CN104407650A - 应用于生物安全柜的多个气流监控装置 - Google Patents

Abstract

本发明应用于生物安全柜的多个气流监控装置，包括：压力检测单元，用于取样循环通道内的压力值；压力传感器单元，压力传感器单元与压力检测单元连接，将压力检测单元取样到的压力值信号转换为电信号；热式风速传感器，用于测量工作区内的下降气流流速和流入气流流速；主控制器，主控制器用于处理由压力传感器单元及热式风速传感器发送的信号。本发明应用于生物安全柜的多个气流监控装置主控制器通过另外两个正常的传感器输出的信号判断是哪一个传感器出现了故障，避免了单独压力测量法不够准确的风险，而且热式风速传感器和差压传感器两者相互监控具有多重监控作用，两者相互监控更加安全，能够最大程度得为实验操作人员和样品提供保护。

Description

应用于生物安全柜的多个气流监控装置

技术领域

本发明涉及生物安全柜技术领域，具体涉及一种应用于生物安全柜的多重安全监控作用的装置。 

背景技术

生物安全柜是一种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，对操作人员、产品及环境起到保护作用的实验室专用防护设备。生物安全柜由前窗操作口向内吸入的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；气流经高效过滤器过滤后排出安全柜以保护环境。 

所有生物安全柜实现防护生物危害，提供安全工作环境都是通过下面几个原理：1.通过高效空气过滤器(HEPA)对气体实现高效过滤；2.控制风道系统，使工作区被负压包围，形成完善的气流模式。生物安全柜对前窗流入气流的流速和工作区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。生物安全柜内部设有风速测量装置，实际应用中有一种方式是通过压力测量法，将两个测压管分别安装在安全柜的负压通道和正压通道内；根据伯努利方程得出风压和风速的关系式： 

V²＝K×2P/ρ 

其中P为风压(Pa)，K为常数，ρ为空气密度(kg/m³)，V为风速(m/s)。 

由于生物安全柜的流入气流被吸入负压通道内，在负压通道内的测压管取样到的压力和流入气流风速V有相关性，再通过压力传感器将测压管压力值转换为电压值，主控模块根据压力传感器输出的电信号得到压力P再通过上述公式计算气流流速V。同样，根据正压通道内的测压管测到的压力用压力传感器转换后计算出工作区下降气流流速。但是采用压力测量的方式间接测量风速在实际使用中有一定的风险，测量到的压力信号往往受到其他因素干扰的影响；比如在使用过程中设备进风口被遮挡时，进风面积的减小负压通道的压力增大，负压通道内的测压管取样到的压力变大，但由于吸入设备的流入气流流量减小导致工作区的下降气流流速减小，因而根据压差计算值和实际风速值偏差增大，会造成严重的安全风险，甚至不能提供人员和样品的保护功能，丧失了使用生物安全柜防护的意义。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够准确测量设备流入气流流速和下降气流流速的应用于生物安全柜的多个气流监控装置。 

为解决上述技术问题，本发明应用于生物安全柜的多个气流监控装置，包括：压力检测单元，所述压力检测单元设置在生物安全柜的循环通道内，用于取样所述循环通道内的压力值；压力传感器单元，所述压力传感器单元与所述压力检测单元连接，将所述压力检测单元取样到的压力值信号转换为电信号；热式风速传感器，所述热式风速传感器设置在生物安全柜的工作区和外排气流区域内，用于测量所述工作区内的下降气流流速和流入气流流速；主控制器，所述传感器单元和所述热式风速传感器分别与所述主控制器耦合连接，所述主控制器用于处理由所述压力传感器单元及所述 热式风速传感器发送的信号。 

所述压力检测单元包括：负压取样管，所述负压取样管设置在生物安全柜的循环负压通道内，用于检测所述循环负压通道内的压力值；正压取样管，所述正压取样管设置在生物安全柜的循环正压通道内，用于检测所述循环正压通道内的压力值。 

所述压力传感器单元包括：第一差压传感器，所述第一差压传感器与所述负压取样管连接，将所述负压取样管测得的压力信号转换为电信号；第二差压传感器，所述第二差压传感器与所述正压取样管连接，将所述正压取样管测得的压力信号转换为电信号。 

还包括风机调速装置，所述风机调速装置与主控制器和生物安全柜的风机连接，所述主控制器发出信号给所述风机调速装置调整所述风机的转速。 

进一步包括报警装置，所述报警装置与所述主控制器连接，所述主控制器向所述报警装置发出声光报警信号。 

本发明应用于生物安全柜的多个气流监控装置采用另一种热学原理(按照L·V·King理论，通过一定密度和质量的流动气体，可以带走物体表面高于环境温度的一定热量；这样一定风速下，风速传感器将被带走一定的热量而达到温度平衡状态，测量出加热功率P，传感器温度值T1，环境温度T2，就可以在已知条件下推算出当前的风速)的热式风速传感器直接测量和压力测量法相结合，能够准确测量设备流入气流流速和下降气流流速，热式风速传感器输出的电信号和差压传感器输出的电信号是相互关联的，如果其中任意一个传感器出现了故障，输出值改变，主控制器通过另外两个正常的传感器输出的信号判断是哪一个传感器出现了故障，避免了 单独压力测量法不够准确的风险，而且热式风速传感器和差压传感器两者相互监控具有多重监控作用，两者相互监控更加安全，能够最大程度得为实验操作人员和样品提供保护。 

附图说明

图1为本发明应用于生物安全柜的多个气流监控装置原理框图； 

图2为本发明应用于生物安全柜的多个气流监控装置安装示意图一； 

图3为本发明应用于生物安全柜的多个气流监控装置安装示意图二； 

图4为本发明应用于生物安全柜的多个气流监控装置工作流程图； 

图5为本发明应用于生物安全柜的多个气流监控装置热式风速传感器消耗的电功率P(V)与风速V的关系图； 

图6为本发明应用于生物安全柜的多个气流监控装置下降气流流速转换为电压信号输出图。 

本发明应用于生物安全柜的多个气流监控装置附图中附图标记说明： 

1-工作区         2-负压取样管     3-正压取样管 

4-第一差压传感器 5-第二差压传感器 6-流入气流 

7-下降气流       8-热式风速传感器 9-循环负压通道 

10-循环正压通道  11-排出气流 

具体实施方式

下面结合附图对本发明应用于生物安全柜的多个气流监控装置作进一步详细说明。 

如图1～图4所示，本发明应用于生物安全柜的多个气流监控装置，包括至少一热式风速传感器器8、一负压取样管2、一正压取样管3、一第一差压传感器4、一第二差压传感器5、一主控制器、一报警装置、一风机调速装置。负压取样管2和第一差压传感器4连接；正压取样管3和第二差压传感器5连接；热式风速传感器5、第一差压传感器4和第二差压传感器 5与主控制器连接；报警装置、风机调速装置与主控制器进行连接。热式风速传感器8是以铂膜电阻或者铂丝为主要热敏元件的一种传感器，第一差压传感器4和第二差压传感器5以是半导体压阻元件为压力敏感元件的传感器。 

工作时，第一步、主控制器根据热式风速传感器8转换出的电信号计算工作区下降气流风速V，并且判断下降气流风速是否在设定范围，如果是就进入步骤二；如果不是则发出信号给风机调速装置调整风机的转速来提高或降低气流风速，直到判断下降气流风速稳定进入步骤二。 

步骤二、主控制器对负压取样管2连接的第一差压传感器4和第二差压传感器5输出电信号进行处理计算流入气流流速然后进行比较，当测得负压平均值为大于初始压力值的120％，发出进风口被阻塞的报警信息给报警装置；当测得负压平均值为初始压力值的50％～80％，发出流入气流不足的报警信号给报警装置；如果测得负压平均值正常，则进入步骤三。 

步骤三、主控制器对正压取样管3连接的第二差压传感器5输出电信号进行处理计算下降气流流速然后进行比较，当测得正压平均值为初始压力值200％以上，主控制器发出高效过滤器阻塞的报警信号给报警装置。当测得正压平均值为初始压力值50％～80％时，主控制器发出下降气流不足的报警信息给报警装置。当主控制器判断负压平均值和正压平均值都小于初始压力值的50％，发出热式风速传感器8故障的报警信号给报警装置。 

以目前常用的Ⅱ级A2型安全柜为例，外部流入气流6通过设备进风口进入设备的循环负压通道9，30％的排出气流11通过外排高效过滤器排出，70％的气流通过垂直高效过滤器进入工作区1进行内部循环，即Q_下降/Q_流入＝0.7(Q为风量)。 

根据公式V＝Q/AV为风速，A为截面积。V_下降/V_进风＝(Q_下降×A_流入)/(Q_流入×A_下降)＝(0.7×A_流入)/A_下降；如果进风口的截面积A进风和垂直高效过滤器的截面积A下降不变，那么V_下降和V_流入就有一个线性的正比例关系。 

如图5所示，热式风速传感器8消耗的电功率P(V)与风速V有一曲线的关系，通过一转换电路把确定风速范围的P(V)转换成接近线性的信号Uout，如图6所示。 

这样下降气流7流速转换为电压信号Uout输出，由主控制器进行AD转换和数据拟合处理转计算出当前下降气流风速V_下降。主控制器判断下降气流风速是否在设定范围，如果是就进入步骤二；如果不是则发出信号给风机调速装置调整风机的转速来提高或降低气流风速，直到判断下降气流风速稳定进入下一步骤。 

第二步，负压取样管2位于设备的循环负压通道9内，由其后连接的第一差压传感器4将进风口压力信号转换为电信号，由主控制器根据公式： 

V²＝K×2P/ρ 

将进风口压力P换算转换成进风口的流入风速V_流入。正压取样管3位于设备的正压通道10内，其后连接的第二差压传感器5将出风口压力信号转换为电信号，由主控制器根据上述公式将出风口压力换算成出风口的风速V_出风，而V_下降＝V_出风/M(M为高效过滤器的固有阻力系数)。通过以上等式，得到V_下降＝(0.7×A_流入×V_流入)/A_下降＝V_出风/M。这样运用本发明采用的装置热式风速传感器8输出的电信号和第一差压传感器4、第二差压传感器5输出的电信号相互关联。 

例如在生物安全柜在出厂调试时主控制器保存记录的负压初始值为80Pa，正压力初始值为150Pa，具体判断过程如下： 

在V_下降基本不变的情况下，主控制器监测V_流入增大即负压取样管端2的负压值增大，进风口的截面积A_流入一定是减小。当测得负压平均值为大于96Pa(初始压力值80Pa的120％)，主控制器发出进风口被阻塞的报警信息给报警装置。 

同样在V_流入和V_下降基本不变的情况下，V_出风增大即正压取样管3的压差增大，意味着高效过滤器阻力的系数M增大，当正压平均值大于300Pa(初始压力值150Pa的200％)，主控制器发出高效过滤器阻塞的报警信号给报警装置。 

在V_流入和V_出风即负压取样管端2的负压平均值和正压取样管3的正压平均值都减小的情况，这意味着V_下降一定是减小，而V_下降是主控制器根据热式风速传感器8转换得出的电信号来发出信号输出给风机调速装置调整 风机的转速而改变，应此V_下降和热式风速传感器8转换得出的电信号是正相关的。当主控制器判断负压平均值为40Pa～64Pa的区间内(初始压力值80Pa的50％～80％)，发出流入气流不足的报警信号给报警装置；当主控制器判断正压平均值为75Pa～120Pa的区间内(初始压力值150Pa的50％～80％)，发出下降气流不足的报警信息给报警装置；当主控制器判断负压平均值小于40Pa(初始压力值80Pa的50％)和正压平均值小于75Pa(初始压力值150Pa的50％)，发出热式风速传感器故障的报警信号给报警装置。 

本发明应用于生物安全柜的多个气流监控装置采用另一种热学原理(按照L·V·King理论，通过一定密度和质量的流动气体，可以带走物体表面高于环境温度的一定热量；这样一定风速下，风速传感器将被带走一定的热量而达到温度平衡状态，测量出加热功率P，传感器温度值T1，环境温度T2，就可以在已知条件下推算出当前的风速)的热式风速传感器直接测量和压力测量法相结合，能够准确测量设备流入气流风速和下降风速，热式风速传感器输出的电信号和差压传感器输出的电信号是相互关联的，如果其中任意一个传感器出现了故障，输出值改变，主控制器通过另外两个正常的传感器输出的信号判断是哪一个传感器出现了故障，避免了单独压力测量法不够准确的风险，而且热式风速传感器和差压传感器两者相互监控具有多重监控作用，两者相互监控更加安全，能够最大程度得为实验操作人员和样品提供保护。 

以上已对本发明创造的较佳实施例进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明创造精神的前提下还可作出种种的等同的变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。 

Claims (5)

1.应用于生物安全柜的多个气流监控装置，其特征在在于，包括：

压力检测单元，所述压力检测单元设置在生物安全柜的循环通道内，用于取样所述循环通道内的压力值；

压力传感器单元，所述压力传感器单元与所述压力检测单元连接，将所述压力检测单元取样到的压力值信号转换为电信号；

热式风速传感器，所述热式风速传感器设置在生物安全柜的工作区和外排气流区域内，用于测量所述工作区内的下降气流流速和流入气流流速；

主控制器，所述传感器单元和所述热式风速传感器分别与所述主控制器耦合连接，所述主控制器用于处理由所述压力传感器单元及所述热式风速传感器发送的信号。

2.根据权利要求1所述的应用于生物安全柜的多个气流监控装置，其特征在于，所述压力检测单元包括：

负压取样管，所述负压取样管设置在生物安全柜的循环负压通道内，用于检测所述循环负压通道内的压力值；

正压取样管，所述正压取样管设置在生物安全柜的循环正压通道内，用于检测所述循环正压通道内的压力值。

3.根据权利要求2所述的应用于生物安全柜的多个气流监控装置，其特征在于，所述压力传感器单元包括：

第一差压传感器，所述第一差压传感器与所述负压取样管连接，将所述负压取样管测得的压力信号转换为电信号；

第二差压传感器，所述第二差压传感器与所述正压取样管连接，将所述正压取样管测得的压力信号转换为电信号。

4.根据权利要求1所述的应用于生物安全柜的多个气流监控装置，其特征在于，还包括风机调速装置，所述风机调速装置与主控制器和生物安全柜的风机连接，所述主控制器发出信号给所述风机调速装置调整所述风机的转速。

5.根据权利要求1所述的应用于生物安全柜的多个气流监控装置，其特征在于，进一步包括报警装置，所述报警装置与所述主控制器连接，所述主控制器向所述报警装置发出声光报警信号。