新型空气呼吸器指针压力表数字化检测装置

简要分析了相关文献专利中的压力数字化技术、公安消防部队现有空气呼吸器的情况以及目前消防装备市场部分带有压力平视显示装置的空气呼吸器情况。开发了一种扫描式空气呼吸器指针压力表数字化检测装置,该装置可加装于普通空气呼吸器指针压力表上，实现压力的数字化检测，从而可具有压力的平视显示或其他功能，无需改变空气呼吸器原有结构和安全特性，也不影响其原有功能,通过低功耗设计和自动开关机设计使得装置更贴近实战化需求。

0.引言

正压式消防空气呼吸器的压力平视显示功能对于消防部队在实战中的作用日益凸显，2013年公安部发布了公共安全行业标准——《正压式消防空气呼吸器》GA124-2013[1]，该标准代替了原标准GA124-2004，与GA124-2004相比的技术变化中，增加了电子压力表的性能要求以及增加了压力平视显示装置的性能要求及试验方法。在《城市消防站建设标准》（建标152-2011)中⑴，正压式消防空气呼吸器的配备标准是1具/人，普通消防站备份比为5:1，特勤消防站备份比4:1,公安现役消防部队配备了大量的正压式消防空气呼吸器。

除了一些经济发展较好地区的消防部队采购了一部分智能型空气呼吸器外w，目前大部分消防部队其他空气呼吸器采用的还都是指针式压力表。从经济性角度，部队亦不可能将现役普通空气呼吸器全部更换为带有压力平视显示装置的新型空气呼吸器。文献和文献中提出了一种空气呼吸器指针压力表数字化装置，这种方式要求该装置先开机持续检测，再开启气瓶工作，实现对气瓶压力分段数字化。此外检测过程中，若有短暂干扰或中断,则会影响后续的检测结果。

本文结合以上现状和相关技术的不足之处，提出了一种扫描式空气呼吸器指针压力表数字化检测装置的设计方案，实现对空气压力的数字化检测，可广泛应用于对公安消防部队现役普通空气呼吸器的升级改造,从而实现压力的数字化检测、压力平视显示及其他功能。

1.指针压力表数字化检测部分设计

目前，智能空气呼吸器多为在空气呼吸器高压气路上增加压力变送器,利用压力变送器直接将髙压部分转换为电信号，或者采用电子和机械双功能的压力表来转换为电信号,用以提供给压力平视显示及其他功能。本文提出一种扫描式空气呼吸器指针压力表数字化检测装置，该装置直接安装于指针压力表的表面，主要由光电传感器、扫描机构和微处理器等组成。光电传感器与摇杆连接,位于指针压力表表面’在扫描机构的带动下,光电传感器沿指针运动轨迹进行扫描，感应指针位置,根据扫描到指针的位置进行压力值的换算。由于扫描式检测装置具有可以重复主动检测压力表指针的优点，故在受到意外干扰时,在下一次的正常测量中即可得到修正。此外，在消防员需要査看压力表指针示值时，无需拆下检测装置’只需要在扫描式压力检测装置对应的指针位置开设可开闭的观察窗口，打开观察窗点亮照明，即可实现直接观察压力表示值。

光电传感器可采用反射式红外光电传感器,通过合理配置其外围偏置电路使得光电传感器置于压力表指针上方时，有较为显著地输出变化。微处理器控制扫描机构按一定的步距角进行扫描，光电传感器在摇杆的带动下沿指针运行轨迹运动,微处理器通过AD转换读取光电传感器输出值，其电路示意框图如图1所示。

扫描机构可以由伺服电机、步进电机或其他驱动部件等组成，下面以步进电机作为扫描机构为例来说明具体工作流程。光电传感器安装在与步进电机轴连接的摇杆上，将步进电机轴对准压力表指针的轴位置，光电传感器在摇杆带动下即可沿指针运动轨迹进行扫描，注意光电传感器要位于指针中后部,防止光电传感器检测到指针尾端造成错误。微处理器控制步进电机按一定的步距角进行扫描转动，可以对步进电机进行细分驱动，以获得较高的检测精度和较好的重复性。当步进电机转动到一个实际的步距角位置时暂停,微处理器读取光电传感器的接收电压进行采集并按顺序记录到电压数组中记录后，微处理器继续控制步进电机转动一个步距角并暂停，同样对光电传感器接收电压进行采集并按顺序记录到电压数组中，如此反复直到对压力表中需要的量程位置扫描完毕，此时微处理器可控制步进电机回到初始位置等待下一次扫描。微处理器对扫描范围内采集的接收电压数组进行比较，电压数组中的最值即为光电传感器对准指针时的检测值，而这个最值在电压数组中的位置I即对应了压力表指针的位置P(即仪表盘示值），计算公式如下：

其中，参数a、c、d通过校准来预先确定,方法如下:给定某标准压力a(单位MPa)，压力表指针指示到相应位置,此时让本装置进行扫描，其中采集电压的最值所在数组中的位置c即对应为~再给定另一个标准压力/3(单位MPa)，同样进行扫描，其中采集电压的最值所在数组中的位置d即对应为卢。

2.低功耗及自动开关机功能设计

随着科技的不断发展，消防员身上携带的电子装备越来越多,而电子装备一般都需要手动进行开关机、充电或更换电池，带来很多操作上的不便,故数字化消防装备的低功耗设计和自动开关机设计具有很现实的意义。本文中所提出的新型空气呼吸器指针压力表数字化检测装置中，对主要部分进行能耗分析如下：

（1）耗电量最大的部分是作为机电部件的扫描机构，故针对扫描机构的适当控制对于降低整个装置的功耗具有至关重要的作用；

（2）微处理器自身的功耗；

（3）光电传感器的功耗。

根据消防员在使用空气呼吸器过程中，气瓶压力的变化相对缓慢,故扫描机构完全没有必要一直进行连续扫描检测压力变化，可以在一次有效检测压力值后,关闭扫描机构,定时若干秒以后再进行压力的扫描检测，这样可以大大降低整个检测装置的电能消耗。同样’微处理器在关闭扫描机构期间，一方面可以关闭光电传感器不消耗电能，另一方面可利用启动内部定时，并将微处理器设置进人掉电模式或其他低功耗模式，等到定时时间到之后,唤醒微处理器开启相应的外围功能部件进行压力检测，检测完毕再次进人低功耗模式。

考虑到实战需要，可在电路中加人加速度传感器，结合光电传感器，由微处理器判断是否自动开机或者关机。流程如下：

（1）当空气呼吸器使用完毕,关闭气阈,压力归零,处于静止备勤状态,微处理器间歇检测指针是否在零位数秒后，若加速度传感器一直未有输出，压力也为零，此时可以认为空气呼吸器不再使用，此时检测装置自动进入关机模式,只有加速度传感器在低功耗运行。

（2）当打开静止备勤状态的气阈，加速度传感器感应到运动输出,产生中断唤醒微处理器,微处理器检测指针是否在零位，若不在零位则控制扫描机构进行压力的检测扫描，实现了检测装置的自动开机。

3.结语

根据公安消防部队对空气呼吸器平视显示装置的需求，本文提出了一种扫描式空气呼吸器指针压力表数字化解决方案并设计开发了相应的检测装置，该装置不影响其原有的安全性能，无需改变现役普通空气呼吸器的气路和结构即可低成本地实现压力检测的数字化,并且具有较强的抗干扰能力，大大提髙了消防装备的数字化智能化水平。