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）上設有顯示面板（6）；所述的三通閥（8）的進口外接空氣呼吸器；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。本發明的計時器結構簡單、使用成本低、安全可靠，能夠快速準確測算空呼器剩余氣體可用時間，具有呼吸和非呼吸狀態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
技術領域
[0001] 本發明屬于消防領域的應用設備，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】
[0002] 空氣呼吸器是消防戰士以及其它特種作業人員，在有毒缺氧等場所作業時不可或 缺的裝備，現有的空氣呼吸器大多裝有機械式氣壓表供使用者了解氣瓶內氣體的剩余量。 機械式氣壓表具有無需供電，能在條件惡劣場合使用等優點，但與電子式數顯儀表相比，也 存在著靈敏度低，觀察角度影響讀數，以及讀數不夠明顯等缺陷。更重要的是，空氣呼吸器 的使用者在獲取氣壓表的讀數后，還要憑借個人經驗估算可使用時間，由于經驗積累、個體 差異以及使用環境和狀態不同，相同讀數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測設備，但從文獻上看，這 些監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 就必然會導致估測出的可用時間存在較大誤差。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在于針對現有技術存在的一些不足，提供了一種能夠更為快速準確 測算空呼器剩余氣體可用時間的計測裝置及檢測方法。
[0005] 為了實現上述目的，本發明采用了以下技術方案：
[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;在前蓋上設有顯示面板;所述的三通閥 的進口外接空氣呼吸器（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] 本發明進一步說明，所述的電路主板設有A/D轉換電路、微處理器、顯示電路和供 電電路;所述的A/D轉換電路、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] 本發明進一步說明，在前蓋上還設有分別與電路主板相連接的電源指示燈和工作 狀態指示燈。電源指示燈和工作狀態指示燈均采用雙色LED指示燈。
[0009] 本發明進一步說明，所述的工作電源采用兩節可充電電池，并通過設置彈簧進行 固定。
[0010] 本發明進一步說明，所述的傳感器采用壓力應變片組成橋式R-V轉換電路，將空氣 呼吸器的氣壓轉換成電壓模擬信號，輸出給A/D轉換電路。
[0011] 本發明進一步說明，所述的A/D轉換電路采用HX712A/D轉換芯片，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] 本發明進一步說明，所述的微處理器采用STC15單片機。
[0013] 本發明進一步說明，所述的顯示面板采用數碼管。
[0014] 在本發明中，三通閥的三個接口均為螺紋接口；電路主板上的電路設計（如A/D轉 換電路、顯示電路、供電電路等)均采用本領域的常規電路設計。
[0015] 本發明的工作原理：
[0016] 傳感器采用壓力應變片組成橋式R-V轉換電路，將空氣呼吸器氣壓轉換成電壓模 擬信號，該模擬信號由HX712A/D轉換芯片以10次/秒的速率采樣后，由串行通信接口發往微 處理器，微處理器選用STC15系列小型化、低功耗單片機。該單片機接收到一幀串口數據后， 通過空氣呼吸器內氣體可用時間計測算法，計算出剩余時間，并將該時間值實時顯示在顯 示電路的LED數碼管上。剩余時間小于lOmin時，微處理器控制數碼管開始閃爍報警，并隨時 間的減少逐漸提高閃爍的頻率。單片機在計算可用時間之余，調用氣體泄漏檢測算法判斷 是否存在漏氣，如有漏氣，則點亮紅色工作狀態報警指示燈。
[0017] 本計時器使用兩節可充電電池，電量可滿足計時器連續24小時不間斷工作。電池 電壓由電源電路升壓后供整機的各個模塊使用，微處理器實時監測電池電壓，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轉換電路傳輸過來的壓力數據進行FIR濾波，具體為：用FIR數字低 通濾波器，濾除A/D轉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據 波動，獲取正常呼吸壓力數據；
[0020] 步驟二，截取呼吸一次的壓力數據組P⑴，i為to~t3之間的整數;并且判斷t3和to 之間的差值是否大于5秒；當t 3-to>5s時，判定為非正常呼吸狀態，跳轉至步驟六；當t3-to <5s時，判定為正常呼吸狀態，跳轉至步驟三;to、t 3分別是呼吸一次的前后時間值；
[0021] 步驟三，計算壓力數據組P⑴的標準誤差δ;求出數組P⑴的平均值
;當δ > 50Pa時，跳轉至步驟四；當δ < 50Pa時，跳轉至步驟六；
[0022] 步驟四，計算各個壓力數據P⑴的測量誤差ε1;求出數組P⑴的平均值 測量誤差為h = P⑴_λ;|ει|>2δ時，跳轉至步驟五；當|ει|<2δ時，判斷當前 ει是否為最后 一個，如果不是，則i+1，重復本步驟，如果是，則跳轉至步驟六；
[0023]步驟五，從壓力數據組P⑴中刪除該誤差對應的壓力數據，生成新的壓力數據組 P⑴;然后跳轉至步驟三，重復步驟三和步驟四；
[0024] 步驟六，設置壓力數據組P⑴中第一個壓力數值為P(tl)，設置壓力數據組P⑴中第 一個壓力數值為P (t2)，得出本次呼吸壓力平穩點的壓力數據本次呼吸壓力平穩點的 時間值tmo，tmo為ti和t2之間的中間值，即tmo = (t2_ti) /2;
[0025] 步驟七，重復步驟一至步驟六，選出下一次呼吸壓力平穩點的壓力數據P(tml)和時 間值tml;直至選出第21次呼吸壓力平穩點的壓力數據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的前提下，剩余氣體可用時間T為：
[0031]本發明的檢測方法還可以應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^、心為經驗值，選擇得越小，靈敏度越高，但相對也容易誤報警。
[0035]本發明的優點：
[0036] 1.本發明的計時器安全可靠，能夠更為快速準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。
[0037] 2.本發明的計時器采用一體化結構設計，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，結構簡單、生產成本低。
[0038] 3.本發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 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），供傳統的機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是本發明一實施例的結構示意圖。
[0041] 圖3是本發明一實施例的前視示意圖。
[0042] 圖4是本發明一實施例的后視不意圖。
[0043]圖5是本發明中單次呼吸壓力平穩點選取的流程圖。
[0044] 附圖標記：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 態指示燈，11-彈簧。
【具體實施方式】
[0045] 下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
[0046] 實施例：
[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上設有顯示面板6;所述的三通閥8的進口外接空氣呼吸器;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設有A/D轉換電路、微處理器、顯示電路和供電電路;所述的A/D 轉換電路、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上還設有分別與電路主板4相連接的電源指示燈9和工作狀態指示燈10。
[0050] 所述的工作電源7采用兩節可充電電池，并通過設置彈簧11進行固定。
[0051] 所述的傳感器5采用壓力應變片組成橋式R-V轉換電路，將空氣呼吸器的氣壓轉換 成電壓模擬信號，輸出給A/D轉換電路。所述的A/D轉換電路采用HX712A/D轉換芯片，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。所述的顯示面板6采用數碼管。
[0052]本發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轉換電路傳輸過來的壓力數據進行FIR濾波，具體為：用FIR數字低 通濾波器，濾除A/D轉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據 波動，獲取正常呼吸壓力數據；
[0054] 步驟二，截取呼吸一次的壓力數據組P⑴，i為to~t3之間的整數;并且判斷t3和to 之間的差值是否大于5秒；當t3-to>5s時，判定為非正常呼吸狀態，跳轉至步驟六；當t3_to <5s時，判定為正常呼吸狀態，跳轉至步驟三;to、t 3分別是呼吸一次的前后時間值；
[0055] 步驟三，計算壓力數據組P⑴的標準誤差δ;求出數組P⑴的平均值
;當δ > 50Pa時，跳轉至步驟四；當δ < 50Pa時，跳轉至步驟六；
[0056] 步驟四，計算各個壓力數據P⑴的測量誤差ε1;求出數組P⑴的平均值 測量誤差為h = P⑴_λ;|ει|>2δ時，跳轉至步驟五；當|ει|<2δ時，判斷當前 ει是否為最后 一個，如果不是，則i+1，重復本步驟，如果是，則跳轉至步驟六；
[0057]步驟五，從壓力數據組P⑴中刪除該誤差對應的壓力數據，生成新的壓力數據組 P⑴;然后跳轉至步驟三，重復步驟三和步驟四；
[0058] 步驟六，設置壓力數據組P⑴中第一個壓力數值為p(tl)，設置壓力數據組P⑴中第 一個壓力數值為P (t2)，得出本次呼吸壓力平穩點的壓力數據本次呼吸壓力平穩點的 時間值tmo，tmo為ti和t2之間的中間值，即tmo = (t2_ti) /2;
[0059] 步驟七，重復步驟一至步驟六，選出下一次呼吸壓力平穩點的壓力數據P(tml)和時 間值tml;直至選出第21次呼吸壓力平穩點的壓力數據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的前提下，剩余氣體可用時間Τ為：
【主權項】
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)上設有顯示面板（6);所述的三通閥（8)的進口外接空氣呼吸器;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. 根據權利要求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)設有A/D轉換電路、微處理器、顯示電路和供電電路;所述的A/D轉換電路、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. 根據權利要求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)采用壓力應變片組成橋式R-V轉換電路，將空氣呼吸器的氣壓轉換成電壓模擬信 號，輸出給A/D轉換電路;所述的A/D轉換電路采用HX712 A/D轉換芯片，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. 根據權利要求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;所述的顯示面板(6)采用數碼管;所述的工作電源(7)采用兩節可 充電電池，并通過設置彈簧(11)進行固定。5. 根據權利要求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)上還設有分別與電路主板(4)相連接的電源指示燈(9)和工作狀態指示燈（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轉換電路傳輸過來的壓力數據進行FIR濾波，具體為：用FIR數字低通濾 波器，濾除A/D轉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據波 動，獲取正常呼吸壓力數據； 步驟二，截取呼吸一次的壓力數據組P⑴，i為to~t3之間的整數;并且判斷t3和to之間的 差值是否大于5秒；當t3-to>5s時，判定為非正常呼吸狀態，跳轉至步驟六；當t3-to<5s時， 判定為正常呼吸狀態，跳轉至步驟三;to、t 3分別是呼吸一次的前后時間值； 步驟三，計算壓力數據組P⑴的標準誤差S;求出數組P⑴的平均值4 = H，標準誤差 N 大:當S > 50Pa時，跳轉至步驟四；當δ < 50Pa時，跳轉至步驟六； 步驟四，計算各個壓力數據Ρ(υ的測量誤差ε1;求出數組P⑴的平均值2 =H，測量 N 誤差為h = P⑴-λ; | ει| >2δ時，跳轉至步驟五；當I ει I <2δ時，判斷當前￡1是否為最后一個 ε i，如果不是，則i+Ι，重復本步驟，如果是，則跳轉至步驟六； 步驟五，從壓力數據組P⑴中刪除該誤差對應的壓力數據，生成新的壓力數據組P⑴;然 后跳轉至步驟三，重復步驟三和步驟四； 步驟六，設置壓力數據組P⑴中第一個壓力數值為P(tl)，設置壓力數據組P⑴中第一個壓 力數值為P(t2)，得出本次呼吸壓力平穩點的壓力數據本次呼吸壓力平穩點的時間值 tmo，tmo為ti和t2之間的中間值，即tmo= (t2_ti)/2; 步驟七，重復步驟一至步驟六，選出下一次呼吸壓力平穩點的壓力數據和時間值 tml;直至選出第21次呼吸壓力平穩點的壓力數據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為當前呼吸的壓力數值； 在首要滿足顯示平穩的前提下，剩余氣體可用時間T為：為當前呼吸的壓力數值。
【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】桂林理工大學南寧分校