专利名称：使用物体检测的实验室通风柜控制器的制作方法
技术领域：
本发明大致地涉及控制实验室通风柜的通风，更具体地涉及一种装置，用于确定实验室通风柜内物体的存在及其位置，并根据确定的这些物体的存在及其位置来控制经过通风柜的气流。
通风柜用于各种实验室环境中，以提供在其中使用具有潜在危险的化学物质的工作区，该通风柜包括在其前面具有可移动门的罩体，该罩体可不同程度地打开以使人可进入罩体的内部进行实验等。罩体一般与抽除有毒气体的排气系统接通，于是当人在通风柜内工作时不受有毒气体的影响。这些通风柜的窗格门设计成垂直或水平打开，门的位置通常是指窗格的位置。
控制经过罩体的气流的控制器近年来变得更加复杂，从而能更精确地维持所需要的气流特性，以根据通风柜开口所需的平均面速度的变化来有效地排放罩体内的气体。该平均面速度通常定义为由通风柜每平方英尺的开口表面积进入通风柜的气流量，开口表面积的尺寸取决于一个或多个窗格门(通常只表示为“窗格”)的位置，以及在大多数罩体中当一个门或多个门关闭时提供的旁路开口的大小。
该通风柜由包括一个排风机的排气系统进行排气，该排风机通常能够以不同速度驱动以增加或减少通风柜的气流来补偿开口或表面的大小变化。或者，也可把单个排风机与排气总管道相连，该单个排风机可以是能以不同速度驱动的排风机或者不是，而排气总管依次与多个通风柜的各个管道相连，在各个管道中可装有气流调节器以控制各个管道中的气流，从而调节气流以维持所需要的平均面速度。
为使安装有通风柜的实验室有足够的安全，必须从通风柜内排放最小流量的空气，而通风柜必须含有相当体积的空气。当然，空气来自安装有通风柜的房间，因为人在实验室中工作，空气一般具有比较舒适的温度。供给实验室的回风通常是室外的空气，必须根据气候条件加热或冷却，而这种温度调节需要很高的成本。
近年来装有实验室通风柜设备的建筑物主所承担的巨大能源费用引起了重视，并且对通风柜控制器的设计和操作以及对实验室房间控制器做了改进，以降低涉及实验室能源需要的工作费用，而又同时保证工作在其中的人们的安全。
在进行的改进中有传感装置的使用，该传感装置用于检测实验室中是否有人存在，当人不在实验室中的时候，就降低通过通风柜排放的气流量。这可通过使用各种运动探测器检测实验室中是否有人来完成。用其它技术可检测房间的灯是否开着，假定如果灯关着则没有人在。确定在房间里没有人时，就触发经过通风柜的气流减小，这必然减小需要的空气供应量，并降低调节供应空气的能源费用。该减小量随着使用者的不同而变化，可达到给定面速度的正常气流的50％到60％。
尽管上述技术根据对房间中是否有人的状态的检测有效地减少了气流量，并它并不涉及通风柜本身之中的其它状态，而这些状态可很好地用于节省和这些通风柜的工作有关的能源费用。
所以，本发明的主要目的是提供一种改进的通风柜控制器，该控制器可通过检测通风柜内物体的存在并相应地调节气流来有选择地控制经过通风柜的气流，以节省能源费用。
本发明的另一个重要的目的是提供一种改进的通风柜控制器，该控制器可通过检测通风柜内物体的位置并相应地调节气流来有选择地控制经过通风柜，以节省能源费用。
本发明的更进一步的目的是提供这样一种改进的控制器，如果在通风柜内部没有检测到物体时，这表明没有危险气体存在，该控制器用于自动地减小经过通风柜的气流。本发明的一个次要目的是提供这样一种控制器，如果在通风柜内没有检测到物体时，该控制器可使气流减小到实际上可能没有气流的最小流量。
本发明的再一个目的是提供这样一种控制器，该控制器包括位于通风柜附近的传感装置，以使传感装置可用于检测通风柜内物体的存在。
本发明的还一个目的是提供这样一种控制器，该控制器包括用于检测通风柜内物体位置的传感装置，因而可对气流量进行调节，以在减小气流以降低前面讨论过的附加费用的同时又提供足够的安全。
在参照附图的同时阅读本发明下面的详细描述，本发明的这些和其它目的将变得更加明显。附图中
图1是本发明装置的方框示意图，同时示出了与本发明连在一起的用于加热、通风和空调监视的房间控制器以及大楼的控制系统；图2是示出了与操作面板连接在一起的通风柜控制器的方框图，其中操作面板以正视图示出。
图3是具有垂直操作窗格门和位于前表面正上方的旁路通口的典型通风柜正面的示意图；图4是具有水平操作的窗格门的典型通风柜正面的示意图；图5是大致沿图4中线5-5的剖面图；图6是具有本发明的物体传感装置的通风柜正面的示意立方图；图7是一组窗格门位置指示转换装置的电学示意图；图8是窗格门位置转换装置的剖面图；图9是确定通风柜的窗格门位置的电路示意图；图10是示出了图10a、10b、10c、10d和10e之间相对位置的方框图，这些图一起组成了本发明的通风柜控制器装置的电路示意图；当把图10a、10b、10c、10d和10e连在一起时，组成了本发明的通风柜控制器装置的电路示意图。
通常应当知道，通风柜控制器控制经过该通风柜的气流，其方式使通风柜整个开口的有效尺寸，包括没有被一个或多个窗格门遮盖的开口部分，对流向通风柜的空气具有比较恒定的平均面速度。这意味着不管未遮盖开口的面积如何，未遮盖部分的每单位表面积有平均体积的空气将流进通风柜。因为空气一直流向通风柜，而从排放管道中流出，这样避免了实验室里的人受到有毒气体等的影响，这种气流优选地控制在可变化的预定速率，通常在未遮盖开口有效表面积每平方英尺每秒大约60到150立方英尺之间。
概括地说，本发明涉及通风柜的控制器，其中经过通风柜的气流维持在安全工作状态，并且减小气流以尽可能地节省费用。但是节省费用不能以不要安全为代价，安全是最重要的。该控制器包括检测在通风柜内是否有物体的传感装置，该控制器用于根据通风柜内是否存在物体以及如果存在物体，还根据该物体的位置来控制经过通风柜的气流。如果气体存在的通风柜内没有物体存在，假定这表明没有有毒气体，该控制器于是可使通风柜内的气流减小到可接受的最小流量。控制器还可用于根据通风柜内物体的位置来控制气流。在这点上，已知如果气体源越靠近开口，通过通风柜开口排出气体的可能性增加。这样，如果装有化学物质等和散发危险气体的烧杯位于通风柜内部的后边附近时，气体从前面溢出的可能性就减少。情况就是这样，在不放弃安全的同时，通风柜的气流可减小到一定程度，此时仍可实现和减少气流有关的费用节省。
现在来看附图，特别是图1，方框图示出了与房间控制器22、排放控制器24和主控制台26连接的几个通风柜控制器20。通风柜控制器20与房间控制器22、排放控制器24和主控制台26连接在如线条23所示的局域网中，线条23可以是多芯电缆等。房间控制器22、排放控制器24和主控制台26一般作为大楼主HVAC系统的一部分，而系统中有安装有通风柜的实验室。通风柜控制器20通过线缆30供电，具有经过变压器32等装置的适当电压。
房间控制器22优选的是至少能够给房间提供变化空气量的类型，可以是Landis & Staefa，Inc.System 600 SCU控制器。房间控制器22能够与LAN线缆23接通。该房间控制器在大量资料中常见，并可买到。System 600 SCU控制器的用户参考手册第125-1753部分特别在此引入作为参考。
房间控制器22通过线缆81接收从每个通风柜控制器20传来的信号，该控制器可提供指示通过每个通风柜控制器20排放的空气体积的模拟信号，还接收从排放气流传感器传来的比较信号，该比较信号指示除了通风柜排放部分之外通过主排放系统排放的空气体积。
参见图2，图2示出标明了输入和输出连接端的通风柜控制器20，该通风柜20与操作面板34连接。可以知道每个通风柜具有一个通风柜控制器20，并且每个通风柜控制器装在一个操作面板上。操作面板34装在每个通风柜上，并通过线缆36与通风柜控制器20连接，该线缆36优选地包括八芯的多芯电缆。操作面板具有连接器38，例如6线RJ11型电话线插孔，通过连接器可连接上膝上型个人计算机等装置，以在最初安装时输入与通风柜的结构和操作有关的信息，或如果需要时改变某些操作参数。操作面板34优选地安装在通风柜的方便位置，以适于在通风柜中工作的人容易观察到。
通风柜控制器的操作面板34优选地包括液晶显示板40，当有选择地驱动时，该液晶显示板40可提供通风柜不同工作状态的可视指示，包括提供平均面速度的三位数字42。显示板40还显示其它状态，比如低面速度、高面速度和紧急状态以及控制器失效指示。操作面板可具有声音警报44和操作者可在紧急情况时按下以对通风柜排气的紧急排空开关46。操作面板具有可用于满足不同用户需要的两个辅助开关48，包括白天/晚上的工作模式。可以想到晚上的工作模式应具有不同的优选的是减小的平均面速度，因为可能没有人在该区域工作，这种更低的平均面速度可节约能量。优选地装有警报关闭开关50以消除警报。
通风柜有许多不同的类型、尺寸和结构，包括那些只有一个窗格门或多个窗格门的，窗格门可垂直移动、水平移动，或在两个方向上都可移动的。
参见图3，图3示出了大致用标号60表示的通风柜，其中具有垂直操作的窗格门62，该窗格门可移动以进入通风柜，并可移动到如图所示的几乎关闭的位置。通风柜通常设计为甚至当一个窗格门，比如窗格门62完全关闭时，仍然有一些空气可通过的开口通向通风柜，比如开口63。开口63一般称作旁路区，它被确定为在控制进入通风柜的气流时可考虑其作用。某些类型的通风柜具有位于窗格门上面的旁路开口，而其它类型位于下面。在一些通风柜中，窗格门的第一移动量可增加窗格门底部的开口，如图3所示，但是当窗格门提升时只是截断了旁路开口，因此通风柜整个开口的尺寸在大概是窗格门62移动过程的第一个四分之一移动量中保持相对恒定，而忽略了用于遮盖旁路区的隔栅65的一些作用。
其它类型的通风柜包括几个水平移动的窗格门66，如图4和图5所示，该窗格门可在上下一对邻近的导轨68上移动。当窗格门处在如图4和图5所示的位置时，通风柜开口完全关闭，操作者可在水平方向上移动窗格门以进入通风柜。通风柜60和64都具有排气管道70，该管道一般延伸到可以是前面描述的那种HVAC设备的排气系统中。
没有特别示出的其它组合也是可以的，包括沿通风柜宽度方向彼此相邻安置的多组垂直移动窗格门，两个或多个窗格门可在相邻导轨上垂直移动，与居民住宅的窗户差不多。
根据通风柜控制器20的一个重要方面，它可适于操作如上所述的不同尺寸和结构的通风柜，它也可适于用在装有几个通风柜并把排气管道集中到作为大楼HVAC系统一部分的公用排气总管道中的实验室中。通风柜可以是一个整装设备，而本身有自己的排气管。在只安装单个通风柜的情况下，通常这种设备具有与排气管相连的用变速电机驱动的排风机，因而电机和排风机的速度可变化地控制以调节经过通风柜的气流。另外，对于在一个区域有多个通风柜，最典型的是每个通风柜的排气管集中到一个或多个较大的排气总管中，在总管道系统中装有一个大排风机。在这种设备中，通过位于每个通风柜的排气管中各自的气流调节器可对每个通风柜进行控制，从而可通过把与每个通风柜相连的气流调节器放在适当的位置而对气流的变化进行控制。
通风柜控制器适于控制实际上任何不同类型的可买到的通风柜，为此，该控制器具有大量可与用在控制器上的各种传感器连接的输入和输出端(线缆、接头或插头这里都认为是等效的)。如图2所示，图中有数字输出或DO端，该端与如前面所述的带有排气节流器的数字信号/模拟压力转换器连接，但是如果用这种方式安装时，还有为控制变速风扇驱动的模拟电压输出端。有五个窗格门位置传感器用来测定水平和垂直移动的窗格门的位置，也还有为与排放气流传感器49连接而设的模拟输入端。还有为紧急开关而设的数字输入端和为输出警报喇叭信号和辅助信号而设的数字输出端。还设有给房间控制器22提供气流量信号的模拟电压输出端。在某些应用中没有排放气流传感器，可采用指示面速度的壁速度传感器，并提供这种信号的输入端，但是使用种传感器一般认为是不精确的，因而不是优选的实施例。利用这些各种输入和输出端，实际上任何类型的通风柜都可用有效而充分的方式进行控制。
为了确定窗格门的位置，在靠近每个移动窗格门旁装有窗格位置传感器，这大致如图7、图8和图9所示。参见图8，窗格门位置传感器包括比较简单地机械设计的细长的转换机构80，该机构优选地包括比较薄的聚酯基层82，在基层82上印有一条每单位长度电阻为已知常数的电阻墨水84。还另外设有聚酯基层86，在其上面印有一条导电墨水88。这两个基层82和86通过位于带条两端的两滴粘合剂90相互粘在一起。基层优选地大约为千分之五英寸厚，而胶滴大约为千分之二英寸厚，胶滴在导电层88和电阻层84之间提供了空区。转换机构80优选地通过粘合剂层92加在通风柜上。
聚酯材料有足够的柔性以使一层向另一层移动，从而响应于优选的弹簧压缩致动件94而产生接触，该致动件94由靠近带条的适当窗格门带动，于是当移动窗格门时，致动件94沿转换机构80移动，并在电阻和导电层之间产生接触，这种接触然后被将要描述的电路测出，该电路提供可指示致动件94沿转换装置长度方向的位置的电压输出。换句话说，致动件94由窗格门带动，然后提供指示窗格门位置的电压。
致动件94优选地由弹簧朝转换机构80压缩，于是当窗格门移动时，足够的压力加在转换装置上使两个基层压在一起，于是电阻层和导电层相互有电接触，如果是这样的话，就可提供电压量。通过使转换装置80具有足够的长度，可使窗格门如图3所示具有最大的行程，从而可精确确定窗格门的位置。
应当理解图3和图5中转换机构80的示意图是大致示出的，其中转换机构优选地实际上位于窗格门框内，从而不象如图所示是可见的。转换机构的宽度和厚度尺寸小到几乎不会影响窗格门的操作。致动件94也可位于钻在窗格门上的小孔内，或者从外面固定在其一端，因而它可位于操作转换机构80的位置。在图3和图6所示的垂直移动的窗格门中，转换机构80优选地装在窗格门框的一侧或另一侧，而在具有水平移动窗格门的通风柜中，转换机构80优选地位于轨道68的顶部，这样移动门的重量不会启动转换机构80，否则这会破坏转换机构。
再来看图9，图9示出了产生位置指示电压的优选电路，该电路用于提供指示在同一轨道中两个窗格门位置的两个分离电压。根据图5中所示的剖面图，可见有两个水平的轨道，每个轨道承载有两个窗格门，每个轨道上装有一个转换机构80，图9示出了相应的电路，于是可提供如图所示四个窗格门各自不同的电压。
转换装置优选地用粘合剂层92装在通风柜上，致动件94适于在沿长度方向的位置上压在转换装置上。参见图7，示出了一对转换装置的示意图，例如对应于图5中的两个轨道所用的。每个轨道上装有一个转换机构80，所示的四个箭头表示由致动件94产生的接触点，这形成加在每个转换装置每个末端的信号，信号的大小代表与最近的箭头和末端之间的距离成正比的电压。这样，单个的开关机构80用于提供位于每个轨道上的两个门的位置指示信号。图9示出了用于产生电压的电路，包括用于每个轨道的这些电路之一。电阻元件用84表示，图中也示出了用两个箭头表示接地的导电元件88，并且表示了由与两个单独窗格门连接的各个致动件94在电阻和导电元件之间产生的接触点。该电路包括运算放大器100，放大器的输出与PNP晶体管102的基极连接，晶体管的发射极通过电阻器104与正电压源连接，并与运算放大器的负输入端连接，该放大器的正输入端也与正电压源连接优选大约为5伏。晶体管102的集电极与电阻元件84的一端连接，并具有产生指示窗格门位置的电压的输出线106。
驱动电路用以提供流向电阻元件84的恒定电流，该电流在线缆106上形成与集电极和地之间电阻值成正比的电压，该电压随最近的接触点沿电阻的变化而变化。运算放大器工作使得负输入端等于正输入端的电平，而这一结果使运算放大器输出端的电流随电阻条84的有效长度成正比地变化。电路的下面部分以如上所述的同样方式工作，并同样在输出线缆108上产生与电阻元件84的连接端和接触点之间的距离成正比的电压，该接触点由与轨道上另一个窗格门连接的致动件94产生。
参见通风柜控制器的组合电路示意图，如果分离的图10a、10b、10c、10d和10e按图10的方式相互接在一起，则示出了通风柜控制器20的整个电路示意图。图10a到10e的电路工作过程就不详细描述了。电路通过微处理器驱动，实现控制器控制功能的重要算法将在下文描述。参见图10c，该电路包括Motorola MC 68HC11微处理器120，其时钟为用晶体122产生的8MHz频率。微处理器具有和三态缓冲器126(图10d)连接的数据总线124，三态缓冲器126随后和可编程只读存储器(EPROM)128连接，EPROM128也与数据总线124连接。EPROM128具有与三态缓冲器126连接的从A0到A7的地址线，还具有与微处理器120连接的从A8到A14的地址线。
电路包括3位到8位多路转换器130、数据锁存器132(见图10d)、数字—模拟转换器134，数模转换器用于提供指示经通风柜排放的空气体积的模拟输出，该输出信息如前面根据图2描述的提供给房间控制器22。参见图10b，RS232驱动器136用于通过手持端传输和接收信息。图9所示的电路也在整个示意图中，即图10a和10b中示出。其它的元件都是熟知的，故不需要再另外描述了。
根据本发明的一个重要方面，并参见图6，在通风柜内部具有传感装置，在最佳实施例中传感器装置包括至少一个位于通风柜60内部一侧的发光条140，发光条140具有多个发光器142，每个发光器用于顺着通风柜60的底板沿独立的路径发光，这些光可由位于通风柜60另一侧的光检测条144检测到。检测条144优选地具有多个光检测器146，例如适于检测沿特定路径的检测器和发光条之间是否存在物体的光敏晶体管。在这方面，发光条优选地包括多个发光器，比如发光二极管，其方向朝着检测条144上特定的检测器146。这样多个发光器142的每一个与一个光检测器146对应以确定一条光路，用于检测沿该光路是否存在物体。光检测器146优选地作上标记，于是如果在通风柜内有物体存在时，有一条或多条光路被打断，就能确定物体到通风柜前端的距离。控制器可利用这种对物体位置的确定来控制流经通风柜的气流。
为了与本发明一致，可提供垂直导向的发光条148及垂直导向的光检测条150，每个距离通风柜60后壁大约2到4英寸内放置。这些条以与条140和144基本相同的方式工作，只是被放置来检测通常放在通风柜内的架子上的物体是否存在。光路应置于略微高于每个架子的位置，用于检测可能位于架子上的甚至是很小的物体是否存在。
当然，尽管最佳实施例使用了如上所述的发光条和光检测条，应当知道带条的使用不是必要的，因为发光器和光检测器可单独地安装在通风柜的壁上。并且本发明的范围除了上面描述的外还包括其它形式的回路，可以包括红外线回路、激光回路、超声波回路和其它形式的回路。而且如果需要的话，在地板上，甚至在架子上物体的检测可通过如图6用152大致示出的负载传感器或测重器来完成。
还应当知道本发明的范围可包括可安装在通风柜里面或外面的如CCD摄像机的图象扫描装置，但是这两种情况都用于观察通风柜的内部，并获得和分析通风柜内的图像。空通风柜的图象可存储起来并用于比较以确定通风柜内的任何工作物体的存在，以及如果它们存在时确定它们的位置。然后处理装置可把随后获得的图象与存储的空通风柜的图象比较并确定在通风柜内是否有工作物体存在。
尽管经过通风柜的气流可通过多种方式控制，但优选的方式是如果所有的物体在距离通风柜的后壁大约2英寸内，就把气流减小到正常平均面速度的大约50％，如果物体在距通风柜的前端大约6英寸内，就维持正常的面速度。在距前端6英寸的位置到后端之间面速度的控制可按比例调节。又一个优选的是如果光路在通风柜前端小于6英寸的位置被隔断或阻挡时，可以启动警报状态。警报可以是声音或可视的，或两者都有。
这也是在本发明的范围内，即如果检测器检测到通风柜内没有物体存在，控制器就使气流减小到最小值状态，这可以仅仅是正常平均面速度的10％到20％。尽管气流可能降到零，但优选的是进行一定量的空气交换，而10％到20％就可实现。
从前面的描述中应当看出，图中示出和描述的改进的控制器可对流经通风柜的气流进行专门的控制，其中对于经过通风柜需要的气流可提供有效的安全，而在特定检测条件下减小气流。减小的气流导致了和对装有通风柜的房间必须提供的空气调节和更换有关的节约。
尽管示出和描述了本发明的各种实施例，应当知道可能使用各种改变、替换和等效方案，本发明仅由权利要求书及其等效文字来限定。
本发明的各种特征将在下面的权利要求书中陈述。
权利要求
1.一种控制经过通风柜的气流的装置，该通风柜包括至少一个用于遮盖通口的可移动窗格门，并与排放通风柜内的空气和烟雾的排气管接通，而排放量由主要经过通口的平均面速度来测定。所述装置包括检测在通风柜内的工作物体并产生信号指示通风柜内工作物体不存在的装置响应所述信号以控制从通风柜排放的空气流量的装置。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述物体检测装置包括射线发射装置和射线检测装置，并位于关键位置以形成至少一个穿过通风柜内部的射线回路，所述射线检测装置用于在射线回路没有被隔断时产生所述信号。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于物体检测装置形成用于检测工作物体的存在及其到通口的距离的多个射线回路。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于所述射线发射装置包括发光二极管。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于所述射线发射装置包括红外线发生装置。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述工作物体检测装置包括用于检测位于通风柜底部的工作物体的存在的多个射线回路，还包括用于检测位于通风柜底部之上的架子上的工作物体存在的一个或多个附加射线回路。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述工作物体检测装置包括检测位于通风柜内的工作物体重量的装置，所述工作物体检测装置根据重量检测装置检测到大于预定阈值的重量而产生所述信号。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述物体检测装置包括超声波束发生装置和超声波束检测装置。
9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于所述多个射线回路用于确定工作物体相对于通风柜前端的位置，并产生指示工作物体相对于通风柜前端的位置的信号，所述控制装置用于减小空气流量，使之与最近的工作物体到通风柜前端的距离成正比地从标称平均面速度减小到最小平均面速度。
10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述工作物体检测装置包括用于拍摄通风柜内部没有工作物体时的第一图像的摄像机，存储所摄第一图象的装置，控制所述摄像机以拍摄另外的图像、并把这些图象与第一图象比较以确定存在的任何工作物体的位置的装置。
全文摘要
本发明涉及一种通风柜控制器,包括检测装置,用于检测通风柜内物体的存在,并在通风柜内没有物体时,减小经过通风柜的气流,从而节省与安装有通风柜的房间调节供应空气有关的能源费用。该控制器还可根据通风柜内检测到物体的存在及其位置来调节气流。因为当物体位于通风柜更里面时,气体泄露的可能性更小,所以与如果物体更靠近窗格门时所需要的气流相比,气流在这种情况下可以减小。
文档编号F24F7/06GK1201886SQ98104379
公开日1998年12月16日 申请日期1998年2月6日 优先权日1997年6月9日
发明者S·D·雅各布 申请人:兰迪斯及斯特法有限公司