多功能正壓式空氣呼吸器使用計時器及檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多功能正壓式空氣呼吸器使用計時器及檢測方法，該計時器包括表殼（1）、前蓋（2）和后蓋（3）；其中：在表殼（1）內(nèi)部的固定安裝有電路主板（4）、傳感器（5）、三通閥（8）和工作電源（7）；在前蓋（2）上設(shè)有顯示面板（6）；所述的三通閥（8）的進(jìn)口外接空氣呼吸器；所述的三通閥（8）的其中一個出口外接機(jī)械式氣壓表，另一個出口連接傳感器（5）；所述的傳感器（5）、顯示面板（6）、工作電源（7）分別與電路主板（4）相連接。本發(fā)明的計時器結(jié)構(gòu)簡單、使用成本低、安全可靠，能夠快速準(zhǔn)確測算空呼器剩余氣體可用時間，具有呼吸和非呼吸狀態(tài)氣體泄漏檢測以及電池電量不足等多種報警功能。
【專利說明】
多功能正壓式空氣呼吸器使用計時器及檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于消防領(lǐng)域的應(yīng)用設(shè)備，具體涉及一種多功能正壓式空氣呼吸器使用計 時器及檢測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 空氣呼吸器是消防戰(zhàn)士以及其它特種作業(yè)人員，在有毒缺氧等場所作業(yè)時不可或 缺的裝備，現(xiàn)有的空氣呼吸器大多裝有機(jī)械式氣壓表供使用者了解氣瓶內(nèi)氣體的剩余量。 機(jī)械式氣壓表具有無需供電，能在條件惡劣場合使用等優(yōu)點(diǎn)，但與電子式數(shù)顯儀表相比，也 存在著靈敏度低，觀察角度影響讀數(shù)，以及讀數(shù)不夠明顯等缺陷。更重要的是，空氣呼吸器 的使用者在獲取氣壓表的讀數(shù)后，還要憑借個人經(jīng)驗(yàn)估算可使用時間，由于經(jīng)驗(yàn)積累、個體 差異以及使用環(huán)境和狀態(tài)不同，相同讀數(shù)估算出的可用時間往往存在很大誤差。
[0003] 目前已有一些能估測可使用時間的空氣呼吸器智能監(jiān)測設(shè)備，但從文獻(xiàn)上看，這 些監(jiān)測裝置大多采用定時采樣氣瓶壓力，然后用剩余氣壓除以額定時間內(nèi)的壓力差求取可 用時間的直接估測方法。這種方法未能排除使用者呼吸所引起的壓力波動(壓力變化曲線 見附圖圖1)，由此可知，在不同時間段，對同一次呼吸測算出的壓力下降斜率完全不同，這 就必然會導(dǎo)致估測出的可用時間存在較大誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)存在的一些不足，提供了一種能夠更為快速準(zhǔn)確 測算空呼器剩余氣體可用時間的計測裝置及檢測方法。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：
[0006] -種多功能正壓式空氣呼吸器使用計時器，包括表殼、前蓋和后蓋;在表殼內(nèi)部的 固定安裝有電路主板、傳感器、三通閥和工作電源;在前蓋上設(shè)有顯示面板;所述的三通閥 的進(jìn)口外接空氣呼吸器（高壓報警管路）；所述的三通閥的其中一個出口外接機(jī)械式氣壓 表，另一個出口連接傳感器;所述的傳感器、顯示面板、工作電源分別與電路主板相連接。
[0007] 本發(fā)明進(jìn)一步說明，所述的電路主板設(shè)有A/D轉(zhuǎn)換電路、微處理器、顯示電路和供 電電路;所述的A/D轉(zhuǎn)換電路、顯示電路、供電電路分別與微處理器相連接;所述的A/D轉(zhuǎn)換 電路連接傳感器;所述的顯示電路連接顯示面板;所述的供電電路連接工作電源。
[0008] 本發(fā)明進(jìn)一步說明，在前蓋上還設(shè)有分別與電路主板相連接的電源指示燈和工作 狀態(tài)指示燈。電源指示燈和工作狀態(tài)指示燈均采用雙色LED指示燈。
[0009] 本發(fā)明進(jìn)一步說明，所述的工作電源采用兩節(jié)可充電電池，并通過設(shè)置彈簧進(jìn)行 固定。
[0010] 本發(fā)明進(jìn)一步說明，所述的傳感器采用壓力應(yīng)變片組成橋式R-V轉(zhuǎn)換電路，將空氣 呼吸器的氣壓轉(zhuǎn)換成電壓模擬信號，輸出給A/D轉(zhuǎn)換電路。
[0011] 本發(fā)明進(jìn)一步說明，所述的A/D轉(zhuǎn)換電路采用HX712A/D轉(zhuǎn)換芯片，并且以10次/秒 的速率采樣后，由串行通信接口輸出給微處理器。
[0012] 本發(fā)明進(jìn)一步說明，所述的微處理器采用STC15單片機(jī)。
[0013] 本發(fā)明進(jìn)一步說明，所述的顯示面板采用數(shù)碼管。
[0014] 在本發(fā)明中，三通閥的三個接口均為螺紋接口；電路主板上的電路設(shè)計（如A/D轉(zhuǎn) 換電路、顯示電路、供電電路等)均采用本領(lǐng)域的常規(guī)電路設(shè)計。
[0015] 本發(fā)明的工作原理：
[0016] 傳感器采用壓力應(yīng)變片組成橋式R-V轉(zhuǎn)換電路，將空氣呼吸器氣壓轉(zhuǎn)換成電壓模 擬信號，該模擬信號由HX712A/D轉(zhuǎn)換芯片以10次/秒的速率采樣后，由串行通信接口發(fā)往微 處理器，微處理器選用STC15系列小型化、低功耗單片機(jī)。該單片機(jī)接收到一幀串口數(shù)據(jù)后， 通過空氣呼吸器內(nèi)氣體可用時間計測算法，計算出剩余時間，并將該時間值實(shí)時顯示在顯 示電路的LED數(shù)碼管上。剩余時間小于lOmin時，微處理器控制數(shù)碼管開始閃爍報警，并隨時 間的減少逐漸提高閃爍的頻率。單片機(jī)在計算可用時間之余，調(diào)用氣體泄漏檢測算法判斷 是否存在漏氣，如有漏氣，則點(diǎn)亮紅色工作狀態(tài)報警指示燈。
[0017] 本計時器使用兩節(jié)可充電電池，電量可滿足計時器連續(xù)24小時不間斷工作。電池 電壓由電源電路升壓后供整機(jī)的各個模塊使用，微處理器實(shí)時監(jiān)測電池電壓，電壓不足時， 通過雙色LED電源指示燈變成紅色報警。
[0018] 本發(fā)明的計時器檢測空氣呼吸器剩余氣體可用時間的方法，包括以下步驟：
[0019] 步驟一，對A/D轉(zhuǎn)換電路傳輸過來的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行FIR濾波，具體為：用FIR數(shù)字低 通濾波器，濾除A/D轉(zhuǎn)換電路采集到的壓力變化曲線中頻率高于5Hz的非正常呼吸壓力數(shù)據(jù) 波動，獲取正常呼吸壓力數(shù)據(jù)；
[0020] 步驟二，截取呼吸一次的壓力數(shù)據(jù)組P⑴，i為to~t3之間的整數(shù);并且判斷t3和to 之間的差值是否大于5秒；當(dāng)t 3-to>5s時，判定為非正常呼吸狀態(tài)，跳轉(zhuǎn)至步驟六；當(dāng)t3-to <5s時，判定為正常呼吸狀態(tài)，跳轉(zhuǎn)至步驟三;to、t 3分別是呼吸一次的前后時間值；
[0021] 步驟三，計算壓力數(shù)據(jù)組P⑴的標(biāo)準(zhǔn)誤差δ;求出數(shù)組P⑴的平均值
;當(dāng)δ > 50Pa時，跳轉(zhuǎn)至步驟四；當(dāng)δ < 50Pa時，跳轉(zhuǎn)至步驟六；
[0022] 步驟四，計算各個壓力數(shù)據(jù)P⑴的測量誤差ε1;求出數(shù)組P⑴的平均值 測量誤差為h = P⑴_λ;|ει|>2δ時，跳轉(zhuǎn)至步驟五；當(dāng)|ει|<2δ時，判斷當(dāng)前 ει是否為最后 一個，如果不是，則i+1，重復(fù)本步驟，如果是，則跳轉(zhuǎn)至步驟六；
[0023]步驟五，從壓力數(shù)據(jù)組P⑴中刪除該誤差對應(yīng)的壓力數(shù)據(jù)，生成新的壓力數(shù)據(jù)組 P⑴;然后跳轉(zhuǎn)至步驟三，重復(fù)步驟三和步驟四；
[0024] 步驟六，設(shè)置壓力數(shù)據(jù)組P⑴中第一個壓力數(shù)值為P(tl)，設(shè)置壓力數(shù)據(jù)組P⑴中第 一個壓力數(shù)值為P (t2)，得出本次呼吸壓力平穩(wěn)點(diǎn)的壓力數(shù)據(jù)本次呼吸壓力平穩(wěn)點(diǎn)的 時間值tmo，tmo為ti和t2之間的中間值，即tmo = (t2_ti) /2;
[0025] 步驟七，重復(fù)步驟一至步驟六，選出下一次呼吸壓力平穩(wěn)點(diǎn)的壓力數(shù)據(jù)P(tml)和時 間值tml;直至選出第21次呼吸壓力平穩(wěn)點(diǎn)的壓力數(shù)據(jù)P (tm2Q)和時間值tm20;
[0026] 步驟八，計算空氣呼吸器剩余氣體可用時間T:
[0027] 在首要滿足高靈敏度的前提下，剩余氣體可用時間T為：
[0029]在首要滿足顯示平穩(wěn)的前提下，剩余氣體可用時間T為：
[0031]本發(fā)明的檢測方法還可以應(yīng)用到空氣呼吸器是否存在氣體泄漏的檢測中，具體 為：
[0034]其中^、心為經(jīng)驗(yàn)值，選擇得越小，靈敏度越高，但相對也容易誤報警。
[0035]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：
[0036] 1.本發(fā)明的計時器安全可靠，能夠更為快速準(zhǔn)確測算空呼器剩余氣體可用時間， 同時具有呼吸和非呼吸狀態(tài)氣體泄漏檢測以及電池電量不足等多種報警功能，為使用者行 動決策提供參考依據(jù)。
[0037] 2.本發(fā)明的計時器采用一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計，管路、電路部分以及電池等所有部件均 集成在一個表體之中，結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)成本低。
[0038] 3.本發(fā)明的計時器使用方便，可快速拆裝;把計時器底部的螺紋接口（三通閥的進(jìn) 口）直接接入空氣呼吸器的高壓報警管路即可正常工作，計時器上部也留有螺紋接口（三通 閥的一個出口），供傳統(tǒng)的機(jī)械式氣壓表接入后同時使用。
【附圖說明】
[0039]圖1是空氣呼吸器在呼吸使用過程中的壓力變化曲線圖。
[0040] 圖2是本發(fā)明一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0041] 圖3是本發(fā)明一實(shí)施例的前視示意圖。
[0042] 圖4是本發(fā)明一實(shí)施例的后視不意圖。
[0043]圖5是本發(fā)明中單次呼吸壓力平穩(wěn)點(diǎn)選取的流程圖。
[0044] 附圖標(biāo)記：在圖1中，Ρ表不氣壓，t表不時間；在圖2-圖4中，I-表殼，2-如蓋，3 -后 蓋，4-電路主板，5-傳感器，6-顯示面板，7-工作電源，8-三通閥，9-電源指示燈，10-工作狀 態(tài)指示燈，11-彈簧。
【具體實(shí)施方式】
[0045] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0046] 實(shí)施例：
[0047] 如圖1-圖4所示，一種多功能正壓式空氣呼吸器使用計時器，包括表殼1、前蓋2和 后蓋3;其中：在表殼1內(nèi)部的固定安裝有電路主板4、傳感器5、三通閥8和工作電源7;在前蓋 2上設(shè)有顯示面板6;所述的三通閥8的進(jìn)口外接空氣呼吸器;所述的三通閥8的其中一個出 口外接機(jī)械式氣壓表，另一個出口連接傳感器5;所述的傳感器5、顯不面板6、工作電源7分 別與電路主板4相連接。
[0048] 所述的電路主板4設(shè)有A/D轉(zhuǎn)換電路、微處理器、顯示電路和供電電路;所述的A/D 轉(zhuǎn)換電路、顯示電路、供電電路分別與微處理器相連接;所述的A/D轉(zhuǎn)換電路連接傳感器5; 所述的顯示電路連接顯示面板6;所述的供電電路連接工作電源7。
[0049] 在前蓋2上還設(shè)有分別與電路主板4相連接的電源指示燈9和工作狀態(tài)指示燈10。
[0050] 所述的工作電源7采用兩節(jié)可充電電池，并通過設(shè)置彈簧11進(jìn)行固定。
[0051] 所述的傳感器5采用壓力應(yīng)變片組成橋式R-V轉(zhuǎn)換電路，將空氣呼吸器的氣壓轉(zhuǎn)換 成電壓模擬信號，輸出給A/D轉(zhuǎn)換電路。所述的A/D轉(zhuǎn)換電路采用HX712A/D轉(zhuǎn)換芯片，并且以 10次/秒的速率采樣后，由串行通信接口輸出給微處理器。所述的微處理器采用STC15單片 機(jī)。所述的顯示面板6采用數(shù)碼管。
[0052]本發(fā)明的計時器檢測空氣呼吸器剩余氣體可用時間的方法，包括以下步驟：
[0053]步驟一，對A/D轉(zhuǎn)換電路傳輸過來的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行FIR濾波，具體為：用FIR數(shù)字低 通濾波器，濾除A/D轉(zhuǎn)換電路采集到的壓力變化曲線中頻率高于5Hz的非正常呼吸壓力數(shù)據(jù) 波動，獲取正常呼吸壓力數(shù)據(jù)；
[0054] 步驟二，截取呼吸一次的壓力數(shù)據(jù)組P⑴，i為to~t3之間的整數(shù);并且判斷t3和to 之間的差值是否大于5秒；當(dāng)t3-to>5s時，判定為非正常呼吸狀態(tài)，跳轉(zhuǎn)至步驟六；當(dāng)t3_to <5s時，判定為正常呼吸狀態(tài)，跳轉(zhuǎn)至步驟三;to、t 3分別是呼吸一次的前后時間值；
[0055] 步驟三，計算壓力數(shù)據(jù)組P⑴的標(biāo)準(zhǔn)誤差δ;求出數(shù)組P⑴的平均值
;當(dāng)δ > 50Pa時，跳轉(zhuǎn)至步驟四；當(dāng)δ < 50Pa時，跳轉(zhuǎn)至步驟六；
[0056] 步驟四，計算各個壓力數(shù)據(jù)P⑴的測量誤差ε1;求出數(shù)組P⑴的平均值 測量誤差為h = P⑴_λ;|ει|>2δ時，跳轉(zhuǎn)至步驟五；當(dāng)|ει|<2δ時，判斷當(dāng)前 ει是否為最后 一個，如果不是，則i+1，重復(fù)本步驟，如果是，則跳轉(zhuǎn)至步驟六；
[0057]步驟五，從壓力數(shù)據(jù)組P⑴中刪除該誤差對應(yīng)的壓力數(shù)據(jù)，生成新的壓力數(shù)據(jù)組 P⑴;然后跳轉(zhuǎn)至步驟三，重復(fù)步驟三和步驟四；
[0058] 步驟六，設(shè)置壓力數(shù)據(jù)組P⑴中第一個壓力數(shù)值為p(tl)，設(shè)置壓力數(shù)據(jù)組P⑴中第 一個壓力數(shù)值為P (t2)，得出本次呼吸壓力平穩(wěn)點(diǎn)的壓力數(shù)據(jù)本次呼吸壓力平穩(wěn)點(diǎn)的 時間值tmo，tmo為ti和t2之間的中間值，即tmo = (t2_ti) /2;
[0059] 步驟七，重復(fù)步驟一至步驟六，選出下一次呼吸壓力平穩(wěn)點(diǎn)的壓力數(shù)據(jù)P(tml)和時 間值tml;直至選出第21次呼吸壓力平穩(wěn)點(diǎn)的壓力數(shù)據(jù)P (tm2Q)和時間值tm20;
[0060] 步驟八，計算空氣呼吸器剩余氣體可用時間T:
[0061]在首要滿足高靈敏度的前提下，剩余氣體可用時間T為：
[0063]在首要滿足顯示平穩(wěn)的前提下，剩余氣體可用時間Τ為：
【主權(quán)項】
1. 一種多功能正壓式空氣呼吸器使用計時器，包括表殼（1)、前蓋（2)和后蓋（3);其特 征在于:在表殼（1)內(nèi)部的固定安裝有電路主板(4)、傳感器(5)、三通閥（8)和工作電源(7); 在前蓋（2)上設(shè)有顯示面板（6);所述的三通閥（8)的進(jìn)口外接空氣呼吸器;所述的三通閥 (8)的其中一個出口外接機(jī)械式氣壓表，另一個出口連接傳感器(5);所述的傳感器(5)、顯 示面板(6)、工作電源(7)分別與電路主板(4)相連接。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能正壓式空氣呼吸器使用計時器，其特征在于:所述的電 路主板(4)設(shè)有A/D轉(zhuǎn)換電路、微處理器、顯示電路和供電電路;所述的A/D轉(zhuǎn)換電路、顯示電 路、供電電路分別與微處理器相連接;所述的A/D轉(zhuǎn)換電路連接傳感器(5);所述的顯示電路 連接顯示面板(6);所述的供電電路連接工作電源(7)。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的多功能正壓式空氣呼吸器使用計時器，其特征在于:所述的傳 感器(5)采用壓力應(yīng)變片組成橋式R-V轉(zhuǎn)換電路，將空氣呼吸器的氣壓轉(zhuǎn)換成電壓模擬信 號，輸出給A/D轉(zhuǎn)換電路;所述的A/D轉(zhuǎn)換電路采用HX712 A/D轉(zhuǎn)換芯片，并且以10次/秒的速 率采樣后，由串行通信接口輸出給微處理器。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能正壓式空氣呼吸器使用計時器，其特征在于:所述的微 處理器采用STC15單片機(jī);所述的顯示面板(6)采用數(shù)碼管;所述的工作電源(7)采用兩節(jié)可 充電電池，并通過設(shè)置彈簧(11)進(jìn)行固定。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能正壓式空氣呼吸器使用計時器，其特征在于：在前蓋 (2)上還設(shè)有分別與電路主板(4)相連接的電源指示燈(9)和工作狀態(tài)指示燈（10)。6. -種空氣呼吸器剩余氣體可用時間檢測方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟一，對A/D轉(zhuǎn)換電路傳輸過來的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行FIR濾波，具體為：用FIR數(shù)字低通濾 波器，濾除A/D轉(zhuǎn)換電路采集到的壓力變化曲線中頻率高于5Hz的非正常呼吸壓力數(shù)據(jù)波 動，獲取正常呼吸壓力數(shù)據(jù)； 步驟二，截取呼吸一次的壓力數(shù)據(jù)組P⑴，i為to~t3之間的整數(shù);并且判斷t3和to之間的 差值是否大于5秒；當(dāng)t3-to>5s時，判定為非正常呼吸狀態(tài)，跳轉(zhuǎn)至步驟六；當(dāng)t3-to<5s時， 判定為正常呼吸狀態(tài)，跳轉(zhuǎn)至步驟三;to、t 3分別是呼吸一次的前后時間值； 步驟三，計算壓力數(shù)據(jù)組P⑴的標(biāo)準(zhǔn)誤差S;求出數(shù)組P⑴的平均值4 = H，標(biāo)準(zhǔn)誤差 N 大:當(dāng)S > 50Pa時，跳轉(zhuǎn)至步驟四；當(dāng)δ < 50Pa時，跳轉(zhuǎn)至步驟六； 步驟四，計算各個壓力數(shù)據(jù)Ρ(υ的測量誤差ε1;求出數(shù)組P⑴的平均值2 =H，測量 N 誤差為h = P⑴-λ; | ει| >2δ時，跳轉(zhuǎn)至步驟五；當(dāng)I ει I <2δ時，判斷當(dāng)前￡1是否為最后一個 ε i，如果不是，則i+Ι，重復(fù)本步驟，如果是，則跳轉(zhuǎn)至步驟六； 步驟五，從壓力數(shù)據(jù)組P⑴中刪除該誤差對應(yīng)的壓力數(shù)據(jù)，生成新的壓力數(shù)據(jù)組P⑴;然 后跳轉(zhuǎn)至步驟三，重復(fù)步驟三和步驟四； 步驟六，設(shè)置壓力數(shù)據(jù)組P⑴中第一個壓力數(shù)值為P(tl)，設(shè)置壓力數(shù)據(jù)組P⑴中第一個壓 力數(shù)值為P(t2)，得出本次呼吸壓力平穩(wěn)點(diǎn)的壓力數(shù)據(jù)本次呼吸壓力平穩(wěn)點(diǎn)的時間值 tmo，tmo為ti和t2之間的中間值，即tmo= (t2_ti)/2; 步驟七，重復(fù)步驟一至步驟六，選出下一次呼吸壓力平穩(wěn)點(diǎn)的壓力數(shù)據(jù)和時間值 tml;直至選出第21次呼吸壓力平穩(wěn)點(diǎn)的壓力數(shù)據(jù)P(tm2Q)和時間值tm20; 步驟八，計算空氣呼吸器剩余氣體可用時間T: 在首要滿足高靈敏度的前提下，剩余氣體可用時間T為：Pati為當(dāng)前呼吸的壓力數(shù)值； 在首要滿足顯示平穩(wěn)的前提下，剩余氣體可用時間T為：為當(dāng)前呼吸的壓力數(shù)值。
【文檔編號】G07C1/04GK105866343SQ201610315792
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月12日
【發(fā)明人】黃潔文, 陳長青, 梁向東, 汪鵬程, 陳悉律
【申請人】桂林理工大學(xué)南寧分校