专利名称：实验室通风橱框格开口速度的监测器及显示器的制作方法
技术领域：
本发明总的涉及到实验室通风橱的通风控制，更具体地，涉及到可以确定这种通风橱的框格门运动速度，及依据框格门的运动速度和方向产生报警信号的设备。
通风橱用于各种实验环境下，提供使用有潜在危险性的化学药品的工作场所。通风橱包括一个前部有活动门的外壳，活动门可以按不同程度打开，使人可以使用外壳的内部进行实验及类似工作。外壳通常和将有毒气体排出的排气系统相连这样人们在通风橱内工作时就不会暴露在有毒气体下。
近几年来，用来控制通过外壳的空气流量的通风橱控制器更加成熟，并且现在可以更精确地保持理想的流动特性，以有效地将气体从外壳内排出，它是通风橱开口的理想平均表面速率的函数。平均表面速率通常被定义为每平方英尺通风橱的开放表面积流入的空气流量，开放表面面积的大小，由在通风橱或外壳前面的一个或多个可移动框格门(一般称为“框格”)决定，在大多数类型的外壳上，当一个或多个门关闭时，则由旁路开口的大小确定。
通风橱通过排气系统排气，排气系统包括一个吹风机，它可以以不同的速度驱动，针对开口或表面的不同尺寸提高或降低通风橱中的气流量。另一方面，可以采用单个吹风机连接在排气总管上，排气总管依次与多个通风橱各自的管道相连，并且在它们各自的管道上安装气流调节器，控制各自导管道中的气流，保持所希望的平均表面速率。
可以通过垂直提升这类通风橱的框格门来将它们打开，通常用框格位置代表，或者，有些通风橱有好几个门，它们通常被安装在两套垂直的导轨上，可以进行滑动。还有些门甚至可水平或垂直移动，它们的导轨安装在可以垂直移动的结构组件上。
不论框格门的运动方向如何，即，无论它们是否水平打开或垂直打开的，空气从通风橱内部泄漏的可能性作为框格门运动速度的函数在打开操作过程增加。这样，特别希望框格门以比较适中的速度打开，这样在打开操作中，通风橱内的气体不会逃逸出去。
因而，本发明的主要目的是提供一种框格打开监测设备，以在框格打开过快的情况下提供报警显示。
本发明的另一个目的是提供这样一种监测设备，它可以很容易地安装在具有框格位置探测器和与框格位置探测器相关的处理装置的系统内。
本发明的另一个目的是提供这样一种监测设备，它适于在框格门打开过快时提供音响警报或可视报警信号。
在参照附图阅读了下述本发明的详细说明后，这些以及其他目的会更清楚，其中
图1是本发明设备的结构框图，图中一起给出了供热、通风以及空调监测的房间控制器以及建筑的控制系统；图2是通风橱控制器的框图，图中它和一个操作面板相连，后者为正视图；图3是简明地表示了典型的通风橱前面正视图，通风橱具有垂直操作的框格门以及位于前表面上方的旁路开口；图4是具有可水平操作的框格门的典型通风橱前面的简略正视图；图5是沿图4中沿线5-5切开的剖面图；图6是具有可水平和垂直操作的框格门的典型组合框格通风橱前面的简略正视图；图7是多个门框格位置指示开关装置的电气结构图；图8中门框格位置开关装置的剖面图；图9是用于决定通风橱框格门位置的电路结构图；以及图10是说明图10a，10b，10c，10d和10e互相之间相对位置关系的方框图，并且它们一起构成了本发明方案中通风橱控制装置电路的结构图；图10a，10b，10c，10d和10e，如果连在一起，构成了本发明方案中通风橱控制装置电路的结构图。
通常认为通风橱控制器采用某种方式控制通风橱中的空气流量，而且通风橱全部开口的有效大小，包括没有被一个或多个框格门遮盖的开口部分，将使进入通风橱的空气具有比较稳定的平均表面速率。这意味着不管未被遮盖开口的面积有多大，未被遮盖部分的单位表面积上的平均气体体积将进入通风橱中。这可以使实验室工作人员不必暴露在有毒气体或类似物质下，因为空气总是流入通风橱，并从排气管流出，并且流量被控制在一个预定的速率上，这个速率是可变的，但通常在每分钟每平方英尺未被遮盖的开口的有效表面积60至150立方英尺之间。
控制器试图在不稳定状态下也保持平均表面速率，其效果是系统响应时间和其他因素的函数。一个非常重要的因素，是框格门被想进入通风橱内部的工作人员打开时框格门的运动速度。如果框格门被迅速打开，那么系统很难保持平均表面速率，因为系统所需增加的空气量经常超过其供给能力，于是系统需要几秒钟以重新回到期望的平均表面速率状态。另外，框格门的快速运动会引起湍流状态，会使气体从通风橱内泄漏或从开口逸出，这是非常不希望的结果。
广义地说，本发明针对于通风橱的框格门开口的监测器，那里，在门被打开时，对框格门的运动速度进行监测，如果速度过快，就产生报警。本发明可以用于通风橱控制系统或通风橱监测系统。只需提供框格位置探测器和通过探测到的框格位置计算速度的处理装置。本发明特别适用于美国专利号5,470,275中说明的那种通风橱控制系统，它被转让给本发明相同的受让人，其原因在于框格探测器是控制系统的总体组成部分，并且系统包括产生控制信号的处理的装置，以便进行其他操作时保持平均表面速率状态，并且它是可以获得的硬件，可用于在打开门时探测框格门的运动速度，并采用探测到的框格门位置计算门运动速度。
下面将知道，本发明适于用于带有垂直框格门，水平框格门，以及组合门的通风橱。由于利用各个门上的位置探测器，控制系统适于计算框格门上未被遮盖的开口大小，很容易就能确定门是打开的还是关上的。人们知道，水平移动的框格门一般不象垂直运动的框格门那样易于产生泄漏。采用垂直打开的门，人们发明如果以大约1英尺每秒的速度打开框格门，泄漏的情况通常不会发生。然而，如果运动速度为大约1.5英尺每秒或更高的话，就容易发生泄漏的情况。
现在参照附图，特别是图1，框图中说明了多个通风橱控制器20，它们与房间控制器22及主控操作台26相连。通风橱控制器20通过局域网与房间控制器22以及主控操作台26相连，局域网由线24说明，它可以是多芯电缆或类似器件。房间控制器及主控操作台26是建筑物的主HAVC系统的典型部分，系统中设置了带有通风橱的实验室房间。通风橱控制器20通过线30供电，它通过变压器32或类似设备得到合适的电压。
房间控制器22最好采用至少可以向房间提供不同空气量的类型，可以是Landis&Gyr公司的系统600大楼自动化系统(BAS)控制器。房间控制器22可以通过LAN线24通信。房间控制器最好采用系统600BAS控制器，以及有大量已知文献，可买到的控制器。在这里特地参考了系统600 BAS控制器的用户参考手册。
房间控制器22通过从各个通风橱控制器20来的线路23接收信号，通风橱控制器20可以提供表示每个通风橱控制器20排出的空气量的模拟输入信号，以及从排气流量探测器28来的可比较信号，排气流量探测器可以显示从与通风橱排气系统分开的主排气系统中排出的空气体积，这些信号与表示进入房间空气流量的供气流量探测器29来的信号耦合，使房间控制器能够计算进入房间的总量与从房间排出的总流量的差，并且保持预定的差值。这样可以控制房间内的压差，使其稍稍低于房间外参考空间的压力，即最好在大约0.01到大约0.1英寸水柱压力的范围内，这样可以得到所期望的，比参考空间气压略低的房间气压。然而也不能太低，以致在紧急情况下，特别是门向外开时，实验室内的工作人员不能打开门逃出去。另外。在门向内开的情况下，压差不能太大，以至使门由于作用在其上的压力产生过大的力而被打开。
参考图2，说明了通风橱控制器20，并标出了它的输入与输出连接器。通风橱控制器20还与操作面板34相连。应该知道，每个通风橱都有一个通风橱控制器20，并且为每个通风橱控制器配一个操作面板。操作面板34被提供给每一个通风橱，并且它通过线36与通风橱控制器20相连，线36最好由8导线的多芯线电缆组成。操作面板有一个连接器38，例如6线RJ11型电话插孔，可以连接桌面个人电脑或类似设备，在初始安装时输入与结构或通风橱相关的信息，或在需要时更改某些操作参数。操作面板34最好安装在通风橱内适当的位置，使在通风橱内作实验的人易于看见。
通风橱控制器操作面板34最好包括一个液晶显示器40，当它被有选择地启动时，可以提供有关通风橱运行的不同方面的显示，包括三个显示平均表面速率的数字42。显示器40还可以说明其他状况，例如低表面速率，高表面速率以及紧急状态和控制器失效的显示。操作面板还有一个音频报警器44和一个紧急清洗开关46，当出现事故时，操作人员可以按下它，清洗通风橱。操作面板有两个辅助开关48，可以满足不同的用户需求，包括操作的昼/夜模式。我们考虑操作的夜间模式应该有不同的，最好是降低了的平均表面速率，因为没有人在这个地方工作，并且这种较低的平均表面速率可以节约能量。最好有报警消除开关，可以消除报警声或可视报警信号。
通风橱有许多不同的形式、大小和结构，包括那些有单个框格门或多个框格门的类型，框格门可以垂直移动，水平移动或在两个方向上移动。
参照图3，图中说明了一个通风橱，通常用60表示，它有一个垂直操作的框格门62，可以移动它以进入通风橱，它还可以被移至图示基本关闭位置。通风橱通常这样设计，当框格门如框格门62完全关闭时，仍然留有进入通风橱的开口，例如开口63，空气通过这个口。开口63通常称为旁路区域，并且是可以确定的，这样控制进入通风橱的空气流量时可以考虑它的影响。有些类型的通风橱有一个位于框格门上方的旁路开口，而其他的则在框格门下方。在一些通风橱中，框格门开始的运动量使图3中门底部的开口增加，但是随着门的提升，它将仅仅切断旁路开口，这样在框格门62最初的四分之一的运动中，通风橱的整个开口尺寸保持相对稳定，可以忽略遮盖旁路区域的栅网65的影响。
其他类型的通风橱可能包括几个可水平移动的框格门66，如图4和图5所示，门可以在上下两对相邻的导轨68上移动。当门处于图4和图5所示位置时，通风橱的开口是完全封闭的，并且操作人员可以在水平方向移开门，以进入通风橱。通风橱60和64均有一个排气管70，它通常延伸到排气系统，排气系统可以是上述的HVAC设备。
参照图6，图中说明了一个组合通风橱，它具有和门66类似的可水平移动的门76，通风橱74有一个框架结构78，它将门76支承在合适的导轨上，并且框架结构78可以在通风橱的开口内垂直移动。
图6中说明有一部分被去掉了，由断线73表示，用来说明通风橱的高度可能比所示高度高，这样工作人员可将框架结构78提升到足够的高度，提供足够大的入口进入通风橱内部。通常有一个旁路区域，由垂直区域75表示，并且通常有一个顶盖部分77，大约为2英寸宽。这个尺寸最好是确定的，这样可以考虑它对计算开口表面区域的影响。
尽管没有进行特别的说明，其他的组合也是可能的，包括沿通风橱开口的宽度方向相邻放置的多套垂直移动框格门，两个或更多框格门可在相邻的导轨上垂直移动，就非常象居室的竖铰链窗。
根据通风橱控制器20的一个重要方面，如上所述，它适于控制不同尺寸和结构的通风橱，并且，它也适用于实验室，实验室里可以有多个通风橱，并且排气管道汇合到一个共用的排气总管，排气总管则可以是建筑HVAC系统的一部分。通风橱可能是一个独立的自封闭装置，并且可有自己分立的排气管道。在安装单个通风橱的情况下，这种装置一般有一个和排气管道相连的变速马达驱动吹风机，而马达和吹风机的速度是可变的，可以调节通风橱的空气流。另外，对于在一个区域内的多个通风橱，每个通风橱的排气管道汇集到一个或更多较大的排气总管上，并且总管系统内有一个大的吹风机。在这类设备中，对每个通风橱的控制是由每个通风橱排气管上的各自的气流调节器实现的，这样通过适当地安置每个通风橱的相应的气流调节器，可以控制流量的变化。
通风橱控制器适于控制任何可以买到的不同种类和型式的通风橱，为此，它有多个输入和输出端口(线，连接器或连接头，在这里都被认为是等效的)，可以连接与控制器一起使用的各种探测器。如图2所示，它有数字输出或170端口，可以和带有上述排气气流调节器上的数字信号/模拟压力传感器相连，但如果以那种方式安装的话，也有一个模拟电压输出端口，用于控制变速风扇驱动器。有五个框格位置探测器口被用于探测水平和垂直运动框格的位置，并且还有一个模拟输入端口，用于连接排气流量探测器49。提供了紧急状态开关的数字输入端口，并且还提供了用于输出报警信号和辅助信号的数字输出端口。模拟电压输出端口被用于向房间控制器22提供流量信号。在某些没有排气流量探测器的应用中，可以采用表示表面速率的壁式速率探测器，并为这个信号提供一个输入端口，但是一般认为使用这种探测器精确度比较低，并不是优选方案。利用这些不同的输入和输出端口，实际上可以有效地控制任何类型的通风橱。
为了确定框格门的位置，在每个可移动框格门相邻的地方都有一个框格位置探测器，通常用图7、8、9进行说明。参照图8，门框格探测器包括一个伸长的开关机构80，其机械设计非常简单，最好由相当薄的聚酯基层82组成，基层82上印有一条每单位长度固定电阻已知的阻电墨水条84，还有另一个聚酯基层86，它的上面也印有一条导电墨水条88。两个基层82和86通过位于导电墨水条背面的两个粘性线圈90粘接在一起。基层的厚度最好是大约4分之五英寸，垫圈厚度大约为千分之二英寸，垫圈使导电层88和阻电层84之间隔开一段空间。开关机构80最好用粘性层92安在通风橱上。
聚酯材料的弹性足以使一个基层向另一个基层移动，这样依据弹性偏置拖动装置94可以产生接触，弹性偏置拖动装置装在和导电墨水条相邻的框格门上，这样当框格门被移动时，拖动装置94沿着开关机构80移动，使电阻层和导电层接触，这种接触被下面将要叙述的电路感知，它产生一个电压输出，表明拖动装置94在开关机构上的位置。换句话说，拖动装置94装在门上，并且提供表示框格门位置的电压。
拖动装置94最好朝向开关机构80方向偏置，这样当门移动时，开关装置上的压力足够将两个基层压在一起，这样电阻层和导电层彼此产生电气接触，并且如果是这样就会产生电压。通过使开关装置80足够长，使得框格门可以如图3所示作最大限度的移动，从而精确地确定框格的位置。
应该知道，在图3和图5中对开关机构80的说明是十分简单的，这是因为开关机构实际上最好位于框格框架内，并不象如图所示那样能够看见。开关机构的宽度和厚度的尺寸很小，对框格门的操作的干扰很小，拖动装置94也可以放在框格门上钻的小洞内，或附着在框格门一侧的外面，这样它能够操纵开关80。在图3和6中所示的可垂直运动的框格门上，开关机构80可以放在框格结构的一侧或另一侧上，而在带有可以水平移动的门的通风橱上，最好将开关机构80放在导轨68的顶上，这样开关机构80不会影响操作者。
转到图9，图9对产生指示位置的电压的优选电路进行了说明。并且这个电路适于产生两个独立的电压，用来指示同一导轨上两个框格门的位置。根据图5的截面图，有两条水平导轨，每条导轨上有两个框格门，每条导轨上都装有一个开关装置80，如图9中的电路所示，可以对图示的四个框格门的每一个提供确定的电压。
开关装置最好用粘性层92粘在通风橱上，并且拖动装置94可以在开关机构的整个长度上移动。参照图7，对开关装置的简图进行了说明，例如图5中的两个导轨。每个导轨上都有开关装置80，并用四个指示箭头代表由拖动装置94产生的触点，它产生加在每个开关装置的各个末端上的信号，信号的幅值代表了与末端和最近点之间的距离成正比的电压。这样，一个开关装置80就可以产生每个导轨上的两个门的位置指示信号。图9表示的是产生这种电压的电路图，该电路图包括一个用于每个导轨的电路。电阻元件由84表示，所示导电元件88接地并带有两个指示箭头，箭头代表了电阻元件和导电元件之间的触点，该触点是由与两个独立门相关的各个拖动装置引起的。电路图包括运算放大器100，其输出端与PNP三极管102的基极相连，三极管102的发射极通过电阻连到电源正端，并连到运算放大器的反向输入端，运算放大器的正向输入端也与电压值最好为5伏的电源的正端相连。三极管102的集电极与电阻元件84的一端相连，输出线106上产生的电压指示了门的位置。
电路使恒定的电流通过电阻元件84，这个电流在线106上产生电压，电压和集电极与地之间的阻值成正比，阻值随电阻上最近的触点的变化而变化。运放使反向输入端和正向输入端的电压相等，这样使运放输出端电流的变化和电阻条84的有效长度成正比。电路图下面部分的工作方式与上述的相同，并且类似地在输出线108上产生一个电压，电压与电阻元件84的连接端和接触点之间的距离成正比，接触点由对应于导轨上另一框格门的拖运装置94产生。
参照通风橱控制器电路的组合电路结构图，如果分离的图10a，10b，10c，10d和10e按图10中的方式相邻放置，就说明了通风橱控制器20的整个电路结构图。对图10a至10e电路的操作不再进行详细描述。电路由微处理器驱动，实现控制器控制功能的重要算法将在以后说明。参照图10c，电路包括一块Motorala MC68H11微处理器120，它的时钟为8MHz，时钟由晶振122产生。微处理器120的数据总线124和三态缓存器126(图10d)相连，缓存器则与可编程只读存储器128相连，128也连接到数据总线124上。EPROM128的地址线A0到A7与三态缓存器126相连，而地址线A8到A14则连接到微处理器120。
该电路包括3～8转换开关130，数据寄存器132(见图10d)，数模转换器134，它可以用于产生表示由通风橱排出的空气量的模拟输出。参照图2，如前所述，该信息被送到房间控制器22。参照图10b，RS232驱动器136用于发送和接收手提终端的信号。图9中说明的电路在完整的结构图中进行了说明，在图10a及10b中也有说明。其他的组件众所周知，在此不再进行说明。
正如前面提到的，本发明的监测设备特别适用于美国专利5,470,275中说明的那种通风橱控制器，基于此，和这个专利有关的说明和附图在这里特别作为参考。本发明主要的优点之一是控制器以一种重复且相当快速的方式执行它的控制方案。在运行过程中，微处理器以每100毫秒采一次的速度对流量信号及框格门位置信号进行采样。这样可以实现所期望的快速响应的控制操作。并且，由于对框格门进行采样的速度很快，在框格被操作人员移动时可以精确计算门的运动速度。另外，由于采样的频率高，任何运动出现马上会被探测到，并且运动速度可由微处理器120计算出来。应该认识到，由于微处理器中的时钟很快，任何框格门的运动速度都可以在200毫秒内计算出来。优选方案中，将运行中探测到的框格门运动速度和一个预定值比较，该预定值大约为1.5英尺每秒。如果框格运动速度等于或超过大约1.5英尺每秒，微处理器120会发出报警信号，产生音频报警，可视报警，或两者都有。
报警最好是报警器44产生的间断的报警声，它可以警告操作人员在开框格门时减慢框格门的运动。另外，使操作面板34上的一个或多个可视显示元件闪亮也是可行的。
本发明的范围还包括利用报警信号在框格上产生一个制动力，减慢框格的运动。制动力可以包括作用于框格表面上的垫圈的压力，垫圈可以接连一个线圈，线圈由报警信号提供能量。
应该知道，对于多个框格门而言，任何一个门的运动都会对未遮盖的开口尺寸的增加或减少有影响，因此，必须计算未被遮盖尺寸，以确定这个运动是否增加了开口尺寸，然而，对于具有多个框格门的通风橱，本发明范围包括无论何时，即使在开口尺寸并未增加时，只要一个门的运动过快就产生报警。
在前面的详细说明中，对通风橱控制器进行了描述和说明。它在精确监测实验室通风橱的一个或多个框格门的运动速度，并在运动速度等于或超过预定值时产生报警方面能力非凡。报警警告操作人员应该放慢打开框格门的速度，以减少产生泄漏情况的可能。
尽管对本发明的不同方案进行了描述，应该知道，可以使用不同的替换品，代替品或等效物，并且本发明只由权利声明及其等效声明来限定。
本发明的各种特性将在下面的权利声明中进行说明。
权利要求
1.确定实验室通风橱中至少一个框格门的运动速度的设备，这类通风橱。有一个入口，并且至少有一个可移动的框格门，可在移动通风橱的框格门时改变开口的大小，上述设备包括用于探测每个可移动框格门的位置并且产生指示框格门位置的位置信号的装置；响应位置信号，用于计算框格门的运动速度，并在计算的速度超过预定值时产生报警信号的装置。
2.根据权利要求1的设备，其特征在于，上述位置信号响应装置包括适用于利用所探测到的位置变化来计算框格门运动速率的处理装置。
3.根据权利要求2的设备，其特征在于，处理装置适用于计算上述框格门运动速率的方向，并在计算的速度在打开方向上超过预定值时产生报警信号。
4.根据权利要求1的设备，其特征在于，还包括根据产生的报警信号产生报警的装置。
5.根据权利要求4的设备，其特征在于，报警是音频报警。
6.根据权利要求4的设备，其特征在于，报警是可视报警。
7.根据权利要求4的设备，其特征在于，报警是间歇性报警。
8.用于控制流量控制装置的设备，流量控制装置用于控制通风橱内的空气流量，使通风橱开口表面未被遮盖部分保持预定的平均表面速率，这类通风橱至少有一个可移动的框格门，用于在通风橱框格门被移动时将开口遮盖，通风橱和排气管相连，可以排放通风橱中的空气和气体，上述设备包括用于确定每个框格门的位置并产生指示信号的装置；根据产生的位置信号确定未被遮盖表面开口大小的处理装置；所述处理装置计算上述开口大小并且根据至少一个框格门的运动确定开口尺寸是否增加；所述处理装置计算框格门的运动速度并且在计算的速度超过预定值时产生报警信号。
9.根据权利要求8的设备，其特征在于，当计算的速度超过预定值并且探测到的运动增加了开口未被遮盖的尺寸时，上述处理装置产生上述报警信号。
10.根据权利要求8的设备，其特征在于，还包括根据产生的报警信号产生报警的装置。
11.根据权利要求8的设备，其特征在于报警是音频报警。
12.根据权利要求8的设备，其特征在于报警是可视报警。
13.根据权利要求8的设备，其特征在于报警是间歇性的。
全文摘要
公开了监测实验室通风橱中至少一个框格门运动速度的设备。框格门的运动速度被探测出来,如果运动速度超过预定值而且通风橱未被遮盖开口的尺寸增加时,产生报警信号。
文档编号B08B15/02GK1181998SQ97116178
公开日1998年5月20日 申请日期1997年8月8日 优先权日1996年8月12日
发明者S·D·雅各布 申请人:兰迪斯及斯特法有限公司