新型空氣呼吸器指針壓力表數(shù)字化檢測裝置
簡要分析了相關(guān)文獻(xiàn)專利中的壓力數(shù)字化技術(shù)、公安消防部隊(duì)現(xiàn)有空氣呼吸器的情況以及目前消防裝備市場部分帶有 壓力平視顯示裝置的空氣呼吸器情況。開發(fā)了一種掃描式空氣呼吸器指針壓力表數(shù)字化檢測裝置,該裝置可加裝于普通空氣呼吸 器指針壓力表上，實(shí)現(xiàn)壓力的數(shù)字化檢測，從而可具有壓力的平視顯示或其他功能，無需改變空氣呼吸器原有結(jié)構(gòu)和安全特性，也 不影響其原有功能,通過低功耗設(shè)計(jì)和自動(dòng)開關(guān)機(jī)設(shè)計(jì)使得裝置更貼近實(shí)戰(zhàn)化需求。
0.引言
正壓式消防空氣呼吸器的壓力平視顯示功能對于 消防部隊(duì)在實(shí)戰(zhàn)中的作用日益凸顯，2013年公安部發(fā) 布了公共安全行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)——《正壓式消防空氣呼吸 器》GA 124-2013[1]，該標(biāo)準(zhǔn)代替了原標(biāo)準(zhǔn)GA124- 2004，與GA 124-2004相比的技術(shù)變化中，增加了電 子壓力表的性能要求以及增加了壓力平視顯示裝置的 性能要求及試驗(yàn)方法。在《城市消防站建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》（建 標(biāo)152-2011)中⑴，正壓式消防空氣呼吸器的配備標(biāo) 準(zhǔn)是1具/人，普通消防站備份比為5: 1，特勤消防站 備份比4:1,公安現(xiàn)役消防部隊(duì)配備了大量的正壓式 消防空氣呼吸器。
除了一些經(jīng)濟(jì)發(fā)展較好地區(qū)的消防部隊(duì)采購了一 部分智能型空氣呼吸器外w，目前大部分消防部隊(duì)其 他空氣呼吸器采用的還都是指針式壓力表。從經(jīng)濟(jì)性 角度，部隊(duì)亦不可能將現(xiàn)役普通空氣呼吸器全部更換 為帶有壓力平視顯示裝置的新型空氣呼吸器。文獻(xiàn)和文獻(xiàn)中提出了一種空氣呼吸器指針壓力表 數(shù)字化裝置，這種方式要求該裝置先開機(jī)持續(xù)檢測，再 開啟氣瓶工作，實(shí)現(xiàn)對氣瓶壓力分段數(shù)字化。此外檢 測過程中，若有短暫干擾或中斷,則會(huì)影響后續(xù)的檢測 結(jié)果。
本文結(jié)合以上現(xiàn)狀和相關(guān)技術(shù)的不足之處，提出 了一種掃描式空氣呼吸器指針壓力表數(shù)字化檢測裝置 的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)對空氣壓力的數(shù)字化檢測，可廣泛應(yīng) 用于對公安消防部隊(duì)現(xiàn)役普通空氣呼吸器的升級(jí)改 造,從而實(shí)現(xiàn)壓力的數(shù)字化檢測、壓力平視顯示及其他 功能。
1.指針壓力表數(shù)字化檢測部分設(shè)計(jì)
目前，智能空氣呼吸器多為在空氣呼吸器高壓氣 路上增加壓力變送器,利用壓力變送器直接將髙壓部 分轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，或者采用電子和機(jī)械雙功能的壓力表來轉(zhuǎn)換為電信號(hào),用以提供給壓力平視顯示及其他 功能。本文提出一種掃描式空氣呼吸器指針壓力表數(shù) 字化檢測裝置，該裝置直接安裝于指針壓力表的表面， 主要由光電傳感器、掃描機(jī)構(gòu)和微處理器等組成。光 電傳感器與搖桿連接,位于指針壓力表表面’在掃描機(jī) 構(gòu)的帶動(dòng)下,光電傳感器沿指針運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行掃描，感 應(yīng)指針位置,根據(jù)掃描到指針的位置進(jìn)行壓力值的換 算。由于掃描式檢測裝置具有可以重復(fù)主動(dòng)檢測壓力 表指針的優(yōu)點(diǎn)，故在受到意外干擾時(shí),在下一次的正常 測量中即可得到修正。此外，在消防員需要査看壓力 表指針示值時(shí)，無需拆下檢測裝置’只需要在掃描式壓 力檢測裝置對應(yīng)的指針位置開設(shè)可開閉的觀察窗口， 打開觀察窗點(diǎn)亮照明，即可實(shí)現(xiàn)直接觀察壓力表示值。
光電傳感器可采用反射式紅外光電傳感器,通過 合理配置其外圍偏置電路使得光電傳感器置于壓力表 指針上方時(shí)，有較為顯著地輸出變化。微處理器控制 掃描機(jī)構(gòu)按一定的步距角進(jìn)行掃描，光電傳感器在搖 桿的帶動(dòng)下沿指針運(yùn)行軌跡運(yùn)動(dòng),微處理器通過AD 轉(zhuǎn)換讀取光電傳感器輸出值，其電路示意框圖如圖1 所示。
掃描機(jī)構(gòu)可以由伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)或其他驅(qū)動(dòng) 部件等組成，下面以步進(jìn)電機(jī)作為掃描機(jī)構(gòu)為例來說 明具體工作流程。光電傳感器安裝在與步進(jìn)電機(jī)軸連 接的搖桿上，將步進(jìn)電機(jī)軸對準(zhǔn)壓力表指針的軸位置， 光電傳感器在搖桿帶動(dòng)下即可沿指針運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行掃 描，注意光電傳感器要位于指針中后部,防止光電傳感 器檢測到指針尾端造成錯(cuò)誤。微處理器控制步進(jìn)電機(jī) 按一定的步距角進(jìn)行掃描轉(zhuǎn)動(dòng)，可以對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行 細(xì)分驅(qū)動(dòng)，以獲得較高的檢測精度和較好的重復(fù)性。 當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到一個(gè)實(shí)際的步距角位置時(shí)暫停,微 處理器讀取光電傳感器的接收電壓進(jìn)行采集并按順序 記錄到電壓數(shù)組中;記錄后，微處理器繼續(xù)控制步進(jìn)電 機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距角并暫停，同樣對光電傳感器接收電 壓進(jìn)行采集并按順序記錄到電壓數(shù)組中，如此反復(fù)直 到對壓力表中需要的量程位置掃描完畢，此時(shí)微處理 器可控制步進(jìn)電機(jī)回到初始位置等待下一次掃描。微 處理器對掃描范圍內(nèi)采集的接收電壓數(shù)組進(jìn)行比較， 電壓數(shù)組中的最值即為光電傳感器對準(zhǔn)指針時(shí)的檢測 值，而這個(gè)最值在電壓數(shù)組中的位置I即對應(yīng)了壓力 表指針的位置P(即儀表盤示值），計(jì)算公式如下：
其中，參數(shù)a^、c、d通過校準(zhǔn)來預(yù)先確定,方法如 下:給定某標(biāo)準(zhǔn)壓力a(單位MPa)，壓力表指針指示到 相應(yīng)位置,此時(shí)讓本裝置進(jìn)行掃描，其中采集電壓的最 值所在數(shù)組中的位置c即對應(yīng)為~再給定另一個(gè)標(biāo) 準(zhǔn)壓力/3(單位MPa)，同樣進(jìn)行掃描，其中采集電壓的 最值所在數(shù)組中的位置d即對應(yīng)為盧。
2.低功耗及自動(dòng)開關(guān)機(jī)功能設(shè)計(jì)
隨著科技的不斷發(fā)展，消防員身上攜帶的電子裝 備越來越多,而電子裝備一般都需要手動(dòng)進(jìn)行開關(guān)機(jī)、 充電或更換電池，帶來很多操作上的不便,故數(shù)字化消 防裝備的低功耗設(shè)計(jì)和自動(dòng)開關(guān)機(jī)設(shè)計(jì)具有很現(xiàn)實(shí)的 意義。本文中所提出的新型空氣呼吸器指針壓力表數(shù) 字化檢測裝置中，對主要部分進(jìn)行能耗分析如下：
（1）耗電量最大的部分是作為機(jī)電部件的掃描 機(jī)構(gòu)，故針對掃描機(jī)構(gòu)的適當(dāng)控制對于降低整個(gè)裝置 的功耗具有至關(guān)重要的作用；
（2）微處理器自身的功耗；
（3）光電傳感器的功耗。
根據(jù)消防員在使用空氣呼吸器過程中，氣瓶壓力 的變化相對緩慢,故掃描機(jī)構(gòu)完全沒有必要一直進(jìn)行 連續(xù)掃描檢測壓力變化，可以在一次有效檢測壓力值 后,關(guān)閉掃描機(jī)構(gòu),定時(shí)若干秒以后再進(jìn)行壓力的掃描 檢測，這樣可以大大降低整個(gè)檢測裝置的電能消耗。 同樣’微處理器在關(guān)閉掃描機(jī)構(gòu)期間，一方面可以關(guān)閉 光電傳感器不消耗電能，另一方面可利用啟動(dòng)內(nèi)部定 時(shí)，并將微處理器設(shè)置進(jìn)人掉電模式或其他低功耗模 式，等到定時(shí)時(shí)間到之后,喚醒微處理器開啟相應(yīng)的外 圍功能部件進(jìn)行壓力檢測，檢測完畢再次進(jìn)人低功耗 模式。
考慮到實(shí)戰(zhàn)需要，可在電路中加人加速度傳感器， 結(jié)合光電傳感器，由微處理器判斷是否自動(dòng)開機(jī)或者 關(guān)機(jī)。流程如下：
（1）當(dāng)空氣呼吸器使用完畢,關(guān)閉氣閾,壓力歸 零,處于靜止備勤狀態(tài),微處理器間歇檢測指針是否在 零位;數(shù)秒后，若加速度傳感器一直未有輸出，壓力也為 零，此時(shí)可以認(rèn)為空氣呼吸器不再使用，此時(shí)檢測裝置 自動(dòng)進(jìn)入關(guān)機(jī)模式,只有加速度傳感器在低功耗運(yùn)行。
（2）當(dāng)打開靜止備勤狀態(tài)的氣閾，加速度傳感器 感應(yīng)到運(yùn)動(dòng)輸出,產(chǎn)生中斷喚醒微處理器,微處理器檢測指針是否在零位，若不在零位則控制掃描機(jī)構(gòu)進(jìn)行 壓力的檢測掃描，實(shí)現(xiàn)了檢測裝置的自動(dòng)開機(jī)。
3.結(jié)語
根據(jù)公安消防部隊(duì)對空氣呼吸器平視顯示裝置的 需求，本文提出了一種掃描式空氣呼吸器指針壓力表 數(shù)字化解決方案并設(shè)計(jì)開發(fā)了相應(yīng)的檢測裝置，該裝 置不影響其原有的安全性能，無需改變現(xiàn)役普通空氣 呼吸器的氣路和結(jié)構(gòu)即可低成本地實(shí)現(xiàn)壓力檢測的數(shù) 字化,并且具有較強(qiáng)的抗干擾能力，大大提髙了消防裝 備的數(shù)字化智能化水平。
