生物安全櫃風速測量監控裝置製造方法
2023-10-25 20:43:37 2
生物安全櫃風速測量監控裝置製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種生物安全櫃【技術領域】的生物安全櫃風速監控裝置。本發明包括若干個風速測量單元、主控單元和警報單元，所述主控單元分別與若干個風速測量單元和警報單元電連接。本發明的首要目的就在於克服現有生物安全櫃在風速測量上採用單一風速測量單元所存在的不足，該生物安全櫃風速測量監控裝置增加了生物安全櫃運行時的安全係數，除了在風速異常時及時發出報警信號，當監測風速測量電路本身發生測量不準確的情況，主控單元能夠及時通知用戶系統存在安全風險，降低由於單個風速傳感器損壞或者漂移造成風速測量不準確的風險，減少使用者和實驗樣品可能受到氣流汙染的機會。
【專利說明】生物安全櫃風速測量監控裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及生物安全櫃【技術領域】，具體涉及一種生物安全櫃風速測量監控裝置。【背景技術】
[0002]生物安全櫃是防止操作過程中含有危害性或未知生物氣溶膠散逸的空氣淨化安全裝置，該裝置能夠將工作區已被汙染的空氣通過專門的過濾通道過濾，避免對人和環境造成危害，是一種安全的微生物專用設備，可應用於生物實驗室、醫療衛生、生物製藥等相關行業，對改善工藝條件，保護操作者的身體健康均有良好效果。
[0003]一般的生物安全櫃通過離心風機從前窗操作口向內吸入的負壓氣流用以保護人員的安全；經高效過濾器過濾的下降氣流用以保護產品的安全和交叉汙染；汙染氣流經高效過濾器過濾是為了保護環境不受汙染。生物安全櫃對前窗流入氣流的流速和櫃內下降氣流的流速有嚴格的要求，不能過低也不能過高，否則不能起到保護人員和實驗樣品的作用。按照國家標準生物安全櫃都應該配備有風速測量裝置，當測量到流入或者下降風速過低或者過高及時報警。由於熱式原理風速測量電路對微小風速敏感、測量精度較高、無運動部件、抗振動、響應時間短，因此多數情況下生物安全櫃採用熱式原理風速測量電路。但缺點是易受外界環境因素影響發生零點漂移和測量誤差。
[0004]現有的風速測量電路都只採用一個加熱單元，該加熱單元加熱到高於環境溫度的某一個值，當氣流通過該加熱單元以後產生熱量損耗，通過計算熱量損耗程度來測量氣流的流速。但是單獨的加熱單元容易受到溫度、溼度、壓力、器件老化等效應的綜合影響下而使得測量出的風速偏離實際風速，可能導致當實際風速過低或者過高時未能發出報警信號，用戶可能處於不安全的狀態下。
【發明內容】
[0005]本發明的首要目的就在於克服現有生物安全櫃在風速測量上所存在的不足，從而提供一種生物安全櫃風速測量監控裝置，該生物安全櫃風速測量監控裝置增加了生物安全櫃運行時的安全係數，除了在測量風速異常時及時發出報警信號，當監測風速測量電路本身發生測量不準確的情況，主控單元能夠及時通知用戶系統存在安全風險，防止發生未知的危險情況，比如操作人員受到汙染氣流的威脅，或者實驗樣品被汙染氣流所汙染影響實驗結果。
[0006]本發明的生物安全櫃風速測量監控裝置，包括若干個風速測量單元、主控單元和警報單元，所述主控單元分別與若干個風速測量單元和警報單元電連接。
[0007]所述風速測量單元有η個，且η大於等於兩個；由η個風速測量單元組成的模塊陣列同時監測安全櫃風速。
[0008]所述風速測量單元包括由依次連接的驅動單元、加熱單元和信號處理系統組成，所述主控單元分別與驅動單元和信號處理系統電連接。所述風速測量單元採用熱學原理，通過檢測氣流引起的加熱單元表面溫度變化或者消耗電功率的變化，由King公式Q=(A+B*V°_5)*At計算風速值,其中Q為熱量，A, B為常數，V為風速，At為加熱單元溫度與環境溫度之間的溫度差。
[0009]所述加熱單元包括熱敏元件,所述熱敏元件為鉬膜或者鉬絲電阻。
[0010]所述風速測量單元包括依次連接的差壓信號採集單元、差壓測量單元和壓力信號處理系統，
[0011]所述壓力信號處理系統的輸入端和輸出端分別與差壓測量單元和主控單元連接，所述差壓測量單元為壓力敏感元件，所述壓力敏感元件為半導體壓阻壓力傳感器。該差壓測量單元是將氣流流過差壓信號採集單元產生的壓力信號轉變為電信號經過壓力信號處理系統放大處理後由主控單元進行AD採樣後計算。所述風速測量單元為壓差測量原理，其風速測量原理為差壓信號採集單元測得氣流全壓和靜壓，通過其後連接的差壓測量單元和信號處理系統得到其差壓值。根據伯努力方程V = K V 2P / P計算，其中V為測量風速(m/s)，K為常數，P為測得的差壓(Pa)，P流體密度(kg/m3)。該測量方式在低風速時靈敏度上低於熱式原理的風速測量單元，但優點是能夠測量平均風速，不容易受某個點氣流波動的影響。
[0012]當所述風速測量單元損壞或者受到環境影響漂移，主控單元比較風速測量單元的第一信號平均值和第二風速測量單元至第η風速測量單元信號平均值得到差分值與校準值比較的差值在一個時間周期內連續超過閾值，以此判斷當前測量的風速結果不準確，通過警報單元發出報警信號提示使用者；
[0013]所述閾值為所述差值50%~150% ；
[0014]所述校準值為校準時第一信號的平均值減去其餘2~η信號的平均值後求得的差分值。
[0015]所述信號處理系統包括差值放大電`路和濾波電路。
[0016]所述主控單元所包含的微控制器是`通過外部單獨或者內部集成的AD轉換電路接收每個信號處理系統的信號，同時發出控制信號給驅動單元來產生驅動信號，驅動信號控制加熱單元上的溫度值。
[0017]所述主控單元發出的控制信號為脈寬調製信號或者DA輸出信號。
[0018]所述警報單元是當主控單元監控當前傳感器得到的風速不正確，或者流入風速和下降氣流風速波動超過其標稱值±1%~±20%時，通過該警報單元發出報警信號提示使用者。
[0019]所述的警報單元過發出聲音和光學顯示變化兩種方式同時提示使用者注意警報信號，並且該報警信號一直保持直到系統恢復正常。
[0020]所述生物安全櫃風速測量監控裝置還包括溫度檢測單元和風機控制單元，所述主控單元分別與溫度檢測單元和風機控制單元電連接。
[0021]所述溫度檢測單元用於檢測氣流的溫度，作為主控單元控制加熱單元上的溫度補償值。
[0022]所述風機控制單元受主控單元控制，風機控制單元和其後的風機連接用來調節風機功率使生物安全櫃內風速值保持恆定。
[0023]本發明採用η個風速測量單元，且η大於等於兩個；由η個風速測量單元組成的模塊陣列可以同時測量風速。如果生物安全櫃內的實際風速發生變化，每個風速測量單元其後的信號都發生變化；且理論上每個風速測量單元信號差分值不變。當η個風速測量單元得到的信號差分值與校準值比較的差值在一定時間周期內超過閾值，說明此時其中一個風速測量單元受到外界或者器件老化等因素得出的信號值不再準確，主控單元通過信號的差分值變化範圍來監控當前得到的風速值是否準確。當監控當前得到的風速值是不準確的，則通過警報單元發出警報信號來提示使用者此時測量的風速值不準確，系統存在安全風險，需要採取相應措施並重新校準風速測量電路。
[0024]本發明增加了生物安全櫃運行時的安全係數，除了在實際風速異常時及時發出報警信號，當監測風速測量電路本身發生測量不準確的情況，主控單元能夠及時通知用戶系統存在安全風險，防止發生未知的危險情況，比如操作人員受到汙染氣流的威脅，或者實驗樣品被汙染氣流所汙染影響實驗結果，在這種情況應立即中止操作，並且關閉生物安全櫃的前窗防止汙染物外洩。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]圖1為實施例1的模塊框圖。
[0026]圖2為實施例1加熱單元的結構示意圖。
[0027]圖3為實施例1信號處理系統示意圖。
[0028]圖4為實施例2的模塊框圖。
[0029]圖5(a)為實施例3的結構示意圖。
[0030]圖5 (b)為實施例4的結構示意圖。
[0031]圖5(c)為實施例5的結構示意圖。
[0032]圖6為實施例6利用L型皮托管差壓信號測量風速的結構示意圖。
[0033]圖7 (a)為實施例5的生物安全櫃的櫃下降氣流經過的位置。
[0034]圖7 (b)為實施例5的生物安全櫃的最終排出氣流所經過的位置。
【具體實施方式】
[0035]以下結合具體實施例，對本發明作進一步說明。應理解，以下實施例僅用於說明本發明而非用於限定本發明的範圍。
[0036]實施例1
[0037]如圖1所示，本實施例的生物安全櫃風速測量監控裝置，包括兩個風速測量單元
11、12、主控單元7、溫度檢測單元9、警報單元8和風機控制單元10，所述第一風速測量單元11由依次串聯連接的第一驅動單元3、第一加熱單元I和第一信號處理系統5組成；所述第二風速測量單元12由依次串聯連接的第二驅動單元4、第二加熱單元2和第二信號處理系統6組成；所述主控單元7的驅動控制端、信號控制端和報警控制端分別與兩個驅動單元3、4、兩個信號處理系統5、6和警報單元8電連接；所述主控單元7的溫度測量端和風機端分別與溫度檢測單元9和風機控制單元10 ;所述驅動單元3、4由主控單元7的控制信號來產生電信號，主控單元7通過驅動單元3、4控制加熱單元1、2上的溫度值。
[0038]如圖2所示，所述加熱單元1、2包括R1、R3、R4和Rt，Rl、R3、R4為固定電阻，Rt為鉬膜電阻，四個電阻R1、R3、R4和Rt組成惠斯登電橋，所述鉬膜電阻的輸入端和輸出端分別與對應的驅動單元3、4和信號處理系統5、6的電連接。[0039]如圖3所示，所述信號處理系統5、6包括相連接的差值放大電路21和濾波電路22，所述差值放大電路21的主要器件為差值放大器，所述濾波電路22包括串聯的電阻R和電容C，所述差值放大電路21的輸入端和輸出端分別與對應的加熱單元1、2和濾波電路22連接，所述濾波電路22的信號輸出端與主控單元7連接。
[0040]所述主控單元7所包含的微控制器是通過外部單獨或者內部集成的AD轉換電路接收每個信號處理系統的信號，同時發出控制信號給驅動單元來產生驅動信號，驅動信號控制加熱單元上的溫度值。
[0041]所述主控單元7發出的控制信號為脈寬調製信號或者DA輸出信號。
[0042]所述警報單元是當主控單元監控當前傳感器得到的風速不正確，或者流入風速和下降氣流風速波動超過其標稱值±1%~±20%時，通過該警報單元發出報警信號提示使用者。
[0043]所述的警報單元8過發出聲音和光學顯示變化兩種方式同時提示使用者注意警報信號，並且該報警信號一直保持直到系統恢復正常。
[0044]所述生物安全櫃風速測量監控裝置還包括溫度檢測單元9和風機控制單元10，所述主控單元7分別與溫度檢測單元9和風機控制單元10電連接。
[0045]所述溫度檢測單元9用於檢測氣流的溫度，作為主控單元控制加熱單元上的溫度補償值。
[0046]所述風機控制單元10受主控單元控制，風機控制單元和其後的風機連接用來調節風機功率使生物安全櫃內風速值保持恆定。
[0047]當本發明的兩個風速測量單元11、12為2個時，本發明的具體步驟為:
[0048]第一步、校準風速測量單元11、12:
[0049]先採樣第一風速測量單元11和第二風速測量單元分別輸出的第一信號平均值和第二信號平均值得到參考值Vl ；
[0050]所述參考值Vl為校準時第一信號和第二信號計算得到的差分值，第一信號作為主信號，第二信號作為監測信號，採用差分值的好處是消去了被測量風速本身的波動影響；
[0051]第二步、開始測量風速:
[0052]在第一個 周期T內對第一信號值和第二信號值進行平均採樣，再計算出第一信號和第二信號的差分值V2 ;將差分值V2和參考值Vl再做差值計算，計算結果為V3 ；
[0053]第三步、將V3與設置的閾值Vg比較，如果V3沒有超過閾值Vg，將異常標誌復位，正常計算風速值；如果V3超過了閾值Vg，則置一個異常標誌；
[0054]第四步、在下一個採樣周期T再重新平均採樣計算一次第一信號和第二信號的差分值V2，和參考值Vl再做差值計算，計算結果為V3 ；
[0055]第五步、再次將V3與閾值Vg比較，如果V3沒有超過閾值Vg，則上次的異常標誌位復位，正常計算風速值；如果V3超過了閾值Vg，則保持異常標誌，並判斷信號為錯誤，發出報警信號提示操作人員。
[0056]實施例2
[0057]如圖4所示，本實施例與實施例1的區別在於，所述風速測量單元的個數有n，且η大於2，第二風速測量單元13是包括依次連接的差壓信號採集單元14、差壓測量單元15和壓力信號處理系統16，所述壓力信號處理系統16的輸入端和輸出端分別與差壓測量單元15和主控單元7連接，該差壓測量單元15是將氣流流過差壓信號採集單元14產生的壓力信號轉變為電信號經過壓力信號處理系統16放大處理後由主控單元7進行AD採樣後計
笪
ο
[0058]所述差壓測量單元15為壓力敏感元件，所述壓力敏感元件採用基於半導體材料的壓阻效應原理製成的傳感器，利用集成電路工藝直接在矽平膜片上按一定晶向製成擴散壓敏電阻，當矽膜片受壓時，膜片的變形將使擴散電阻的阻值發生變化。半導體壓阻壓力傳感器作為差壓測量單元15主要元件，它的優點是低價格、線性度好以及高靈敏度適合測量微小壓力。
[0059]所述風速測量單元數量為η個，且η大於2個，本實施例的具體步驟為:
[0060]第一步、校準風速測量單元:
[0061]先採樣每個風速測量單元的信號平均值用於計算出參考值VI;
[0062]η個風速測量單元，第一風速測量單元信號作為主信號，第二至第η風速測量單元的信號為監測信號；
[0063]所述參考值Vl為校準時第一信號的平均值減去其餘2~η信號的平均值後求得的差分值。
[0064]第二步、開始測量風速:
[0065]在第一個周期T內·對每個信號的平均值進行平均採樣，再計算出第一信號的平均值減去其餘信號的平均值後求得的差分值V2，將V2和Vl再做差值計算，計算結果為V3 ；
[0066]第三步、將V3與設置的閾值Vg比較，如果V3沒有超過閾值Vg，將異常標誌復位，按照主信號正常計算風速值；如果V3超過了閾值Vg，則置一個異常標誌；
[0067]第四步、在下一個採樣周期T再重新平均採樣計算一次第一信號的平均值減去其餘信號的平均值後求得的差分值V2，V2和參考值Vl再做差值計算，計算結果為V3 ；
[0068]第五步、再次將V3與閾值Vg比較，如果V3沒有超過閾值Vg，則上次的異常標誌位復位，按照主信號正常計算風速值；如果V3超過了閾值Vg，則保持異常標誌，並判斷信號為錯誤，通過警報單元發出警報信號來提示使用者此時測量的風速值不準確，系統存在安全風險，需要採取相應措施並重新校準風速測量電路。
[0069]所述的閾值Vg根據風速測量單元的第一信號平均值和第二風速測量單元至第η風速測量單元信號平均值得到差分值的50%~150%。
[0070]閾值Vg既不能設得太低引起頻繁誤報，也不能設得太高以致監控失去意義，應通過具體實驗結果設定。
[0071]所述參考值Vl為校準時第一信號和其餘信號的平均值計算得到的差值的絕對值，第一信號的平均值作為主信號，其餘信號的平均值作為監測信號，採用差值的絕對值的好處是消去了被測量風速本身的波動影響；
[0072]本發明的第一信號和第2~η信號是互相監視的，不管是第一信號值改變還是第21信號值輸出發生改變並且在一個時間周期內連續超過閾值，主控單元都會提示風速測量單元異常，發出報警信號，提示操作人員有潛在的安全風險，當前風速測量單元輸出值已經不可靠需要重新校準或者更換。本發明能夠降低由於單個風速傳感器漂移造成風速測量不準確的風險，減少使用者和實驗樣品可能受到汙染的機會，增加生物安全櫃運行時的安全係數。
[0073]實施例3
[0074]如圖5(a)所示，本實施例的兩個風速測量器件31可設置於一個風速傳感器51的對應的兩個探頭41中，且兩個探頭41垂直放置。
[0075]實施例4
[0076]如圖5(b)所示，本實施例的兩個風速測量器件32可設置於一個風速傳感器52的對應的兩個探頭42中，且兩個探頭42水平放置。
[0077]實施例5
[0078]如圖5(c)所示，本實施例的每個風速測量器件33可設置於一個風速傳感器53的一個探頭43中；將η個風速傳感器53成陣列安裝在生物安全櫃內氣流經過的多個位置進行風速測量，η大於等於2，風速傳感器53安裝的首選的位置是在生物安全櫃的櫃下降氣流經過的位置，如圖7 Ca)所示，以及風速傳感器60安裝在最終排出氣流所經過的位置如圖7 (b)所示。
[0079]實施例6
[0080]如圖6所示，本實施例的是利用L型皮托管的風速測量單元，差壓信號採集單元的主體結構為L型皮托管51，所述L型皮托管51是用兩根不同直經不鏽鋼管子同心套接而成，L型皮托管的內管通直端尾接頭是全壓管，L型皮托管的外管通側接頭是靜壓管，所述全壓管和靜壓管的工作端分別為全壓接頭53和靜壓接頭54，所述全壓接頭53和靜壓接頭54分別通過管道52與差壓測量單元55的正輸入和負輸入對應，差壓測量單元55的輸出信號經過信號放大處理後由微處理器進行AD採樣，所述差壓測量單元55為微壓差傳感器。
[0081]所述L型皮托管51還包括測桿頭部56，測桿頭部56和指向杆方向一致，使用時可確定方向，使測頭對準來流方向。L型皮托管工作時，用伯努利方程可計算流體中某一點流速V。式中:
[0082]
【權利要求】
1.一種生物安全櫃風速測量監控裝置，其特徵在於，包括若干個風速測量單元、主控單元和警報單元，所述主控單元分別與若干個風速測量單元和警報單元連接。
2.如權利要求1所述的生物安全櫃風速測量監控裝置，其特徵在於，所述風速測量單元有η個，且η大於等於兩個；由η個風速測量單元組成的模塊陣列同時監測安全櫃內風速。
3.如權利要求2所述的生物安全櫃風速測量監控裝置，其特徵在於，所述風速測量單元包括由依次連接的驅動單元、加熱單元和信號處理系統組成，所述主控單元分別與驅動單元和信號處理系統連接； 所述加熱單元包括熱敏元件，所述熱敏元件為鉬膜或者鉬絲電阻。
4.如權利要求2所述的生物安全櫃風速測量監控裝置，其特徵在於，所述風速測量單元包括依次連接的差壓信號採集單元、差壓測量單元和壓力信號處理系統，所述壓力信號處理系統的輸入端和輸出端分別與差壓測量單元和主控單元連接； 所述差壓測量單元為壓力敏感元件，所述壓力敏感元件為半導體壓阻壓力傳感器。
5.如權利要求3或4所述的生物安全櫃風速測量監控裝置，其特徵在於，當所述風速測量單元損壞或者受到環境影響漂移，主控單元比較風速測量單元的第一信號平均值和第二風速測量單元至第η風速測量單元信號平均值得到差分值與校準值比較的差值在一個時間周期內連續超過閾值，以此判斷當前測量的風速結果不準確，通過警報單元發出報警信號提示使用者； 所述閾值為所述差分值的50%~?50% ； 所述校準值為校準時第一信號的平均值減去其餘2~η信號的平均值後求得的差分 值。
6.如權利要求1所述的生物安全櫃風速測量監控裝置，其特徵在於，所述信號處理系統包括差值放大電路和濾波電路。
7.如權利要求1所述的生物安全櫃風速測量監控裝置，其特徵在於，所述主控單元所包含的微控制器是通過外部單獨或者內部集成的AD轉換電路接收每個信號處理系統的信號，同時發出控制信號給驅動單元來產生驅動信號，驅動信號控制加熱單元上的溫度值； 所述主控單元發出的控制信號為脈寬調製信號或者DA輸出信號。
8.如權利要求1所述的生物安全櫃風速測量監控裝置，其特徵在於，所述警報單元是當主控單元監控當前傳感器得到的風速不正確，或者流入風速和下降氣流風速波動超過其標稱值±1%~±20%時，通過該警報單元發出報警信號提示使用者； 所述的警報單元過發出聲音和光學顯示變化兩種方式同時提示使用者注意警報信號，並且該報警信號一直保持直到系統恢復正常。
9.如權利要求1所述的生物安全櫃風速測量監控裝置，其特徵在於，還包括溫度檢測單元和風機控制單元，所述主控單元分別與溫度檢測單元和風機控制單元電連接。
10.如權利要求9所述的生物安全櫃風速測量監控裝置，其特徵在於，所述溫度檢測單元用於檢測氣流的溫度，作為主控單元控制加熱單元上的溫度補償值。 所述風機控制單元受主控單元控制，風機控制單元和其後的風機系統連接用來調節風機功率使生物安全櫃內風速值保持恆定。
【文檔編號】G01P5/14GK103852594SQ201210501868
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2012年11月30日 優先權日:2012年11月30日
【發明者】黃元磊, 吳峻, 馮金棟 申請人:上海力申科學儀器有限公司