技术领域
[0001] 本
发明涉及一种实验
通风柜，尤其是涉及一种智能实验通风柜。
背景技术
[0002] 实验通风柜的目的是在维持化学反应稳定的环境条件
基础上，提供安全、环保的
工作空间。智能化的实验通风柜，有助于实验人员完成实验任务的速度和效率，因此把实验通风柜趋于智能化，是当今国内外的热点问题。
[0003] 目前市面上的实验通风柜都使用
微处理器和控制网络为核心，智能化程度不高。随着
大数据、
云计算、移动互联网、
物联网、
嵌入式系统等新兴技术的不断发展，现有的通风柜的智能程度已经不能满足使用者的需求。
[0004] 现市面上通风柜主要为定风量通风柜，变风量和无管净气型通风柜较少。定风量通风柜需要人工调整固定
叶片的风
阀，从而调节通风柜的排风量，当风阀调节到一定
角度时达到希望的面风速。变风量通风柜系统是通过控制调节阀
门的
传感器来控制排风量，进而使面风速达到希望的值。无管净气型通风柜系统使用Neutrodine
专利过滤技术，在无需排风的情况下对实验产生的气体进行
净化，能够有效过滤绝大部分的常见化学气体。
[0005] 目前，无管净气型通风柜只能使用限定的化学品，对化学品的过滤能
力也参差不齐。定风量通风柜系统噪声大、能耗大使得实验室环境较差，整体设计较为落后，不能满足日益提高的职业安全要求，并且实验人员无法知道通风柜是否正常排风，实验柜
负压是否正确等问题，并且在系统管理、系统扩展方面不佳。现阶段的变风量通风柜系统前期投资较高，并且智能化程度不高，实验人员无法实时了解通风柜的状态。
发明内容
[0006] 本发明的目的就是为了克服上述
现有技术存在的
缺陷而提供一种智能实验通风柜。
[0007] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0008] 一种智能实验通风柜，包括柜体，所述的柜体顶部设有
通风口，柜体侧面设有可上下升降的视窗，其特征在于，所述的通风口设有控制其开度的碟阀，所述的柜体内设有测量柜体内面风速的面风速传感器，所述的视窗处设有监测视窗
位置的拉线位移传感器，所述的视窗、面风速传感器、拉线位移传感器均和蝶阀均连接至一处理器；
[0009] 实验通风柜工作时，处理器根据柜体内面风速以及视窗位置控制碟阀开度及角度使得柜体内面风速在标准范围内。
[0010] 所述的柜体外侧设有用于
人机交互的HMI人机交显示屏，所述的HMI人机交显示屏连接至所述的处理器。
[0011] 该智能实验通风柜还设有用于手势操作的
手势传感器，所述的手势传感器分别连接HMI人机交显示屏和处理器。
[0012] 所述的视窗顶部设有用于感应人体的头顶红外传感器，所述的头顶红外传感器连接至所述的处理器，当头顶红外传感器感应到人体后，触发处理器打开所述的视窗。
[0013] 所述的视窗底部两侧设有红外对射传感器，所述的红外对射传感器连接所述的处理器，在视窗下移过程中，红外对射传感器检测到有物体时，处理器控制视窗停止下移。
[0014] 所述的柜体底部设有用于人为控制视窗升降的脚踩按键，所述的脚踩按键连接至所述的处理器。
[0015] 所述的柜体底部设有用于存储物品的储物柜。
[0016] 所述的柜体上还设有用于异常报警的蜂鸣器和
LED灯，所述的蜂鸣器和LED灯均连接至所述的处理器。
[0017] 与现有技术相比，本发明具有如下优点：
[0018] (1)本发明通过面风速传感器和拉线传感器实时测量柜体内面风速以及视窗位置，由此对碟阀开度及角度进行精确控制，使得柜内风速更加快速精确的保持在国家规定的面风速标准范围，保证人员安全与实验的真实性，并且每个智能实验通风柜单独控制，互不干扰，方便VAV系统的管理与扩展；
[0019] (2)在本发明中使用HMI人机交互显示屏，经过界面设计与控件设置，通过各类传感器的
数据采集，处理器的
数据处理，能实时显示柜内各项参数并完成多类柜内动作，方便操作人员的使用；
[0020] (3)本发明通过运用手势传感器对不同的手势进行定义，实现在不同亮暗条件下稳定、迅速的识别手势，进而控制视窗的开启闭合等柜内操作，方便实验人员的操作且延长实验柜的寿命。
附图说明
[0021] 图1为本发明智能实验通风柜的整体结构示意图；
[0022] 图2为本发明智能实验通风柜的俯视图；
[0023] 图3为本发明智能实验通风柜的控制
框图；
[0024] 图4为本发明风速控制的流程框图；
[0025] 图5为本发明获取风速的流程框图；
[0026] 图6为本发明蝶阀控制的流程框图；
[0027] 图7为本发明视窗控制的流程框图；
[0028] 图8为本发明获取视窗高度的流程框图；
[0029] 图9为本发明执行视窗升降的流程框图。
[0030] 图中，11为电气箱，111为
模数转换模
块，12为视窗，13为处理器，131为红外对射传感器，132为头顶红外传感器，133为蝶阀，134为视窗门
电机，135为蜂鸣器，136为LED灯，137为位移传感器，138为面风速传感器，139为手势传感器，14为操作台，15为HMI人机交显示屏，16为储物柜，17为脚踩按键，18为通风口，19为
配重块。
具体实施方式
[0031] 下面结合附图和具体
实施例对本发明进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。
[0032] 实施例
[0033] 如图1所示，本发明智能通风柜包括接受外部电源的电气箱11、可以上下移动的视窗12、视窗12底部的红外对射传感器131、位于通风柜上方的头顶红外传感器132、连接VAV系统的通风口18、用于进行化学实验的操作台14、位于视窗右方的的HMI人机交显示屏15、位于通风柜下部的存储物品的储物柜16和通风柜底部的脚踩按键17，脚踩按键17用于人为控制视窗升降。头顶红外传感器132用于感应人体，当头顶红外传感132感应到人体后，触发处理器13打开视窗12。红外对射传感器131连接处理器13，在视窗12下移过程中，红外对射传感器131检测到有物体时，处理器13控制视窗12停止下移。
[0034] 如图2所示，通过视窗门电机134转动
履带带动配重块19从而对视窗12上下进行控制，通过拉线位移传感器137可以测量视窗的位置，进而辅助控制柜内风速。
[0035] 如图3所示，处理器13通过数字
信号控制红外对射传感器131、头顶红外传感器132、蝶阀133、门电机134、脚踩按键17、蜂鸣器135和LED灯136，处理器13通过
模拟信号控制位移传感器137和面风速传感器138，处理器13通过串口信号控制手势传感器139，处理器13通过rs232
接口连接HMI人机交互显示屏15。其中，蜂鸣器135和LED灯136用于异常报警，包括但不限于柜体内面风速不在安全范围内，视窗12升降过程出现异常等等。
[0036] 处理器13通过电气箱11内的模数转换模块111采集机柜的面风速、视窗高度、
温度等环境信息，通过rs232接口传输到HMI人机交互界面显示，可以让操作人员实时了解柜内各项情况。
[0037] 手势传感器139识别人员的各种手势，向上、向下、向左、前压等，通过串口与处理器13进行通信。处理器13通过模数转换模块111传输控制命令，可以对视窗门电机134、蜂鸣器135、LED136、蝶阀133等进行控制。
[0038] 为了保证柜内面风速保持在国家对通风柜面风速规定标准内(0.4～0.6m/s)，本发明使用如下方法：
[0039] 排风量(单位：m3/h)计算公式为：
[0040] L＝3600×SVβ (1)
[0041] 式中：S为操作口开启面积(单位：m2)；V为面风速(单位：m/s)；β为安全系数(1.05～1.1)。从式(1)可以看出，对于没有调节系统的通风柜，当操作门全开时，如果满足0.3～0.5m/s的面风速，当操作门开启一半或全关闭时，面风速将超过设计值，大大影响排风及实验效果。
[0042] 通风柜的实际通风量可用下式表示：
[0043] Q＝SV＝SWH (2)
[0044] 式中：S为操作口开启面积(单位：m2)；V为面风速(单位：m/s)；W为通风柜的开口宽度(单位：m)；H为通风柜视窗高度(单位：m)。
[0045] 采用柜门上的传感器将视窗的行程信号变送到处理器13，处理器13根据设定的面风速和式(2)计算出设定的风量信号，进而可以得出在当前视窗高度下，要得到设定风速所需的阀门开度。再根据面风速传感器138测出的实时风量并转换成相应的蝶阀133开度的
电信号。在控
制芯片内通过控制得出一个
输出电压，控制蝶阀133开度，从而实现风速控制。具体风速控制流程如图4所示，获取实时风速，若风速等于目标风速则蝶阀不动作，若风速不等于实时风速，则根据实时风速与目标风速的偏差比例对蝶阀进行调节。
[0046] 如图5所示为获取实时风速的流程框图，因为气体有粘滞性或者
抽取气体时产生紊流
旋涡等干扰，会严重影响数据采集
精度，为了解决这些问题，所以对经过AD转换后的数据进行滤波处理。风速测量时，得到的是离散的时间数据，所以需要一个离散的动态时间系统模拟，本滤波
算法是利用所获观测值来动态生成统计预测参数的，具体滤波算法如下：
[0047]
[0048]
[0049]
[0050]
[0051] 式中：X(n)为系统在离散时刻的状态向量，这里是指柜内面风速测量值；A为状态转换矩阵，设置其初始值为E，因为算法本身具有根据下一时刻的测量值来与上一时刻的预估值进行动态的加权修正的特性，所以这样设置并不会影响面风速本身的状态转移特性，而且可以去除测量风速时的噪声；re2为系统噪声矩阵；C为预报因子矩阵；D为观测噪声矩阵；V(n)为风速预测值，及该时刻的最优估计值及滤波后的结果。
[0052] 使用本滤波算法对测量的柜内面风速进行滤波，可以滤去系统与环境产生的噪声，处理后的值V(n)为提供给风速控制系统。
[0053] 如图6所示为蝶阀控制
流程图，在该过程中设置延时等待时间可以很好地解决
流体控制的粘滞性问题。
[0054] 如图7所示为视窗控制总流程图，具体的获取视窗高度，若视窗高度小于目标高度，计算偏差比例，控制视窗上升，若视窗高度大于目标高度，计算偏差比例，控制视窗下降。
[0055] 如图8所示为获取视窗高度的流程图，在此过程中，对测量数据进行AD转换，若AD转换至大于0且转换值大于设定最大值则将视窗高度百分比设置为100％，若AD转换至大于0且转换值小于设定最小值则将视窗高度百分比设置为0％，若AD转换至大于0且转换值在设定最大值和设定最小值之间则对视窗高度百分比进行换算。
[0056] 如图9所示为执行视窗升降的流程框图，在控制过程中，读取实际视窗高度与目标视窗高度的偏差比例，此过程中，若红外对射触发，则停止视窗的运动，若偏差比例为正则启动视窗上升，若偏差为负则启动视窗下降。
[0057] 本发明通过计算在风速控制阶段加入调控延时，来解决对空气流体的精准控制；每个智能通风柜内面风速传感器实时的对柜内风速进行测量，通过拉线位移传感器监测视窗的位置，经过滤波、计算，进而控制蝶阀的
挡板旋转角度和视窗的开合度，可以准确控制柜内面风速达到国家标准范围内；通过手势传感器，对不同手势进行控制，就解决了实验人员在佩戴手套触控不方便和沾染化学
试剂时对各操作元件的损耗；通过HMI人机交互界面，可以把实时采集到的数据显示在屏幕上，让实验人员了解实时的柜内情况，有益于保障实验人员的安全。
[0058] 通过增加调控延时解决流体的粘滞性问题；使用面风速传感器与拉线位移传感器，对测量数据进行AD转换、滤波处理，通过对风阀与视窗的控制算法，使得柜内风速更加快速精确的保持在国家规定的面风速标准范围，保证人员安全与实验的真实性；通过每柜单独风阀视窗控制使得各柜相互独立，易于管理与扩展；通过HMI界面与手势传感器的加入，使得实验员的使用更加便捷、安全，并且提升了智能实验通风柜的使用寿命。
[0059] 上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。
