無線壓力傳感器在消防員空氣呼吸面罩設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

吳文凱， 趙寒濤

(1.黑龍江省科學(xué)院自動化研究所，哈爾濱 150090； 2.黑龍江省科學(xué)院高技術(shù)研究院，哈爾濱 150020)

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無線壓力傳感器在消防員空氣呼吸面罩設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

吳文凱1，2， 趙寒濤1，2

(1.黑龍江省科學(xué)院自動化研究所，哈爾濱 150090； 2.黑龍江省科學(xué)院高技術(shù)研究院，哈爾濱 150020)

介紹了正壓式消防員空氣呼吸面罩的組成和基本工作過程，以及無線壓力傳感器的技術(shù)特點(diǎn)，提出了一種基于無線傳輸?shù)目諝夂粑嬲值脑O(shè)計(jì)，討論了無線壓力傳感器在消防員空氣呼吸面罩設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

無線傳輸；消防；呼吸面罩；傳感器

火災(zāi)是最經(jīng)常、最普遍威脅公眾安全和社會發(fā)展的主要災(zāi)害之一，而直接和火災(zāi)相斗爭的便是消防員。隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，我國的大型商場、高層建筑及大規(guī)模的化工廠越來越多，消防員面臨的火場環(huán)境越來越復(fù)雜，進(jìn)入火場的時間越來越長，對消防員必須佩戴的防護(hù)裝備的安全性、可靠性、功能性等提出越來越高的要求。

正壓式空氣呼吸面罩是目前消防員普遍采用的火場穿戴設(shè)備之一，為消防員在缺乏氧氣、充滿有毒氣體、濃煙的高溫環(huán)境中提供安全、充足的空氣，以保證消防員能夠正常呼吸。實(shí)時掌握所背負(fù)氣瓶的空氣余量，對處于火場的消防員判斷繼續(xù)行動的時長起到重要的參考作用。由于火場現(xiàn)場環(huán)境干擾因素較多，方便快捷地讀取氣瓶壓力尤為重要。本文主要討論了無線壓力傳感器在消防員空氣呼吸面罩設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

1 空氣呼吸面罩及氣瓶

1.1 正壓式空氣呼吸面罩

消防員呼吸面罩按其工作原理可以分為氧氣呼吸面罩和空氣呼吸面罩。氧氣呼吸面罩與氧氣瓶構(gòu)成的呼吸系統(tǒng)為封閉式，消防員的每次呼吸不與外界大氣進(jìn)行交流，因此工作時面罩內(nèi)溫度較高，使用者佩戴舒適度較差，由于可供氣時間較長，主要適用于礦井等救援時間較長的火災(zāi)場景[1]。而空氣呼吸面罩雖然供氣時間較氧氣面罩短，但使用者呼吸順暢、阻力小、佩戴舒適，且空氣瓶的充氣方便、安全性高、成本較低，是目前消防員主要采用的呼吸面罩。此外，空氣呼吸面罩可以采用固定氣流速度或根據(jù)使用者每次呼吸的氣量供應(yīng)兩種供氣方式，分別稱為定量式和動力式。

空氣呼吸面罩以罩內(nèi)氣壓大小分為負(fù)壓式和正壓式兩種。其中，正壓式空氣呼吸面罩是指在呼吸過程中，面罩與消防員臉部之間的空間內(nèi)壓力不低于外界壓力的開路式空氣呼吸面罩[2]。消防員在使用正壓式空氣呼吸面罩的過程中，面罩內(nèi)的正壓起到將周圍環(huán)境的氣體等阻隔在面罩之外的作用，有效防止消防員在火場中吸入濃煙及有毒氣體。目前，正壓式空氣呼吸面罩已經(jīng)取代負(fù)壓式，被國內(nèi)消防部門普遍采用。

1.2 空氣壓縮氣瓶

據(jù)數(shù)據(jù)顯示，我國發(fā)生火災(zāi)的撲救時間平均約為43 min[3]。目前，國內(nèi)消防部門普遍裝備的是額定壓力為30 MPa，液體容積為6.8 L的鋁合金內(nèi)膽碳纖維外纏繞空氣壓縮氣瓶，重量約為4 kg。該氣瓶以中等耗氣速度30 L/min的標(biāo)準(zhǔn)來計(jì)算，設(shè)計(jì)供氣時長為55 min。但救援過程中空氣消耗速度受作業(yè)強(qiáng)度、消防員的身體素質(zhì)和心理狀態(tài)等影響，根據(jù)測試消防員站立、快走、小跑時的耗氣速度，并結(jié)合實(shí)戰(zhàn)中的使用情況，氣瓶的實(shí)際供氣時間約為16～30 min[4]。

隨著火災(zāi)規(guī)模越來越大的發(fā)展趨勢，30 MPa氣瓶在搶險救災(zāi)過程中受到的限制越來越多。隨著科技的發(fā)展，目前已經(jīng)有廠家研制出40 MPa/6.8 L及40 MPa/8 L的復(fù)合氣瓶，研制的40 MPa/6.8 L氣瓶空氣儲量提高到2 266 L，40 MPa/8 L提升到2 666 L，比傳統(tǒng)30 MPa氣瓶高22%，供氣時間增加10 min[5]。

1.3 工作過程

正壓式空氣呼吸面罩與空氣壓縮氣瓶及供氣閥、減壓器、氣瓶閥等共同構(gòu)成消防員空氣呼吸系統(tǒng)。空氣氣瓶的氣體通過氣瓶閥，經(jīng)減壓閥使高壓氣體減壓到小于1 MPa，再經(jīng)供氣閥向面罩供應(yīng)消防員能夠正常呼吸的壓力的空氣[6]。當(dāng)消防員呼吸時，供氣閥根據(jù)吸氣的程度將相應(yīng)量的空氣輸入面罩內(nèi)，呼出氣體時則直接排到外界大氣中。這樣就能保證消防員舒暢地呼吸到新鮮的空氣。正壓式空氣呼吸面罩工作過程如圖1所示。

圖1 正壓式空氣呼吸面罩工作過程Fig.1 Working process of pressure air breathing mask

2 無線壓力傳感器

2.1 壓力表分類

壓力表是一種將外界壓力對彈性元件產(chǎn)生的變形量通過機(jī)械傳動等方式放大，來指示被測液體或氣體的壓強(qiáng)參數(shù)的儀表。壓力表按使用方式不同，分為指示型壓力表和電信號控制型壓力表[7]。如一般壓力表、真空壓力表、耐腐蝕壓力表、不銹鋼壓力表、防爆壓力表等不具備除指示壓強(qiáng)值以外的其他功能的壓力表為指示型壓力表。電信號控制型壓力表輸出的信號可以是開關(guān)信號、電阻信號、電流信號等，具體包括電接點(diǎn)壓力表、電阻遠(yuǎn)傳壓力表、電感壓力變送器等，可實(shí)現(xiàn)報警、控制和傳輸信號等功能。無線壓力傳感器(如圖2所示)實(shí)質(zhì)上是一種具有無線傳輸功能的壓力變送器，即電信號控制型中壓壓力表。

圖2 無線壓力傳感器Fig.2 Wireless pressure sensor

2.2 基于ZigBee的無線壓力傳感器

無線壓力傳感器可以通過藍(lán)牙、ZigBee、WIFI等無線通信方式，將壓力信號傳輸?shù)浇邮昭b置，實(shí)現(xiàn)無線讀取空氣壓縮氣瓶實(shí)時壓力值的功能。這三種通信方式都是工作在2.4 GHz頻道的近距離通訊協(xié)議。其中ZigBee通訊方式理論傳輸速率為250 kPs，而實(shí)際傳輸速率小于100 kPs，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于藍(lán)牙和WIFI技術(shù)，但是具有傳輸距離較遠(yuǎn)、功耗小(發(fā)射功率約為10 mw)、續(xù)航時間長、協(xié)議簡單、成本低等特點(diǎn)[8]。由于壓力傳感器的信息量較少且讀取的頻率不高，因此可以將ZigBee技術(shù)的無線壓力傳感器應(yīng)用于消防員空氣呼吸面罩的設(shè)計(jì)中。這樣，不僅可靠實(shí)現(xiàn)消防員對氣瓶余量的隨時觀察，還可以通過ZigBee的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將現(xiàn)場實(shí)時信息傳送到指揮中心，以便指揮員掌握火場情況、消防員的身體及裝備狀況。

3 基于無線傳輸?shù)目諝夂粑嬲值脑O(shè)計(jì)

消防用空氣呼吸面罩是消防隊(duì)單兵作業(yè)的重要安全防護(hù)裝備之一。本文參照2014年公安部消防口開始實(shí)施的GA124-2013：《中華人民共和國公共安全行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》，提出了一種基于無線傳輸?shù)南绬T智能型空氣呼吸面罩的設(shè)計(jì)。主要由智能平顯通訊擴(kuò)音面罩、無線傳輸平顯報警壓力表和空氣壓縮氣瓶構(gòu)成。其中，空氣氣瓶采用6.8 L/30 MPa碳纖維高壓復(fù)合氣瓶，如圖3所示。

圖3 碳纖維高壓復(fù)合氣瓶Fig.3 Carbon fiber high pressure composite cylinder

3.1 智能平顯通訊擴(kuò)音面罩

智能平顯通訊擴(kuò)音面罩按亞洲人臉型設(shè)計(jì)，確保消防員在火場中呼吸舒適、視野開闊，同時通訊的音質(zhì)清晰、傳輸效果好、佩戴舒適、智能程度高、操作簡單、使用方便。智能面罩主要由耐高溫面罩、低電壓顯示燈、電源按鈕、電池、發(fā)話喇叭、接收喇叭、壓力顯示燈、發(fā)射裝置與顯示裝置配對顯示燈、通訊按鈕、遠(yuǎn)距離通訊插頭等組成，如圖4所示。面罩外形尺寸為220×180×150(mm)，重量為780 g。

圖4 智能平顯通訊擴(kuò)音面罩Fig.4 Intelligent head-up display communication public address mask

智能面罩電池采用錳酸鋰離子電池，其成本低、安全性高、常溫及高溫循環(huán)性好。本設(shè)計(jì)采用的錳酸鋰離子電池型號為JR103450/1.5Ah。電池最高輸出電壓值4.2 V，最大輸出電流值為2.4 A，額定工作電壓3.7 V，額定工作電流270 mA，電池總?cè)萘?50 mAh，音頻發(fā)射功率≤1 w，工作時間≥7 h，防爆類型為廠用本質(zhì)安全型，防爆等級為Exia II CT4Ga。

使用前將電池電量充滿電，按電源按鈕接通電源，智能面罩上電初始化，自檢擴(kuò)音系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、反射接收裝置，如正常蜂鳴器提示一聲表示正常工作。消防員試音擴(kuò)音及通訊清晰、無噪音即可進(jìn)一步檢查氣瓶壓力是否正常。氣瓶壓力以壓力指示燈提示消防員氣瓶余量，壓力指示燈有紅、黃、綠三個燈，其指示燈工作邏輯如下：氣瓶壓力為30 MPa～10 MPa時，綠燈常亮；氣瓶壓力為10 MPa～6 MPa時，黃燈常亮；當(dāng)氣壓低于6 MPa時，紅燈一直閃亮提醒消防員空氣余量不足，及時作出決策。此外，當(dāng)智能面罩電源電壓過低時，黃燈閃亮提示；發(fā)射裝置與顯示裝置配對時，藍(lán)燈閃亮，完成后熄滅。

3.2 無線傳輸壓力傳感器

傳統(tǒng)空氣呼吸面罩采用機(jī)械壓力表和報警哨來提示空氣氣瓶是否不足，搶險作業(yè)中查看不便，且當(dāng)壓力過低時才提醒，提供給消防員的信息過少。采用無線壓力傳感器，配合智能面罩的平顯系統(tǒng)(或稱HUD抬頭顯示系統(tǒng))，可以分等級提醒消防員氣瓶余量。氣瓶的空氣余量不能直接測得，可以通過測量固定容積容器內(nèi)的氣體壓力來監(jiān)控氣瓶余量。氣體體積與壓強(qiáng)的換算可以依據(jù)理論公式，但考慮到實(shí)際應(yīng)用并不需要精確的測量，氣壓與余量可以視為反比例關(guān)系，如6.8 L/30 MPa氣瓶壓力為10 MPa時，余量視為充滿時的1/3，6 MPa時余量視為1/5。因此，可以用 兩個氣壓值作為報警節(jié)點(diǎn)：氣瓶壓力高于10 MPa時，表示氣瓶余量仍十分充足；當(dāng)?shù)陀?0 MPa高于6 MPa時，表示空氣余量尚可支持一段時間；當(dāng)?shù)陀? MPa時，表示空氣余量已經(jīng)不足，需要及時撤離。

本文采用YBF-60(F/J)無線傳感器，與抬頭顯示裝置共同組成氣瓶壓力余量報警平顯系統(tǒng)，作為空氣呼吸面罩的子模塊。傳感器防爆等級為Exia II CT4，防護(hù)等級為IP67，電池采用兩節(jié)CR2032鋰電池(紐扣)，可連續(xù)工作20 h，當(dāng)電壓低于額定電壓80%后提示欠電，仍可工作2 h。使用時通過傳感器上的配置按鍵，與智能面罩的平顯裝置進(jìn)行配對，成功后進(jìn)入工作狀態(tài)。打開氣瓶閥后，當(dāng)壓力升高到1 MPa之后，傳感器開始檢測并發(fā)出開機(jī)提示。無線傳感器根據(jù)測得的壓力值發(fā)出相應(yīng)的信號，智能面罩的平顯裝置根據(jù)接收到的信號，按照設(shè)定的邏輯點(diǎn)亮相應(yīng)的指示燈以提示空氣余量。無線壓力傳感器其他參數(shù)如下：測量范圍為0～40 MPa；工作壓力為0～30 MPa；精度等級為1.6級；工作電壓為6.6 V；工作時間約為60 h；通訊距離為1.5 m；發(fā)射功率<10 mw；工作環(huán)境溫度為-20 ℃～60 ℃；相對濕度為5%～95%RH。

4 結(jié)語

本文介紹了正壓式消防員空氣呼吸面罩的組成和基本工作過程，介紹了無線壓力傳感器的技術(shù)特點(diǎn)，提出了一種基于無線傳輸?shù)目諝夂粑嬲值脑O(shè)計(jì)，通過無線壓力傳感器的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了實(shí)時直觀讀取空氣氣瓶余量的功能，為消防員在火場中的空氣供給提供了一定的安全保證。

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Application of wireless pressure sensor in the design of firefighter′s air breathing mask

WU Wen-kai1,2, ZHAO Han-tao1,2

(1.The Institute of Automation, Heilongjiang Academy of Sciences, Harbin 150090, China; 2.The Institute of Advanced Technology, Heilongjiang Academy of Sciences, Harbin 150020, China)

This paper introduced the composition and basic working process of positive pressure air breathing mask for firefighters, and the technical features of wireless pressure sensor. This paper proposed a design of air breathing mask based on wireless transmission, and discussed the application of wireless pressure sensor in the design of firefighter′s air breathing mask.

Wireless transmission; Fire protection; Air breathing mask; Sensor

2017-02-04

2015年黑龍江省應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)計(jì)劃對外合作項(xiàng)目“消防員定位系統(tǒng)”(WB15C102)

吳文凱(1987-)，男，助理研究員，碩士。

趙寒濤(1974-)，男，研究員級高級工程師，碩士，e-mail：zhaohantao@haai.com.cn。

TP274.4

A

1674-8646(2017)08-0002-03