CN104606804A - 一种空气呼吸器状态的智能监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种空气呼吸器状态的智能监控装置，该智能监测装置由中央控制单元、供电单元、压力传感器单元、开关控制单元、液晶显示单元、指示灯单元和震动提示单元组成；中央控制单元是整个智能监测装置的核心，它分别与开关控制单元、压力传感器单元、液晶显示单元、指示灯单元和震动提示单元连接，整体安装在同一电路板上，供电单元则通过供电线路与上述各单元连接。一种空气呼吸器状态的智能监测方法，它有两大步骤。本发明是一种能对正压空气呼吸器当前气压进行实时监测报警，并能根据上述估算方法预估可用剩余时间的监测装置，该装置采用数字化显示方式，方便易读，并能在剩余气量小于5Mpa时提供震动报警。

Description

一种空气呼吸器状态的智能监测装置及方法

技术领域

本发明属于应急救援装备的状态监控领域，涉及一种空气呼吸器状态的智能监测装置及方法。

背景技术

随着化学事故、火灾等安全隐患的逐渐增加，正压式空气呼吸器越来越多配备于军队专业救援分队、消防部队以及各种专业的救援力量中，同时在一些专业工作场合，它也是必不可少的劳动保护用具。空气呼吸器结构简单，能在特殊场合为救援人员提供一定压力的空气，但目前国内对于正压空气呼吸器的检验，一般在使用前采用外部设备或者简单试用的方法进行气密性和故障检测，同时一些关于空气呼吸器气量报警的方式也是采用观察机械压力表、听报警哨或者用一些数字声光显示装置显示红黄绿灯一类的定性报警。在作业过程中的对空气呼吸器供气状态的动态监测还未有实质性实现，其问题主要表现在：

1、特定环境中，机械式压力表读数显示模糊。传统空气呼吸器的压力表为机械式压力表，其读数依靠表盘上的指针指示相应的压力表格完成。当在火灾、地震、化学救援等恶劣现场环境工作时，一些烟雾、灰尘、化学品物质会阻挡视线或者凝结在表盘上影响读数。

2、空气呼吸器剩余气量情况缺乏精确预估。救援人员在工作时间的呼吸状况是不稳定的。有资料显示，根据人员工作强度、人体机能的差异，空气呼吸器的使用时间可以相差一倍以上。有的救援强度较大，人员呼吸急促、心跳快，那么使用时间也较平时有较大的缩短，国内一些文献采用根据心跳加单口呼气量单独估算耗气率方法并不一定能科学计算出剩余时间。这使救援人员对撤退的整体掌控缺乏明确依据，自然也会带来更大的危险性。但往往前一分钟内的呼吸状况往往能更好预测将来的呼气情况。因此确定一种科学的剩余压力估算方法并显示出来。本发明涉及一种对正压空气呼吸器供气状态的监控装置及方法。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种空气呼吸器状态的智能监测方法，它是一种当前气瓶剩余时间的估算方法，所述的方法能够根据使用人员本身呼吸的状况，通过对使用人最近1分钟内呼吸量实际测算推算出剩余气量的可用时间，为使用人提供较为可靠、精确的参考。

本发明的目的还在于：提供一种空气呼吸器状态的智能监测装置，它是一种能对正压空气呼吸器当前气压进行实时监测报警，并能根据上述估算方法预估可用剩余时间的监测装置，该装置采用数字化显示方式，方便易读，并能在剩余气量小于5Mpa时提供震动报警。

1)本发明一种空气呼吸器状态的智能监测方法，该方法具体步骤如下：

步骤一：状态数据采集：当气瓶压力下降到20Mpa时开始计时，采集的第一组数据中的t计为t_s，瓶内压力为计时结束后最后一秒钟的t计为t_e，瓶内压力为那么在整个计时过程中，以秒为单位连续采集气瓶内的压力信号，并记录每一时刻采集时的气压值，构成一二维数组(t p_t)。数组中t为气瓶当前时间，单位精确到second；p_t为时间t时瓶内现有压力，单位为Mpa。

步骤二：状态数据分析：正压空气呼吸器都具有标准容积，如6.8L等，在标准容积不变的情况下，每名使用人员在不同的工作状态中，呼吸量千差万别。根据使用人呼吸状况的差异，消耗气量体现在压力下降的幅度上。针对使用过程中因工作强度加大而产生的呼吸变化，其一分钟内的呼气状况更适合预估剩余时间，其气瓶中剩余可用时间T经过与气瓶中的压力可以建立下面的公式关系：

$T=\frac{p_t}{(p_{t-1}-p_t)}$

式中p_t-1为气瓶1分钟前的压力，单位为Mpa。

上式为剩余时间估算公式，从中可以看出，因此选用气瓶1分钟前的压力与现有压力之差(p_t-1-p_t)为单位耗气压降。

状态数据采集和数据分析在同步进行，实时可以估算出任一时刻剩余气量可供人员使用时间，并动态更新。

2)本发明一种空气呼吸器状态的智能监控装置的技术方案如下：

该智能监测装置由中央控制单元、供电单元、压力传感器单元、开关控制单元、液晶显示单元、指示灯单元和震动提示单元组成。上述各单元之间的位置连接关系是：中央控制单元是整个智能监测装置的核心，它分别与开关控制单元、压力传感器单元、液晶显示单元、指示灯单元和震动提示单元连接，整体安装为同一电路板上，供电单元则通过供电线路与上述各单元连接。

所述中央控制单元采用基于ARM的嵌入式系统，主要由硬件和智能监测软件两部分组成，该硬件是基于ARM的开发板，该智能监测软件是基于Android操作系统开发，能实现系统自检、压力采集、剩余气量估计运算、液晶显示、指示灯显示功能和震动报警提示功能。

所述供电单元是采用锂电池，能为整个智能监测装置运行提供电源。

所述压力传感器单元是一气压传感器，它采集气瓶高压，并转换为数字信号，传输给中央控制单元。

所述开关控制单元为开机和关机触发的两个按钮，它主要是输入开机和关机信号给中央控制单元，用于启动和停止该智能监测装置的工作。

所述液晶显示单元是为一数字液晶面板，用以显示中央控制单元传输的显示内容，如当前气压值和预估剩余时间的数值。

所述指示灯单元由绿、蓝、红三个颜色的LED指示灯组成，根据剩余气量情况由中央控制单元完成相应指示灯点亮。

所述震动提示单元由一集成震动电路模块组成，可以根据中央控制单元的指令提供震动提示。

上述各单元的工作方式是：开关控制单元的打开按钮可以控制供电单元向其余各单元供电，中央控制单元启动操作系统，并运行智能监测软件；智能监测软件首先对各单元进行系统自检，完成自检后进入监控状态；在监控状态下，中央控制单元通过压力传感器单元采集气压信号，并实时传输给液晶显示单元显示当前气瓶压力；在压力大于20Mpa时，默认气量充足，不预估剩余时间，并控制指示灯单元点亮绿灯；当压力小于20Mpa、大于5Mpa时，中央控制单元启动剩余时间估算算法并将剩余时间以数值形式显示在液晶显示单元，并控制指示灯单元点亮蓝灯；当压力小于5Mpa时，中央控制单元控制控制液晶显示单元显示压力和估算时间，控制指示灯单元显示点亮红灯，并控制震动提示单元提供震动报警。

优点及功效：本发明所述的智能监测装置在测量气瓶高压气体基础上进行智能运算和监控，因此在不改变空气呼吸器原有结构、不减少原有部件基础之上进行加装。其加装方式是：将原有压力表及其连接管从减压阀上取下，在连接位置加装一个三通阀，三通阀一端将原有的压力表连接管连好，三通阀另一端通过一测压导管与智能监测模块连接。此三通阀既不影响原连接压力表的气路，维持原气压测量功能不变，又可以将高压气通过另一端通过测压导管与智能监测装置连通。

附图说明

图1为正压空气呼吸器状态监测装置的安装示意图

图2为智能监测装置的结构原理图

图3为正压空气呼吸器状态监测工作流程图

图中符号说明如下：

1、三通阀；2、测压导管；3、智能监测模块；4、中央控制单元；5、供电单元；6、开关控制单元；7、压力传感器单元；8、液晶显示单元；9、指示灯单元；10、震动提示单元；11、气瓶；12、压力表；13、高压管；14、开关阀；15、减压阀；16、低压报警哨；17、中压导管；18、面罩。

具体实施方式

如图1，是本发明实施的空气呼吸器状态监测装置的安装示意图。本发明采用在正压空气呼吸器压力表12和减压阀15中间安装一个三通阀1，三通阀1第三端通过测压导管2与智能监测模块3连接。三通阀1安装在原连接压力表12的气路接口，可以将高压气直通给与压力表12，维持原气压测量功能不变；三通阀1同时将高压气通过另一端传给测压导管2，测压导管2为软管形式，可以将气体与智能监测模块3连通。

如图2，是本发明实施的智能监测装置的结构原理图。智能监测装置由中央控制单元4、供电单元5、开关控制单元6、压力传感器单元7、液晶显示单元8、指示灯单元9和震动提示单元10组成。中央控制单元4主要由硬件和软件组成，处理监测到的压力，进行剩余时间的预测计算，并转换成数字显示时间，适时提供相应的指示灯和震动提示，中央控制单元4内置有自然时间计时器。供电单元5为整个智能监测模块提供电源。开关控制单元6主要是输入开机和关机信号给中央控制单元4，用于启动和停止智能监测装置的工作。压力传感器单元7采集图1中测压导管2导通过来的气瓶压力信号，并转换为数字信号，传输给中央控制单元4。液晶显示单元8为数字液晶面板，显示中央控制单元4传输的当前气压值和预估剩余时间的数值。指示灯单元9由绿、蓝、红三个颜色的LED指示灯组成，根据剩余气量情况由中央控制单元4完成相应指示灯点亮。震动提示单元10由一震动电路组成，可以根据中央控制单元4的指令提供震动提示。

如图3，是空气呼吸器状态监测工作流程图。流程图中展示的监测方法是：(1)按下开关控制单元6的开启键，供电单元5开始为各单元供电，中央控制单元4开始工作，完成“启动”；(2)中央控制单元4中的软件系统自动检测压力传感器单元7、液晶显示单元8，指示灯单元9，震动提示单元10；(3)中央控制单元4连续采集当前时刻t的压力传感器单元7传输的数据气压p_t，并将空气压力数据传输给液晶显示单元8，显示当前瓶内气压；(4)工作过程中如果按下开关控制单元6的关闭键，系统关机；(5)中央控制单元4读取的气压p_t如果大于20Mpa，证明气量充足，指示灯单元9的绿灯点亮；(6)中央控制单元4读取的气压p_t如果小于20Mpa并大于5Mpa，证明气量处于正常使用阶段，但有必要提醒人员剩余时间，中央控制单元4根据固化在软件系统中的剩余时间算法估算当前呼吸状态瓶内气体可用时间t，并将时间值传输给液晶显示单元9显示，此时液晶显示单元9同时显示剩余时间t和气压p_t，指示灯单元9的蓝灯点亮；(7)中央控制单元4读取的气压p_t如果小于5Mpa，证明气量处于耗尽阶段，急需提醒人员剩余时间，中央控制单元4完成(6)中液晶显示单元8显示，指示灯单元9的红灯点亮，震动提示单元10开始震动警示。

Claims (2)

1.一种空气呼吸器状态的智能监控装置，其特征在于：该智能监测装置由中央控制单元、供电单元、压力传感器单元、开关控制单元、液晶显示单元、指示灯单元和震动提示单元组成；中央控制单元是整个智能监测装置的核心，它分别与开关控制单元、压力传感器单元、液晶显示单元、指示灯单元和震动提示单元连接，整体安装在同一电路板上，供电单元则通过供电线路与上述各单元连接；

所述中央控制单元采用基于ARM的嵌入式系统，由硬件和智能监测软件两部分组成，该硬件是基于ARM的开发板，该智能监测软件是基于Android操作系统开发，能实现系统自检、压力采集、剩余气量估计运算、液晶显示、指示灯显示功能和震动报警提示功能；

所述供电单元是采用锂电池，能为整个智能监测装置运行提供电源；

所述压力传感器单元是一气压传感器，它采集气瓶高压，并转换为数字信号，传输给中央控制单元；

所述开关控制单元为开机和关机触发的两个按钮，它是输入开机和关机信号给中央控制单元，用于启动和停止该智能监测装置的工作；

所述液晶显示单元是一数字液晶面板，用以显示中央控制单元传输的显示内容；

所述指示灯单元由绿、蓝、红三个颜色的LED指示灯组成，根据剩余气量情况由中央控制单元完成相应指示灯点亮；

所述震动提示单元由一集成震动电路模块组成，根据中央控制单元的指令提供震动提示。

2.一种空气呼吸器状态的智能监测方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：

步骤一：状态数据采集：当气瓶压力下降到20Mpa时开始计时，采集的第一组数据中的t计为t_s，瓶内压力为；计时结束后最后一秒钟的t计为t_e，瓶内压力为，那么在整个计时过程中，以秒为单位连续采集气瓶内的压力信号，并记录每一时刻采集时的气压值，构成一二维数组(t p_t)；数组中t为气瓶当前时间，单位精确到second；p_t为时间t时瓶内现有压力，单位为Mpa；

步骤二：状态数据分析：正压空气呼吸器都具有标准容积，在标准容积不变的情况下，每名使用人员在不同的工作状态中，呼吸量千差万别，根据使用人呼吸状况的差异，消耗气量体现在压力下降的幅度上；针对使用过程中因工作强度加大而产生的呼吸变化，其一分钟内的呼气状况更适合预估剩余时间，其气瓶中剩余可用时间T经过与气瓶中的压力建立下面的公式关系：

$T=\frac{p_t}{(p_{t-1}-p_t)}$

式中p_t-1为气瓶1分钟前的压力，单位为Mpa；

上式为剩余时间估算公式，从中看出，选用气瓶1分钟前的压力与现有压力之差(p_t-1-p_t)为单位耗气压降；

状态数据采集和数据分析同步进行，实时估算出任一时刻剩余气量可供人员使用时间，并动态更新。