罩、和能够由使用者佩戴在头部上的头盔等类似可以供呼吸用的个人防护用品中的一个或多个。周围环境的空气经过运行的鼓风机112被吸入主机110的外壳并经过滤盒111过滤后，可以再经软管130以正压的方式供应至个人防护模块120，供使用者呼吸。
28.主机110可以包括外壳，在外壳内设置有过滤盒111以及鼓风机112。过滤盒111和鼓风机112可以依次位于在外壳内所形成的位于主机110的空气吸入端口113与空气排出端口114之间的气流路径115中。本领域技术人员应当清楚，图示中的气流路径115仅仅是以说明性的目的给出，实际上这种气流路径可以根据外壳的内部构造采取任何例如蜿蜒曲折等合适的结构。鼓风机112可以由同样安装于主机外壳内的(未示出的)电池供电。此外，主机110还可以包括微处理器控制单元116以及控制装置117。微处理器控制单元116与鼓风机112和控制装置117分别电连接。例如，微处理器控制单元116包括集成电路板，在所述集成电路板上集成有微型处理芯片以及数据储存芯片，从而可以在从控制装置117接收相应的控制信号后向鼓风机112发出控制指令。数据储存芯片也可以存取相应的程序和/或数据，以便根据根据需要指令鼓风机112进行工作。
29.控制装置117例如可以是触摸显示屏、控制旋钮、按钮等任何合适的方式，以便可以确保使用者的手动操作可以由微处理器控制单元116作为信号所接收，并且主机110的相关操作参数例如鼓风机112的电机转速等可以实时显示在外壳上安装的显示屏或者作为触摸显示屏的控制装置117上。
30.在主机外壳的空气排出端口114与软管130的一个连接端部之间设置有可以拆卸的气密性密封连接结构140a，并且在软管130的相反一个连接端部与个人防护模块120也设置有可以拆卸的气密性密封连接结构140b。例如，此类气密性密封连接结构140a和/或140b可以包括分别在软管130与空气排出端口114和/或软管130与个人防护模块120之间设置的能够相对于彼此卡接、螺接等合适的方式接合的接头，并且可以实现气密性的垫圈等配件可以布置在接头之间。
31.在使用现有技术的正压式呼吸防护设备100之前例如在正式出厂之前，需要进行事先标定，从而这种正压式呼吸防护设备100在运行时能够自动地根据事先存储的程序或者手动地根据使用者的操作输入调节鼓风机112的操作即通过更改对其供电强度来更改鼓风机112的输出强度，从而确保主机110能够输出期望的目标空气流量。因此，需要确保鼓风机112的供电强度(电激励程度)与所期望的目标空气流量之间存在精确的对应关系。因此，需要对这种正压式呼吸防护设备100的主机110关于其鼓风机112的电激励强度与期望的输出目标空气流量之间准确地进行标定，如背景技术所述，这种标定往往是通过测试来进行
的。
32.除了背景技术部分中所提及的不足以外，这种现有技术的正压式呼吸防护设备100存在另一个主要问题在于，受限于主机外壳的有限体积，在外壳内布置的鼓风机在运行时会在气流路径115中多处产生涡流。这样，在现有技术中进行测试标定时，随着软管因测试需要而被阻塞程度的不同，这些有可能存着的涡流本身或者涡流的变化也会对测定标定的精度产生影响。
33.图2示意性示出了根据本技术的一个实施例的检测模块200的实施例。该检测模块200例如可以包括mems传感器，例如mems流量传感器210、mems温度传感器220、mems湿度传感器230、mems流体压力传感器等，图中仅仅以非限制性的方式示出了它们。在一个非限制性示例中，检测模块200可以包括壳体，在壳体内或上的合适的位置可以集成有上述mems传感器。此外，在壳体内还可以设置电池例如锂电池。以mems流量传感器210为例，根据需要，其可以是热式(包括热传导式和热飞行时间式)、机械式和谐振式mems流量传感器。根据当前的技术发展情况，此类mems传感器(或称传感器芯片)体积可以很小，例如可以小至4mm(长)*4mm(宽)*3mm(高)，从而方便地集成在检测模块200的集成电路中。此外，这种mems流量传感器210因其功耗较低，所以常见的锂电池例如纽扣电池集成在检测模块200中就足以令mems传感器工作足够长的时间。在一个附加的实施例中，检测模块200还可以包括无线通信器件，例如其可以作为集成电路中的一个器件，从而检测模块200获得的各项数据能够经由无线的方式向外发送或者从其它装置接收数据信号。
34.mems流量传感器210可以选用精度可达0.5slpm(标准公升每分钟流量值)的mems流量传感器芯片，从而确保检测模块200至少能够以同样的精度获取流量检测值。这样，可以为后续对鼓风机的近似连续调速(即流量的调整间隔最小为1slmp)提供基础。
35.图3示意性示出了根据本技术的一个实施例的正压式呼吸防护设备300。为了清楚，在图3所示的实施例中，那些与图1所示的相同的附图标记所代表的特征可以参见图1的相应内容描述。因此，正压式呼吸防护设备300包括主机110、个人防护模块120以及在主机110与个人防护模块120之间气密性连接的软管130。此外，正压式呼吸防护设备300还包括检测模块200。检测模块200可以配置成位于软管外侧测量流经软管的气体流量。由于mems流量传感器芯片本身的特性，当检测模块200位于软管外侧时对流量测量的精度通常会好于位于软管内侧时对流量的测量精度。但是，检测模块200位于软管内侧的话，可以对检测模块200提供相对更安全的保护，避免意外受损。例如，在图3所示的实施例中，检测模块200可以布置在软管130外侧。本领域技术人员应当清楚的是，在本技术的上下文中涉及有关检测模块布置于一特征(例如软管)上的措辞可以指的是以任何合适的物理连接方式例如经由夹具、粘合、螺钉、其它合适的紧固件等将检测模块固定于该特征上，同时该检测模块的各项功能能够良好地起作用。检测模块200例如可以布置在软管130的与主机110或个人防护模块120相连的接头的一部分上或者作为该接头的一部分被形成，从而位于主机110的外壳外侧。
36.与直接将检测模块200布置在主机110内部中的气流路径115相比，位于主机110的外壳外侧可以避开主机110的鼓风机运行时在外壳内部产生的非规则涡流的变化对于mems流量传感器210的测量精度的影响，而这种非规则涡流的变化很有可能是在对鼓风机进行转速调节时出现的。因此，由于本领域技术人员在设计主机时通常仅会想到将诸如传感器
的检测装置设置在主机的外壳内，而没有考虑到鼓风机运行时在外壳内部产生的非规则涡流变化对测量结果精度的影响，因此本技术的设计恰恰克服了这种现有技术中的通常被设计人员所忽略的问题，可以为鼓风机的转速控制提供更加精确的依据。
37.应当清楚的是，检测模块200可以在软管130的两个接头之间的任何一个合适的位置布置。
38.此外，在如图3所示的实施例中，检测模块200与主机110、特别是其微处理器控制单元116之间的数据通信可以采取有线或无线的方式。例如，当采取有线的方式时，将检测模块200与主机110、特别是其微处理器控制单元116连接的电缆线可以位于软管130的外表面上并由保护带缠绕保护。替代地，电缆线也可以贴附在软管130的内表面上由合适的夹持件或者粘合剂等固定，以不影响净化后的空气输送为佳。甚至，在一替代的优选实施例中，这种电缆线可以作为软管130的管壁的一部分而内嵌形成。在有线的通信连接方式中，检测模块200和微处理器控制单元116可以设计成二者之间经由电缆线以uart、i2c等任何合适的通信协议的方式进行数据传输。
39.在数据通信采用无线的方式实现时，在主机110中、特别是在微处理器控制单元116的集成电路板中可以集成有无线通信单元，从而能够与检测模块200的无线通信器件进行数据传输，例如将由检测模块200所获取的各种数据传输给微处理器控制单元116或者接收来自微处理器控制单元116的指令。在无线的通信连接方式中，微处理器控制单元116和检测模块200可以设计成二者之间以蓝牙、zigbee、无线internet等任何合适的通信协议方式进行数据传输。
40.图4示意性示出了根据本技术的一个实施例的正压式呼吸防护设备400。为了清楚，在图4所示的实施例中，那些与图1所示的相同的附图标记所代表的特征可以参见图1的相应内容描述。如图所示，正压式呼吸防护设备400包括主机110、个人防护模块120以及在主机110与个人防护模块120之间气密性连接的软管130。此外，正压式呼吸防护设备300还包括检测模块200。检测模块200可以配置成位于软管130内侧以测量流经软管130的气体流量。在优选的实施例中，检测模块200在软管130中位于尽量远离软管130的与主机110相连的接头，从而避免主机110的鼓风机运行时因主机外壳内部气流路径115多处产生的涡流对测量结果造成的影响。
41.图5示意性示出了本技术实施例或它们的改型例的正压式呼吸防护设备300、400的控制方法。本领域技术人员应当清楚，以下描述的方法步骤或者它们的任何改型可以作为程序储存在微处理器控制单元116的储存芯片内，在需要时调用执行。
42.假设本技术的正压式呼吸防护设备正在经历出厂测试(例如软管130未与个人防护模块120相连并即将由不同的堵塞物堵塞)或者正在由使用者穿戴使用。首先，在步骤s10，例如可以通过控制装置117输入期望的供气流量设定值sd。例如，此时微处理器控制单元116先指令以与所期望的供气流量设定值sd对应的事先计算的电流强度向鼓风机112供电。这种事先计算的电流强度可以仅仅是根据设计主机时仅仅理论上(例如在软管的出口处未有任何堵塞情况下或者说没有连接个人防护模块120情况下)根据特定的供气流量计算的结果，并且事先储存在微处理器控制单元116的储存芯片内供调用使用。
43.然后，在步骤s20，检测模块200测量软管130输送的气体流量(如本文之前或随后所述，在本技术的方法实施例中，检测模块200可以测量不止气体流量，还可测量例如环境
气压、温湿度等其它参数)。例如，气体流量的测量值sm可以是经多次实测并对结果取平均值，此时因为软管130的出口(即将会与个人防护模块120相连的接头)因存在不同程度的堵塞或者因已与个人防护模块120相连并由使用者佩戴也会导致气体流量的测量值sm与供气流量设定值sd不同。因此，在步骤s30，将气体流量的测量值sm与供气流量设定值sd进行比较。如果二者之间的差值或其绝对值小于或等于预定的值，则认为二者之间没有差别，步骤s30的比较结果可以输出为y，如果二者之间的差值或其绝对值大于预定的值，则认为二者之间存在显著差别。
44.如果步骤s30的结果为n，则转到步骤s40。在步骤s40，基于气体流量的测量值sm与供气流量设定值sd之间的差值调节鼓风机112的电流强度，使得相应改变气体流量的测量值sm。例如，如果差值为正值，则可以相应地降低鼓风机112的电流强度，而如果差值为负值则可以相应地增加鼓风机112的电流强度。与现有技术中对鼓风机进行预设的挡位增减调节不同，本技术的技术方案要求鼓风机112的运行功率、特别是其电流强度以与测量值sm或者说测量值sm与供气流量设定值sd之间的差值一一对应的关系被调节，这里“一一对应的关系”意味着鼓风机112的运行功率改变、特别是其电流强度改变与测量值sm的改变或者说测量值sm与供气流量设定值sd之间的差值改变是线性关系。也就是说，所述电动鼓风机(112)的运行功率因所述测量的空气流量而能够线性地改变。在本技术的范畴内，并不涉及这种线性关系的具体值，但是与现有技术的挡位增减调节相比，本技术的这种基于所述测量的空气流量线性调节鼓风机运行功率的设计避免了预先对挡位进行标定、同时也避免了因挡位调节而造成的使用者的不适感。
45.然后，转到步骤s20，继续利用检测模块200测量软管130输送的气体流量。在步骤s40中，鼓风机112的电流强度的调节幅度能够以确保气体流量变化最小可达1slpm的方式实现。因为在本技术的实施例中mems流量传感器210的精度可达0.5slpm，所以即使以1slpm的幅度增减改变气体流量，检测模块200仍可以确保以足够的精度检测到气体流量变化，进而为后续反馈控制提供足够的基础。
46.如果步骤s30的结果为y，则转到步骤s20，继续利用检测模块200测量软管130输送的气体流量。从上述的方法步骤可以看出，本技术采取闭环反馈的方式控制可以无需事先像现有技术那样在出厂前对设备主机进行标定，并且可以根据实时气体流量的检测结果以近似连续的方式调节供气从而确保以较高精度的方式达到期望的气流流量设定值并且可以动态维持该设定值。
47.在一个实施例中，在步骤s10之后首次进行步骤s20之前，可以设定一个间隔时间例如1秒至1分钟，当该检测时间满足后才首次进行步骤s20。这样做的好处是令净化后的空气更加稳定地在软管130内流动从而确保测量结果更加稳定。
48.在一个优选的实施例中，在步骤s20中利用检测模块200除了测量气体流量以外还可以测量气体压力、温度、湿度等。然后，例如这些参数可以输入一个预先确定的转换函数并输出一个值以代表当前的实际气体流量的测量值sm。这种转换函数因为考虑了气体压力、湿度和温度对于测量值的影响，可以更加接近真实地反映软管130内或者甚至由使用者直接感触到的气体变化情况。这种转换函数可以事先根据经验或者多次试验而定，例如在设计主机时作为程序的一部分存储在微处理器控制单元116的储存芯片内供后期调用使用。
49.在一个可选的实施例中，可以设计成当步骤s30的结果为y时，将鼓风机112的当前电流强度值存储，以便在下一次利用控制装置117输入同一期望的供气流量设定值sd时，可以在步骤s10直接调用该电流强度值并据此控制鼓风机112。
50.采用本技术的实施例的设备以及控制方法，可以摒弃现有技术中对产品事先标定的方式，从而确保批量产品的参数一致性。另外，采用闭环反馈控制鼓风机的运行可以精确地达成期望的气流流量设定，同时避免调节风量时的气流振动产生，进而提升了用户体验。
51.尽管这里详细描述了本技术的特定实施方式，但它们仅仅是为了解释的目的而给出，而不应认为它们对本技术的范围构成限制。此外，本领域技术人员应当清楚，本说明书所描述的各实施例可以彼此相互组合使用。在不脱离本技术精神和范围的前提下，各种替换、变更和改造可被构想出来。