CN114910566A - 滤毒罐剩余寿命检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及滤毒罐有效防护时间检测方法，具体为滤毒罐剩余寿命检测方法该方法基于剩余寿命预计模块，剩余寿命预计模块包括电源电路、传感器阵列、中央处理单元、有线/无线通信单元、微型隔膜泵、数据存储单元；微型隔膜泵负责将经过滤毒罐过滤后的气体泵至传感器阵列腔室后排出；传感器阵列将化学毒剂信号转换为电信号，送至中央处理单元进行信息处理；中央处理单元用于采集传感器阵列的信号进行毒剂种类、浓度检测，利用剩余寿命预警模型根据检测到的气体浓度进行滤毒罐剩余寿命预测，并将检测结果、预测信息传送至有线/无线通信单元。本发明实现了滤毒罐吸附饱和状态的感知，便于及时了解所滤毒罐的失效情况，保障人员生命安全。
Description
技术领域
本发明涉及滤毒罐有效防护时间检测方法，具体为滤毒罐剩余寿命检测方法。
背景技术
在个体防护领域中，人们会面临各种危险的工作环境，尤其是工作环境中存在有毒有害气体，如氨、氯化氰、苯等等，直接危及作业人员安全。为此，人们通常利用各种滤毒罐进行安全防护，但是滤毒罐的有效防护时间随着工作环境、使用工况不同又不尽相同，能够合理确定滤毒罐的有效防护时间，或其使用寿命，就成为迫切需要。
发明内容
本发明在基于上述问题的背景下，提出了滤毒罐剩余寿命检测方法并可在染毒环境下检测滤毒罐剩余寿命。
本发明是采用如下的技术方案实现的：滤毒罐剩余寿命检测方法，该方法基于剩余寿命预计模块，剩余寿命预计模块包括电源电路、传感器阵列、中央处理单元、有线/无线通信单元、微型隔膜泵、数据存储单元；电源电路为剩余寿命预计模块的各个功能单元及微型隔膜泵提供工作电源；微型隔膜泵负责将经过滤毒罐过滤后的气体泵至传感器阵列腔室后排出；传感器阵列将化学毒剂信号转换为电信号，送至中央处理单元进行信息处理；中央处理单元用于采集传感器阵列的信号进行毒剂种类、浓度检测，利用剩余寿命预警模型根据检测到的气体浓度进行滤毒罐剩余寿命预测，并将检测结果、预测信息传送至有线/无线通信单元；有线/无线通信单元用于将剩余寿命模块的检测结果通过无线传输的方式传送至报警显示单元；数据存储单元对毒剂种类、预警信息进行存储。
上述的滤毒罐剩余寿命检测方法，中央处理单元中剩余寿命预警模型的建立过程为：在不同寿命滤毒罐开孔进行取样探测，摸索滤毒罐的毒剂种类、毒剂浓度、滤毒罐填装工艺因素对滤毒罐穿透时间的影响，根据实验数据开展基于数理统计方法的剩余寿命预警模型算法研究、设计，完成毒剂浓度和剩余寿命匹配的剩余寿命预警模型的建立。
上述的滤毒罐剩余寿命检测方法，剩余寿命预警模型的建立过程中，滤毒罐进气口侧、碳层厚度5%位置、碳层厚度10%位置，依次类推至碳层厚度95%位置滤毒罐侧壁上都分别开孔取样探测，根据不同开孔位置探测效果，由此选取预测最准确的开孔取样位置。
上述的滤毒罐剩余寿命检测方法，剩余寿命预警模型的建立过程中还考虑环境温湿度和大气压力。在不同温湿度和大气压力情况下，滤毒罐剩余寿命所对应的气体浓度阈值不同，因此在建模过程中，考虑了环境温湿度和大气压力，在实际预测过程中，实际检测的气体浓度与和实际检测环境温湿度、大气压力接近的气体浓度阈值进行比较，提高预测的准确度。
上述的滤毒罐剩余寿命检测方法，剩余寿命预计模块为半圆环状，通过快速安装接口固定在滤毒罐的侧壁上。
上述的滤毒罐剩余寿命检测方法，气体取样采用主动取样方式，当打开剩余寿命预计模块供电开关后，模块开始主动采样，取样气体由微型隔膜泵泵至传感器阵列检测腔体
上述的滤毒罐剩余寿命检测方法，无线通讯采用被动+半主动模式，被动模式：当接收到控制中心读取信息指令时，发送工作状态以及检测数据；半主动模式：当滤毒罐剩余寿命达到设定预警、报警值时，主动发送工作状态以及检测数据。
本发明提出了一种滤毒罐剩余寿命检测方法，通过滤毒罐吸附机理、理化性质变化规律，结合MEMS气体传感技术、滤毒罐剩余寿命预测模型，实现滤毒罐吸附饱和状态的感知，便于及时了解所滤毒罐的失效情况，保障人员生命安全。
附图说明
图1为剩余寿命预计模块框图。
图2为剩余寿命预计模块壳体外观示意图。
图3为MEMS气体传感器工作原理图。
图4为气体传感器检测原理图。
图5为传感器信号检出电路图。
图6为中央处理单元局部电路图。
图7为流程图。
图中：1-有线通信/充电接口，2-气体取样孔，3-快速解锁结构，4-快速连接口，5-衬底si，6-加热器，7-敏感材料输出电极，8-纳米敏感材料。
具体实施方式
结合附图对本发明技术方案进行说明。
1总体技术方案
剩余寿命预计模块采用先检测再预计的设计思路实现剩余寿命预计。剩余寿命预计模块如图1所示，包括电源电路、传感器阵列、中央处理单元、有线/无线通信单元、微型隔膜泵、数据存储单元。其中图中带箭头的虚线表示气流流向，带箭头的实线表示信号流向。
电源电路为剩余寿命预计模块的各个功能单元及微型隔膜泵提供工作电源；微型隔膜泵负责将经过滤毒罐过滤后的气体泵至传感器阵列腔室后排出；传感器阵列将化学毒剂信号转换为电信号，送至中央处理单元进行信息处理；中央处理单元用于采集传感器阵列的信号进行毒剂种类、浓度检测，进行滤毒罐剩余寿命预测，并将检测结果、预测信息传送至有线/无线通信单元；有线/无线通信单元用于将剩余寿命模块的检测结果通过无线传输的方式传送至报警显示单元；数据存储单元对毒剂种类、预警信息等关键信息进行存储。传感器阵列包括气体种类传感器（苯气体传感器、氯化氰气体传感器及氨气体传感器）、气体传感器、温湿度传感器和压力传感器。
2结构方案
剩余寿命预计模块与滤毒罐配套使用，采用分体式设计。剩余寿命预计模块壳体外观为半圆环状，通过快速连接口4固定在滤毒罐的侧壁上，其上有气体取样孔2。产品外观如图2所示。
气体取样采用主动取样方式，当打开剩余寿命预计模块供电开关后，模块开始主动采样，取样气体由微型隔膜泵泵至传感器阵列检测腔体，微型隔膜泵取样流量200sccm。
3剩余寿命预警模型
在滤毒罐进气口侧、碳层厚度约5%位置、碳层厚度约10%位置，依次类推至碳层厚度约95%位置滤毒罐侧壁上分别开孔进行取样探测，摸索滤毒罐的碳层厚度、毒剂种类、毒剂浓度、环境温湿度、大气压力、滤毒罐填装工艺等因素对滤毒罐穿透时间的影响。根据实验数据开展基于数理统计方法的剩余寿命预警模型算法研究、设计，完成剩余寿命预警模型的建立。
4硬件方案
4.1传感器
a）气体传感器
MEMS气体传感器具有尺寸小，功耗低，灵敏度高，响应、恢复时间短等特点，适合阵列式集成，能够满足剩余寿命预计模块的探测需求，工作原理如图3所示。
b）压力、温度传感器
压力传感器采用差压型硅压阻式压力传感器，温度传感器采用芯片式MEMS温度传感器，二者都具有尺寸小，功耗低，灵敏度高，响应快等特点，适合于剩余寿命预计模块的需求。
4.2气体传感器检测电路
气体传感器工作过程中通过加热器电压VH和测试电路电压VCC，确保传感器敏感元件维持在最优的感应温度上；测试电路电压VCC给传感器芯片上形成的金属氧化物半导体敏感部及负载电阻RL（与传感器进行串联）供电。通过测量负载电阻RL两端的电压得到气体浓度的变化值。检测原理如图4所示：
为了实现精准测量，传感器和检测电路进行一对一进行匹配，传感器的输出电压可以通过可调电阻RS1进行精确调节。如图5所示。
4.3供电电路
剩余寿命预计模块使用锂电池供电，电池标称供电电压3.7V，满电供电电压4.2V，电压经过LDO稳压芯片稳压后为传感器、中央处理器单元、存储单元和有线/无线通信单元供电。因为传感器阵列中每个传感器的功能及检测特性各不相同，因此要为每一个传感器匹配不同的LDO稳压芯片进行供电。
4.4中央处理单元电路设计
中央处理器单元选用低功耗CPU JS32F030 （对应的进口器件型号为STM32F030K6），该处理器使用ARM CortexTM－M0 32位RISC内核，最大时钟频率为48MHz，拥有丰富的端口外设资源、12位16通道模数转换器（ADC）、大容量的RAM 和 FLASH、3个通信接口（I2C、SPI、USART），支持多种低功耗模式，适合作为剩余寿命预计模块的中央处理单元使用，完成传感器数据采集和数据处理工作。局部电路图如图6所示。
4.5通信接口设计
剩余寿命预计模块设计有Micro USB接口和无线通信接口。Micro USB接口既是锂电池充电接口，也是有线数据传输接口。
目前市面上无线通讯技术随处可见，技术成熟，常见的有蓝牙、ZigBee、WiFi、LoRa、Thread、Z-Wave、UWB等。但是鉴于过滤式滤毒罐及剩余寿命预计模块的应用环境，可能存在易燃、易爆物质，所以无线通讯的发射功率不能太大。因此本方案选用符合IEEE802.15.4标准的SmartNodeV6通讯协议的无线通信技术，工作在ISM频段（软件可配置），发射功率1dbm～17dbm（可软件配置），发射电流33Ma@10dbm/10mW，无线传输速率2.4～256kbps，室外通信距离1km@10dbm/10mW。
无线通讯采用被动+半主动模式。被动模式：当接收到控制中心读取信息指令时，发送工作状态以及检测数据；半主动模式：当滤毒罐剩余寿命达到设定预警、报警值时，主动发送工作状态以及检测数据。
5软件方案
剩余寿命预计模块软件采用C语言进行开发，软件开发环境为keiluVision5，软件运行设备为基于JS32F030K6核心的硬件平台。软件的主要功能为通过JS32F030K6内部的ADC获取传感器阵列的模拟量信息，结合内部种类识别算法公式、剩余寿命预警模型进行毒剂种类识别、剩余寿命计算，并通过Micro USB接口和无线通信接口将检测结果输出至预警显示模块。剩余寿命预计模块软件运行流程图如图7所示。
a）系统初始化模块完成系统时钟初始化、系统中断优先级配置、气体传感器电源控制初始化、微型隔膜泵电源初始化、ADC 模块初始化、温湿度传感器、压力传感器初始化、定时器初始化、用户串口初始化等。气体传感器电源和微型隔膜泵电源初始化后保持常开，ADC模块分辨率为12位。
b）数据算法处理接口接收ADC采集的多传感器电压模拟量作为输入，对多通道模拟量的变化进行识别判断，结合内部种类识别算法、剩余寿命预警模型进行毒剂种类识别、剩余寿命计算。
6接口方案
剩余寿命预计模块设计有Micro USB接口和无线通信接口。其中Micro USB接口引脚功能定义如表1所示。
表1Micro USB接口定义
| 序号 | 名称 | 线的颜色 | 描述 |
| 1 | VBUS | 红色 | 电源正5V |
| 2 | D- | 白色 | 数据线负 |
| 3 | D+ | 绿色 | 数据线正 |
| 4 | ID | － | － |
| 5 | GND | 黑色 | 信号地线 |
无线通信接口采用SmartNodeN608通信模块。Micro USB接口和无线通信接口采用统一的通讯协议，通讯协议详见表2。
表2通讯协议
表3气体种类信息
本发明产生的效果是可识别苯（C6H6）蒸汽、氯化氰及氨气的种类，并在滤毒罐剩余寿命为70%、滤毒罐剩余寿命为50%、滤毒罐剩余寿命为30%时发出寿命预警信息；剩余寿命预计模块可以重复使用，重复使用次数在10次以上；该项目转化为成品后，对滤毒罐升级换代有积极的帮助作用。本发明还具有以下优点：
1.剩余寿命预计模块与滤毒罐配套使用，采用分体式设计。剩余寿命预计模块外观为半圆环状，通过快速安装接口固定在滤毒罐的侧壁上。
2. 剩余寿命预警建模根据实验数据开展基于数理统计方法的剩余寿命预警模型算法研究、设计，完成剩余寿命预警模型建立。
3. 硬件模块中有传感器、气体传感器检测电路、供电电路、中央处理单元电路、通信接口等。
4. 软件模块通过JS32F030K6内部的ADC获取传感器阵列的模拟量信息，结合内部种类识别算法、剩余寿命预警模型进行毒剂种类识别、剩余寿命计算，并通过Micro USB接口和无线通信接口将检测结果输出至预警显示模块。
5. 接口：剩余寿命预计模块设计有Micro USB接口和无线通信接口。
Claims (7)
1.滤毒罐剩余寿命检测方法，其特征在于：该方法基于剩余寿命预计模块，剩余寿命预计模块包括电源电路、传感器阵列、中央处理单元、有线/无线通信单元、微型隔膜泵、数据存储单元；电源电路为剩余寿命预计模块的各个功能单元及微型隔膜泵提供工作电源；微型隔膜泵负责将经过滤毒罐过滤后的气体泵至传感器阵列腔室后排出；传感器阵列将化学毒剂信号转换为电信号，送至中央处理单元进行信息处理；中央处理单元用于采集传感器阵列的信号进行毒剂种类、浓度检测，利用剩余寿命预警模型根据检测到的气体浓度进行滤毒罐剩余寿命预测，并将检测结果、预测信息传送至有线/无线通信单元；有线/无线通信单元用于将剩余寿命模块的检测结果通过无线传输的方式传送至报警显示单元；数据存储单元对毒剂种类、预警信息进行存储。
2.根据权利要求1所述的滤毒罐剩余寿命检测方法，其特征在于：中央处理单元中剩余寿命预警模型的建立过程为：在不同寿命滤毒罐开孔进行取样探测，摸索滤毒罐的毒剂种类、毒剂浓度、滤毒罐填装工艺因素对滤毒罐穿透时间的影响，根据实验数据开展基于数理统计方法的剩余寿命预警模型算法研究、设计，完成毒剂浓度和剩余寿命匹配的剩余寿命预警模型的建立。
3.根据权利要求2所述的滤毒罐剩余寿命检测方法，其特征在于：剩余寿命预警模型的建立过程中，滤毒罐进气口侧、碳层厚度5%位置、碳层厚度10%位置，依次类推至碳层厚度95%位置滤毒罐侧壁上都分别开孔取样探测，由此选取预测最准确的开孔取样位置。
4.根据权利要求2或3所述的滤毒罐剩余寿命检测方法，其特征在于：剩余寿命预警模型的建立过程中还考虑环境温湿度和大气压力。
5.根据权利要求2或3所述的滤毒罐剩余寿命检测方法，其特征在于：剩余寿命预计模块为半圆环状，通过快速连接口（4）固定在滤毒罐的侧壁上。
6.根据权利要求2或3所述的滤毒罐剩余寿命检测方法，其特征在于：气体取样采用主动取样方式，当打开剩余寿命预计模块供电开关后，模块开始主动采样，取样气体由微型隔膜泵泵至传感器阵列检测腔体。
7.根据权利要求2或3所述的滤毒罐剩余寿命检测方法，其特征在于：无线通讯采用被动+半主动模式，被动模式：当接收到控制中心读取信息指令时，发送工作状态以及检测数据；半主动模式：当滤毒罐剩余寿命达到设定预警、报警值时，主动发送工作状态以及检测数据。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20220816 |