ZHJH-C系列智能安全型超級工作臺監測HEPA濾膜失效報警的創新原理介紹

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、醫藥衛生、農業科研、食品生產、環境監測等研究、應用領域相關實驗室主要的，能提供局部潔凈空氣的凈化設備之一。其工作原理為，室內空氣經過預過濾器進入靜壓箱，再經過高效空氣過濾器（以下簡稱HEPA濾膜）以去除各種塵埃粒子或氣溶膠，最后在操作區內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境。

一、一個被忽視的令人憂慮的生物技術隱患

隨著現代生物技術的發展，生物安全性問題已引起生物界廣大科技工作者的密切關注。超凈工作臺是開展生物技術研究必不可少的，應用最為廣泛的基礎設備之一，但它的生物安全性和有效性卻受到其關鍵部件HEPA濾膜有效性的嚴重挑戰。目前，在國內大量使用的超凈工作臺，由于在產品設計環節中缺乏對關鍵部件HEPA濾膜使用壽命進行有效監測的考慮，導致實驗人員難以直觀的對HEPA濾膜有效性作出準確判斷，以至造成實驗數據不準、實驗樣品被污染或實驗項目屢試屢敗等嚴重后果。目前，在國內大量的生物實驗室、高等院校、科研院所及生物制藥企業等研究應用領域內，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計缺陷

目前，在國內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，再加上一個多檔調速開關所組成的控制系統。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濾膜的運行狀態的提示。盡管也有一些制造廠家意識到向實驗人員在線提示HEPA濾膜運行狀態的重要性，在產品設計中采取了一定的措施。如在超凈工作臺的靜壓箱內安裝一根壓力探管，以此對靜壓箱內的壓力變化進行測量，然后用指針式壓力表的紅綠區間或采用數字式的壓力表在顯示器上顯示靜壓箱內的壓力變化，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。并以設計的壓力極限值作為分析依據，對HEPA濾膜的剩余使用壽命作出判斷，并向實驗人員發出相關警示。

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、相互影響的關聯系統，比如，變換風速檔位改變風量，風速也會發生變化，壓力隨之跟著變化。所以，設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HEPA濾膜的運行狀態的判斷同樣是不準確和不具有參考價值的。國內不少實驗人員為了彌補對設備對HEPA濾膜的運行狀態無法判斷的缺陷，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濾膜已經失效但實驗人員無法察覺的情況下仍在使用著設備，這就是當前我國生物實驗室使用超凈工作臺的真實情況。

國際上生產超凈工作臺的品牌企業很多，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的壓力，在所有時間內監視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，仍能維持工作區恒定氣流方面并未提出明確的解決方案。

三、“恒風速”技術有效化解了這一隱患

（一）、創新思路的醞釀

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小組。對超凈工作臺進行技術創新和技術攻關。小組人員提出了研制開發一種能對HEPA濾膜進行實時檢測，當其出現失效、破損等異常情況時，能準確、及時發出預警和報警信號的升級版超凈工作臺的技術構想，還把項目產品命名為“ZHJH-C型智能安全型超凈工作臺”。

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

ZHICHENG公司科研人員經過實驗研究得出結論，當HEPA濾膜的實測阻力達到初始阻力兩倍時，意味著HEPA濾膜已經失效需要更換。其判斷依據是，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濾膜的阻力已經達到初始阻力的兩倍。所以，測壓差可等同于測阻力。項目產品對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。但實驗發現，壓差的變化除了與阻力有關外，還與風速和風量的大小有關。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外，還與風機的功率大小、電源電壓的波動狀況有關，所以，還需要研究一種能穩定風速的“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方案，即：

1. 研究開發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，使得風速能根據需要進行設定，風速調節系統自動將風速控制在設定的風速值，以便在工作區內形成一個穩定的空氣流，為壓差的測量奠定穩定的測量條件。
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依據，經過反復實驗論證，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,設備發出失效預警信號。
   • 當HEPA濾膜阻力增加到初始阻力兩倍時，設備發出失效報警信號。
   • 當HEPA濾膜阻力減少到上次運行時的阻力95%時,意味著HEPA濾膜已經破損,設備發出破損報警信號。

（二）、關鍵技術的優化

關鍵技術之一，用于凈化臺過濾網差壓測量的電路：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的差壓測量來判別過濾網的實際工作狀況。現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。

本關鍵技術提供了一種用于凈化臺過濾網的差壓測量電路，以解決現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。

關鍵技術之二，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子測頻法，但由于安裝位置和使用環境等因素的限制難以在超凈工作臺上使用，而利用過濾網采用差壓測量轉換法，又因為過濾網隨累計使用其阻力會逐漸增大而產生誤差。采用熱球或熱線法可以實現長期實時工作，但市場上的產品普遍存在價格高、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。

本關鍵技術提供了一種風速測量電路，以解決了傳統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的熱球風速傳感器。為優化項目產品微風測量的性能，本項目組成員與北京檢測器廠的技術人員共同對現有的熱球傳感器的微風測量性能進行技術攻關。;
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據處理，從而保證了測量的精度、一致性及穩定性。

關鍵技術之三，確定HEPA濾膜失效點、破損點和預警點的具體參數
(國內外尚未有現成范例可供參考)

項目組經過反復實驗論證，并與有關用戶進行相關問題的探討，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,設備發出失效預警信號，能使用戶有合適的時間進行HEPA濾膜的更換工作。在模擬運行狀態下，當HEPA濾膜阻力增加到初始阻力兩倍，設備發出失效報警信號時，檢測凈化區內的菌落數已經大大超標，這說明HEPA濾膜已經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濾膜破損狀態的實驗證實：破損最易在HEPA濾膜中點位置出現，收集其破損發生面積的大小的數據，經過數據處理，對比由此引起的阻力變化，可以得出結論，當HEPA濾膜阻力減少到上次運行時的阻力95%時, HEPA濾膜已經破損的檢測結果是較為真實的、可靠的。

關鍵技術之四，HEPA濾膜報警技術的實現

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

• 實現了“恒風速”運行的技術創新；
• 可編程智能化的控制系統；
• 帶背光的圖型點陣LCD液晶顯示屏，實現全中文或全英文的顯示；
• 風速、風量、壓差、定時等多參數同屏顯示，重要一目了然；
• HEPA濾膜出現異常情況時能實現聲、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，設備能自動啟動，按原設定程序運行；
• 具有參數記憶功能，一次設定可永久儲存；
• 風速無級設定，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、創新者的收獲

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

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權的超凈工作臺新品。產品的研發成功大大提高了生命科學乃至微電子行業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”技術先后獲得：

• 科技部中小企業技術創新基金的立項支持（證書編號：05C26213100472）
• 上海市高新技術成果轉化項目立項（證書編號：200604230）
• 上海市專利新產品稱號（證書編號：SHZX062025）
• 上海市重點新產品稱號（證書編號：07XP05106）
• 國家重點新產品立項（證書編號：2008GRC00019）
• 中國儀器儀表行業金獎
  ——發明專利：“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）