ZHJH-C系列智能安全型超级工作台监测HEPA滤膜失效报警的创新原理介绍

唐新南 沈水兴 严广号，上海智城分析仪器制造有限公司 上海

超净工作台是生命科学、生物化学、医药卫生、农业科研、食品生产、环境监测等研究、应用领域相关实验室主要的，能提供局部洁净空气的净化设备之一。其工作原理为，室内空气经过预过滤器进入静压箱，再经过高效空气过滤器（以下简称HEPA滤膜）以去除各种尘埃粒子或气溶胶，最后在操作区内形成高度洁净的单向空气流及避免外部气流诱入的正压气流环境。

一、一个被忽视的令人忧虑的生物技术隐患

随着现代生物技术的发展，生物安全性问题已引起生物界广大科技工作者的密切关注。超净工作台是开展生物技术研究必不可少的，应用最为广泛的基础设备之一，但它的生物安全性和有效性却受到其关键部件HEPA滤膜有效性的严重挑战。目前，在国内大量使用的超净工作台，由于在产品设计环节中缺乏对关键部件HEPA滤膜使用寿命进行有效监测的考虑，导致实验人员难以直观的对HEPA滤膜有效性作出准确判断，以至造成实验数据不准、实验样品被污染或实验项目屡试屡败等严重后果。目前，在国内大量的生物实验室、高等院校、科研院所及生物制药企业等研究应用领域内，较为普遍的，不同程度的存在着HEPA滤膜超期服役、失效使用的问题，一方面超净工作台的安全性和有效性问题相当突出，但另一方面，这一令人忧虑的生物技术的有效性问题却成了隐中之患被许多人所忽略了。

二、这是一个没有被充分认识的设计缺陷

目前，在国内市场上所见的超净工作台，其电器控制基本上都类似于电风扇的控制原理，即由一个风机，一个多抽头的变压器，再加上一个多档调速开关所组成的控制系统。超净工作台运行时，仅有控制面板上风速档位的提示，而没有任何涉及HEPA滤膜的运行状态的提示。尽管也有一些制造厂家意识到向实验人员在线提示HEPA滤膜运行状态的重要性，在产品设计中采取了一定的措施。如在超净工作台的静压箱内安装一根压力探管，以此对静压箱内的压力变化进行测量，然后用指针式压力表的红绿区间或采用数字式的压力表在显示器上显示静压箱内的压力变化，以初始压力等同于HEPA滤膜的初始阻力，用压力的增大来等同于HEPA滤膜阻力的增大。并以设计的压力极限值作为分析依据，对HEPA滤膜的剩余使用寿命作出判断，并向实验人员发出相关警示。

但实验证明，这一方法并不具有真实性。因为超净工作台中的风速、风量、压力、阻力的变化是一个相互作用、相互影响的关联系统，比如，变换风速档位改变风量，风速也会发生变化，压力随之跟着变化。所以，设备所显示的压力变化实际上并没有真正反映出HEPA滤膜阻力的变化，进而，所作出的有关HEPA滤膜的运行状态的判断同样是不准确和不具有参考价值的。国内不少实验人员为了弥补对设备对HEPA滤膜的运行状态无法判断的缺陷，便采取频繁更换HEPA滤膜的措施来提高超净工作台净化功能的有效性。但这种既费钱又费力的操作根本难以坚持，而且，何时更换HEPA滤膜也很难掌握。所以，在HEPA滤膜已经失效但实验人员无法察觉的情况下仍在使用着设备，这就是当前我国生物实验室使用超净工作台的真实情况。

国际上生产超净工作台的品牌企业很多，有美国的LABCONCO公司、澳大利亚的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，这些国际一线品牌公司在如何保证产品运行过程中的HEPA滤膜的完好性方面均作出了一定的考虑，但其技术措施不尽相同。如有的增加了高性能的风速传感器，将HEPA滤膜的寿命通过风速下限值的对比在指示器上显示出来，用户通过报警灯来预知更换HEPA滤膜的时间；有的安装了特别的压力表来显示静压箱内的压力，在所有时间内监视HEPA滤膜的工作状况。在维持恒定洁净空气流方面，仅从工作线路的电压稳定方面增加了补偿措施，但在HEPA滤膜阻力增加的情况下，仍能维持工作区恒定气流方面并未提出明确的解决方案。

三、“恒风速”技术有效化解了这一隐患

（一）、创新思路的酝酿

针对上述存在的问题，ZHICHENG公司成立了由公司科研人员组成的研发小组。对超净工作台进行技术创新和技术攻关。小组人员提出了研制开发一种能对HEPA滤膜进行实时检测，当其出现失效、破损等异常情况时，能准确、及时发出预警和报警信号的升级版超净工作台的技术构想，还把项目产品命名为“ZHJH-C型智能安全型超净工作台”。

ZHICHENG公司研发团队围绕如何解决超净工作台有效使用、安全使用的问题，提出了总体的设计方案，即超净工作台的设计要给使用者提供一种人性化的、安全可靠的操作环境，超净工作台的运行参数能一目了然，HEPA滤膜的工作状态能实现在线测量、在线监控和在线报警。

ZHICHENG公司科研人员经过实验研究得出结论，当HEPA滤膜的实测阻力达到初始阻力两倍时，意味着HEPA滤膜已经失效需要更换。其判断依据是，当HEPA滤膜阻力增大时，超净工作台安装有HEPA滤膜的静压箱的压力会同步增大，其对大气压的压差也同步上升。如果，测得的压差达到初始压差两倍时，也意味着HEPA滤膜的阻力已经达到初始阻力的两倍。所以，测压差可等同于测阻力。项目产品对HEPA滤膜阻力的实时检测完全可以通过对其净压室压差的测量来完成。但实验发现，压差的变化除了与阻力有关外，还与风速和风量的大小有关。在HEPA滤膜阻力一定的情况下，风量大，其压差也会随之增大。所以，检测HEPA滤膜的阻力还需要一个恒定的风速。但风速的大小除了与阻力有关外，还与风机的功率大小、电源电压的波动状况有关，所以，还需要研究一种能稳定风速的“恒风速”新型电路。

通过实验，ZHICHENG公司科研人员确立了一个具体的技术方案，即：

1. 研究开发一种能测量微差压的新型硅电阻力平衡式微差压变送器，以解决对微差压的精确测量。
2. 研究开发一种能对微风速进行测量的新型热球式热平衡微风速变送器，以解决对微风速的精确测量。
3. 研究开发一套能对微风速进行精确控制的电子线路，使得风速能根据需要进行设定，风速调节系统自动将风速控制在设定的风速值，以便在工作区内形成一个稳定的空气流，为压差的测量奠定稳定的测量条件。
4. 研究探索HEPA滤膜失效预警点、失效报警点和破损报警点的参数依据，经过反复实验论证，ZHICHENG公司科研人员认为：
   • 当HEPA滤膜阻力增加至两倍初试阻力值的95%时,设备发出失效预警信号。
   • 当HEPA滤膜阻力增加到初始阻力两倍时，设备发出失效报警信号。
   • 当HEPA滤膜阻力减少到上次运行时的阻力95%时,意味着HEPA滤膜已经破损,设备发出破损报警信号。

（二）、关键技术的优化

关键技术之一，用于净化台过滤网差压测量的电路：新型硅电阻力平衡式微差压变送器。
（实用新型专利：一种用于净化操作台的差压测量电路200520040408.8）

通过对净化台过滤网的差压测量来判别过滤网的实际工作状况。现有的差压测量的装置，由于传感器本身的选择以及差压测量电路中输入电路、放大电路、电源的设计不够理想，存在着测量精度差、或重复性差，或互换性差，或成本较高等等问题，在实际使用中难以推广。

本关键技术提供了一种用于净化台过滤网的差压测量电路，以解决现有的差压测量装置所存在的上述问题。新型硅电阻力平衡式微差压变送器具有如下的技术特征：

1. 差压测量电路包括电源、压力传感器、放大电路，其特征在于：压力传感器采用恒流电源电路供电，压力传感器的输出接差动输入放大电路输入，差动输入放大电路的输出接放大电路的输入；
2. 压力传感器为硅压力传感器，采用微压差传感器。其输出为电桥电路。

关键技术之二，用于解决对微风速的精确测量的新型热球式热平衡微风速变送器。
（实用新型专利：一种用于净化操作台的风速测量控制电路200520040409.2）

通常的的风速测量可采用叶轮或转子测频法，但由于安装位置和使用环境等因素的限制难以在超净工作台上使用，而利用过滤网采用差压测量转换法，又因为过滤网随累计使用其阻力会逐渐增大而产生误差。采用热球或热线法可以实现长期实时工作，但市场上的产品普遍存在价格高、线性差、一致性差、校正复杂等原因也难以在超净工作台上使用。

本关键技术提供了一种风速测量电路，以解决了传统的风速测量法存在的上述问题。新型热球式热平衡微风速变送器具有如下的技术特征：

1. 风速测量电路包括电源、风速传感器、放大电路，其特征在于：风速传感器采用恒流电源电路供电，风速传感器的输出接差动放大电路输入，差动放大电路的输出接放大电路的输入;
2. 测量电路所用的风速传感器为热球风速传感器，采用由北京检测器厂生产的热球风速传感器。为优化项目产品微风测量的性能，本项目组成员与北京检测器厂的技术人员共同对现有的热球传感器的微风测量性能进行技术攻关。;
3. 新型热球式热平衡微风速变送器包括电源、风速传感器、放大电路，其特征在于：风速传感器为热球式传感器，热球加热采用恒流电源电路供电;
4. 该电路的输出信号通过采用软件非线性曲线拟合的方法进行数据处理，从而保证了测量的精度、一致性及稳定性。

关键技术之三，确定HEPA滤膜失效点、破损点和预警点的具体参数
(国内外尚未有现成范例可供参考)

项目组经过反复实验论证，并与有关用户进行相关问题的探讨，ZHICHENG公司科研人员证实：当HEPA滤膜阻力增加至两倍初始阻力值的95%时,设备发出失效预警信号，能使用户有合适的时间进行HEPA滤膜的更换工作。在模拟运行状态下，当HEPA滤膜阻力增加到初始阻力两倍，设备发出失效报警信号时，检测净化区内的菌落数已经大大超标，这说明HEPA滤膜已经无法满足生物实验对空气净化的要求。此实验验证了HEPA滤膜失效报警功能在保障生物实验安全性和有效性方面的实际效果。

根据HEPA滤膜阻力增大导致风压上升，HEPA滤膜表面压力增加的情况，模拟运行HEPA滤膜破损状态的实验证实：破损最易在HEPA滤膜中点位置出现，收集其破损发生面积的大小的数据，经过数据处理，对比由此引起的阻力变化，可以得出结论，当HEPA滤膜阻力减少到上次运行时的阻力95%时, HEPA滤膜已经破损的检测结果是较为真实的、可靠的。

关键技术之四，HEPA滤膜报警技术的实现

ZHICHENG公司科研人员根据项目要求，对风速、风量、阻力和压差等相关参数的测量和控制进行了研发，设计出了先进的，具有声光报警功能的CPU微处理芯片和相关的自动化控制电路。项目产品呈现智能控制的特点：

• 实现了“恒风速”运行的技术创新；
• 可编程智能化的控制系统；
• 带背光的图型点阵LCD液晶显示屏，实现全中文或全英文的显示；
• 风速、风量、压差、定时等多参数同屏显示，重要一目了然；
• HEPA滤膜出现异常情况时能实现声、光以及全中文（英文）的可视报警；
• 具有断电恢复功能，当外电源断电又恢复来电的情况下，设备能自动启动，按原设定程序运行；
• 具有参数记忆功能，一次设定可永久储存；
• 风速无级设定，自动控制；
• 自动定时净化、自动紫外灯消毒以及时钟显示功能；
• 手动/自动模式显示，方便使用者根据需要灵活选用。（手动模式无HEPA滤膜报警功能）
• 触式按键和美观的薄膜面板，形成了非常人性化的人机对话界面。

四、创新者的收获

ZHICHENG公司科研人员经过艰苦卓越的努力，于2006年终于成功研发了“ZHJH-C系列智能安全型超净工作台”。由于技术构想所涉及的问题极具使用层面的普遍性和生物技术的重要性，所以，得到了国家科技部中小企业技术创新基金的立项和无偿资助。项目产品于2007 年得到成功转化并正式投放市场。ZHICHENG公司因此成为国内唯一的一家，拥有对超净工作台核心部件HEPA滤膜运行状态精准实施在线测量，在线监控，在线失效预警和报警的“智能安全型超净工作台”的发明者。经过上海市科技情报所的科技成果检索，其智能化的控制设计达到国际先进水平，并获得了国家知识产权局多项发明专利及实用新型专利的授权。

综上所述，“ZHJH-C型智能安全型超净工作台”凝聚了ZHICHENG科研人员的集体智慧，是一款拥有我国自主知识产权的超净工作台新品。产品的研发成功大大提高了生命科学乃至微电子行业使用超净工作台的有效性和安全性，这对于打破国外垄断，振兴我国民族工业起到了一定的积极作用。“ZHJH-C型智能安全型超净工作台”凭其核心的 “恒风速”技术先后获得：

• 科技部中小企业技术创新基金的立项支持（证书编号：05C26213100472）
• 上海市高新技术成果转化项目立项（证书编号：200604230）
• 上海市专利新产品称号（证书编号：SHZX062025）
• 上海市重点新产品称号（证书编号：07XP05106）
• 国家重点新产品立项（证书编号：2008GRC00019）
• 中国仪器仪表行业金奖
  ——发明专利：“生物安全装置中的过滤器的检测装置及检测方法”（专利号：200610119094X）
• 实用新型专利：“一种用于净化操作台的差压测量电路”专利号（200520040408.8）
• 实用新型专利：“一种用于净化操作台的风速测量控制电路”（专利号200520040409.2）