CN201239452Y - 一种实现消防炮雾化角控制功能的机构 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种实现消防炮雾化角控制功能的机构，包括机械部分、传感器采集部分、控制部分，炮管侧壁上安装有柱雾位移传感器，柱雾位移传感器的传感器拉杆与伸缩管固定连接，柱雾位移传感器装在全密封设计的传感器罩内，位移传感器输出信号线连接到传感器采集板；炮喷头中装有俯仰角度传感器，俯仰角度传感器装有齿轮与炮喷头俯仰涡轮蜗杆上的齿轮相啮合，俯仰角度传感器的信号输出线接到传感器采集板。消防炮在远距离灭火时，喷射雾化角小的柱状水流，增大射程；近距离灭火时，喷射雾化角大的雾状水流降低水流冲击力，中间距离灭火时喷射雾化角居中的开花水流——这样做可以防止柱状水流直接作用于人体时对人的伤害，同时增加了灭火面积。

Description

一种实现消防炮雾化角控制功能的机构

技术领域：

本实用新型属于消防设备领域，具体涉及到消防炮的输出水流的控制。

技术背景：

市场上现有消防炮具有2种输出水流的方式，它们分别是纯柱状水流与柱/雾转换水流，纯柱状水输出水流就是始终输出柱状水流，柱/雾转换水流就是输出水流可以可以在柱状、雾状水流2种状态间转换。由于雾化水流最大射程基本在15米左右，所以柱/雾转换水流实际应用时，在射程15m以内，消防炮保持在雾状水，雾化角度大，使灭火面积更大，而在射程更大时，消防炮此时要保持在柱状水。就是说射程在15米以上时，消防炮输出水流与纯柱状水完全相同。而柱状水流对物体的冲击力很大，这就带来了一个问题——自动消防炮输出水流对人和物体是不是安全，特别在人员密集的大空间场所应用时消防炮对人的安全问题更加突出。通过试验研究，不论自动消防炮还是手动消防炮，20升/秒流量的消防炮在水压8公斤时，输出水流直接在作用在20-30米外的截面积0.05m²盘面的峰值作用力都在二百公斤以上，人体是很难承受的。

实用新型内容：

本实用新型的目的是提供一种实现消防炮雾化角控制功能的机构，解决消防炮在使用过程中水流冲击力过大，存在安全隐患的这一问题。

本实用新型的技术方案：

一种实现消防炮雾化角控制功能的机构，包括机械部分、传感器采集部分、控制部分，所述机械部分包括有炮喷头、炮管，炮管前端套装有可运动的伸缩管，炮管侧壁上还安装有柱雾电机，柱雾电机和伸缩管之间用柱雾推进器连接起来，使电机带动伸缩管在炮管上伸缩，所述的控制部分是由消防炮解码器、柱雾电机组成，其特征在于：炮管侧壁上安装有柱雾位移传感器，柱雾位移传感器的传感器拉杆与伸缩管固定连接，柱雾位移传感器装在全密封设计的传感器罩内，位移传感器输出信号线连接到传感器采集板；炮喷头中装有俯仰角度传感器，俯仰角度传感器装有齿轮与炮喷头俯仰涡轮蜗杆上的齿轮相啮合，俯仰角度传感器的信号输出线接到传感器采集板；所述的传感器采集部分是由俯仰角度传感器、柱雾位移传感器、传感器采集板组成，传感器采集板负责收集传感器信息并发送到解码器。

消防炮解码器接收传感器采集板发送的信息，控制柱雾电机转动，柱雾电机转动可以带动伸缩管从而改变输出水流的雾化角度。

本实用新型的设计思路和工作原理

本实用新型是通过“不同的射程下喷射雾化角不同的开花水流”的设计思路来设计机构的。

“不同的射程下喷射雾化角不同的开花水流”，就是若火源离消防炮距离越近，射程越小，则水流雾化角越大，此时灭火面积更大，冲击力更小；若火源离消防炮距离越远，则需要水流的雾化角更小，此时水流具有更大的动能与更小的截面积，空气阻力相应的变小，所以射程更远，由于水从炮喷头喷出到落地的时间加长，受空气的作用，虽然雾化角大幅减小，实际灭火面积的减少并不多。简洁的说，就是在保证射程的前提下，通过增大雾化角即增大输出水流截面积(即“开花水”的方式)，增加空气阻力、减少水流的冲击力、增大灭火面积。

本实用新型实际采用的方法是通过炮喷头俯仰角度控制喷头伸缩管位置，实现“不同的射程下喷射雾化角不同的开花水流”。

如果消防炮安装后其高度不变，那么在供水管道压力一定的情况下，俯仰角度与消防炮的射程之间有一一对应的关系。伸缩管是消防炮喷头的水输出管道部分，它可以被柱雾电机带动，可以控制输出水流的雾化角度。由于消防炮俯仰角度与射程之间，伸缩管位置与输出水流雾化角之间有对应关系，可以通过炮喷头俯仰角度控制喷头伸缩管位置，实现消防炮的雾化角控制功能。

要根据消防炮实际情况来确定炮喷头的俯仰角度与伸缩管位置的值。就是寻找俯仰角度与射距之间、伸缩管位置与雾化角的对应关系，为了在控制程序中实现，需要一个相应的算法，采用查表实现是一个简单有效的方法。首先通过实验得到表格——消防炮安装在设定的高度、不同的俯仰角度下，寻找一个与俯仰角度对应的伸缩管位置，此时输出水流能兼顾射程与冲击力的要求，记录俯仰角度与伸缩管位置，通过多次试验即可得到炮喷头的俯仰角度与伸缩管位置对应关系的表格。在得到俯仰角度与伸缩管位置之间的关系表格后，然后通过试验验证采用该表格算法的消防炮在不同射程下冲击力均对人没有安全隐患。

为保证控制精度，设计中采用高精度的角度传感器检测俯仰角度，高精度的位移传感器检测伸缩管的位置，配合16位的A/D采集芯片，输出俯仰角度分辨率为0.05度，输出伸缩管的位置精度达到0.5mm，分辨率为0.05mm。设计俯仰角度与伸缩管位置的关系要保证冲击力有很大的裕量，防止俯仰角度误差(角度传感器安装精度以及现场消防炮的安装精度都不会很高)可能造成冲击力超过人体安全范围。

在实现雾化角控制功能的时候，与原有输出水流方式相比必然造成相同的俯仰角度下，射程变小的问题，原先定位完成，经过抛物线修正后落水点就在火源上，现在落水点可能就要比火源要近。手动消防炮因为有人的参与定位没有以上问题，而自动修放炮需要修正俯仰位置，在抛物线修正后加入雾化修正表即可，或者炮喷头作小幅度的俯仰来解决这一问题。

消防炮还设计了专门保护传感器的传感器罩，既方便了柱雾位移传感器的安装，也使柱雾位移传感器在复杂的水、尘环境里长期使用，环境级别能达到IP67。如传感器罩镀防腐蚀层，传感器可以长期工作在具有腐蚀化学成分的环境中。

上面的技术方案已经应用在PSDZ20W(流量为20升/秒)自动消防炮上，实验结果在水压10公斤时输出水流对0.1m²面积的冲击力峰值不大于10公斤，完全处于人的安全范围以内。

本实用新型的优点是：

1.减弱了消防炮输出水流的冲击力，直接冲击人和物时的造成危害大大减小，使消防炮可以应用在人员密集的场合。

2.增大了灭火面积，可以防止火灾的扩散，提高了水的利用率，更绿色环保。

3.柱雾行程反馈(即位移传感器部分)可以在复杂的水、尘、及具有腐蚀性化学成分的环境里长期使用。

4.本实用新型新增功能实现部分结构清晰简单。实用新型实际应用在20升/秒的自动消防炮上，没有对原有的消防炮与消防炮解码器的结构做大的改动。

5.本实用新型适用范围广。不论是自动消防炮还是手动消防炮，只要是通过电机实现柱/雾水流转换的消防炮均可通过增加俯仰角度传感器，位移传感器以及更改相应的雾化角控制程序来实现雾化角控制功能。

附图说明：

图1：消防炮机械结构的主视图。

图2：消防炮机械结构的俯视图。

图3：柱雾部分机械示意图。

图4：位移传感器外形图。

图5：传感器数据采集电气原理框图。

图6：消防炮雾化角控制功能的控制模型图。

图7：雾化角控制子程序流程简图。

图中标号：

1.外壳 2.管体 3.法兰盘 4.定位器 5.炮喷头 6.俯仰电机 7.俯仰涡轮蜗杆 8.水平电机 9.水平涡轮蜗杆 10.柱雾电机 11.柱雾推进器 12.分流支管 13.传感器罩14.电机及极限接口 15.传感器采集板 16.水平极限开关 17.俯仰极限开关 18.水平角度传感器 19.俯仰角度传感器 20.水平齿轮及凸台 21.齿轮 22.俯仰齿轮 23.俯仰凸台 24.管体 25.伸缩管 26.齿状管口 27.雾发生块 28.底座a 29.底座b30.O型圈 31.传感器罩后盖 32.传感器罩前盖 33.传感器拉杆 34.传感器定位螺丝 35.支架 36.前盖螺丝 37.后盖螺丝 38.防水垫 39.防水接口 40.O型圈 41.传感器信号输出线 42.传感器螺丝 43.电机螺丝 44.电位器

具体实施方式：

参见图1-7。

图1：消防炮机械结构的主视图。

消防炮的水管路是由法兰盘、管体、分流支管、炮喷头组成，法兰盘接到水管道上，水经炮管体、分流支管到达炮喷头，炮喷头将水喷出。消防炮上设计有俯仰、水平、柱雾电机。俯仰电机转动时，通过俯仰涡轮蜗杆带动炮喷头作俯仰运动；水平电机转动时，通过水平涡轮蜗杆带动跑喷头作水平运动，柱雾电机转动时，通过柱雾推进器作用炮喷头，改变输出水流的雾化角。在喷头上装有位移传感器罩和定位器，传感器罩内有位移传感器，可以检测伸缩管的位置，定位器是自动寻火的装置。炮体上装有外壳，可以保护内部电气器件。

图2：消防炮机械结构的俯视图

消防炮用法兰盘连接到水管道上，水通过法兰进入消防炮管体，然后通过左侧分流支管、右侧分流支管分流，再到喷头处汇合喷出。喷头出口有柱雾发生机构。它是由喷头管体，伸缩管，雾发生块组成的。喷头管体与雾发生块之间有一环形的斜向出水口，它使水冲到此处，受斜向口的引导，向外大于90度的方向出水。如此时伸缩管处于缩状态，水流将直接冲向伸缩管的齿状管口，形成雾化角大于90度的雾状水流。如此时伸缩管处于伸状态，原有出水角度大于90度的水流将受到伸缩管的阻挡，冲向伸缩管的齿状管口形成的雾化角度将变小，伸缩管越往外伸，雾化角度越小，直到雾化角度为0度，形成柱状水流。

消防炮装有水平、俯仰、柱雾电机，水平、俯仰电机分别通过俯仰涡轮蜗杆和水平涡轮蜗杆带动炮喷头水平、俯仰运动。柱雾电机带动柱雾推进器做伸缩运动，推进器前端固定在伸缩管上，使推进器可以带动伸缩管做伸缩运动。这样就可以通过控制电机实现了水流输出柱/雾的控制了。伸缩管与喷头管体间有O???型圈，保证在管体上滑动时不漏水。

水平、俯仰方向装有相应的极限开关以及凸台，提供喷头相应方向转动的极限位输出信号，水平和俯仰还装有相应的角度传感器，传感器上装有齿轮，与水平齿轮、俯仰齿轮啮合，提供喷头的位置信息。柱雾传感器罩内有位移传感器，负责提供伸缩管的位移量。传感器采集板负责采集水平、俯仰角度传感器以及柱雾位移传感器输出模拟量，转化为数据发送给消防炮解码器，同时作为定位器的电源接口接受消防炮解码器的电源供给。

柱雾电机固定在底座b上，传感器罩固定在底座a，底座b连接到底座a，底座b固定在炮喷头管体上。消防炮上还有电机及极限接口，可以接收消防炮解码器的电机驱动信号到相应的电机，同时发送极限开关信号给消防炮解码器。

本图在喷头位置省略了定位器。

图3：柱雾部分机械示意图

柱雾电机是喷头柱雾运动的动力源，通过柱雾推进器来推/拉伸缩管实现输出水流雾化角的变化。在推进器上装有一定位支架，在伸缩管伸缩同时被推/拉，位移传感器的拉杆用锁定螺丝固定在定位支架上，这样位移传感器的拉杆的位移就可以反映伸缩管的位移变化。

位移传感器安装在柱雾位移传感器罩内，传感器罩外壳均为金属材质，可以保护位移传感器不受外力损坏。将外壳渡防腐蚀层，则可以保护位移传感器使其在具有腐蚀化学成份的环境下也可以使用。传感器罩外壳上有防水接头可以使传感器输出线接口防水。传感器罩设计有后盖与前盖，它们通过螺丝固定在外壳上。设计后盖可以方便安装输出线缆，而前盖上设计有O???型圈可以使移动的拉杆与外壳间防水，再加上前盖、后盖与外壳间均有防水垫提供前后盖与外壳间的防水。所有这些防水设计使传感器罩能为传感器提供级别为IP67的水尘环境保护。

柱雾电机通过螺丝固定底座b上，柱雾位移传感器罩通过螺丝固定底座a上。

图4：位移传感器外形图

柱雾的行程传感采用位移传感器，它主要包括电位器部分，传感器定位螺丝，传感器拉杆，传感器信号输出线。位移传感器的工作原理是传感器定位螺丝将待测位移点固定在传感器拉杆上，当待测点移动时，传感器拉杆随之被拉动，拉杆的移动将使电位器的电阻可调点产生位移，于是，拉杆位移的变化体现在电阻阻值的变化上。此阻值信号由传感器信号输出线输出。

图5：传感器数据采集电气原理框图

安装在消防炮上的传感器采集板可以采集传感器信号，并将其转换为数据发送到消防炮解码器。他的工作原理是连接柱雾位移传感器、水平角度传感器、俯仰角度传感器，接收并放大其信号，再通过A/D转换器(芯片TDS8361)将模拟信号转换成数字信号供CPU读取数据，CPU读取数据后，把数据做数字滤波处理，再通过RS485接口不断的发送给消防炮解码器，这样消防炮解码器也就可以得到实时的消防炮炮头喷头水平俯仰角度与柱雾位置信息。

消防炮解码器为传感器采集板提供12V电源，再由传感器采集板电源部分将其转换为模拟5V，数字5V供电给板上的芯片，电源部分还提供DC/DC隔离减弱外部干扰对内部芯片的不利影响。

图6：消防炮雾化角控制功能的控制模型图

安装在消防炮上的俯仰角度传感器负责检测喷头的俯仰角度，安装在柱雾推进器上的柱雾位移传感器负责检测伸缩管的位置，这样消防炮解码器通过角度采集板能够实时的得到喷头角度以及伸缩管的位置信息。解码器作为控制模型中的控制器，根据俯仰角度查表算出伸缩管的设定位置，再与伸缩管的实际位置进行比较，将比较的结果做信号放大驱动柱雾电机转动，电机通过柱雾推进器作用伸缩管，直到伸缩管到达设定的位置。

消防炮安装后，其高度不变，供水管道压力一定的情况下，俯仰角度对应相应的射程，而伸缩管位置对应开花水流的雾化角，可以看出，通过上述的控制模型就实现“不同的射程喷射雾化角不同的开花水流”的设计思路。

图7：雾化角控制子程序流程简图

雾化角控制子程序是消防炮解码器实现雾化角控制功能的主要程序。进入程序首先查看俯仰角度改变标志C是否为1，不是1的话，说明俯仰角度未变化，无需雾化角控制；是1的话，说明俯仰角度有变化，需要程序干预。程序先通过俯仰角度算出需要设定的伸缩管位置A，然后比较现在的伸缩管位置B是否等于设定的位置A，如果不相等，就驱动柱雾电机转动，带动伸缩管向设定位置A移动，并且把延时时间T设置为1S；如果相等，则延时1S进行雾化角控制成功的确认。

由于伸缩管达到设定位置后，在电机停止转动时可能有机械惯性对伸缩管的位置产生影响，为消除干扰信号，程序里设计了延时1S进行雾化角控制成功的确认。具体流程是在伸缩管位置达到设定位置后询问延时时间T是否为0(1秒延时确认)，延时时间T不为0，将延时时间T递减；如延时时间T为0(完成1秒延时确认)则说明雾化角控制已经完成，取消俯仰角度改变标志，退出子程序。在1S递减时间内，如果伸缩管不在设定位置，则重新驱动电机控制伸缩管的位置，并将延时时间初始化为1S。

在主程序的主循环中调用柱雾子程序以实现雾化角控制功能，为实现雾化角控制还要在主程序中对消防炮俯仰进行操作时，设置俯仰角度改变标志C等于1。

Claims (1)

1.一种实现消防炮雾化角控制功能的机构，包括机械部分、传感器采集部分、控制部分，所述机械部分包括有炮喷头、炮管，炮管前端套装有可运动的伸缩管，炮管侧壁上还安装有柱雾电机，柱雾电机和伸缩管之间用柱雾推进器连接起来，使电机带动伸缩管在炮管上伸缩，所述的控制部分是由消防炮解码器、柱雾电机组成，其特征在于：炮管侧壁上安装有柱雾位移传感器，柱雾位移传感器的传感器拉杆与伸缩管固定连接，柱雾位移传感器装在全密封设计的传感器罩内，位移传感器输出信号线连接到传感器采集板；炮喷头中装有俯仰角度传感器，俯仰角度传感器装有齿轮与炮喷头俯仰涡轮蜗杆上的齿轮相啮合，俯仰角度传感器的信号输出线接到传感器采集板；所述的传感器采集部分是由俯仰角度传感器、柱雾位移传感器、传感器采集板组成，传感器采集板负责收集传感器信息并发送到解码器。

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