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一種消防壓力氣瓶安全監控設備的設計

文檔作者：張玉杰伍瑩瑩文檔來源：陜西科技大學電氣與信息工程學院		點擊數：	更新時間： 2021年01月05日
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2014鉅
第7期
儀表技術與
Instrument Technique
2014
No．7
一種消防壓力氣瓶安全監控設備的設計
張玉杰，伍瑩瑩
(陜西科技大學電氣與信息工程學院，陜西西安710021)
摘要：針對消防壓力氣瓶存在因裂紋或損傷而突發性爆炸、慢性漏氣、故障檢測不便、成本高等問題，提出一種消防壓
力氣瓶安全監控設備，消防壓力氣瓶以SONIX27E65為控制核心，詳細介紹了系統的硬件及軟件設計。試驗測試表明，該
系統可靠性強，效率高，故障檢測準確度高、操作靈活方便，實時性好。在實際消防應用中，能夠滿足消防壓力氣瓶對瓶內
氣壓和氣瓶承壓狀態實時監控，避免突發性爆炸和漏氣現象的功能需求。
關鍵詞：消防壓力氣瓶；PVDF；電磁閥；監控
中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：文章編號：1002—1841(2014)07—0031—02
Design of Fire Pressure Gas Cylinder Safety Monitoring Device
ZHANG Yu-jie．wU Ying—ying
(College of Electrical and information Engineering，Shaanxi University of Science and Technology，Xi’an 710021，China)
Abstract：According to the fire pressure cylinders for cracks or damage and sudden explosion，chronic leakage fault detection，
high cost，inconvenient problem，this paper designed a kind of fire pressure gas cylinder safety monitoring device，took SONIX27E65
as the control core，and introduced the hardware and the software design of the system．The test shows that，this system has high reliability，
high efficiency，high accuracy of fault detection，convenient operation and good real—time performance．In the actual fire ap·
plication，the system can meet the fire pressure cylinder pressure and cylinder pressure real—time monitoring，and avoid the sudden
explosion and leakage phenomenon．
Key words：fire pressure cylinders；PVDF；solenoid valve；monitoring
0 引言
針對消防壓力氣瓶存在的問題 ，文中提出一種消防壓力
氣瓶安全監控裝置，其實時監控氣瓶內氣壓和氣瓶承壓狀態，系統
自動監測并能夠實時發現故障并報警，消防壓力氣瓶及時處理各
種故障。對氣瓶的承壓狀態進行監測，當檢測到氣壓值超出預設
壓力閾值時，則驅動電磁閥動作執行爆破，避免爆炸、漏氣等事故
的發生，確保消防設施安全運行。當監測到氣瓶出現漏氣現象，則
通過LED指示燈立即報警，通知管理員及時維修。
1 系統總體結構
消防壓力氣瓶安全監控設備實時檢測氣瓶壓力狀態，氣瓶
壓力狀態檢測包括承壓狀態檢測和氣瓶內部氣壓狀態檢測。
監控設備對氣壓狀態數據進行處理分析，判斷氣瓶處于正常狀
態，還是出現裂紋或者漏氣現象，通過LED指示燈指示氣瓶當
前的狀態。如果氣瓶出現裂紋，則驅動爆破執行電路，強制消
防壓力氣瓶放氣，防止意外事故的發生。如果氣瓶出現漏氣現
象，則通過LED指示燈指示氣瓶出現漏氣現象。消防壓力氣瓶
總體結構框圖如圖1所示。
其以SONIX27E65微控制器為核心，包括電源電路、承壓狀
態檢測電路、內部氣壓檢測電路、自檢電路、爆破執行電路、LED
指示燈電路。
2 氣瓶監控設備硬件設計
基金項目：陜西省教育廳科技計劃項目(09JK371)；西安市科技計劃項
目(CX1259(2))
收稿日期：2013—07—16 收修改稿日期：2014—02—17
1I承檢壓測狀電態路1r．
1『內檢測部氣電壓路Ir． SOND 7B65
f自檢電路
圖1 消防壓力氣瓶總體結構框圖
氣瓶狀態檢測包括承壓狀態檢測和氣瓶內部氣壓狀態檢
測，下面分別介紹。
2．1 承壓狀態檢測電路設計
PVDF壓電薄膜是一種新型的高分子壓電材料，它既具有
壓電性又有薄膜柔軟的機械性能，靈敏度高、頻帶寬、使用方
便、能緊貼體壁等一系列特點。PVDF壓力傳感器的測量原理
是PVDF薄膜在承受一定外力或變形時，薄膜的2個極化面就
會產生大小相等、極性相反的電荷，因此可以把它看成是二極
板上聚集異性電荷，中間為絕緣體的電容器 J。在開路狀態
下，其輸出端的電荷和電壓關系式為：
u =q
c
將PVDF制作成條狀，并以螺旋狀緊貼于消防壓力氣瓶的
瓶壁外表面，當消防壓力氣瓶因裂紋擴張而出現快速膨脹時，
PVDF傳感器的應變信號經放大轉換為電壓信號，微控制器通
過檢測此電壓信號來檢測消防壓力氣瓶承壓狀態。PVDF壓電
薄膜傳感器具有高內阻的特點，其輸出信號的前置放大電路設
計必須滿足輸入和PVDF傳感器的阻抗匹配，即把PVDF的高
32 Instrument Technique and Sensor Ju1．2014
阻抗輸入轉換成低阻抗輸出，同時將輸出微弱信號放大以便于
后續處理。
圖2 PVDF壓電傳感器前置放大電路
采用超低噪聲、高速、高輸入阻抗的AD745運算放大器進
行電荷放大，電荷放大電路為信號調理電路中第一級，原始的
電荷信號經過電荷放大電路之后轉換成電壓信號。第二級放
大電路采用低功耗精密運算放大器OP07，第二級放大實際上
是對前置電荷放大電路的一個適當調節，如：
= 一
式中：Vi為電荷放大器的輸入；vo為放大電路的輸出。
第三級為整流電路，將交流信號轉換為直流信號，微控制器通
過檢測此直流電壓信號，對氣瓶的承壓狀態進行監測，當檢測到氣
壓值超出預設壓力閾值時，則驅動電磁閥動作執行爆破。
2．2 內部氣壓檢測電路設計
內部氣壓檢測電路采用x型硅壓力傳感器MPX2100，將壓
力信號轉換為差模電壓信號，其轉換精度高、靈敏性強、線性度
好。MPX2100的2引腳和4引腳之問輸出與壓力成正比的差
模電壓信號，U1A主要完成差模信號的放大，u1B是電壓跟隨
器，用于防止運放的反饋電流流入傳感器的負端，U1C和U1D
用于電壓信號的調節，最終形成 電壓信號(0—4．9 V)。零
壓力時，傳感器的2和4端之間的壓力差為零。設2端和4端
的共模電壓各為4 V，則U1A的端電壓也是4 V，該電壓經U1C
和U1D電路使其輸出為零。輸出端的零壓力偏置由 和RPI
引入。放大器的增益為
籌
合理的選擇增益使傳感器滿量程輸出時，輸出端的電壓達
到合理的單片機可以采集到的值。該電壓信號接入SONIX27E65
的內部A／D轉換通道，經數據處理得到對應的壓力，
從而實現對鋼瓶內部氣壓的監測。
通過在消防壓力氣瓶內的瓶塞處安裝MPX2100氣壓傳感
器來實時檢測瓶內氣體的壓力，當檢測到的氣壓值低于預設氣
壓閾值，則判斷壓力氣瓶存在漏氣現象，對于壓力不足的氣瓶
則要及時進行故障報警，通知管理員及時維修避免壓力不足而
引起滅火效果不佳。
2．3 爆破執行電路設計
電磁閥采用型號為ZYE一1038的直流推拉式電磁鐵，電磁
閥安裝在消防壓力氣瓶外的瓶塞處，當微控制器通過PVDF傳
感器檢測到壓力氣瓶發生膨脹時，則在P2．0和P0．0輸出低電
圖3 內部氣壓檢測電路
平，光耦u2和u3的輸出端導通，光耦u3的引腳4被拉低，
MOS管Q，導通，驅動電磁閥動作執行爆破，強制消防壓力氣瓶
放氣，防止意外事故的發生。
+24V
圖4 爆破執行電路
3 氣瓶軟件設計
氣瓶程序設計采用層次化設計思想，以任務驅動的方式完成
程序設計，軟件劃分為應用層、界面層和底層驅動層3個層次 ，
氣瓶節點的軟件架構圖如圖5所示。底層驅動層主要包含EEPROM
存儲器操作、LED指示、中斷和定時這些與硬件相關的驅動程
序，界面層主要為應用層與底層驅動之間提供數據交互，應用層是
通過對界面層各個變量以及標志位的操作控制底層驅動層各模塊
來完成所需功能，根據氣瓶節點功能，將應用層劃分為數據采集任
務、傳感器自檢任務、電磁閥自檢任務、故障報警任務 。
系統應用屢程序MnAPP 。
應用層 燜 I傳感器創鮪 電磁閥自檢任務I電磁閥撕誑務l故障報警任；}
T T
I sysctry l j APPBuf l
界面層
IE L 酬 I LedFIGIlI_edBufl lADCBtffl l IntGndl
底層驅 t
動層 岫￡PRO刪 f MilLed l f MnADCf l中斷和定時f
圖5 氣瓶節點軟件架構圖
(下轉第36頁)
Instrument Technique and Sensor Ju1．2014
20
jIjlI
o
~H．-2o
(a)450 LLn 方向R路誤差擬合中心偏離度
一200 —150 —100 —50 0 5O 100 150 200
中心偏離度
(b)450 m 方向￡路誤差擬合中心偏離度
圖lO y方向樣本點及一次擬合曲線
表1 最小二乘擬合參量
4 結束語
(1)文中利用最小二乘對陰影部分進行算法擬合補償，修
正了因為衍射造成的CCD檢測到的陰影位置誤差，使得在幾何
模型中的原始樣本值更精確。
(2)在基于最小二乘數據擬合的邊緣檢測算法的基礎上，
針對所采集圖像的過程，提出了一種優化光學幾何模型的算
法，和普通光學模型算法相比，改進的算法著重分析了優化的
光學模型，在分析模型時不做近似處理，因此算法誤差更小，這
也進一步增加了測量精度。
(3)在系統中只對450 m量棒進行了實驗仿真，對于系列
不同線徑量棒還有待進一步的分析，找出規律，進行不同線徑
量棒的補償，在后續研究中有待做進一步探討分析。
參考文獻：
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作者簡介：韓星(1988～)，碩士研究生，研究方向為智能機電系統與光
機電一體化。E—mail：06hx825@163．com
(上接第32頁)為了保證系統的可靠性，避免電磁閥執行誤動
作，因此，將通過P1．0對控制端口P2．0電平進行監測，當P2．0
為低電平時，微控制器通過P1．0讀取P2．0電平，每隔5 ms讀
取1次，如果讀取3次都為低電平，說明P2．0 VI輸出的信號不
是干擾脈沖，則將P0．0拉低，驅動電磁閥動作執行爆破。電磁
閥執行任務流程圖如圖6所示。
圖6 電磁閥執行任務流程圖
4 結束語
系統以SONIX27E65為核心處理器，設計了一種消防壓力
氣瓶安全監控設備，系統能夠有效解決消防壓力氣瓶因裂紋或
損傷而突發性爆炸、慢性漏氣、故障檢測不便等問題，保障了人
民的生命和財產安全。試驗測試表明，該系統可靠性強，效率
高，故障檢測準確度高、操作靈活方便，實時性好。在實際消防
應用中，能夠滿足消防壓力氣瓶對瓶內氣壓和氣瓶承壓狀態實
時監控，自動監測能實時發現故障并報警，避免突發性爆炸和
漏氣現象的功能需求。
參考文獻：
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作者簡介：張玉杰(1966一)，教授，碩士，主要從事信息采集與處理、模
式識別、嵌入式系統開發等研究。
E—mail：zhangyujie@sust．edu．cn

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