多功能正压式空气呼吸器使用计时器及检测方法
【专利摘要】本发明公开了一种多功能正压式空气呼吸器使用计时器及检测方法，该计时器包括表壳（1）、前盖（2）和后盖（3）；其中：在表壳（1）内部的固定安装有电路主板（4）、传感器（5）、三通阀（8）和工作电源（7）；在前盖（2）上设有显示面板（6）；所述的三通阀（8）的进口外接空气呼吸器；所述的三通阀（8）的其中一个出口外接机械式气压表，另一个出口连接传感器（5）；所述的传感器（5）、显示面板（6）、工作电源（7）分别与电路主板（4）相连接。本发明的计时器结构简单、使用成本低、安全可靠，能够快速准确测算空呼器剩余气体可用时间，具有呼吸和非呼吸状态气体泄漏检测以及电池电量不足等多种报警功能。
【专利说明】
多功能正压式空气呼吸器使用计时器及检测方法
技术领域
[0001] 本发明属于消防领域的应用设备，具体涉及一种多功能正压式空气呼吸器使用计 时器及检测方法。
【背景技术】
[0002] 空气呼吸器是消防战士以及其它特种作业人员，在有毒缺氧等场所作业时不可或 缺的装备，现有的空气呼吸器大多装有机械式气压表供使用者了解气瓶内气体的剩余量。 机械式气压表具有无需供电，能在条件恶劣场合使用等优点，但与电子式数显仪表相比，也 存在着灵敏度低，观察角度影响读数，以及读数不够明显等缺陷。更重要的是，空气呼吸器 的使用者在获取气压表的读数后，还要凭借个人经验估算可使用时间，由于经验积累、个体 差异以及使用环境和状态不同，相同读数估算出的可用时间往往存在很大误差。
[0003] 目前已有一些能估测可使用时间的空气呼吸器智能监测设备，但从文献上看，这 些监测装置大多采用定时采样气瓶压力，然后用剩余气压除以额定时间内的压力差求取可 用时间的直接估测方法。这种方法未能排除使用者呼吸所引起的压力波动(压力变化曲线 见附图图1)，由此可知，在不同时间段，对同一次呼吸测算出的压力下降斜率完全不同，这 就必然会导致估测出的可用时间存在较大误差。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于针对现有技术存在的一些不足，提供了一种能够更为快速准确 测算空呼器剩余气体可用时间的计测装置及检测方法。
[0005] 为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
[0006] -种多功能正压式空气呼吸器使用计时器，包括表壳、前盖和后盖;在表壳内部的 固定安装有电路主板、传感器、三通阀和工作电源;在前盖上设有显示面板;所述的三通阀 的进口外接空气呼吸器（高压报警管路）；所述的三通阀的其中一个出口外接机械式气压 表，另一个出口连接传感器;所述的传感器、显示面板、工作电源分别与电路主板相连接。
[0007] 本发明进一步说明，所述的电路主板设有A/D转换电路、微处理器、显示电路和供 电电路;所述的A/D转换电路、显示电路、供电电路分别与微处理器相连接;所述的A/D转换 电路连接传感器;所述的显示电路连接显示面板;所述的供电电路连接工作电源。
[0008] 本发明进一步说明，在前盖上还设有分别与电路主板相连接的电源指示灯和工作 状态指示灯。电源指示灯和工作状态指示灯均采用双色LED指示灯。
[0009] 本发明进一步说明，所述的工作电源采用两节可充电电池，并通过设置弹簧进行 固定。
[0010] 本发明进一步说明，所述的传感器采用压力应变片组成桥式R-V转换电路，将空气 呼吸器的气压转换成电压模拟信号，输出给A/D转换电路。
[0011] 本发明进一步说明，所述的A/D转换电路采用HX712A/D转换芯片，并且以10次/秒 的速率采样后，由串行通信接口输出给微处理器。
[0012] 本发明进一步说明，所述的微处理器采用STC15单片机。
[0013] 本发明进一步说明，所述的显示面板采用数码管。
[0014] 在本发明中，三通阀的三个接口均为螺纹接口；电路主板上的电路设计（如A/D转 换电路、显示电路、供电电路等)均采用本领域的常规电路设计。
[0015] 本发明的工作原理：
[0016] 传感器采用压力应变片组成桥式R-V转换电路，将空气呼吸器气压转换成电压模 拟信号，该模拟信号由HX712A/D转换芯片以10次/秒的速率采样后，由串行通信接口发往微 处理器，微处理器选用STC15系列小型化、低功耗单片机。该单片机接收到一帧串口数据后， 通过空气呼吸器内气体可用时间计测算法，计算出剩余时间，并将该时间值实时显示在显 示电路的LED数码管上。剩余时间小于lOmin时，微处理器控制数码管开始闪烁报警，并随时 间的减少逐渐提高闪烁的频率。单片机在计算可用时间之余，调用气体泄漏检测算法判断 是否存在漏气，如有漏气，则点亮红色工作状态报警指示灯。
[0017] 本计时器使用两节可充电电池，电量可满足计时器连续24小时不间断工作。电池 电压由电源电路升压后供整机的各个模块使用，微处理器实时监测电池电压，电压不足时， 通过双色LED电源指示灯变成红色报警。
[0018] 本发明的计时器检测空气呼吸器剩余气体可用时间的方法，包括以下步骤：
[0019] 步骤一，对A/D转换电路传输过来的压力数据进行FIR滤波，具体为：用FIR数字低 通滤波器，滤除A/D转换电路采集到的压力变化曲线中频率高于5Hz的非正常呼吸压力数据 波动，获取正常呼吸压力数据；
[0020] 步骤二，截取呼吸一次的压力数据组P⑴，i为to~t3之间的整数;并且判断t3和to 之间的差值是否大于5秒；当t 3-to>5s时，判定为非正常呼吸状态，跳转至步骤六；当t3-to <5s时，判定为正常呼吸状态，跳转至步骤三;to、t 3分别是呼吸一次的前后时间值；
[0021] 步骤三，计算压力数据组P⑴的标准误差δ;求出数组P⑴的平均值
;当δ > 50Pa时，跳转至步骤四；当δ < 50Pa时，跳转至步骤六；
[0022] 步骤四，计算各个压力数据P⑴的测量误差ε1;求出数组P⑴的平均值 测量误差为h = P⑴_λ;|ει|>2δ时，跳转至步骤五；当|ει|<2δ时，判断当前 ει是否为最后 一个，如果不是，则i+1，重复本步骤，如果是，则跳转至步骤六；
[0023]步骤五，从压力数据组P⑴中删除该误差对应的压力数据，生成新的压力数据组 P⑴;然后跳转至步骤三，重复步骤三和步骤四；
[0024] 步骤六，设置压力数据组P⑴中第一个压力数值为P(tl)，设置压力数据组P⑴中第 一个压力数值为P (t2)，得出本次呼吸压力平稳点的压力数据本次呼吸压力平稳点的 时间值tmo，tmo为ti和t2之间的中间值，即tmo = (t2_ti) /2;
[0025] 步骤七，重复步骤一至步骤六，选出下一次呼吸压力平稳点的压力数据P(tml)和时 间值tml;直至选出第21次呼吸压力平稳点的压力数据P (tm2Q)和时间值tm20;
[0026] 步骤八，计算空气呼吸器剩余气体可用时间T:
[0027] 在首要满足高灵敏度的前提下，剩余气体可用时间T为：
[0029]在首要满足显示平稳的前提下，剩余气体可用时间T为：
[0031]本发明的检测方法还可以应用到空气呼吸器是否存在气体泄漏的检测中，具体 为：
[0034]其中^、心为经验值，选择得越小，灵敏度越高，但相对也容易误报警。
[0035]本发明的优点：
[0036] 1.本发明的计时器安全可靠，能够更为快速准确测算空呼器剩余气体可用时间， 同时具有呼吸和非呼吸状态气体泄漏检测以及电池电量不足等多种报警功能，为使用者行 动决策提供参考依据。
[0037] 2.本发明的计时器采用一体化结构设计，管路、电路部分以及电池等所有部件均 集成在一个表体之中，结构简单、生产成本低。
[0038] 3.本发明的计时器使用方便，可快速拆装;把计时器底部的螺纹接口（三通阀的进 口）直接接入空气呼吸器的高压报警管路即可正常工作，计时器上部也留有螺纹接口（三通 阀的一个出口），供传统的机械式气压表接入后同时使用。
【附图说明】
[0039]图1是空气呼吸器在呼吸使用过程中的压力变化曲线图。
[0040] 图2是本发明一实施例的结构示意图。
[0041] 图3是本发明一实施例的前视示意图。
[0042] 图4是本发明一实施例的后视不意图。
[0043]图5是本发明中单次呼吸压力平稳点选取的流程图。
[0044] 附图标记：在图1中，Ρ表不气压，t表不时间；在图2-图4中，I-表壳，2-如盖，3 -后 盖，4-电路主板，5-传感器，6-显示面板，7-工作电源，8-三通阀，9-电源指示灯，10-工作状 态指示灯，11-弹簧。
【具体实施方式】
[0045] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0046] 实施例：
[0047] 如图1-图4所示，一种多功能正压式空气呼吸器使用计时器，包括表壳1、前盖2和 后盖3;其中：在表壳1内部的固定安装有电路主板4、传感器5、三通阀8和工作电源7;在前盖 2上设有显示面板6;所述的三通阀8的进口外接空气呼吸器;所述的三通阀8的其中一个出 口外接机械式气压表，另一个出口连接传感器5;所述的传感器5、显不面板6、工作电源7分 别与电路主板4相连接。
[0048] 所述的电路主板4设有A/D转换电路、微处理器、显示电路和供电电路;所述的A/D 转换电路、显示电路、供电电路分别与微处理器相连接;所述的A/D转换电路连接传感器5; 所述的显示电路连接显示面板6;所述的供电电路连接工作电源7。
[0049] 在前盖2上还设有分别与电路主板4相连接的电源指示灯9和工作状态指示灯10。
[0050] 所述的工作电源7采用两节可充电电池，并通过设置弹簧11进行固定。
[0051] 所述的传感器5采用压力应变片组成桥式R-V转换电路，将空气呼吸器的气压转换 成电压模拟信号，输出给A/D转换电路。所述的A/D转换电路采用HX712A/D转换芯片，并且以 10次/秒的速率采样后，由串行通信接口输出给微处理器。所述的微处理器采用STC15单片 机。所述的显示面板6采用数码管。
[0052]本发明的计时器检测空气呼吸器剩余气体可用时间的方法，包括以下步骤：
[0053]步骤一，对A/D转换电路传输过来的压力数据进行FIR滤波，具体为：用FIR数字低 通滤波器，滤除A/D转换电路采集到的压力变化曲线中频率高于5Hz的非正常呼吸压力数据 波动，获取正常呼吸压力数据；
[0054] 步骤二，截取呼吸一次的压力数据组P⑴，i为to~t3之间的整数;并且判断t3和to 之间的差值是否大于5秒；当t3-to>5s时，判定为非正常呼吸状态，跳转至步骤六；当t3_to <5s时，判定为正常呼吸状态，跳转至步骤三;to、t 3分别是呼吸一次的前后时间值；
[0055] 步骤三，计算压力数据组P⑴的标准误差δ;求出数组P⑴的平均值
;当δ > 50Pa时，跳转至步骤四；当δ < 50Pa时，跳转至步骤六；
[0056] 步骤四，计算各个压力数据P⑴的测量误差ε1;求出数组P⑴的平均值 测量误差为h = P⑴_λ;|ει|>2δ时，跳转至步骤五；当|ει|<2δ时，判断当前 ει是否为最后 一个，如果不是，则i+1，重复本步骤，如果是，则跳转至步骤六；
[0057]步骤五，从压力数据组P⑴中删除该误差对应的压力数据，生成新的压力数据组 P⑴;然后跳转至步骤三，重复步骤三和步骤四；
[0058] 步骤六，设置压力数据组P⑴中第一个压力数值为p(tl)，设置压力数据组P⑴中第 一个压力数值为P (t2)，得出本次呼吸压力平稳点的压力数据本次呼吸压力平稳点的 时间值tmo，tmo为ti和t2之间的中间值，即tmo = (t2_ti) /2;
[0059] 步骤七，重复步骤一至步骤六，选出下一次呼吸压力平稳点的压力数据P(tml)和时 间值tml;直至选出第21次呼吸压力平稳点的压力数据P (tm2Q)和时间值tm20;
[0060] 步骤八，计算空气呼吸器剩余气体可用时间T:
[0061]在首要满足高灵敏度的前提下，剩余气体可用时间T为：
[0063]在首要满足显示平稳的前提下，剩余气体可用时间Τ为：
【主权项】
1. 一种多功能正压式空气呼吸器使用计时器，包括表壳（1)、前盖（2)和后盖（3);其特 征在于:在表壳（1)内部的固定安装有电路主板(4)、传感器(5)、三通阀（8)和工作电源(7); 在前盖（2)上设有显示面板（6);所述的三通阀（8)的进口外接空气呼吸器;所述的三通阀 (8)的其中一个出口外接机械式气压表，另一个出口连接传感器(5);所述的传感器(5)、显 示面板(6)、工作电源(7)分别与电路主板(4)相连接。2. 根据权利要求1所述的多功能正压式空气呼吸器使用计时器，其特征在于:所述的电 路主板(4)设有A/D转换电路、微处理器、显示电路和供电电路;所述的A/D转换电路、显示电 路、供电电路分别与微处理器相连接;所述的A/D转换电路连接传感器(5);所述的显示电路 连接显示面板(6);所述的供电电路连接工作电源(7)。3. 根据权利要求2所述的多功能正压式空气呼吸器使用计时器，其特征在于:所述的传 感器(5)采用压力应变片组成桥式R-V转换电路，将空气呼吸器的气压转换成电压模拟信 号，输出给A/D转换电路;所述的A/D转换电路采用HX712 A/D转换芯片，并且以10次/秒的速 率采样后，由串行通信接口输出给微处理器。4. 根据权利要求1所述的多功能正压式空气呼吸器使用计时器，其特征在于:所述的微 处理器采用STC15单片机;所述的显示面板(6)采用数码管;所述的工作电源(7)采用两节可 充电电池，并通过设置弹簧(11)进行固定。5. 根据权利要求1所述的多功能正压式空气呼吸器使用计时器，其特征在于：在前盖 (2)上还设有分别与电路主板(4)相连接的电源指示灯(9)和工作状态指示灯（10)。6. -种空气呼吸器剩余气体可用时间检测方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤一，对A/D转换电路传输过来的压力数据进行FIR滤波，具体为：用FIR数字低通滤 波器，滤除A/D转换电路采集到的压力变化曲线中频率高于5Hz的非正常呼吸压力数据波 动，获取正常呼吸压力数据； 步骤二，截取呼吸一次的压力数据组P⑴，i为to~t3之间的整数;并且判断t3和to之间的 差值是否大于5秒；当t3-to>5s时，判定为非正常呼吸状态，跳转至步骤六；当t3-to<5s时， 判定为正常呼吸状态，跳转至步骤三;to、t 3分别是呼吸一次的前后时间值； 步骤三，计算压力数据组P⑴的标准误差S;求出数组P⑴的平均值4 = H，标准误差 N 大:当S > 50Pa时，跳转至步骤四；当δ < 50Pa时，跳转至步骤六； 步骤四，计算各个压力数据Ρ(υ的测量误差ε1;求出数组P⑴的平均值2 =H，测量 N 误差为h = P⑴-λ; | ει| >2δ时，跳转至步骤五；当I ει I <2δ时，判断当前￡1是否为最后一个 ε i，如果不是，则i+Ι，重复本步骤，如果是，则跳转至步骤六； 步骤五，从压力数据组P⑴中删除该误差对应的压力数据，生成新的压力数据组P⑴;然 后跳转至步骤三，重复步骤三和步骤四； 步骤六，设置压力数据组P⑴中第一个压力数值为P(tl)，设置压力数据组P⑴中第一个压 力数值为P(t2)，得出本次呼吸压力平稳点的压力数据本次呼吸压力平稳点的时间值 tmo，tmo为ti和t2之间的中间值，即tmo= (t2_ti)/2; 步骤七，重复步骤一至步骤六，选出下一次呼吸压力平稳点的压力数据和时间值 tml;直至选出第21次呼吸压力平稳点的压力数据P(tm2Q)和时间值tm20; 步骤八，计算空气呼吸器剩余气体可用时间T: 在首要满足高灵敏度的前提下，剩余气体可用时间T为：Pati为当前呼吸的压力数值； 在首要满足显示平稳的前提下，剩余气体可用时间T为：为当前呼吸的压力数值。
【文档编号】G07C1/04GK105866343SQ201610315792
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年5月12日
【发明人】黄洁文, 陈长青, 梁向东, 汪鹏程, 陈悉律
【申请人】桂林理工大学南宁分校