CN103548700B - 独立换气笼的控制系统中流量及笼盒对外压差测量方法及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种独立换气笼的流量测量方法，1)将进风机电机电压分为N个采样点，排风机电机电压分为M个采样点；2)控制进风机电机工作在第一个采样点，排风机电机依次工作在0和M个采样点，通过压差传感器采集进、排风箱间的压差，利用标准的流量测量仪标定排风机电机在每个采样点时独立换气笼内的流量；3)进风机电机工作在其它采样点上，重复步骤1、2；4)对M+1组压差-流量数据进行回归分析，得到N条满足ΔP+K₁(v+K₂)²＝C的压差—流量曲线，标定进风机电机处于不同采样点的N组权重因子K₁、K₂、C并存储至控制器；5)实际运行时，控制器根据进风机电机的电压选择最接近的一个进风机电压采样点，利用该点的权重因子和测得的压差计算流量v。本发明还公开一种笼盒对外压差测量方法以及基于两种测量方法的控制系统的控制方法。

Description

独立换气笼的控制系统中流量及笼盒对外压差测量方法及控制方法

技术领域

本发明涉及一种实验用啮齿类动物的养殖系统，特别属于一种独立换气笼内的控制系统、控制方法，以及在控制系统和方法中涉及的流量测量方法，可控制实验用啮齿类动物所生活空间的换气量、对外压差以及空气洁净度等指标。

背景技术

目前在生物、药品等领域的研发和生产过程中，普遍需要进行动物实验，由于进行试验的动物必须在无菌环境中饲养，所以就出现了独立换气笼(IVC)系统。这种系统主要由笼盒、笼架、送排风装置(主机)、送风管道和排风管道组成，所述笼盒依次排列在笼架上，每个笼盒上的进风口与送风管道相连接，每个笼盒上的出风口与排风管道相连接。送排风装置主要由控制单元、进风机、排风机、过滤器、进风箱和排风箱组成，所述进风箱设于进风机和送风管道之间，所述排风箱与排风管道、出风管道连通，排风机设于排风箱中。所述控制单元包括传感器和单片机，其中传感器通常包括压差传感器、流量传感器等。

现有空气流量的测量基本上有两种方式，第一种是在空气管路的入口处或出口处的管道上设置空气流量传感器测量空气流量，第二种是用皮托管或热线式传感器在入口和出口方向的管道面上测量空气流速，这两种方式均能实现对空气流量的测量，但是在实际运用过程中都有各自的缺陷。

第一种方式中，市场上现有的空气流量传感器分为两种，一种是针对天然气、蒸汽等大流量高流速高压力的工业空气测量用传感器，此类传感器多由防爆金属体构成，结构笨重，一般固定安装在工业管道上，不能轻易移动，一种是微流量传感器，此类传感器通径较小，一般用于仪器仪表的小流量测量，范围在10m³以内。对于除了前面两种测试对象以外的流体进行测量，如较大的通径、较小的流量流速等，市场上很难找到合适的传感器。

第二种方式中，由于传感器只能测量管道断面上某个点的流速，因此为了准确地进行流量的测量，一般要求气流稳定，同时需要在断面上设置多个点进行测量，并将多个点的流速值累加后平均，得到某个断面的平均流速再乘面积得到流量。对于固定安装的此类传感器，安装精度要求很高，同时也无法避免因为气流扰流所带来的数值不稳定，需要在后期的电路或程序里再进行处理的缺陷。

此外，目前的IVC系统在运行时，各种传感器(包括压差传感器、风速传感器、温度传感器、湿度传感器等)检测笼盒内的各项参数，然后将采集到的信息传输至单片机并在系统的显示装置上进行显示。由于系统中的风机采用开环控制模式，所以养殖现场需要工作人员实时监控，当由于过滤器阻塞造成的进风条件发生变化时，需要工作人员根据实际情况改变进风机的工作状态，从而对笼盒进行换风量调整，使IVC系统中各笼盒内的环境保持实验需求设定的压力和换风量值，否则会导致笼盒内的试验动物生病或死亡，因此还系统的运行需要耗费大量的人力和时间，且存在较大的风险。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种独立换气笼的控制系统内采用的流量测量方法，在不安装任何流量传感器或流速传感器的情况下，可以通过出入口的压差来测量独立换气笼封闭空气交换管路内的空气流量。

此外，本发明还提供一种独立换气笼的控制系统的控制方法，整体结构轻巧，易于加工，降低成本，而且可以根据变化的外部条件自动调整风机的运行状态，保证笼盒内的空气指标维持在需要范围内。

为解决上述技术问题，本发明提供一种独立换气笼的控制系统内流量的测量方法，所述独立换气笼包括笼架、笼盒、送风管道、排风管道，所述系统包括机箱、进风机、进风箱、排风机、排风箱、初级过滤器、二级过滤器、显示单元和控制单元；所述机箱采用塑料材质，且进风机、进风箱、排风机、排风箱、初级过滤器、二级过滤器和控制单元都位于机箱内；所述机箱上设有进气口，该进气口的内侧设有初级过滤器；所述进风箱位于机箱的底部，所述二级过滤器位于进风箱的上方，所述进风机设于二级过滤器的上方，所述进风机的出风口通过二级过滤器与进风箱的进风口相通，所述进风箱的出风口与送风管道相连通；所述排风箱位于机箱的顶部，所述排风机位于排风箱内，所述排风箱的进风口与排风管道相连通，排风口通过管路与外界相通；所述控制单元包括压差传感器、控制器、进风机电机和排风机电机，其中压差传感器、排风机电机和进风机电机均与控制器相连，所述压差传感器的输入端分别通过连接管与进风箱、排风箱相连，所述控制器接收压差传感器采集的信号并根据该压差信号计算独立换气笼内的空气流量，分别通过进风机电机和排风机电机控制进风机和排风机的运行状态，使笼盒的对外压差以及笼盒的换气量保持在设定范围内；所述流量测量方法包括标定过程和测量过程，其中标定过程包括以下步骤：

1)将进风机电机的电压分为N个采样点U_进1、U_进2……U_进N，同时将排风机电机的电压分为M个采样点U_出1、U_出2……U_出M；

2)控制进风机电机工作在第一个采样点U_进1上，同时使排风机电机的工作电压为0，通过压差传感器采集进风箱与排风箱之间的压差数据，并利用一标准的流量测量仪标定此时独立换气笼内的流量数据；

3)控制进风机电机工作在第一个采样点U_进1上，使排风机电机依次工作在采样点U_出1、U_出2……U_出M上，当排风机电机处于每个工作电压时，通过压差传感器采集进风箱与排风箱之间的压差数据，同时利用流量测量仪标定相对应的流量数据；

4)控制进风机电机工作在其它采样点U_进2……U_进N上，重复步骤2)和步骤3)；

5)对进风机电机工作在每个采样点时采集的M+1组压差数据-流量数据进行回归分析，每个采样点都对应得到一条压差—流量曲线，该曲线满足方程ΔP+K₁(v+K₂)²＝C，其中ΔP＝P₁+P₂是进风箱对外压差与排风箱对外压差的和值，P₁是进风箱的对外压差，P₂是排风箱的对外压差，K₁、K₂是表示空气交换管路结构及风阻的权重因子，v是空气交换管路中的流量，C是进风机电压的权重因子，标定进风机电机处于不同采样点时对应的一组权重因子K₁、K₂和C，并将N组权重因子存储至控制单元的控制器中；

测量过程：当独立换气笼运行时，通过压差传感器采集进风箱与排风箱之间的压差，控制器根据进风机电机的工作电压，选择与该工作电压最接近的一个进风机电压采样点所对应的权重因子K₁、K₂和C，并根据公式ΔP+K₁(v+K₂)²＝C计算流量v。

本发明还提供一种独立换气笼的控制系统内笼盒对外压差的测量方法，所述独立换气笼包括笼架、笼盒、送风管道、排风管道，所述系统包括机箱、进风机、进风箱、排风机、排风箱、初级过滤器、二级过滤器、显示单元和控制单元；所述机箱采用塑料材质，且进风机、进风箱、排风机、排风箱、初级过滤器、二级过滤器和控制单元都位于机箱内；所述机箱上设有进气口，该进气口的内侧设有初级过滤器；所述进风箱位于机箱的底部，所述二级过滤器位于进风箱的上方，所述进风机设于二级过滤器的上方，所述进风机的出风口通过二级过滤器与进风箱的进风口相通，所述进风箱的出风口与送风管道相连通；所述排风箱位于机箱的顶部，所述排风机位于排风箱内，所述排风箱的进风口与排风管道相连通，排风口通过管路与外界相通；所述控制单元包括压差传感器、控制器、进风机电机和排风机电机，其中压差传感器、排风机电机和进风机电机均与控制器相连，所述压差传感器的输入端分别通过连接管与进风箱、排风箱相连，所述控制器接收压差传感器采集的信号并根据该压差信号计算独立换气笼内的空气流量，分别通过进风机电机和排风机电机控制进风机和排风机的运行状态，使笼盒的对外压差以及笼盒的换气量保持在设定范围内；所述测量方法包括标定过程和测量过程，其中标定过程包括以下步骤：

1)将进风机电机的电压分为N个采样点U_进1、U_进2……U_进N，同时将排风机电机的电压分为M个采样点U_出1、U_出2……U_出M；

2)控制进风机电机工作在第一个采样点U_进1上，同时使排风机电机的工作电压为0，通过压差传感器采集进风箱与排风箱之间的压差数据，并利用一标准的气压测量仪标定此时一笼盒内的对外压差数据：

3)控制进风机电机工作在第一个采样点U_进1上，使排风机电机依次工作在采样点U_出1、U_出2……U_出M上，当排风机电机处于每个工作电压时，通过压差传感器采集进风箱与排风箱之间的压差数据，同时利用气压测量仪标定相对应的该笼盒内的对外压差数据；

4)控制进风机电机工作在其它采样点U_进2……U_进N上，重复步骤2)和步骤3)；

5)对进风机电机工作在每个采样点时采集的M+1组进排风箱间压差数据-笼盒对外压差数据进行回归分析，每个采样点都对应得到一条压差—笼盒对外压差曲线，该曲线满足方程其中是笼盒实际对外压差，ΔP＝P₁+P₂是进风箱对外压差与排风箱对外压差的和值，P₁是进风箱的对外压差，P₂是排风箱的对外压差，k、b是权重因子，标定进风机电机处于不同采样点时对应的一组权重因子k和b，并将N组权重因子存储至控制单元的控制器中；

测量过程：当独立换气笼运行时，通过压差传感器采集进风箱与排风箱之间的压差，控制器根据进风机电机的工作电压，选择与该工作电压最接近的一个进风机电压采样点所对应的权重因子k和b，并根据公式计算笼盒实际对外压差

在上述测量方法中，进风机电机相邻两个采样点之间的电压间隔为0.1～0.5V，所述排风机电机相邻两个采样点之间的电压间隔为1V。

本发明还提供采用前述流量测量方法的独立换气笼的控制系统的控制方法，所述独立换气笼包括笼架、笼盒、送风管道、排风管道，所述系统包括机箱、进风机、进风箱、排风机、排风箱、初级过滤器、二级过滤器、显示单元和控制单元；所述机箱采用塑料材质，且进风机、进风箱、排风机、排风箱、初级过滤器、二级过滤器和控制单元都位于机箱内；所述机箱上设有进气口，该进气口的内侧设有初级过滤器；所述进风箱位于机箱的底部，所述二级过滤器位于进风箱的上方，所述进风机设于二级过滤器的上方，所述进风机的出风口通过二级过滤器与进风箱的进风口相通，所述进风箱的出风口与送风管道相连通；所述排风箱位于机箱的顶部，所述排风机位于排风箱内，所述排风箱的进风口与排风管道相连通，排风口通过管路与外界相通；所述控制单元包括压差传感器、控制器、进风机电机和排风机电机，其中压差传感器、排风机电机和进风机电机均与控制器相连，所述压差传感器的输入端分别通过连接管与进风箱、排风箱相连，所述控制器接收压差传感器采集的信号并根据该压差信号计算独立换气笼内的空气流量，分别通过进风机电机和排风机电机控制进风机和排风机的运行状态，使笼盒的对外压差以及笼盒的换气量保持在设定范围内；所述控制方法包括以下步骤：

1)控制单元的控制器根据压差传感器采集的进风箱与排风箱之间的压差、进风机电机的工作电压，得到笼盒实际对外压差控制器对预先设定的笼盒对外压差和笼盒实际对外压差进行比较，根据两者的压差值对进风机电压进行线性调整，直至在允许范围内，停止对进风机电压的调整；

2)控制单元的控制器根据压差传感器采集的进风箱与排风箱之间的压差、进风机电机的工作电压，得到实际流量v并计算出笼盒实际换气量q，控制器对预先设定的笼盒换气量Q和笼盒实际换气量q进行比较，根据两者的差值ΔQ＝Q-q对排风机电压进行PID调节；

3)重复步骤1)和步骤2)，使笼盒实际对外压差和笼盒实际换气量q处于预先设定范围内。

本发明的有益之处在于：

1)本发明所采用的流量测量方法摒弃了在管道上安装笨重流量传感器的做法，仅仅通过空气交换管路中进出口的压差计算得到空气流量，该方法简单灵活，适应范围广，适用于各种复杂结构，并且测量范围宽泛，目前的微压差传感器可以精确测量1Pa左右的压差，而本方法可以测量从小流量低压低流速到大流量高压高流速的各种气体流量；

2)本发明所采用的笼盒对外压差测量方法改变了传统的利用独立换气笼内的某一个空置笼盒作为参考取样点并在其内部安装传感器的做法，仅仅通过空气交换管路中进出口的压差计算得到笼盒对外压差，这种方法避免了传统方法中参考笼盒需要拖线进行采样的不便性，并且更加准确；

3)独立换气笼的控制系统机箱外壳采用塑料代替现有的不锈钢，整体结构轻巧，用电安全性高，减少了操作者受伤的可能性，并且该机箱外壳的原材料生产环节耗能低，碳排放量低，符合环保理念；

4)控制系统采用闭环伺服控制模式，可以根据空气流量变化和笼盒内对外压差变化调整进风机和排风机的运行状态，从而保证IVC系统中的空气指标处于所需范围内，不但减少了操作人员实时监控的工作量，而且显著降低了使用风险。

附图说明

图1是本发明的独立换气笼的换气系统的模型示意图；

图2是本发明中包含控制系统的独立换气笼的结构示意图；

图3是图2的左视图；

图4是本发明的控制系统的控制框图；

图5是本发明的流量测量方法中的一组曲线簇；

图6是导风罩的立体示意图；

图7是本发明控制系统的仰视图。

其中附图标记说明如下：

1为机箱；2为初级过滤器；3为进风机；4为二级过滤器；5为进风箱；6为排风箱；7为显示单元；8为排风机；9为笼架；10为笼盒；11为送风管道；12为排风管道。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供的独立换气笼盒的控制系统，其中独立换气笼盒包括常规的笼架9、笼盒10、送风管道11、排风管道12。该控制系统，如图2、图3所示，包括机箱1、进风机3、进风箱5、排风机8、排风箱6、初级过滤器2、二级过滤器4、显示单元7和控制单元。

机箱1采用塑料材质，且进风机3、进风箱5、排风机、排风箱6、初级过滤器2、二级过滤器4和控制单元都位于机箱1内。

机箱1上设有进气口，该进气口的内侧设有初级过滤器2，在本实施例中，进气口开设在机箱1的两个侧面。

进风箱5位于机箱1的底部，所述二级过滤器4位于进风箱5的上方，所述进风机3设于二级过滤器4的上方，所述进风机3的出风口通过二级过滤器4与进风箱5的进风口相通，所述进风箱的5出风口与送风管道相连通。

排风箱6位于机箱1的顶部，所述排风机位于排风箱6内，所述排风箱6的进风口与排风管道相连通，排风口通过管路与外界相通。

所述控制单元包括压差传感器、控制器、进风机电机和排风机电机，如图4所示，其中压差传感器、排风机电机和进风机电机均与控制器相连，所述压差传感器的输入端分别通过连接管与进风箱、排风箱相连，所述控制器接收压差传感器采集的信号并根据该压差信号计算独立换气笼内的空气流量，分别通过进风机电机和排风机电机控制进风机和排风机的运行状态，使笼盒的对外压差以及笼盒的换气量保持在设定范围内。

显示单元7安装在机箱1上，并与控制单元的控制器相连。

优选的，进风机3与二级过滤器4通过一塑料的导风罩相连。如图6所示，该导风罩呈喇叭状或棱台状，可以引导气流快速均匀地扩散，减少气流乱流造成的风压损失。导风罩的进风口与进风机3相连，出风口与二级过滤器4相连，且进风口小于出风口。而且，导风罩与二级过滤器4的接触面设有密封条，可以保证密封性。

如图7所示，所述机箱1底部装有四组移动支撑结构，每组结构包括脚轮和脚轮安装架。脚轮安装架为条状金属件，其固定在机箱的底板上且外侧部分伸出在机箱1底板外，脚轮安装在位于机箱底板外的脚轮安装架的最外端，四个脚轮分别位于机箱1的四个角外侧，相邻的脚轮安装架相互垂直且内侧部分围绕在机箱底板中心处，这样可以有效保护机箱免受撞击损伤，与整体底盘式结构相比，节省原材料，降低成本，且稳定性和实用性增强。

进风箱5和排风箱6为一次成型的塑料件，而传统现有的风箱均采用钣金件，通常由钢板拼装焊接成型，这样可以简化工艺，密封性能提高，避免了因缝隙泄漏而造成危害生物的风险，有效保障使用环境的空气洁净度。

机箱1的前侧外壳分为上部门板、中部门板和下部保护罩，其中机箱1的上部门板内设有控制单元、显示单元，且该上部门板呈倾斜弧形，便于操作者观察。中部门板的内侧面均布装有四个金属销轴，机箱的两侧板装有供金属销轴插入的定位块，且定位块的内端装有吸住金属销轴的磁体，可以保护内部元件又方便开启，便于用户更换初级过滤器和二级过滤器。

进风箱5的进气口与排风箱6的排风口之间形成封闭的换气系统，如图1所示，该换气系统具有多个通风支管，空气在该装置中的流动路径为：装置外部空间→机箱进气口→初级过滤器2→进风机3及导风罩→二级过滤器4→进风箱5→送风管道11→笼架9及笼盒10→排风管道12→排风箱6→排风机8→外接管路。

初级过滤器2采用冷轧铁板冲孔、折边后喷塑处理，在内部填充初级过滤材料，用以过滤外部空气中的大颗粒杂物，如毛发、蚊虫等。该初级过滤器2嵌入在机箱1外壳的凹坑内，通过机箱内侧粘结的吸铁石固定，可以方便地进行清洗更换。

进风机3满足进气量的同时也具有低噪音的性能。导风罩将进风机3吹出的空气流扩散，正压通过二级过滤器4，以减少空气乱流产生的压损，也保证进入笼架及笼盒的空气洁净度。

二级过滤器4的过滤精度必须达到0.3μm以上，效率必须达到99.99％。二级过滤器4的外框与相接部件接触的两面必须有密封条，以保证各个部件之间的密封性。导风罩8、二级过滤器4以及进风箱5上盖面必须压紧，以保证零部件之间的密封性。

空气正压进入进风箱5并在内部稳压，再通过送风管道进入笼架的进风风管，保证空气流动的均衡性，并从进风箱采集箱内对外压差参数。进风机3到笼架之间的空气处于正压状态，可以保证空气的洁净度，确保实验动物生存环境的安全性。

排风箱6处于负压状态，协助通过笼架及笼盒的气体排出系统，并从排风箱采集箱内对外压差参数。排风机保证排出的气体能够顺利克服排风管道的管阻，使其不影响系统换气量。同时通过进风机与排风机的运转状况，来调节笼盒的对外压差值。

本发明的独立换气笼内的控制系统中采用的流量测量方法，包括标定过程和测量过程，其中标定过程包括以下步骤：

1)将进风机电机的电压分为N个采样点U_进1、U_进2……U_进N，同时将排风机电机的电压分为M个采样点U_出1、U_出2……U_出M；

2)控制进风机电机工作在第一个采样点U_进1上，同时使排风机电机的工作电压为0，通过压差传感器采集进风箱与排风箱之间的压差数据，并利用一标准的流量测量仪标定此时独立换气笼内的流量数据；

3)控制进风机电机工作在第一个采样点U_进1上，使排风机电机依次工作在采样点U_出1、U_出2……U_出M上，当排风机电机处于每个工作电压时，通过压差传感器采集进风箱与排风箱之间的压差数据，同时利用流量测量仪标定相对应的流量数据；

4)控制进风机电机工作在其它采样点U_进2……U_进N上，重复步骤2)和步骤3)；

5)对进风机电机工作在每个采样点时采集的M+1组压差数据-流量数据进行回归分析，每个采样点都对应得到一条压差—流量曲线，该曲线满足方程ΔP+K₁(v+K₂)²＝C，其中ΔP＝P₁+P₂是进风箱对外压差与排风箱对外压差的和值，P₁是进风箱的对外压差，P₂是排风箱的对外压差，K₁、K₂是表示空气交换管路结构及风阻的权重因子，v是空气交换管路中的流量，C是进风机电压的权重因子，标定进风机电机处于不同采样点时对应的一组权重因子K₁、K₂和C，并将N组权重因子存储至控制单元的控制器中；

测量过程：当独立换气笼运行时，通过压差传感器采集进风箱与排风箱之间的压差，控制器根据进风机电机的工作电压，选择与该工作电压最接近的一个进风机电压采样点所对应的权重因子K₁、K₂和C，并根据公式ΔP+K₁(v+K₂)²＝C计算流量v。

在本实施例中，进风机电机的采样点分别设置为2V、2.5V、3V、3.5V、4V、4.5V、5V，排风机电机的采样点分别设置为2V、3V、4V、5V、6V、7V、8V、9V、10V，如下表一和表二所示为进风机电机分别处于2V和2.5V时，排风机电机处于不同采样点时流量与压差的对应值。

表一进风机电压为2V时流量与压差的对应值

表二进风机电压为2.5V时流量与压差的对应值

排风机电压	流量	压差
			0	25.1	33.125
2	30.7	38.875
			3	35.8	45.5
4	42.1	55.75
			5	48.6	66.125
6	56.9	81.75
			7	59.9	87.5
8	63.2	94.125
			9	66.8	103.125
10	79	128.5

对上述两组数据进行回归分析，可以得到进风机电机的工作电压处于2V时对应的一组权重因子K₁＝-0.0112，K₂＝28.53，C＝0.0066，进风机电机的工作电压处于2.5V时对应的一组权重因子K₁＝-0.0105，K₂＝34.34，C＝-7.4114。同理，可以得到进风机电机的工作电压处于其它采样点时的权重因子，如图5所示，为进风机电机的电压处于不同采样点时的流量-压差曲线。

不同的外接笼架类型具有不同的曲线，同一笼架不同的进风机电机的电压对应不同的曲线；流量测量的精度取决于进风机电压分档的间隔，可以根据需要将上述分档细化，如采样点为2V，2.1V，2.2V，2.3V……，那样流量的计算精度要高于前者。

上述流量测量方法摒弃了在管道上安装笨重或昂贵的流量传感器的做法，仅仅通过空气交换管路中进出口的压差计算得到空气流量，该方法简单灵活，不但适用于独立换气笼装置，同样适用于其它复杂封闭的空气交换系统中，并且测量范围宽泛，目前的微压差传感器可以精确测量1Pa左右的压差，而本方法可以测量从小流量低压低流速到大流量高压高流速的各种气体流量。

类似的，本发明独立换气笼的控制系统中采用的笼盒对外压差测量方法，包括标定过程和测量过程，其中标定过程包括以下步骤：

1)将进风机电机的电压分为N个采样点U_进1、U_进2……U_进N，同时将排风机电机的电压分为M个采样点U_出1、U_出2……U_出M；

2)控制进风机电机工作在第一个采样点U_进1上，同时使排风机电机的工作电压为0，通过压差传感器采集进风箱与排风箱之间的压差数据，并利用一标准的气压测量仪标定此时一笼盒内的对外压差数据：

3)控制进风机电机工作在第一个采样点U_进1上，使排风机电机依次工作在采样点U_出1、U_出2……U_出M上，当排风机电机处于每个工作电压时，通过压差传感器采集进风箱与排风箱之间的压差数据，同时利用气压测量仪标定相对应的该笼盒内的对外压差数据；

4)控制进风机电机工作在其它采样点U_进2……U_进N上，重复步骤2)和步骤3)；

5)对进风机电机工作在每个采样点时采集的M+1组进排风箱间压差数据-笼盒对外压差数据进行回归分析，每个采样点都对应得到一条压差—笼盒对外压差曲线，该曲线满足方程其中是笼盒实际对外压差，ΔP＝P₁+P₂是进风箱对外压差与排风箱对外压差的和值，P₁是进风箱的对外压差，P₂是排风箱的对外压差，k、b是权重因子，标定进风机电机处于不同采样点时对应的一组权重因子k和b，并将N组权重因子存储至控制单元的控制器中；

测量过程：当独立换气笼运行时，通过压差传感器采集进风箱与排风箱之间的压差，控制器根据进风机电机的工作电压，选择与该工作电压最接近的一个进风机电压采样点所对应的权重因子k和b，并根据公式计算笼盒实际对外压差

基于前述流量测量方法和笼盒对外压差测量方法的独立换气笼的控制系统的控制方法，包括以下步骤：

1)控制单元的控制器根据压差传感器采集的进风箱与排风箱之间的压差、进风机电机的工作电压，得到笼盒实际对外压差控制器对预先设定的笼盒对外压差和笼盒实际对外压差进行比较，根据两者的压差值对进风机电压进行线性调整，直至在允许范围内，停止对进风机电压的调整；

2)控制单元的控制器根据压差传感器采集的进风箱与排风箱之间的压差、进风机电机的工作电压，得到实际流量v并计算出笼盒实际换气量q，控制器对预先设定的笼盒换气量Q和笼盒实际换气量q进行比较，根据两者的差值ΔQ＝Q-q对排风机电压进行PID调节；

3)重复步骤1)和步骤2)，使笼盒实际对外压差和笼盒实际换气量q处于预先设定范围内。

本发明的机箱外壳采用塑料代替现有的不锈钢，整体结构轻巧，用电安全性高，减少了操作者受伤的可能性，并且该机箱外壳的原材料生产环节耗能低，碳排放量低，符合环保理念。

本发明的控制方法采用闭环伺服控制模式，根据笼盒内的空气流量状况和笼盒的对外压差调整进风机和排风机的运行状态，该调整过程属于两个目标值的动态调整，从而保证IVC系统中的空气指标处于所需范围内，不但减少了操作人员实时监控的工作量，而且显著降低了使用风险。

以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，该实施例仅仅是本发明的较佳实施例，其并非对本发明进行限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下通过任何修改、等同替换、改进等方式所获得的所有其它实施例，均应视为在本发明所保护的技术范畴内。

Claims (3)

1.一种独立换气笼的控制系统中采用的流量测量方法，所述独立换气笼包括笼架、笼盒、送风管道、排风管道，所述控制系统包括机箱、进风机、进风箱、排风机、排风箱、初级过滤器、二级过滤器、显示单元和控制单元；

所述机箱采用塑料材质，且进风机、进风箱、排风机、排风箱、初级过滤器、二级过滤器和控制单元都位于机箱内；

所述机箱上设有进气口，该进气口的内侧设有初级过滤器；

所述进风箱位于机箱的底部，所述二级过滤器位于进风箱的上方，所述进风机设于二级过滤器的上方，所述进风机的出风口通过二级过滤器与进风箱的进风口相通，所述进风箱的出风口与送风管道相连通；

所述排风箱位于机箱的顶部，所述排风机位于排风箱内，所述排风箱的进风口与排风管道相连通，排风口通过管路与外界相通；

所述控制单元包括压差传感器、控制器、进风机电机和排风机电机，其中压差传感器、排风机电机和进风机电机均与控制器相连，所述压差传感器的输入端分别通过连接管与进风箱、排风箱相连，所述控制器接收压差传感器采集的信号并根据该压差信号计算独立换气笼内的空气流量，分别通过进风机电机和排风机电机控制进风机和排风机的运行状态，使笼盒的对外压差以及笼盒的换气量保持在设定范围内；

其特征在于，该流量测量方法包括标定过程和测量过程，其中标定过程包括以下步骤：

1)将进风机电机的电压分为N个采样点U_进1、U_进2……U_进N，同时将排风机电机的电压分为M个采样点U_出1、U_出2……U_出M；

2)控制进风机电机工作在第一个采样点U_进1上，同时使排风机电机的工作电压为0，通过压差传感器采集进风箱与排风箱之间的压差数据，并利用一标准的流量测量仪标定此时独立换气笼内的流量数据；

3)控制进风机电机工作在第一个采样点U_进1上，使排风机电机依次工作在采样点U_出1、U_出2……U_出M上，当排风机电机处于每个工作电压时，通过压差传感器采集进风箱与排风箱之间的压差数据，同时利用流量测量仪标定相对应的流量数据；

4)控制进风机电机工作在其它采样点U_进2……U_进N上，重复步骤2)和步骤3)；

5)对进风机电机工作在每个采样点时采集的M+1组压差数据-流量数据进行回归分析，每个采样点都对应得到一条压差—流量曲线，该曲线满足方程ΔP+K₁(v+K₂)²＝C，其中ΔP＝P₁+P₂是进风箱对外压差与排风箱对外压差的和值，P₁是进风箱的对外压差，P₂是排风箱的对外压差，K₁、K₂是表示空气交换管路结构及风阻的权重因子，v是空气交换管路中的流量，C是进风机电压的权重因子，标定进风机电机处于不同采样点时对应的一组权重因子K₁、K₂和C，并将N组权重因子存储至控制单元的控制器中；

测量过程：当独立换气笼运行时，通过压差传感器采集进风箱与排风箱之间的压差，控制器根据进风机电机的工作电压，选择与该工作电压最接近的一个进风机电压采样点所对应的权重因子K₁、K₂和C，并根据公式ΔP+K₁(v+K₂)²＝C计算流量v。

2.一种独立换气笼的控制系统中采用的笼盒对外压差测量方法，所述独立换气笼包括笼架、笼盒、送风管道、排风管道，所述控制系统包括机箱、进风机、进风箱、排风机、排风箱、初级过滤器、二级过滤器、显示单元和控制单元；

所述机箱采用塑料材质，且进风机、进风箱、排风机、排风箱、初级过滤器、二级过滤器和控制单元都位于机箱内；

所述机箱上设有进气口，该进气口的内侧设有初级过滤器；

所述进风箱位于机箱的底部，所述二级过滤器位于进风箱的上方，所述进风机设于二级过滤器的上方，所述进风机的出风口通过二级过滤器与进风箱的进风口相通，所述进风箱的出风口与送风管道相连通；

所述排风箱位于机箱的顶部，所述排风机位于排风箱内，所述排风箱的进风口与排风管道相连通，排风口通过管路与外界相通；

所述控制单元包括压差传感器、控制器、进风机电机和排风机电机，其中压差传感器、排风机电机和进风机电机均与控制器相连，所述压差传感器的输入端分别通过连接管与进风箱、排风箱相连，所述控制器接收压差传感器采集的信号并根据该压差信号计算独立换气笼内的空气流量，分别通过进风机电机和排风机电机控制进风机和排风机的运行状态，使笼盒的对外压差以及笼盒的换气量保持在设定范围内；

其特征在于，所述笼盒对外压差测量方法包括标定过程和测量过程，其中标定过程包括以下步骤：

1)将进风机电机的电压分为N个采样点U_进1、U_进2……U_进N，同时将排风机电机的电压分为M个采样点U_出1、U_出2……U_出M；

2)控制进风机电机工作在第一个采样点U_进1上，同时使排风机电机的工作电压为0，通过压差传感器采集进风箱与排风箱之间的压差数据，并利用一标准的气压测量仪标定此时一笼盒内的对外压差数据：

3)控制进风机电机工作在第一个采样点U_进1上，使排风机电机依次工作在采样点U_出1、U_出2……U_出M上，当排风机电机处于每个工作电压时，通过压差传感器采集进风箱与排风箱之间的压差数据，同时利用气压测量仪标定相对应的该笼盒内的对外压差数据；

4)控制进风机电机工作在其它采样点U_进2……U_进N上，重复步骤2)和步骤3)；

5)对进风机电机工作在每个采样点时采集的M+1组进排风箱间压差数据-笼盒对外压差数据进行回归分析，每个采样点都对应得到一条压差—笼盒对外压差曲线，该曲线满足方程其中是笼盒实际对外压差，ΔP＝P₁+P₂是进风箱对外压差与排风箱对外压差的和值，P₁是进风箱的对外压差，P₂是排风箱的对外压差，k、b是权重因子，标定进风机电机处于不同采样点时对应的一组权重因子k和b，并将N组权重因子存储至控制单元的控制器中；

测量过程：当独立换气笼运行时，通过压差传感器采集进风箱与排风箱之间的压差，控制器根据进风机电机的工作电压，选择与该工作电压最接近的一个进风机电压采样点所对应的权重因子k和b，并根据公式计算笼盒实际对外压差

3.一种独立换气笼的控制系统的控制方法，所述独立换气笼包括笼架、笼盒、送风管道、排风管道，所述控制系统包括机箱、进风机、进风箱、排风机、排风箱、初级过滤器、二级过滤器、显示单元和控制单元；

所述机箱采用塑料材质，且进风机、进风箱、排风机、排风箱、初级过滤器、二级过滤器和控制单元都位于机箱内；

所述机箱上设有进气口，该进气口的内侧设有初级过滤器；

所述进风箱位于机箱的底部，所述二级过滤器位于进风箱的上方，所述进风机设于二级过滤器的上方，所述进风机的出风口通过二级过滤器与进风箱的进风口相通，所述进风箱的出风口与送风管道相连通；

所述排风箱位于机箱的顶部，所述排风机位于排风箱内，所述排风箱的进风口与排风管道相连通，排风口通过管路与外界相通；

所述控制单元包括压差传感器、控制器、进风机电机和排风机电机，其中压差传感器、排风机电机和进风机电机均与控制器相连，所述压差传感器的输入端分别通过连接管与进风箱、排风箱相连，所述控制器接收压差传感器采集的信号并根据该压差信号计算独立换气笼内的空气流量，分别通过进风机电机和排风机电机控制进风机和排风机的运行状态，使笼盒的对外压差以及笼盒的换气量保持在设定范围内；

其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：

1)控制单元的控制器根据压差传感器采集的进风箱与排风箱之间的压差、进风机电机的工作电压，得到笼盒实际对外压差控制器对预先设定的笼盒对外压差和笼盒实际对外压差进行比较，根据两者的压差值对进风机电压进行线性调整，直至在允许范围内，停止对进风机电压的调整；

2)控制单元的控制器根据压差传感器采集的进风箱与排风箱之间的压差、进风机电机的工作电压，得到实际流量v并计算出笼盒实际换气量q，控制器对预先设定的笼盒换气量Q和笼盒实际换气量q进行比较，根据两者的差值ΔQ＝Q-q对排风机电压进行PID调节；

3)重复步骤1)和步骤2)，使笼盒实际对外压差和笼盒实际换气量q处于预先设定范围内。