一種室內(nèi)專用新型紫外線凈化儀的設(shè)計(jì)

陶培源

(深圳市智博世實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司，廣東 深圳 518000)

1 技術(shù)背景

紫外線殺菌屬于光譜類殺菌消毒方式，其技術(shù)日益成熟，對細(xì)菌和病毒(如沙門氏菌屬、腸道發(fā)燒菌屬、葡萄球菌屬、乙肝病毒等)均可產(chǎn)生殺滅作用，被照物DNA吸收紫外線后，其活性降低，結(jié)構(gòu)受損，在特定波長紫外燈照射數(shù)秒后，一些微生物會變得無害。輻射時(shí)間、距離和能量是決定紫外線消毒殺菌效果的重要因素。與照明可見光譜一樣，紫外線以輻射效率為基礎(chǔ)，在具體使用中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況有針對性地選擇殺菌消毒產(chǎn)品。

遠(yuǎn)紫外光源一般使用氯化氪準(zhǔn)分子燈，這種光源通常利用介質(zhì)阻擋放電方式，對封閉的KrCl混合氣體施加高頻電壓，產(chǎn)生遠(yuǎn)紫外光源，這種光源的光譜中心波長是222 nm，即所需的安全波段。

氯化氪準(zhǔn)分子燈是雙層、同軸石英套管結(jié)構(gòu)，內(nèi)層石英管的內(nèi)/外徑是14/16 mm，外層石英管的內(nèi)/外徑是37.6/40 mm，一般管長為400 mm。石英管表面的外電極是用不銹鋼網(wǎng)包裹的，內(nèi)層石英管內(nèi)表面是厚度為0.05 mm的不銹鋼片的內(nèi)電極，高純度的氪氣和氯氣填充在同軸石英管的環(huán)狀間隙內(nèi)。制造燈管采用無油真空系統(tǒng)，在波長222 nm處，石英管紫外線透過率為85.0%。

研究表明，波長為 222 nm 的遠(yuǎn)紫外線不能穿透淚膜層和人體表皮層，故其輻射對眼睛及人體表皮不會造成傷害。由于紫外燈不含有汞(水銀)一類的有害材料，可做到環(huán)保消殺(如圖1所示)。在對皮膚上的細(xì)菌進(jìn)行殺菌消毒的實(shí)驗(yàn)中，222 nm 的遠(yuǎn)紫外光殺菌效果明顯。

圖1 222納米遠(yuǎn)紫外線與傳統(tǒng)紫外線對角質(zhì)層和淚液層傷害對比Fig.1 Comparison of the harm of cuticle and tear layer from 222 nm far ultraviolet and traditional ultraviolet

研究表明，far-UVC 222 nm的紫外線可以殺死出現(xiàn)在空氣飛沫中的逾99.9%的季節(jié)性冠狀病毒。研究人員測試了C波段遠(yuǎn)紫外線對經(jīng)空氣傳播的新型冠狀病毒的效力，發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)紫外線燈對殺滅新型冠狀病毒同樣有效。不同波段紫外線對于細(xì)菌、病毒的殺滅效果是有差別的。對于殺菌消毒，真正最有效的是UVC。研究表明，紫外線殺菌和其他殺菌方式相比較，其突出優(yōu)勢表現(xiàn)為結(jié)束紫外燈管照射后其輻射立即終止，期間沒有任何化學(xué)過程，也不產(chǎn)生任何化學(xué)污染。

2 引用標(biāo)準(zhǔn)

GB/T28172-2011嵌入式軟件質(zhì)量保證要求，EN6094752接近開關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，JB∕T 11624-2013 熱釋電紅外傳感器標(biāo)準(zhǔn)，GBT 13584-2011 紅外探測器參數(shù)測試方法，國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1800.2-2009 《產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范(GPS)極限與配合》，光源標(biāo)準(zhǔn)引用GB19258-2012紫外線殺菌燈國家標(biāo)準(zhǔn)，IEC478.2-1986、IEC478.3-1989直流電源相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 組成

針對紫外線消毒殺菌設(shè)備的不足，該新型室內(nèi)專用紫外線凈化儀設(shè)計(jì)了自動開關(guān)，按需工作，適時(shí)關(guān)閉，既能有效殺菌消毒，又能減少不必要的輻射，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 System structure

新型紫外線凈化儀由兩個(gè)模塊組成，即觸動紫外燈管模塊和遮光模塊。遮光模塊和觸動紫外燈管發(fā)光模塊均采取固定連接方式，其主體結(jié)構(gòu)包括活動殼體和固定殼體兩大部分，用于一定范圍內(nèi)人和物的實(shí)時(shí)感應(yīng)，其中感應(yīng)模塊(如圖3)用來對新型紫外線凈化儀周圍是否有人進(jìn)行感應(yīng)，紅外距離傳感器用來對于一定距離內(nèi)的物體進(jìn)行感應(yīng)，紅外熱源傳感器用來對一定范圍內(nèi)是否存在熱源進(jìn)行感應(yīng)。通過紅外熱源傳感器和紅外距離傳感器共同工作，以判斷特定區(qū)域內(nèi)是否有人，當(dāng)感應(yīng)模塊感應(yīng)判定有人時(shí)，活動殼體將在控制模塊控制下產(chǎn)生閉合，遮住紫外燈管發(fā)射的光線，以減少人身傷害。當(dāng)感應(yīng)模塊感應(yīng)判斷無人時(shí)，控制遮光模塊將在控制模塊控制下打開，這時(shí)射出的紫外線能夠?qū)μ囟▍^(qū)域的環(huán)境展開消毒殺菌，從而有效保障輻射范圍內(nèi)的衛(wèi)生安全?；顒託んw用來阻擋紫外燈管的殺菌光線，紫外燈管用來產(chǎn)生并發(fā)射消毒殺菌的紫外線，固定殼體用來保護(hù)內(nèi)部的元器件，開關(guān)負(fù)責(zé)啟動或停止紫外線凈化儀。

圖3 外部感知及觸發(fā)模塊Fig.3 External perception and trigger module

3.2 技術(shù)要求

原材料要求環(huán)保、耐高溫，外殼為PC+ABS V0 防火等級材料，光源輻射波長為222 nm的紫外光源。整流電源為低壓直流開關(guān)電源，直流輸出24 V、12 V、5 V。

3.3 具體設(shè)計(jì)

外觀圓滑、無銳角、無毛刺，規(guī)避安全隱患，采用整機(jī)機(jī)電一體集成化智能控制設(shè)計(jì)，使用條件為環(huán)境消毒，直接照射法。在室內(nèi)無人條件下，可采取紫外線壁掛式直接照射，設(shè)備運(yùn)行環(huán)境溫度為-20℃～50℃，濕度≤75%。

動力傳動阻尼保護(hù)機(jī)構(gòu)。使用消毒燈管必須注重外部防護(hù)，室內(nèi)裸露安裝消毒燈具有諸多隱患，如破碎、掉落、常亮照射人體等，因此有效的自動開關(guān)防護(hù)罩機(jī)械結(jié)構(gòu)必不可少。可采用的方案有齒輪機(jī)構(gòu)、推桿機(jī)構(gòu)、滑臺機(jī)構(gòu)，所有的結(jié)構(gòu)都必須考慮過位保護(hù)機(jī)制，即防護(hù)罩開關(guān)到達(dá)需要的位置時(shí)應(yīng)有機(jī)械部分的到位防護(hù)結(jié)構(gòu)，以防因控制電路失效導(dǎo)致機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)過位，造成設(shè)備體的物理損傷破碎等。

光源防護(hù)罩。自動開閉防護(hù)罩的設(shè)計(jì)不限方式，但應(yīng)考慮材料的耐溫性、防火性、環(huán)保性等，不允許使用非耐火材料及有有害物質(zhì)揮發(fā)性材料。考慮漏電隱患，防護(hù)罩不建議采用金屬外殼，若采用金屬外殼需配備漏電保護(hù)插頭及有效的接地電路。

防護(hù)罩的機(jī)械開閉限位保護(hù)。防護(hù)罩開閉蓋機(jī)械結(jié)構(gòu)要有機(jī)械限位功能，到達(dá)開蓋位置后即使動力機(jī)構(gòu)沒有停止運(yùn)轉(zhuǎn)，也應(yīng)在開蓋正常位置停下來，不允許出現(xiàn)過位干涉，導(dǎo)致出現(xiàn)破碎、斷裂等破壞性損傷。

防護(hù)罩的電氣開閉限位保護(hù)。防護(hù)罩開閉蓋要有電氣限位模塊，到達(dá)開閉蓋位置后發(fā)出位置信息，發(fā)送給CPU進(jìn)行智能化運(yùn)算。限位模塊可采用距離傳感器、行程開關(guān)等方式。

人體感應(yīng)檢測方式。智能化消毒凈化儀設(shè)備的人體檢測方式可采用紅外檢測、距離檢測、雷達(dá)監(jiān)測等方式實(shí)現(xiàn)，做到反應(yīng)靈敏，同時(shí)必須做檢測模塊的冗余設(shè)計(jì)，不可采用單一模塊檢測方式。

光源功率的選取范圍。按室內(nèi)空間面積，智能消毒凈化儀光源的功率選擇范圍控制在18～40W，可分為帶臭氧型和不帶臭氧型燈管兩種。

光源開啟的最長時(shí)間。室內(nèi)長時(shí)間無人時(shí)，紫外線凈化儀應(yīng)開啟光源自動工作，但根據(jù)不同功率的燈管，消毒最長時(shí)間控制在120 min，時(shí)間到達(dá)后關(guān)閉光源，等待下一次的人員檢測，重新初始化智能判斷，保證實(shí)時(shí)消殺。

自動感應(yīng)檢測反應(yīng)時(shí)間。當(dāng)人員進(jìn)入時(shí)，智能消毒凈化儀應(yīng)快速判斷并迅速做出關(guān)燈及防護(hù)罩閉合運(yùn)行，檢測到人體運(yùn)動時(shí)，關(guān)燈響應(yīng)時(shí)間應(yīng)≤500 ms，同時(shí)防護(hù)罩在3 s內(nèi)閉合。

設(shè)備面板所必需的指示標(biāo)識。設(shè)備面板應(yīng)清晰設(shè)置電源、消毒、故障等指示燈，粘貼紫外線消毒警告標(biāo)識貼。紫外線殺菌光源參照GB19258-2012。

4 試驗(yàn)方法

紫外線凈化儀的表面質(zhì)量。用目視法、尺量法、防火材質(zhì)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)(GB8624-2012)檢驗(yàn)。

動力阻尼及機(jī)械過位保護(hù)。采用剔除電氣限位模塊，人為制造過位方式檢測機(jī)械結(jié)構(gòu)的保護(hù)機(jī)制，到達(dá)位置后防護(hù)罩開閉停止，試驗(yàn)次數(shù)不低于10次，即為有效。

人體感應(yīng)反應(yīng)監(jiān)測。去除設(shè)備內(nèi)消毒燈管，換裝普通燈管，在室內(nèi)環(huán)境安裝，以實(shí)際人員出入方式進(jìn)行人體感應(yīng)檢測。面板標(biāo)識的檢測采用目視法。

效果檢測。參照WS/T 367-2012 醫(yī)療機(jī)構(gòu)消毒技術(shù)規(guī)范中紫外線消毒的效果檢測；參照GB 19258-2003紫外線殺菌燈中紫外線輻射照度額定值，規(guī)定如下內(nèi)容：要獲取比較穩(wěn)定的燈管紫外線強(qiáng)度測量值，需要保證開啟紫外燈管5 min以上；新普通30 W直管型紫外線燈，輻照強(qiáng)度大于100 uW/cm2方為合格；使用中紫外線燈的輻照強(qiáng)度必須大于70 uW/cm2方為合格；紫外線殺菌燈的峰值波長為253.7 nm的紫外線燈管才具備殺菌功能；紫外線燈功率不同，紫外線輻射照度額定值不同。

5 具體實(shí)施方式

采用222 nm紫外線凈化部件不會對人體造成傷害，包括但不限于電源模塊、MCU部件、222 nm紫外燈管、外部感知及觸發(fā)模塊。

通電測試舉例：情景一：222 nm紫外燈管接通電源后，電源指示燈常亮即進(jìn)入工作狀態(tài)，當(dāng)紫外燈管工作時(shí)，激活紫外燈管工作指示燈常亮。當(dāng)感應(yīng)模塊被人體觸發(fā)后，激活感應(yīng)指示燈，222 nm紫外燈管停止工作，紫外燈管工作指示燈滅。設(shè)置一段時(shí)間內(nèi)無人體觸發(fā)后紫外燈管再次被激活。紫外燈管工作指示燈常亮，完成消殺設(shè)置時(shí)間后，紫外燈管停止工作，紫外燈管工作指示燈滅直至再次被觸發(fā)，如此反復(fù)。情景二：222 nm紫外燈管接通電源后，電源指示燈常亮即進(jìn)入工作狀態(tài)，當(dāng)紫外燈管工作時(shí)，激活紫外燈管工作指示燈常亮，完成消殺設(shè)置時(shí)間后紫外燈管停止工作，紫外燈管工作指示燈滅直至再次被觸發(fā)，如此反復(fù)。

遮光部件包括但不限于活動殼體、阻尼裝置，配置靈敏的雙探頭檢測，確保系統(tǒng)安全運(yùn)行，活動殼體可以在固定殼體上開啟和關(guān)閉，阻尼離合式齒傳系統(tǒng)大大提高了設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性、安全性和耐用性，全智能單片機(jī)程序控制系統(tǒng)保證了產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性。通電測試舉例：情景一：紫外燈管正常工作時(shí)，當(dāng)探頭被人體觸發(fā)后，激活阻尼裝置聯(lián)動活動殼體，活動殼體進(jìn)入關(guān)閉動作直至完全關(guān)閉，此時(shí)紫外燈管也停止工作，紫外燈管工作指示燈滅，設(shè)置一段時(shí)間內(nèi)無人體觸發(fā)探頭后，再次激活阻尼裝置聯(lián)動活動殼體，活動殼體進(jìn)入開啟動作直至完全開啟，此時(shí)紫外燈管也開始工作，紫外燈管工作指示燈常亮，紫外燈管再次被激活，設(shè)置工作時(shí)間結(jié)束后紫外燈管工作指示燈滅，再次激活阻尼裝置聯(lián)動活動殼體，活動殼體進(jìn)入關(guān)閉動作直至完全關(guān)閉，此時(shí)紫外燈管也停止工作，直至再次被觸發(fā)，如此反復(fù)。情景二：紫外燈管正常工作時(shí)，當(dāng)探頭一直未被人體觸發(fā)，設(shè)置工作時(shí)間結(jié)束后紫外燈管工作指示燈滅，再次激活阻尼裝置聯(lián)動活動殼體，活動殼體進(jìn)入關(guān)閉動作直至完全關(guān)閉，此時(shí)紫外燈管也停止工作，直至定時(shí)再次被觸發(fā)，如此反復(fù)。

6 衍生設(shè)計(jì)

結(jié)合目前主流的人臉識別、AI技術(shù)與大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的計(jì)算方法，對消殺凈化數(shù)據(jù)及人群進(jìn)行分析。除了正常消殺凈化外，當(dāng)檢測指標(biāo)異常時(shí)，可回放室內(nèi)空間追溯時(shí)間內(nèi)進(jìn)出的人員信息，提前預(yù)判或事后針對性地跟蹤管理。

7 結(jié)語

設(shè)計(jì)的室內(nèi)專用新型紫外線凈化儀目前處于理論設(shè)計(jì)階段，在室內(nèi)空間環(huán)境中既具有消殺凈化的作用，又避免了對人員造成不必要的影響，整個(gè)工作過程實(shí)現(xiàn)了無人化管理，僅需提供電源即可，具有實(shí)用價(jià)值。不足之處是樣品制作還處于試驗(yàn)階段，部分細(xì)節(jié)和部件還需要進(jìn)一步完善，下一步考慮采用無極電機(jī)實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定、更靜音的輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)。