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)計和自動開關(guān)機設(shè)計使得裝置更貼近實戰(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 消防部隊在實戰(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)役消防部隊配備了大量的正壓式 消防空氣呼吸器。
除了一些經(jīng)濟發(fā)展較好地區(qū)的消防部隊采購了一 部分智能型空氣呼吸器外w，目前大部分消防部隊其 他空氣呼吸器采用的還都是指針式壓力表。從經(jīng)濟性 角度，部隊亦不可能將現(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持續(xù)檢測，再 開啟氣瓶工作，實現(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)計方案，實現(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現(xiàn)役普通空氣呼吸器的升級改 造,從而實現(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
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，或者采用電子和機械雙功能的壓力表來轉(zhuǎn)換為電信號,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 構(gòu)的帶動下,光電傳感器沿指針運動軌跡進(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)主動檢測壓力 表指針的優(yōu)點，故在受到意外干擾時,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，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， 打開觀察窗點亮照明，即可實現(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，有較為顯著地輸出變化。微處理器控制 掃描機構(gòu)按一定的步距角進(jìn)行掃描，光電傳感器在搖 桿的帶動下沿指針運行軌跡運動,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。
掃描機構(gòu)可以由伺服電機、步進(jìn)電機或其他驅(qū)動 部件等組成，下面以步進(jìn)電機作為掃描機構(gòu)為例來說 明具體工作流程。光電傳感器安裝在與步進(jìn)電機軸連 接的搖桿上，將步進(jìn)電機軸對準(zhǔn)壓力表指針的軸位置， 光電傳感器在搖桿帶動下即可沿指針運動軌跡進(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誤。微處理器控制步進(jìn)電機 按一定的步距角進(jìn)行掃描轉(zhuǎn)動，可以對步進(jìn)電機進(jìn)行 細(xì)分驅(qū)動，以獲得較高的檢測精度和較好的重復(fù)性。 當(dāng)步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動到一個實際的步距角位置時暫停,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 機轉(zhuǎn)動一個步距角并暫停，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，此時微處理 器可控制步進(jìn)電機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)指針時的檢測 值，而這個最值在電壓數(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.低功耗及自動開關(guān)機功能設(shè)計
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進(jìn)行開關(guān)機、 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)計和自動開關(guān)機設(shè)計具有很現(xiàn)實的 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電部件的掃描 機構(gòu)，故針對掃描機構(gòu)的適當(dāng)控制對于降低整個裝置 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)閉掃描機構(gòu),定時若干秒以后再進(jìn)行壓力的掃描 檢測，這樣可以大大降低整個檢測裝置的電能消耗。 同樣’微處理器在關(guān)閉掃描機構(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內(nèi)部定 時，并將微處理器設(shè)置進(jìn)人掉電模式或其他低功耗模 式，等到定時時間到之后,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開機或者 關(guān)機。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，此時可以認(rèn)為空氣呼吸器不再使用，此時檢測裝置 自動進(jìn)入關(guān)機模式,只有加速度傳感器在低功耗運行。
（2）當(dāng)打開靜止備勤狀態(tài)的氣閾，加速度傳感器 感應(yīng)到運動輸出,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構(gòu)進(jìn)行 壓力的檢測掃描，實現(xiàn)了檢測裝置的自動開機。
3.結(jié)語
根據(jù)公安消防部隊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)即可低成本地實現(xiàn)壓力檢測的數(shù) 字化,并且具有較強的抗干擾能力，大大提髙了消防裝 備的數(shù)字化智能化水平。
