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一种消防压力气瓶安全监控设备的设计

文档作者: 张玉杰 伍莹莹        文档来源: 陕西科技大学电气与信息工程学院
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更新时间: 2021年01月05日
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2014钜 第7期 仪表技术与 Instrument Technique 2014 No.7 一种消防压力气瓶安全监控设备的设计 张玉杰,伍莹莹 (陕西科技大学电气与信息工程学院,陕西西安710021) 摘要:针对消防压力气瓶存在因裂纹或损伤而突发性爆炸、慢性漏气、故障检测不便、成本高等问题,提出一种消防压 力气瓶安全监控设备,消防压力气瓶以SONIX27E65为控制核心,详细介绍了系统的硬件及软件设计。试验测试表明,该 系统可靠性强,效率高,故障检测准确度高、操作灵活方便,实时性好。在实际消防应用中,能够满足消防压力气瓶对瓶内 气压和气瓶承压状态实时监控,避免突发性爆炸和漏气现象的功能需求。 关键词:消防压力气瓶;PVDF;电磁阀;监控 中图分类号:TP277 文献标识码:A 文章编号:文章编号: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 针对消防压力气瓶存在的问题 ,文中提出一种消防压力 气瓶安全监控装置,其实时监控气瓶内气压和气瓶承压状态,系统 自动监测并能够实时发现故障并报警,消防压力气瓶及时处理各 种故障。对气瓶的承压状态进行监测,当检测到气压值超出预设 压力阈值时,则驱动电磁阀动作执行爆破,避免爆炸、漏气等事故 的发生,确保消防设施安全运行。当监测到气瓶出现漏气现象,则 通过LED指示灯立即报警,通知管理员及时维修。 1 系统总体结构 消防压力气瓶安全监控设备实时检测气瓶压力状态,气瓶 压力状态检测包括承压状态检测和气瓶内部气压状态检测。 监控设备对气压状态数据进行处理分析,判断气瓶处于正常状 态,还是出现裂纹或者漏气现象,通过LED指示灯指示气瓶当 前的状态。如果气瓶出现裂纹,则驱动爆破执行电路,强制消 防压力气瓶放气,防止意外事故的发生。如果气瓶出现漏气现 象,则通过LED指示灯指示气瓶出现漏气现象。消防压力气瓶 总体结构框图如图1所示。 其以SONIX27E65微控制器为核心,包括电源电路、承压状 态检测电路、内部气压检测电路、自检电路、爆破执行电路、LED 指示灯电路。 2 气瓶监控设备硬件设计 基金项目:陕西省教育厅科技计划项目(09JK371);西安市科技计划项 目(CX1259(2)) 收稿日期:2013—07—16 收修改稿日期:2014—02—17 1I承检压测状电态路1r. 1『内检测部气电压路Ir. SOND 7B65 f自检电路 图1 消防压力气瓶总体结构框图 气瓶状态检测包括承压状态检测和气瓶内部气压状态检 测,下面分别介绍。 2.1 承压状态检测电路设计 PVDF压电薄膜是一种新型的高分子压电材料,它既具有 压电性又有薄膜柔软的机械性能,灵敏度高、频带宽、使用方 便、能紧贴体壁等一系列特点。PVDF压力传感器的测量原理 是PVDF薄膜在承受一定外力或变形时,薄膜的2个极化面就 会产生大小相等、极性相反的电荷,因此可以把它看成是二极 板上聚集异性电荷,中间为绝缘体的电容器 J。在开路状态 下,其输出端的电荷和电压关系式为: u =q c 将PVDF制作成条状,并以螺旋状紧贴于消防压力气瓶的 瓶壁外表面,当消防压力气瓶因裂纹扩张而出现快速膨胀时, PVDF传感器的应变信号经放大转换为电压信号,微控制器通 过检测此电压信号来检测消防压力气瓶承压状态。PVDF压电 薄膜传感器具有高内阻的特点,其输出信号的前置放大电路设 计必须满足输入和PVDF传感器的阻抗匹配,即把PVDF的高 32 Instrument Technique and Sensor Ju1.2014 阻抗输入转换成低阻抗输出,同时将输出微弱信号放大以便于 后续处理。 图2 PVDF压电传感器前置放大电路 采用超低噪声、高速、高输入阻抗的AD745运算放大器进 行电荷放大,电荷放大电路为信号调理电路中第一级,原始的 电荷信号经过电荷放大电路之后转换成电压信号。第二级放 大电路采用低功耗精密运算放大器OP07,第二级放大实际上 是对前置电荷放大电路的一个适当调节,如: = 一 式中:Vi为电荷放大器的输入;vo为放大电路的输出。 第三级为整流电路,将交流信号转换为直流信号,微控制器通 过检测此直流电压信号,对气瓶的承压状态进行监测,当检测到气 压值超出预设压力阈值时,则驱动电磁阀动作执行爆破。 2.2 内部气压检测电路设计 内部气压检测电路采用x型硅压力传感器MPX2100,将压 力信号转换为差模电压信号,其转换精度高、灵敏性强、线性度 好。MPX2100的2引脚和4引脚之问输出与压力成正比的差 模电压信号,U1A主要完成差模信号的放大,u1B是电压跟随 器,用于防止运放的反馈电流流入传感器的负端,U1C和U1D 用于电压信号的调节,最终形成 电压信号(0—4.9 V)。零 压力时,传感器的2和4端之间的压力差为零。设2端和4端 的共模电压各为4 V,则U1A的端电压也是4 V,该电压经U1C 和U1D电路使其输出为零。输出端的零压力偏置由 和RPI 引入。放大器的增益为 筹 合理的选择增益使传感器满量程输出时,输出端的电压达 到合理的单片机可以采集到的值。该电压信号接入SONIX27E65 的内部A/D转换通道,经数据处理得到对应的压力, 从而实现对钢瓶内部气压的监测。 通过在消防压力气瓶内的瓶塞处安装MPX2100气压传感 器来实时检测瓶内气体的压力,当检测到的气压值低于预设气 压阈值,则判断压力气瓶存在漏气现象,对于压力不足的气瓶 则要及时进行故障报警,通知管理员及时维修避免压力不足而 引起灭火效果不佳。 2.3 爆破执行电路设计 电磁阀采用型号为ZYE一1038的直流推拉式电磁铁,电磁 阀安装在消防压力气瓶外的瓶塞处,当微控制器通过PVDF传 感器检测到压力气瓶发生膨胀时,则在P2.0和P0.0输出低电 图3 内部气压检测电路 平,光耦u2和u3的输出端导通,光耦u3的引脚4被拉低, MOS管Q,导通,驱动电磁阀动作执行爆破,强制消防压力气瓶 放气,防止意外事故的发生。 +24V 图4 爆破执行电路 3 气瓶软件设计 气瓶程序设计采用层次化设计思想,以任务驱动的方式完成 程序设计,软件划分为应用层、界面层和底层驱动层3个层次 , 气瓶节点的软件架构图如图5所示。底层驱动层主要包含EEPROM 存储器操作、LED指示、中断和定时这些与硬件相关的驱动程 序,界面层主要为应用层与底层驱动之间提供数据交互,应用层是 通过对界面层各个变量以及标志位的操作控制底层驱动层各模块 来完成所需功能,根据气瓶节点功能,将应用层划分为数据采集任 务、传感器自检任务、电磁阀自检任务、故障报警任务 。 系统应用屡程序MnAPP 。 应用层 焖 I传感器创鲔 电磁阀自检任务I电磁阀撕诳务l故障报警任;} T T I sysctry l j APPBuf l 界面层 IE L 酬 I LedFIGIlI_edBufl lADCBtffl l IntGndl 底层驱 t 动层 岫£PRO删 f MilLed l f MnADCf l中断和定时f 图5 气瓶节点软件架构图 (下转第36页) Instrument Technique and Sensor Ju1.2014 20 jIjlI o ~H.-2o (a)450 LLn 方向R路误差拟合中心偏离度 一200 —150 —100 —50 0 5O 100 150 200 中心偏离度 (b)450 m 方向£路误差拟合中心偏离度 图lO y方向样本点及一次拟合曲线 表1 最小二乘拟合参量 4 结束语 (1)文中利用最小二乘对阴影部分进行算法拟合补偿,修 正了因为衍射造成的CCD检测到的阴影位置误差,使得在几何 模型中的原始样本值更精确。 (2)在基于最小二乘数据拟合的边缘检测算法的基础上, 针对所采集图像的过程,提出了一种优化光学几何模型的算 法,和普通光学模型算法相比,改进的算法着重分析了优化的 光学模型,在分析模型时不做近似处理,因此算法误差更小,这 也进一步增加了测量精度。 (3)在系统中只对450 m量棒进行了实验仿真,对于系列 不同线径量棒还有待进一步的分析,找出规律,进行不同线径 量棒的补偿,在后续研究中有待做进一步探讨分析。 参考文献: [1] 吴建兵李川奇.CCD高精度线径测量.工业仪表与自动化装置, 1996(1):27—29. [2] 雷波,卢红.基于线阵CCD的在线亚像素边缘测量系统,武汉理 工大学学报,2010(8):526—529. [3] 魏红伟,尤文,王宏志.高精度激光CCD在TP线径检测仪中的应 用.吉林工学院学报,1994(4):68—72. [4] 李庆先.电荷藕合器件一CCD应用概述.仪表技术与传感器,1991 (6):12—14. [5] 苏波,王纪荣.CCD高精度测径系统的研究.太原理工大学学报, 2002,(5):506—509. [6] ST hac.STM32F103 data sheet,2009. [7] TOSHIBA hac.TCD1209D Image Sensors.TCD1209D datasheet, 2001. 作者简介:韩星(1988~),硕士研究生,研究方向为智能机电系统与光 机电一体化。E—mail:06hx825@163.com (上接第32页)为了保证系统的可靠性,避免电磁阀执行误动 作,因此,将通过P1.0对控制端口P2.0电平进行监测,当P2.0 为低电平时,微控制器通过P1.0读取P2.0电平,每隔5 ms读 取1次,如果读取3次都为低电平,说明P2.0 VI输出的信号不 是干扰脉冲,则将P0.0拉低,驱动电磁阀动作执行爆破。电磁 阀执行任务流程图如图6所示。 图6 电磁阀执行任务流程图 4 结束语 系统以SONIX27E65为核心处理器,设计了一种消防压力 气瓶安全监控设备,系统能够有效解决消防压力气瓶因裂纹或 损伤而突发性爆炸、慢性漏气、故障检测不便等问题,保障了人 民的生命和财产安全。试验测试表明,该系统可靠性强,效率 高,故障检测准确度高、操作灵活方便,实时性好。在实际消防 应用中,能够满足消防压力气瓶对瓶内气压和气瓶承压状态实 时监控,自动监测能实时发现故障并报警,避免突发性爆炸和 漏气现象的功能需求。 参考文献: [1] 其乐木格,韩漠,宝贵荣.工业气体爆炸事故原因分析及应急援 救.现代化工,2010,30(10):86—9O. [2] 吴全龙.消防气瓶用爆破片性能研究与分析.消防技术与产品信 息,2003(8):33—35. [3] 李天明,邓瑾轩.纤维缠绕高压气瓶封头型面设计及应用估算.桂 林航天工业高等专科学校学报,1999(3):22—25. [4] 杜伟略,郭再泉.消防自动告警系统的通信技术.微计算机信息, 2004,20(2):6o一61. [5] 戴鹏,杜少武,储昭碧,等.消防指示灯智能监控系统三端口网管 设计.网络与通信,2010,29(19):43—46,5O. [6] 谢志刚,陈小芹,李方军.GNG2气瓶爆破机理分析与自紧压力优 化设计.工业安全与环保,2013,39(1):13—15,37. 作者简介:张玉杰(1966一),教授,硕士,主要从事信息采集与处理、模 式识别、嵌入式系统开发等研究。 E—mail:zhangyujie@sust.edu.cn
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