掃描式空氣呼吸器指針壓力表數(shù)字化檢測(cè)裝置
簡(jiǎn)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(chǎng)部分帶有壓力平視顯示裝置的空氣呼吸器情況，提出了一種掃描式空氣呼吸器指針壓力表數(shù)字化檢測(cè)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(cè)，從而可用于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)使得本裝置更貼近實(shí)戰(zhàn)化需求。
1.引言
正壓式消防空氣呼吸器的壓力平視顯示功能對(duì)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該標(biāo)準(zhǔn)代替了原標(biāo)準(zhǔn)GA 124 - 2004⑴，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)[3]中，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(gòu)了一部分 智能型空氣呼吸器w外，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)和專利中提出了一 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(cè)，再開啟氣瓶工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣瓶壓力分 段數(shù)字化。此外檢測(cè)過程中，若有短暫干擾或中斷，則會(huì) 影響后續(xù)的檢測(cè)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(cè)裝置，可實(shí)現(xiàn) 對(duì)壓力的數(shù)字化檢測(cè)，可用于對(duì)公安消防部隊(duì)現(xiàn)役普通空 氣呼吸器進(jìn)行加裝，從而實(shí)現(xiàn)壓力的數(shù)字化檢測(cè)、壓力平 視顯示及其他功能。
2.掃描式指針壓力表數(shù)字化檢測(cè)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高壓部分轉(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(cè)裝置，該裝置 直接安裝于指針壓力表的表面，其核心結(jié)構(gòu)如圖1所示。 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(cè)裝置具有可以重復(fù)主動(dòng)檢測(cè)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(cè)量中即可得到修正。 此外，在消防員需要查看壓力表指針示值時(shí)，無需拆下檢 測(cè)裝置，只需要在掃描式壓力檢測(cè)裝置對(duì)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)，有較為顯著的輸出變化。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2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(duì)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(cè)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(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行細(xì)分驅(qū)動(dòng)，以獲得較高的檢測(cè)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(duì)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(duì)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(duì) 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(duì)準(zhǔn)指針時(shí)的檢測(cè)值，而這個(gè)最值在 電壓數(shù)組中的位置x,即對(duì)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)《、；8、C、d通過校準(zhǔn)來預(yù)先確定：給定某標(biāo)準(zhǔn) 壓力aMPa，壓力表指針指示到相應(yīng)位置，此時(shí)讓本實(shí)用 新型所述的裝置進(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(duì)應(yīng)為oMPa ;再給定另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)壓力 jSMPa,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(duì)應(yīng)為/SMPa。
3.檢測(cè)裝置的低功耗及自動(dòng)開關(guān)機(jī)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 所提出的掃描式空氣呼吸器指針壓力表數(shù)字化檢測(cè)裝置中， 對(duì)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(duì)掃描機(jī)構(gòu)的適當(dāng)控制對(duì)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(duì)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(cè)壓力變化，可以在一次有效檢測(cè)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(cè)，這樣可以 大大降低整個(gè)檢測(cè)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(cè)，檢測(cè)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(cè)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(cè)裝置自動(dòng)進(jìn)人 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(cè)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(cè) 掃描，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)裝置的自動(dòng)開機(jī)。
4.結(jié)語
根據(jù)公安消防部隊(duì)對(duì)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)字化檢測(cè) 裝置，該裝置無需改變現(xiàn)役普通空氣呼吸器的氣路和結(jié)構(gòu)， 不影響其原有的安全性能，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，可設(shè) 置觀察窗口直接查看壓力表指針示值。此外，還進(jìn)行了整 個(gè)檢測(cè)裝置的低功耗設(shè)計(jì)和自動(dòng)開關(guān)機(jī)設(shè)計(jì)，消防員使用 時(shí)無需增加額外操作，使其更加符合消防實(shí)戰(zhàn)化需求。
