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作者:阮致維(2004-09-02);推薦:徐業良(2004-09-14)

防音耳罩夾緊力與散熱性測試機台設計與使用手冊

道道實業股份有限公司規劃委託本實驗室設計製作「防音耳罩夾緊力與散熱性測試機台」,供自行檢測產品之用。本文描述測試機台之設計、操作、與維護。

1.         測試機台設計

本測試機台主要提供夾緊力與散熱性兩項測試功能。夾緊力測試主要依照CNSCEN國際標準製作,散熱性測試國際標準未詳加規範,主要在模擬人體配戴防音耳罩時耳罩內溫度,藉以評估耳罩散熱性。圖1為本測試機台整體配置。

1. 測試機台整體配置圖

1.1 夾緊力測試

本測試機台夾緊力測試依據CNS中國國家標準CNS T2012 8454 ; 1982, 防音防護具】與CEN歐洲標準“Hearing Protectors – General requirement – Part 1: Earmuffs,” EN 352-1, 1993設計製作。CNSCEN測試標準中,測試時將待測防音耳罩適當調整後固定於架撐模型二塊調整板上,測試期間不改變二塊調整板間距離,於配戴防音耳罩經過120 ±5秒後量測頭帶彈性施加於二塊調整板之力量範圍,CNSCEN間不同處僅為架撐模型構建出之頭部尺寸,考量各國國人頭部尺寸間的差異。

為使測試機台在測試不同對象的適用性上能更為廣泛,架撐模型上設計有寬、高度調整機構,左右兩側支撐耳殼護蓋之調整板分別裝置有一組螺桿機構,以調整測試機台水平寬度,而垂直高度是經由中央支撐軸來調整,經由這二個固定位置的尺寸微調,使測試機台能夠以二組不同頭型尺寸進行測試。表12行政院勞委會勞工安全衛生研究所公佈之國人人體計測資料,依據此統計資料,本機台架撐模型調整板間標準寬度訂為151mm,此數值為國人頭寬之平均值,而調整範圍介於130mm170mm之間,此範圍已含蓋90%國人頭型。高度調整範圍設定亦依據國人人體計測資料訂為距離水平軸150mm。寬高度調整設計不僅使架撐模型能夠適應更多不同尺寸的測試對象,也能夠幫助研究人員評估評估防音耳罩頭帶調整功能之適用性。

1. 國人靜態二維頭部尺寸

尺寸名稱

平均值

標準差

最小值

最大值

兩耳珠間距(mm

150.90

11.28

113.86

188.22

頭頂至耳珠(mm

149.81

10.54

116.61

181.31

2. 國人靜態二維頭部尺寸百分位數

尺寸名稱

百分位數

2.5%

5%

50%

95%

97.5%

兩耳珠間距(mm

127.95

131.80

151.33

168.69

172.52

頭頂至耳珠(mm

129.80

133.29

149.16

167.53

170.32

夾緊力量測以S型荷重規作為感測元件,S型荷重規之外形設計具有可承受兩方向相對力量同時施於其上的特性,並藉由金屬壓電效應將所受壓力轉換為電壓輸出,其受力方式與量測特性十分符合夾緊力測試之設計需求。此型荷重規使用時搭配有一控制盒,此控制盒不僅提供荷重規所需電源、放大荷重規輸出之電壓訊號,並內建有將電壓訊號轉換為數值輸出之功能,可直接由顯示器讀取測得夾緊力數值。此外亦提供一組校正砝碼供自行校正荷重規之用。

1.2 散熱性測試

散熱測試設計架構如圖2所示,同樣是以夾緊力測試架撐模型來承載受測防音耳罩,並於架撐模型一側調整板上裝設溫度感測器、溫度控制器、與電熱器(如圖3)。溫度控制器接收感測器感測耳殼護蓋支撐平板溫度變化之訊號,再由溫度控制器控制電熱器對支撐平板進行溫度控制,使耳殼護蓋支撐平板維持37恆溫,以模擬防音耳罩接觸人體時的溫度狀態;另一組溫度感測器於測試進行時量測耳殼護蓋內之空氣溫度,作為評估散熱性能之依據。散熱性測試模組亦提供一個控制盒,裝設有溫度控制器及溫度感測器錶頭,可顯示耳殼護蓋內溫度,藉以評估防音耳罩之散熱性。

2. 散熱性測試架構圖

3. 溫度感測器裝置說明位置

1.3 各項元件規格

本機台所選用各項元件規格說明如下:

(1)荷重規

使用之荷重規(Load cell)Sun Scale公司生產之S型荷重規,可測量範圍為50kg,訊號輸出為2.0mV/V(輸出電壓mV/單位工作電壓V)。

(2)荷重規錶頭

荷重規錶頭使用Racer公司生產之EX-2001訊號錶頭,其輸出荷重規之激發電壓為5 DV,錶頭最大量測電壓為16mV(荷重規訊號最大輸出為10mV),具有可自動調整零點位置的功能。

(3)重量校正砝碼

使用1kgw之標準砝碼進行校正程序,砝碼精度±5mg。校正過後精度可達0.1N/digit

(4)PID溫度控制器與電阻式加熱器

夾緊力測試機台所使用之溫度控制器具有PID控制功能,可將溫度控制在穩定狀態。採用之產品為OMRON所生產的自動溫度控制器E5CWT-R1KJ,感測器為熱電偶感測型(k type)、控制觸發模式則使用繼電器進行加熱器開關之控制。電阻式加熱器規格為150W110 AC

PID自動參數調整方式為按下AT鍵兩秒後,當AT鍵動作表示燈開始閃爍,即便開始自動調整動作直到參數設定完成。自動調整鍵可在電源剛送入時、溫度上升中、控制安定狀態下等任意狀態下開始。圖4為溫度控制器面板設定說明。

4. 溫度控制器面板設定說明

3.5空氣溫度感測器

空氣溫度感測器為LM35LM35是由National Semiconductor所生產的溫度感測器,其輸出電壓與攝氏溫標呈線性關係, 0時輸出為0V,每升高1,輸出電壓增加10mV。在常溫下LM35不需要額外的校準處理即可達到±0.25的準確率,所以準確度為0.5/digit

(6)溫度顯示錶頭

使用之溫度錶頭為數字錶頭LCD,可設定電壓抓取範圍200mV/2V/20V/200V,工作電壓為5V。主要功能在於抓取LM35經過分壓(1/10)輸出後的電壓值訊號,所顯示之數值即是耳罩內之空氣溫度。

2.         操作與校正程序

2.1 荷重規重量校正

荷重規重量校正前請先按照錶頭EX-200使用手冊說明,先將儀器開機預熱15~30分,且將荷重規從測試機台上拆下。圖5為荷重規重量校正流程圖,校正程序說明如下:

(1)   將錶頭左方之校正開關撥至ON,顯示幕出現SEL字樣後按下CAL鍵,即進入校正模式。

(2)   字幕出現ZERO字樣後將荷重規在垂直放立,按下ENTER鍵,當燈號有顯示ZREO後即完成零點校正程序。程序完成後即自動進入重量校正程序。

(3)   字幕出現SPAR字樣後將1kgw(10N)的校正砝碼放立在荷重規上,輸入設定參數10.0(N),按下Enter鍵等待錶頭紀錄數值,當字幕出現SEL字樣後即完成荷重規重量校正(校正後量測精度可達0.1N)。

(4)   最後當荷重規裝設回測試機台後,若讀值出現負值則代表荷重規受到裝設零件之拉力影響,此時請按下ZERO鍵讓讀值歸零。因錶頭具有自動準位偏移的功能,所以按下ZERO歸零鍵後不影響夾緊力數值之準確度。

5. 荷重規重量校正流程圖

2.2 夾緊力測試程序

防音耳罩夾緊力測試之程序依照CNSEN標準,說明如下:

(1)   進行夾緊力測試前先將錶頭讀值歸零。

(2)   調整架撐模型調整板寬高度至適當尺寸,再將待測防音耳罩固定於架撐模型上並使其頭帶保持垂直。架撐高度尺寸有兩種規格,可依測試需求進行調整;耳罩保護蓋調整板間寬度可由旋轉平板(未裝設溫度感測器端)調整。

(3)   經過120±5秒後讀取力量感測器上之測量數值,單位以牛頓(N)表示。

2.3 散熱性測試程序

防音耳罩散熱性測試程序說明如下:

(1)   開啟散熱測試箱後方之電源開關,先讓耳殼護蓋支撐平板能以PID溫度控制器驅動電熱器加熱至設定的人體體溫37度。溫度控制器面板上方的顯示值為平板即時溫度;面板下方之顯示值為設定的控制溫度。

(2)   當溫度到達人體溫度37度之後,使用者關閉加熱器電源開關,使耳罩內空氣溫度能維持在穩定且不受加熱器影響的狀態。

(3)   測試進行時將待測防音耳罩固定於架撐模型上,並調整頭帶使防音耳罩之耳殼護蓋與支撐平板間確實密合。

(4)   經過200±5秒溫度穩定後,由空氣溫度錶頭讀取其最終平衡溫度。

2.4 測試之可重複性驗證

夾緊力可重複性驗證實驗的測試樣品為EAR model-100010次測試後的平均值為8.43(N)、標準差為0.21、變異係數為2.4%CNSCEN標準均規定防音耳罩夾緊力需小於14N,此型號之防音耳罩即可達到CNSCEN標準。表1為夾緊力可重複性驗證數據。

1. 夾緊力測試可重複性驗證數據

測試次數

夾緊力值(N)

1

8.3

2

8.5

3

8.7

4

8.2

5

8.6

6

8.8

7

8.3

8

8.4

9

8.3

10

8.2

平均值(N)

8.43

標準差(N)

0.21

變異係數

2.4%

散熱性可重複性測試實驗,測試樣品為EAR model-1000,其平均值為34.57、標準差為0.51、變異係數為1.4%。表2為散熱性可重複性測試數據。

2. 散熱性可重複性測試數據

測試次數

散熱值 ()

1

35.2

2

34.0

3

34.3

4

34.2

5

35.0

6

34.2

7

34.2

8

34.2

9

35.3

10

35.1

平均值()

34.57

標準差()

0.51

變異係數

1.4%

3.         操作須知與維修保養

(1)   注意加熱器之電源加熱線為白色棉線所包覆,由於電源使用為AC110V,所以使用時須注意其絕緣包覆是否有破損,並注意使用時儘量不要互相碰觸以維護測試安全。

(2)   測試機台未使用時請關閉散熱性測試之控制箱總電源和荷重規錶頭電源。

(3)   測試機台使用完畢後請檢查空氣溫度感測器及熱電偶感測器是否仍裝設正常。

附錄:防音耳罩夾緊力與散熱性測試機台—零件圖