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，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，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》GA124-2013該標(biāo)準(zhǔn)代替了原標(biāo)準(zhǔn)GA124-2004⑴，與GA124-2004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，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，可實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的數(shù)字化檢測，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、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，在消防員需要查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(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)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)。

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。