ZHJH-C系列智能安全型超級工作臺監(jiān)測HEPA濾膜失效報警的創(chuàng)新原理介紹

唐新南 沈水興 嚴廣號，上海智城分析儀器制造有限公司 上海

超凈工作臺是生命科學、生物化學、醫(yī)藥衛(wèi)生、農(nóng)業(yè)科研、食品生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)測等研究、應用領(lǐng)域相關(guān)實驗室主要的，能提供局部潔凈空氣的凈化設(shè)備之一。其工作原理為，室內(nèi)空氣經(jīng)過預過濾器進入靜壓箱，再經(jīng)過高效空氣過濾器（以下簡稱HEPA濾膜）以去除各種塵埃粒子或氣溶膠，最后在操作區(qū)內(nèi)形成高度潔凈的單向空氣流及避免外部氣流誘入的正壓氣流環(huán)境。

一、一個被忽視的令人憂慮的生物技術(shù)隱患

隨著現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展，生物安全性問題已引起生物界廣大科技工作者的密切關(guān)注。超凈工作臺是開展生物技術(shù)研究必不可少的，應用最為廣泛的基礎(chǔ)設(shè)備之一，但它的生物安全性和有效性卻受到其關(guān)鍵部件HEPA濾膜有效性的嚴重挑戰(zhàn)。目前，在國內(nèi)大量使用的超凈工作臺，由于在產(chǎn)品設(shè)計環(huán)節(jié)中缺乏對關(guān)鍵部件HEPA濾膜使用壽命進行有效監(jiān)測的考慮，導致實驗人員難以直觀的對HEPA濾膜有效性作出準確判斷，以至造成實驗數(shù)據(jù)不準、實驗樣品被污染或?qū)嶒烅椖繉以噷覕〉葒乐睾蠊�。目前，在國�?nèi)大量的生物實驗室、高等院校、科研院所及生物制藥企業(yè)等研究應用領(lǐng)域內(nèi)，較為普遍的，不同程度的存在著HEPA濾膜超期服役、失效使用的問題，一方面超凈工作臺的安全性和有效性問題相當突出，但另一方面，這一令人憂慮的生物技術(shù)的有效性問題卻成了隱中之患被許多人所忽略了。

二、這是一個沒有被充分認識的設(shè)計缺陷

目前，在國內(nèi)市場上所見的超凈工作臺，其電器控制基本上都類似于電風扇的控制原理，即由一個風機，一個多抽頭的變壓器，再加上一個多檔調(diào)速開關(guān)所組成的控制系統(tǒng)。超凈工作臺運行時，僅有控制面板上風速檔位的提示，而沒有任何涉及HEPA濾膜的運行狀態(tài)的提示。盡管也有一些制造廠家意識到向?qū)嶒炄藛T在線提示HEPA濾膜運行狀態(tài)的重要性，在產(chǎn)品設(shè)計中采取了一定的措施。如在超凈工作臺的靜壓箱內(nèi)安裝一根壓力探管，以此對靜壓箱內(nèi)的壓力變化進行測量，然后用指針式壓力表的紅綠區(qū)間或采用數(shù)字式的壓力表在顯示器上顯示靜壓箱內(nèi)的壓力變化，以初始壓力等同于HEPA濾膜的初始阻力，用壓力的增大來等同于HEPA濾膜阻力的增大。并以設(shè)計的壓力極限值作為分析依據(jù)，對HEPA濾膜的剩余使用壽命作出判斷，并向?qū)嶒炄藛T發(fā)出相關(guān)警示。

但實驗證明，這一方法并不具有真實性。因為超凈工作臺中的風速、風量、壓力、阻力的變化是一個相互作用、相互影響的關(guān)聯(lián)系統(tǒng)，比如，變換風速檔位改變風量，風速也會發(fā)生變化，壓力隨之跟著變化。所以，設(shè)備所顯示的壓力變化實際上并沒有真正反映出HEPA濾膜阻力的變化，進而，所作出的有關(guān)HEPA濾膜的運行狀態(tài)的判斷同樣是不準確和不具有參考價值的。國內(nèi)不少實驗人員為了彌補對設(shè)備對HEPA濾膜的運行狀態(tài)無法判斷的缺陷，便采取頻繁更換HEPA濾膜的措施來提高超凈工作臺凈化功能的有效性。但這種既費錢又費力的操作根本難以堅持，而且，何時更換HEPA濾膜也很難掌握。所以，在HEPA濾膜已經(jīng)失效但實驗人員無法察覺的情況下仍在使用著設(shè)備，這就是當前我國生物實驗室使用超凈工作臺的真實情況。

國際上生產(chǎn)超凈工作臺的品牌企業(yè)很多，有美國的LABCONCO公司、澳大利亞的FRUAN公司、意大利的BIOAIR公司、新加坡的ESCO公司和日本的SANYO公司等等，這些國際一線品牌公司在如何保證產(chǎn)品運行過程中的HEPA濾膜的完好性方面均作出了一定的考慮，但其技術(shù)措施不盡相同。如有的增加了高性能的風速傳感器，將HEPA濾膜的壽命通過風速下限值的對比在指示器上顯示出來，用戶通過報警燈來預知更換HEPA濾膜的時間；有的安裝了特別的壓力表來顯示靜壓箱內(nèi)的壓力，在所有時間內(nèi)監(jiān)視HEPA濾膜的工作狀況。在維持恒定潔凈空氣流方面，僅從工作線路的電壓穩(wěn)定方面增加了補償措施，但在HEPA濾膜阻力增加的情況下，仍能維持工作區(qū)恒定氣流方面并未提出明確的解決方案。

三、“恒風速”技術(shù)有效化解了這一隱患

（一）、創(chuàng)新思路的醞釀

針對上述存在的問題，ZHICHENG公司成立了由公司科研人員組成的研發(fā)小組。對超凈工作臺進行技術(shù)創(chuàng)新和技術(shù)攻關(guān)。小組人員提出了研制開發(fā)一種能對HEPA濾膜進行實時檢測，當其出現(xiàn)失效、破損等異常情況時，能準確、及時發(fā)出預警和報警信號的升級版超凈工作臺的技術(shù)構(gòu)想，還把項目產(chǎn)品命名為“ZHJH-C型智能安全型超凈工作臺”。

ZHICHENG公司研發(fā)團隊圍繞如何解決超凈工作臺有效使用、安全使用的問題，提出了總體的設(shè)計方案，即超凈工作臺的設(shè)計要給使用者提供一種人性化的、安全可靠的操作環(huán)境，超凈工作臺的運行參數(shù)能一目了然，HEPA濾膜的工作狀態(tài)能實現(xiàn)在線測量、在線監(jiān)控和在線報警。

ZHICHENG公司科研人員經(jīng)過實驗研究得出結(jié)論，當HEPA濾膜的實測阻力達到初始阻力兩倍時，意味著HEPA濾膜已經(jīng)失效需要更換。其判斷依據(jù)是，當HEPA濾膜阻力增大時，超凈工作臺安裝有HEPA濾膜的靜壓箱的壓力會同步增大，其對大氣壓的壓差也同步上升。如果，測得的壓差達到初始壓差兩倍時，也意味著HEPA濾膜的阻力已經(jīng)達到初始阻力的兩倍。所以，測壓差可等同于測阻力。項目產(chǎn)品對HEPA濾膜阻力的實時檢測完全可以通過對其凈壓室壓差的測量來完成。但實驗發(fā)現(xiàn)，壓差的變化除了與阻力有關(guān)外，還與風速和風量的大小有關(guān)。在HEPA濾膜阻力一定的情況下，風量大，其壓差也會隨之增大。所以，檢測HEPA濾膜的阻力還需要一個恒定的風速。但風速的大小除了與阻力有關(guān)外，還與風機的功率大小、電源電壓的波動狀況有關(guān)，所以，還需要研究一種能穩(wěn)定風速的“恒風速”新型電路。

通過實驗，ZHICHENG公司科研人員確立了一個具體的技術(shù)方案，即：

1. 研究開發(fā)一種能測量微差壓的新型硅電阻力平衡式微差壓變送器，以解決對微差壓的精確測量。
2. 研究開發(fā)一種能對微風速進行測量的新型熱球式熱平衡微風速變送器，以解決對微風速的精確測量。
3. 研究開發(fā)一套能對微風速進行精確控制的電子線路，使得風速能根據(jù)需要進行設(shè)定，風速調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動將風速控制在設(shè)定的風速值，以便在工作區(qū)內(nèi)形成一個穩(wěn)定的空氣流，為壓差的測量奠定穩(wěn)定的測量條件。
4. 研究探索HEPA濾膜失效預警點、失效報警點和破損報警點的參數(shù)依據(jù)，經(jīng)過反復實驗論證，ZHICHENG公司科研人員認為：
   • 當HEPA濾膜阻力增加至兩倍初試阻力值的95%時,設(shè)備發(fā)出失效預警信號。
   • 當HEPA濾膜阻力增加到初始阻力兩倍時，設(shè)備發(fā)出失效報警信號。
   • 當HEPA濾膜阻力減少到上次運行時的阻力95%時,意味著HEPA濾膜已經(jīng)破損,設(shè)備發(fā)出破損報警信號。

（二）、關(guān)鍵技術(shù)的優(yōu)化

關(guān)鍵技術(shù)之一，用于凈化臺過濾網(wǎng)差壓測量的電路：新型硅電阻力平衡式微差壓變送器。
（實用新型專利：一種用于凈化操作臺的差壓測量電路200520040408.8）

通過對凈化臺過濾網(wǎng)的差壓測量來判別過濾網(wǎng)的實際工作狀況。現(xiàn)有的差壓測量的裝置，由于傳感器本身的選擇以及差壓測量電路中輸入電路、放大電路、電源的設(shè)計不夠理想，存在著測量精度差、或重復性差，或互換性差，或成本較高等等問題，在實際使用中難以推廣。

本關(guān)鍵技術(shù)提供了一種用于凈化臺過濾網(wǎng)的差壓測量電路，以解決現(xiàn)有的差壓測量裝置所存在的上述問題。新型硅電阻力平衡式微差壓變送器具有如下的技術(shù)特征：

1. 差壓測量電路包括電源、壓力傳感器、放大電路，其特征在于：壓力傳感器采用恒流電源電路供電，壓力傳感器的輸出接差動輸入放大電路輸入，差動輸入放大電路的輸出接放大電路的輸入；
2. 壓力傳感器為硅壓力傳感器，采用微壓差傳感器。其輸出為電橋電路。

關(guān)鍵技術(shù)之二，用于解決對微風速的精確測量的新型熱球式熱平衡微風速變送器。
（實用新型專利：一種用于凈化操作臺的風速測量控制電路200520040409.2）

通常的的風速測量可采用葉輪或轉(zhuǎn)子測頻法，但由于安裝位置和使用環(huán)境等因素的限制難以在超凈工作臺上使用，而利用過濾網(wǎng)采用差壓測量轉(zhuǎn)換法，又因為過濾網(wǎng)隨累計使用其阻力會逐漸增大而產(chǎn)生誤差。采用熱球或熱線法可以實現(xiàn)長期實時工作，但市場上的產(chǎn)品普遍存在價格高、線性差、一致性差、校正復雜等原因也難以在超凈工作臺上使用。

本關(guān)鍵技術(shù)提供了一種風速測量電路，以解決了傳統(tǒng)的風速測量法存在的上述問題。新型熱球式熱平衡微風速變送器具有如下的技術(shù)特征：

1. 風速測量電路包括電源、風速傳感器、放大電路，其特征在于：風速傳感器采用恒流電源電路供電，風速傳感器的輸出接差動放大電路輸入，差動放大電路的輸出接放大電路的輸入;
2. 測量電路所用的風速傳感器為熱球風速傳感器，采用由北京檢測器廠生產(chǎn)的熱球風速傳感器。為優(yōu)化項目產(chǎn)品微風測量的性能，本項目組成員與北京檢測器廠的技術(shù)人員共同對現(xiàn)有的熱球傳感器的微風測量性能進行技術(shù)攻關(guān)。;
3. 新型熱球式熱平衡微風速變送器包括電源、風速傳感器、放大電路，其特征在于：風速傳感器為熱球式傳感器，熱球加熱采用恒流電源電路供電;
4. 該電路的輸出信號通過采用軟件非線性曲線擬合的方法進行數(shù)據(jù)處理，從而保證了測量的精度、一致性及穩(wěn)定性。

關(guān)鍵技術(shù)之三，確定HEPA濾膜失效點、破損點和預警點的具體參數(shù)
(國內(nèi)外尚未有現(xiàn)成范例可供參考)

項目組經(jīng)過反復實驗論證，并與有關(guān)用戶進行相關(guān)問題的探討，ZHICHENG公司科研人員證實：當HEPA濾膜阻力增加至兩倍初始阻力值的95%時,設(shè)備發(fā)出失效預警信號，能使用戶有合適的時間進行HEPA濾膜的更換工作。在模擬運行狀態(tài)下，當HEPA濾膜阻力增加到初始阻力兩倍，設(shè)備發(fā)出失效報警信號時，檢測凈化區(qū)內(nèi)的菌落數(shù)已經(jīng)大大超標，這說明HEPA濾膜已經(jīng)無法滿足生物實驗對空氣凈化的要求。此實驗驗證了HEPA濾膜失效報警功能在保障生物實驗安全性和有效性方面的實際效果。

根據(jù)HEPA濾膜阻力增大導致風壓上升，HEPA濾膜表面壓力增加的情況，模擬運行HEPA濾膜破損狀態(tài)的實驗證實：破損最易在HEPA濾膜中點位置出現(xiàn)，收集其破損發(fā)生面積的大小的數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，對比由此引起的阻力變化，可以得出結(jié)論，當HEPA濾膜阻力減少到上次運行時的阻力95%時, HEPA濾膜已經(jīng)破損的檢測結(jié)果是較為真實的、可靠的。

關(guān)鍵技術(shù)之四，HEPA濾膜報警技術(shù)的實現(xiàn)

ZHICHENG公司科研人員根據(jù)項目要求，對風速、風量、阻力和壓差等相關(guān)參數(shù)的測量和控制進行了研發(fā)，設(shè)計出了先進的，具有聲光報警功能的CPU微處理芯片和相關(guān)的自動化控制電路。項目產(chǎn)品呈現(xiàn)智能控制的特點：

• 實現(xiàn)了“恒風速”運行的技術(shù)創(chuàng)新；
• 可編程智能化的控制系統(tǒng)；
• 帶背光的圖型點陣LCD液晶顯示屏，實現(xiàn)全中文或全英文的顯示；
• 風速、風量、壓差、定時等多參數(shù)同屏顯示，重要一目了然；
• HEPA濾膜出現(xiàn)異常情況時能實現(xiàn)聲、光以及全中文（英文）的可視報警；
• 具有斷電恢復功能，當外電源斷電又恢復來電的情況下，設(shè)備能自動啟動，按原設(shè)定程序運行；
• 具有參數(shù)記憶功能，一次設(shè)定可永久儲存；
• 風速無級設(shè)定，自動控制；
• 自動定時凈化、自動紫外燈消毒以及時鐘顯示功能；
• 手動/自動模式顯示，方便使用者根據(jù)需要靈活選用。（手動模式無HEPA濾膜報警功能）
• 觸式按鍵和美觀的薄膜面板，形成了非常人性化的人機對話界面。

四、創(chuàng)新者的收獲

ZHICHENG公司科研人員經(jīng)過艱苦卓越的努力，于2006年終于成功研發(fā)了“ZHJH-C系列智能安全型超凈工作臺”。由于技術(shù)構(gòu)想所涉及的問題極具使用層面的普遍性和生物技術(shù)的重要性，所以，得到了國家科技部中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金的立項和無償資助。項目產(chǎn)品于2007 年得到成功轉(zhuǎn)化并正式投放市場。ZHICHENG公司因此成為國內(nèi)唯一的一家，擁有對超凈工作臺核心部件HEPA濾膜運行狀態(tài)精準實施在線測量，在線監(jiān)控，在線失效預警和報警的“智能安全型超凈工作臺”的發(fā)明者。經(jīng)過上海市科技情報所的科技成果檢索，其智能化的控制設(shè)計達到國際先進水平，并獲得了國家知識產(chǎn)權(quán)局多項發(fā)明專利及實用新型專利的授權(quán)。

綜上所述，“ZHJH-C型智能安全型超凈工作臺”凝聚了ZHICHENG科研人員的集體智慧，是一款擁有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的超凈工作臺新品。產(chǎn)品的研發(fā)成功大大提高了生命科學乃至微電子行業(yè)使用超凈工作臺的有效性和安全性，這對于打破國外壟斷，振興我國民族工業(yè)起到了一定的積極作用。“ZHJH-C型智能安全型超凈工作臺”憑其核心的 “恒風速”技術(shù)先后獲得：

• 科技部中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金的立項支持（證書編號：05C26213100472）
• 上海市高新技術(shù)成果轉(zhuǎn)化項目立項（證書編號：200604230）
• 上海市專利新產(chǎn)品稱號（證書編號：SHZX062025）
• 上海市重點新產(chǎn)品稱號（證書編號：07XP05106）
• 國家重點新產(chǎn)品立項（證書編號：2008GRC00019）
• 中國儀器儀表行業(yè)金獎
  ——發(fā)明專利：“生物安全裝置中的過濾器的檢測裝置及檢測方法”（專利號：200610119094X）
• 實用新型專利：“一種用于凈化操作臺的差壓測量電路”專利號（200520040408.8）
• 實用新型專利：“一種用于凈化操作臺的風速測量控制電路”（專利號200520040409.2）