CN103852594B - 生物安全柜风速测量监控装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物安全柜技术领域的生物安全柜风速监控装置。本发明包括若干个风速测量单元、主控单元和警报单元，所述主控单元分别与若干个风速测量单元和警报单元电连接。本发明的首要目的就在于克服现有生物安全柜在风速测量上采用单一风速测量单元所存在的不足，该生物安全柜风速测量监控装置增加了生物安全柜运行时的安全系数，除了在风速异常时及时发出报警信号，当监测风速测量电路本身发生测量不准确的情况，主控单元能够及时通知用户系统存在安全风险，降低由于单个风速传感器损坏或者漂移造成风速测量不准确的风险，减少使用者和实验样品可能受到气流污染的机会。

Description

生物安全柜风速测量监控装置

技术领域

本发明涉及生物安全柜技术领域，具体涉及一种生物安全柜风速测量监控装置。

背景技术

生物安全柜是防止操作过程中含有危害性或未知生物气溶胶散逸的空气净化安全装置，该装置能够将工作区已被污染的空气通过专门的过滤通道过滤，避免对人和环境造成危害，是一种安全的微生物专用设备，可应用于生物实验室、医疗卫生、生物制药等相关行业，对改善工艺条件，保护操作者的身体健康均有良好效果。

一般的生物安全柜通过离心风机从前窗操作口向内吸入的负压气流用以保护人员的安全；经高效过滤器过滤的下降气流用以保护产品的安全和交叉污染；污染气流经高效过滤器过滤是为了保护环境不受污染。生物安全柜对前窗流入气流的流速和柜内下降气流的流速有严格的要求，不能过低也不能过高，否则不能起到保护人员和实验样品的作用。按照国家标准生物安全柜都应该配备有风速测量装置，当测量到流入或者下降风速过低或者过高及时报警。由于热式原理风速测量电路对微小风速敏感、测量精度较高、无运动部件、抗振动、响应时间短，因此多数情况下生物安全柜采用热式原理风速测量电路。但缺点是易受外界环境因素影响发生零点漂移和测量误差。

现有的风速测量电路都只采用一个加热单元，该加热单元加热到高于环境温度的某一个值，当气流通过该加热单元以后产生热量损耗，通过计算热量损耗程度来测量气流的流速。但是单独的加热单元容易受到温度、湿度、压力、器件老化等效应的综合影响下而使得测量出的风速偏离实际风速，可能导致当实际风速过低或者过高时未能发出报警信号，用户可能处于不安全的状态下。

发明内容

本发明的首要目的就在于克服现有生物安全柜在风速测量上所存在的不足，从而提供一种生物安全柜风速测量监控装置，该生物安全柜风速测量监控装置增加了生物安全柜运行时的安全系数，除了在测量风速异常时及时发出报警信号，当监测风速测量电路本身发生测量不准确的情况，主控单元能够及时通知用户系统存在安全风险，防止发生未知的危险情况，比如操作人员受到污染气流的威胁，或者实验样品被污染气流所污染影响实验结果。

本发明的生物安全柜风速测量监控装置，包括若干个风速测量单元、主控单元和警报单元，所述主控单元分别与若干个风速测量单元和警报单元电连接。

所述风速测量单元有n个，且n大于等于两个；由n个风速测量单元组成的模块阵列同时监测安全柜风速。

所述风速测量单元包括由依次连接的驱动单元、加热单元和信号处理系统组成，所述主控单元分别与驱动单元和信号处理系统电连接。所述风速测量单元采用热学原理，通过检测气流引起的加热单元表面温度变化或者消耗电功率的变化，由King公式Q=（A+B*V^0.5)*Δt计算风速值，其中Q为热量，A，B为常数，V为风速，Δt为加热单元温度与环境温度之间的温度差。

所述加热单元包括热敏元件，所述热敏元件为铂膜或者铂丝电阻。

所述风速测量单元包括依次连接的差压信号采集单元、差压测量单元和压力信号处理系统，

所述压力信号处理系统的输入端和输出端分别与差压测量单元和主控单元连接，所述差压测量单元为压力敏感元件，所述压力敏感元件为半导体压阻压力传感器。该差压测量单元是将气流流过差压信号采集单元产生的压力信号转变为电信号经过压力信号处理系统放大处理后由主控单元进行AD采样后计算。所述风速测量单元为压差测量原理，其风速测量原理为差压信号采集单元测得气流全压和静压，通过其后连接的差压测量单元和信号处理系统得到其差压值。根据伯努力方程V＝K√2P／ρ计算，其中V为测量风速(m/s)，K为常数，P为测得的差压(Pa)，ρ流体密度(kg/m3)。该测量方式在低风速时灵敏度上低于热式原理的风速测量单元，但优点是能够测量平均风速，不容易受某个点气流波动的影响。

当所述风速测量单元损坏或者受到环境影响漂移，主控单元比较风速测量单元的第一信号平均值和第二风速测量单元至第n风速测量单元信号平均值得到差分值与校准值比较的差值在一个时间周期内连续超过阈值，以此判断当前测量的风速结果不准确，通过警报单元发出报警信号提示使用者；

所述阈值为所述差值50%~150%；

所述校准值为校准时第一信号的平均值减去其余2～n信号的平均值后求得的差分值。

所述信号处理系统包括差值放大电路和滤波电路。

所述主控单元所包含的微控制器是通过外部单独或者内部集成的AD转换电路接收每个信号处理系统的信号，同时发出控制信号给驱动单元来产生驱动信号，驱动信号控制加热单元上的温度值。

所述主控单元发出的控制信号为脉宽调制信号或者DA输出信号。

所述警报单元是当主控单元监控当前传感器得到的风速不正确，或者流入风速和下降气流风速波动超过其标称值±1%~±20%时，通过该警报单元发出报警信号提示使用者。

所述的警报单元过发出声音和光学显示变化两种方式同时提示使用者注意警报信号，并且该报警信号一直保持直到系统恢复正常。

所述生物安全柜风速测量监控装置还包括温度检测单元和风机控制单元，所述主控单元分别与温度检测单元和风机控制单元电连接。

所述温度检测单元用于检测气流的温度，作为主控单元控制加热单元上的温度补偿值。

所述风机控制单元受主控单元控制，风机控制单元和其后的风机连接用来调节风机功率使生物安全柜内风速值保持恒定。

本发明采用n个风速测量单元，且n大于等于两个；由n个风速测量单元组成的模块阵列可以同时测量风速。如果生物安全柜内的实际风速发生变化，每个风速测量单元其后的信号都发生变化；且理论上每个风速测量单元信号差分值不变。当n个风速测量单元得到的信号差分值与校准值比较的差值在一定时间周期内超过阈值，说明此时其中一个风速测量单元受到外界或者器件老化等因素得出的信号值不再准确，主控单元通过信号的差分值变化范围来监控当前得到的风速值是否准确。当监控当前得到的风速值是不准确的，则通过警报单元发出警报信号来提示使用者此时测量的风速值不准确，系统存在安全风险，需要采取相应措施并重新校准风速测量电路。

本发明增加了生物安全柜运行时的安全系数，除了在实际风速异常时及时发出报警信号，当监测风速测量电路本身发生测量不准确的情况，主控单元能够及时通知用户系统存在安全风险，防止发生未知的危险情况，比如操作人员受到污染气流的威胁，或者实验样品被污染气流所污染影响实验结果，在这种情况应立即中止操作，并且关闭生物安全柜的前窗防止污染物外泄。

附图说明

图1为实施例1的模块框图。

图2为实施例1加热单元的结构示意图。

图3为实施例1信号处理系统示意图。

图4为实施例2的模块框图。

图5(a)为实施例3的结构示意图。

图5(b)为实施例4的结构示意图。

图5(c)为实施例5的结构示意图。

图6为实施例6利用L型皮托管差压信号测量风速的结构示意图。

图7(a)为实施例5的生物安全柜的柜下降气流经过的位置。

图7(b)为实施例5的生物安全柜的最终排出气流所经过的位置。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明作进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限定本发明的范围。

实施例1

如图1所示，本实施例的生物安全柜风速测量监控装置，包括两个风速测量单元11、12、主控单元7、温度检测单元9、警报单元8和风机控制单元10，所述第一风速测量单元11由依次串联连接的第一驱动单元3、第一加热单元1和第一信号处理系统5组成；所述第二风速测量单元12由依次串联连接的第二驱动单元4、第二加热单元2和第二信号处理系统6组成；所述主控单元7的驱动控制端、信号控制端和报警控制端分别与两个驱动单元3、4、两个信号处理系统5、6和警报单元8电连接；所述主控单元7的温度测量端和风机端分别与温度检测单元9和风机控制单元10；所述驱动单元3、4由主控单元7的控制信号来产生电信号，主控单元7通过驱动单元3、4控制加热单元1、2上的温度值。

如图2所示，所述加热单元1、2包括R1、R3、R4和Rt，R1、R3、R4为固定电阻，Rt为铂膜电阻，四个电阻R1、R3、R4和Rt组成惠斯登电桥，所述铂膜电阻的输入端和输出端分别与对应的驱动单元3、4和信号处理系统5、6的电连接。

如图3所示，所述信号处理系统5、6包括相连接的差值放大电路21和滤波电路22，所述差值放大电路21的主要器件为差值放大器，所述滤波电路22包括串联的电阻R和电容C，所述差值放大电路21的输入端和输出端分别与对应的加热单元1、2和滤波电路22连接，所述滤波电路22的信号输出端与主控单元7连接。

所述主控单元7所包含的微控制器是通过外部单独或者内部集成的AD转换电路接收每个信号处理系统的信号，同时发出控制信号给驱动单元来产生驱动信号，驱动信号控制加热单元上的温度值。

所述主控单元7发出的控制信号为脉宽调制信号或者DA输出信号。

所述警报单元是当主控单元监控当前传感器得到的风速不正确，或者流入风速和下降气流风速波动超过其标称值±1%~±20%时，通过该警报单元发出报警信号提示使用者。

所述的警报单元8过发出声音和光学显示变化两种方式同时提示使用者注意警报信号，并且该报警信号一直保持直到系统恢复正常。

所述生物安全柜风速测量监控装置还包括温度检测单元9和风机控制单元10，所述主控单元7分别与温度检测单元9和风机控制单元10电连接。

所述温度检测单元9用于检测气流的温度，作为主控单元控制加热单元上的温度补偿值。

所述风机控制单元10受主控单元控制，风机控制单元和其后的风机连接用来调节风机功率使生物安全柜内风速值保持恒定。

当本发明的两个风速测量单元11、12为2个时，本发明的具体步骤为：

第一步、校准风速测量单元11、12：

先采样第一风速测量单元11和第二风速测量单元分别输出的第一信号平均值和第二信号平均值得到参考值V1；

所述参考值V1为校准时第一信号和第二信号计算得到的差分值，第一信号作为主信号，第二信号作为监测信号，采用差分值的好处是消去了被测量风速本身的波动影响；

第二步、开始测量风速：

在第一个周期T内对第一信号值和第二信号值进行平均采样，再计算出第一信号和第二信号的差分值V2；将差分值V2和参考值V1再做差值计算，计算结果为V3；

第三步、将V3与设置的阈值Vg比较，如果V3没有超过阈值Vg，将异常标志复位，正常计算风速值；如果V3超过了阈值Vg，则置一个异常标志；

第四步、在下一个采样周期T再重新平均采样计算一次第一信号和第二信号的差分值V2，和参考值V1再做差值计算，计算结果为V3；

第五步、再次将V3与阈值Vg比较，如果V3没有超过阈值Vg，则上次的异常标志位复位，正常计算风速值；如果V3超过了阈值Vg，则保持异常标志，并判断信号为错误，发出报警信号提示操作人员。

实施例2

如图4所示，本实施例与实施例1的区别在于，所述风速测量单元的个数有n，且n大于2，第二风速测量单元13是包括依次连接的差压信号采集单元14、差压测量单元15和压力信号处理系统16，所述压力信号处理系统16的输入端和输出端分别与差压测量单元15和主控单元7连接，该差压测量单元15是将气流流过差压信号采集单元14产生的压力信号转变为电信号经过压力信号处理系统16放大处理后由主控单元7进行AD采样后计算。

所述差压测量单元15为压力敏感元件，所述压力敏感元件采用基于半导体材料的压阻效应原理制成的传感器，利用集成电路工艺直接在硅平膜片上按一定晶向制成扩散压敏电阻，当硅膜片受压时，膜片的变形将使扩散电阻的阻值发生变化。半导体压阻压力传感器作为差压测量单元15主要元件，它的优点是低价格、线性度好以及高灵敏度适合测量微小压力。

所述风速测量单元数量为n个，且n大于2个，本实施例的具体步骤为：

第一步、校准风速测量单元：

先采样每个风速测量单元的信号平均值用于计算出参考值V1;

n个风速测量单元，第一风速测量单元信号作为主信号，第二至第n风速测量单元的信号为监测信号；

所述参考值V1为校准时第一信号的平均值减去其余2～n信号的平均值后求得的差分值。

第二步、开始测量风速：

在第一个周期T内对每个信号的平均值进行平均采样，再计算出第一信号的平均值减去其余信号的平均值后求得的差分值V2，将V2和V1再做差值计算，计算结果为V3；

第三步、将V3与设置的阈值Vg比较，如果V3没有超过阈值Vg，将异常标志复位，按照主信号正常计算风速值；如果V3超过了阈值Vg，则置一个异常标志；

第四步、在下一个采样周期T再重新平均采样计算一次第一信号的平均值减去其余信号的平均值后求得的差分值V2，V2和参考值V1再做差值计算，计算结果为V3；

第五步、再次将V3与阈值Vg比较，如果V3没有超过阈值Vg，则上次的异常标志位复位，按照主信号正常计算风速值；如果V3超过了阈值Vg，则保持异常标志，并判断信号为错误，通过警报单元发出警报信号来提示使用者此时测量的风速值不准确，系统存在安全风险，需要采取相应措施并重新校准风速测量电路。

所述的阈值Vg根据风速测量单元的第一信号平均值和第二风速测量单元至第n风速测量单元信号平均值得到差分值的50%~150%。

阈值Vg既不能设得太低引起频繁误报，也不能设得太高以致监控失去意义，应通过具体实验结果设定。

所述参考值V1为校准时第一信号和其余信号的平均值计算得到的差值的绝对值，第一信号的平均值作为主信号，其余信号的平均值作为监测信号，采用差值的绝对值的好处是消去了被测量风速本身的波动影响；

本发明的第一信号和第2～n信号是互相监视的，不管是第一信号值改变还是第2~n信号值输出发生改变并且在一个时间周期内连续超过阈值，主控单元都会提示风速测量单元异常，发出报警信号，提示操作人员有潜在的安全风险，当前风速测量单元输出值已经不可靠需要重新校准或者更换。本发明能够降低由于单个风速传感器漂移造成风速测量不准确的风险，减少使用者和实验样品可能受到污染的机会，增加生物安全柜运行时的安全系数。

实施例3

如图5(a)所示，本实施例的两个风速测量器件31可设置于一个风速传感器51的对应的两个探头41中，且两个探头41垂直放置。

实施例4

如图5(b)所示，本实施例的两个风速测量器件32可设置于一个风速传感器52的对应的两个探头42中，且两个探头42水平放置。

实施例5

如图5(c)所示，本实施例的每个风速测量器件33可设置于一个风速传感器53的一个探头43中；将n个风速传感器53成阵列安装在生物安全柜内气流经过的多个位置进行风速测量，n大于等于2，风速传感器53安装的首选的位置是在生物安全柜的柜下降气流经过的位置，如图7（a）所示，以及风速传感器60安装在最终排出气流所经过的位置如图7（b）所示。

实施例6

如图6所示，本实施例的是利用L型皮托管的风速测量单元，差压信号采集单元的主体结构为L型皮托管51，所述L型皮托管51是用两根不同直经不锈钢管子同心套接而成，L型皮托管的内管通直端尾接头是全压管，L型皮托管的外管通侧接头是静压管，所述全压管和静压管的工作端分别为全压接头53和静压接头54，所述全压接头53和静压接头54分别通过管道52与差压测量单元55的正输入和负输入对应，差压测量单元55的输出信号经过信号放大处理后由微处理器进行AD采样，所述差压测量单元55为微压差传感器。

所述L型皮托管51还包括测杆头部56，测杆头部56和指向杆方向一致，使用时可确定方向，使测头对准来流方向。L型皮托管工作时，用伯努利方程可计算流体中某一点流速V。式中：

V 风速(m/s )

K 皮托管系数

P 通过皮托管测得的差压(Pa)

ρ 流体密度(kg/m3)

其中L型皮托管系数0.99-1.01之间，测量流体为空气，密度ρ＝1.293*（实际压力/标准物理大气压）*(273.15/实际绝对温度值)，通常情况下，即20摄氏度时，取ρ＝1.205kg/m³，只需要测得差压P就可以根据公式计算得到风速V。而差压P可以由其后的微差压传感器测得，经过信号放大处理后由微处理器进行AD采样计算出风速V。该信号作为第n监测信号用来比较判断主信号是否正确，如果判断主信号超出正常范围，主控单元通过警报单元发出警报信号来提示使用者此时测量的风速值不准确，系统存在安全风险，需要采取相应措施并重新校准风速测量电路。

Claims (7)

1.一种生物安全柜风速测量监控装置，其特征在于，包括若干个风速测量单元、主控单元和警报单元，所述主控单元分别与若干个风速测量单元和警报单元连接；

所述警报单元是当主控单元监控当前传感器得到的风速不正确，或者流入风速和下降气流风速波动超过其标称值±1％～±20％时，通过该警报单元发出报警信号提示使用者；

所述的警报单元过发出声音和光学显示变化两种方式同时提示使用者注意警报信号，并且该报警信号一直保持直到系统恢复正常；

所述的生物安全柜风速测量监控装置，还包括温度检测单元和风机控制单元，所述主控单元分别与温度检测单元和风机控制单元电连接；

所述温度检测单元用于检测气流的温度，作为主控单元控制加热单元上的温度补偿值；所述风机控制单元受主控单元控制，风机控制单元和其后的风机系统连接用来调节风机功率使生物安全柜内风速值保持恒定。

2.如权利要求1所述的生物安全柜风速测量监控装置，其特征在于，所述风速测量单元有n个，且n大于等于两个；由n个风速测量单元组成的模块阵列同时监测安全柜内风速。

3.如权利要求2所述的生物安全柜风速测量监控装置，其特征在于，所述风速测量单元包括由依次连接的驱动单元、加热单元和信号处理系统组成，所述主控单元分别与驱动单元和信号处理系统连接；

所述加热单元包括热敏元件，所述热敏元件为铂膜或者铂丝电阻。

4.如权利要求2所述的生物安全柜风速测量监控装置，其特征在于，所述风速测量单元包括依次连接的差压信号采集单元、差压测量单元和压力信号处理系统，所述压力信号处理系统的输入端和输出端分别与差压测量单元和主控单元连接；

所述差压测量单元为压力敏感元件，所述压力敏感元件为半导体压阻压力传感器。

5.如权利要求3或4所述的生物安全柜风速测量监控装置，其特征在于，当所述风速测量单元损坏或者受到环境影响漂移，主控单元比较第一风速测量单元的第一信号的平均值和第二风速测量单元至第n风速测量单元的第2～n信号的平均值得到差分值与校准值比较的差值在一个时间周期内连续超过阈值，以此判断当前测量的风速结果不准确，通过警报单元发出报警信号提示使用者；

所述阈值为所述差分值的50％～150％；

所述校准值为校准时第一信号的平均值减去第二风速测量单元至第n风速测量单元的第2～n信号的平均值后求得的差分值。

6.如权利要求3所述的生物安全柜风速测量监控装置，其特征在于，所述信号处理系统包括差值放大电路和滤波电路。

7.如权利要求3所述的生物安全柜风速测量监控装置，其特征在于，所述主控单元所包含的微控制器是通过外部单独或者内部集成的AD转换电路接收每个信号处理系统的信号，同时发出控制信号给驱动单元来产生驱动信号，驱动信号控制加热单元上的温度值；

所述主控单元发出的控制信号为脉宽调制信号或者DA输出信号。