Research on Protective Equipment Technology
防护装备技术研究
余龙腾阎瑞彤朱黎达
(梅思安（苏州）安全设备研发有限公司江苏苏州215126 )
【摘要】本文介绍了实现消防空气呼吸器用指针压力表和数显压力表的同步显示的一种方法，具体阐述了其研发背 景、基本性能及整体设计。
【关键词】空气呼吸器集成控制单元电子压力变送器巨磁阻效应
Realize the Synchronous Display of Pointer Pressure Gauge and Digital Display Pressure Gauge for Fire Air Respirator
Yu Longteng Yang Ruitong zhu Lida
(MSA(Suzhou)Safety Equipment R&D Co.,Ltd.,Jiangsu Suzhou,215126 )
【Abstract】This paper introduces a method to realize the synchronous display of pointer pressure gauge and digital display pressure gauge for fire air respirator, and expounds its research and development background, basic performance and overall design.
【Keywords】air breathing apparatus; integrated control unit; electronic pressure transmitter; giant magnetoresistance effect
1技术领域及项目背景
1.1技术领域
压力表，顾名思义是消防空气呼吸器上用于指示 气瓶内的储气压力。通常在标配的消防空气呼吸器上 有两种压力表：一种是置于胸前的压力表，也俗称为 胸表。它通常为机械压力显示表，采用指针形式指示 气源的压力数值，压力表的满量程刻度一般为40 M Pa，压力表的精度等级不小于2.5级。在G A124—2013 《正压式消防空气呼吸器》标准中，对胸表的精度要 求更高，精度不应低于1.6级，且在暗淡或黑暗的环 境下应能读出压力指示值，即表盘的荧光要求。在气 瓶没有打开时，胸表的压力数值为零；在气瓶瓶阀处 于打开状态，胸表和气瓶连通，这时胸表的压力数值 为气瓶内实时的压力值。另外一种为气瓶瓶表，通常 也为机械压力显示表。这种压力表能实时反映气瓶中的压力情况，不管气瓶瓶阀是否在打开状态，均可以 显示。因此，对使用者来说，比较方便检查气瓶内的 压力情况， 大幅减少了检查的工作量，缩短了检查的 时间。气瓶瓶表是一个选配件，胸表则是消防空气呼 吸器上不可或缺的关键零部件[1]。
1.2项目背景
集成控制单元除具有一般指针式机械压力表的压 力指示功能外，增加了数显电子压力表，同时集LK)照明（手电筒)、剩余时间显示、中文语音播报、各种 声光报警、呼救器（跌倒报警）等功能于一体的产品 (见图1)。集成控制单元安装方便、操作简单，只需 将消防空气呼吸器上原来的指针式机械压力表取下，换上集成控制单元即可[2]。
旋转滑梯集成控制单元被广泛应用于空气呼吸器上，常见 的集成控制单元配备有机械式压力表，可以使空气呼
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關
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吸器集成控制单元在电量不够或是故障时使用。
现有产品的压力显示原理为：机械压力表通过机 械原理，即波登管充气形变，指示气瓶压力；而数显 屏幕则是通过独立的电子压力变送器将压力信号转化 为电信号来指示气瓶压力。采用该方案的最大缺点是： 因为机械压力表和电子压力变送器有各自的测量误 差，使得数显压力和机械压力表显示压力不能实现同 步。
本文将阐述一种方法，以实现消防空气呼吸器用 指针压力表和数显压力表的同步显示，并将这种方法 运用在集成控制单元的胸表上。
图1指针式机械压力表与集成控制单元对比铝条板吊顶
高压直流供电
2同步显示的工作原理
2.1波登管压力表工作原理简介
波登管压力表是最常用的机械压力测量仪表，其 压力元件通常被称为波登管。法国工程师Eug 6
ne Bourdon 在19世纪中期最早利用了这一压力表工
作原理，该类压力表因此而得名。波登管压力表的基 本结构如图2所示。波登管如图3所示，包含了一个 柔性弹簧和一根横截面为椭圆形的C 型弯管。
指针 波登管 尾端件连杆扁形齿轮 传动机构 <；机芯>接头
图2波登管压力表的结构图
图3波登管
当向波登管内部空间加压时，横截面变成圆形。 在此过程中形成环向应力，增加了C 型管的半径。最 终，管子的一端移动大约2~3 m m 。此偏转即为压力的 一种度量。其转移至机芯，然后机芯将线性位移转为 旋转运动，并通过指针将之显示在刻度上。
波登管有很多种类型。C 型波登管可用于测量最 髙6 MPa 的压力。若压力较高，可以使用螺旋型波登 管。根据几何形状、材料和材料厚度的不同，波登管
可用于测量最高700 MPa 的压力。根据要求，压力元 件采用铜合金、不锈钢或蒙乃尔合金等特殊材料制成
[3】
〇
2.2常见的集成控制单元工作原理
目前市面上的集成控制单元，其指针式机械压力 表上的数值，是通过波登管原理来实现的；它的数显 电子压力表上的数值，是通过电子压力变送器来实现 的。
其工作原理为：在压力表的表座上，增加一个压 力通道（可称为3通接口），使高压气体在通往机械表 芯，引起指针转动来显示压力值的同时，也能把压力 传递给电子压力变送器，这样电子压力变送器就会把 测得的压力信号转换成电信号，把压力数值显示在液 晶显示屏上，此外，通过无线蓝牙把这些电信号发送 到其他终端设备上[2]。具体见图4所示。
缺点是，机械压力表显示和数显压力表显示是独 立的两套压力显示系统，机械和数显压力值不能实现
同步显示。
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防护装备技术研究3.1巨磁阻效应
1-表座；2-压力通道（3通接口）；3-电子压力变送器；
4-机械表芯
图4带电子压力变送器的指针式机械压力表工作示意图2.3同步显示工作原理
为了在集成控制单元上实现机械和数显压力值同 步显示，采用的技术解决方案如下：机械压力表在接 通高压气体后，波登管产生形变而获得线性位移，机 芯将这个线性位移转为角位移，并由刻度盘中心位置 的指针转轴带动指针旋转，指针将压力值显示在刻度 盘的相应位置上。此时，如果能有一种元器件，把该 元器件安装在指针转轴的一端（另外一端已经安装了 指针），能与指针同步角位移旋转，且这种角位移变化 信号能被一种传感器检测、识别并转换成电信号，最 终显示在集成控制单元的液晶显示屏上。那么，这样 就完全可以实现机械和数显压力值同步显示。因为，机械和数显压力表的显示都是来自一个变量，即波登 管的形变大小。同步显示的工作示意图见图5。
图5同步显示的工作示意图
先简要介绍一下磁阻效应和巨磁阻效应。所谓磁 阻效应是指导体或半导体在磁场作用下，其电阻值发 生变化的现象。研究发现，在磁性多层膜，如Fe/Cr 和Co/Cu中，铁磁性层被纳米级厚度的非磁性材料分 割开来。在特定条件下，电阻率减小的幅度相当大，比通常磁性金属以合金材料的磁电阻值高约10余倍，这一现象被称为“巨磁阻效应”。
如图6所示，基于巨磁阻效应的传感器，其感应 材料主要有3层：即参考层（Reference L a y e r或 Pinned Layer)、普通层(Normal Layer)和自由层(Free Layer)。参考层具有固定磁化方向，其磁化方向不会 受到外界磁场方向的影响。普通层为非磁性材料薄膜 层，将两层磁性材料薄膜层分割开。自由层磁场方向 会随着外界平行磁场方向的改变而改变。
磁铁
自由层
参考层
(free layer)
.normal layer)
(reference layer)
1 (reference layer
图6巨磁阻磁性感应层结构
巨磁阻阻值由自由层和参考层中间磁场方向夹角 决定，当自由层磁化方向和参考层磁化方向相同时，巨磁阻阻值最小。反之，当自由层磁化方向和参考层 磁化方向相反时，巨磁阻阻值最大。
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巨磁阻效应可以用量子力学解释，每一个电子都 能够自旋，电子的散射率取决于自旋方向和磁性材料 的磁化方向。若自旋方向和磁性材料磁化方向相同，则电子散射率低，穿过磁性层的电子较多，从而呈现 低阻值。反之，若自旋方向和磁性材料磁化方向相反，则电子散射率高，穿越磁性层的电子较小，从而呈现 高阻值w。
3.2机械结构设计
接下来就是具体的机械结构设计了。基于巨磁阻 效应的指针式机械压力表工作示意图，如图7所示。首先，在普通指针式机械压力表的基础上，把指针转 轴3的一端延长（另外一端安装了指针），圆形磁铁5 装配在指针转轴3，它们之间是同步转动。安装有传 感器6的P C B A7固定在压力表上，磁铁中心正对着位 于传感器中心的巨磁阻感应区域。当压力表的髙压气 体接口 9处通入高压气体后，波登管4受压产生形变，该形变产生的线性位移将转换成指针转轴3的旋转运 动的角位移，该旋转运动带动指针2旋转，指针2将 当前的压力值显示在刻度盘1上。同时，该旋转运动 带动圆形磁铁5转动，传感器6
美容喷雾器能够检测到平行于其 封装表面的磁场变化，通过事先设定的磁场变化量对 应的压力值关系，传感器6把采集到的数字压力信号 显示在液晶显示屏8上。
由于指针的转动和圆形磁铁的转动都是波登管触 发引起的，所以可实现机械和数显压力值的同步显示。
数显压力表的显示，这种基于巨磁阻效应的方案，不需要像独立系统的电子压力变送器的方案那样，针 对每个子压力变送器进行0点设定和压力值标定，这 样可省去大量制造工时。同时，使用在空气呼吸器集 成控制单元上时，因为与机械表联动，不会出现采用 电子压力变送器方案那样由于各自的测量误差，数显 压力与机械表显示压力不同步的问题。
此外，这种基于巨磁阻效应方案的优点是，电路 以及机械结构设计简单，成本低，空间小。为了减小安装或者生产带来的误差，如PCBA安装、传感器芯片 贴片、圆形磁铁装配以及指针转轴径向跳动等因素的 额外系统误差，尽量选择直径较大的圆形磁铁，且安 装时圆形磁铁中心尽量正对着传感器芯片中心巨磁阻 感应区域。
1-刻度盘；2-指针；3-指针转轴；4-波登管；5-圆形磁铁；6-传感器；7-PCBA;8-液晶显示屏；9-高压气体接口
图7基于巨磁阻效应的指针式机械压力表工作示意图
4结语
本文阐述的这种基于巨磁阻效应的指针式机械压 力表，已经应用在空气呼吸器集成控制单元上，作为 压力信号显示装置。它具有结构简单、成本低、易于 制造、可实现机械和数显压力值的同步显示的特点。
未来，空气呼吸器的需求市场巨大，对产品的技 术要求也逐步提高。拥有新技术并具备优异性能的产 品，必然在市场竞争中占据有利地位，有效提升市场 占有率。
参考文献
丨1]AQ/T6110-2012，工北空气呼吸器安全使用维护管理规范间.
丨2]余龙腾.消防空气呼吸器用集成控制单元的设计[J j.消防技术 与产品信息，2017 (05): 57-59.绿豆肽
[3]德国威卡W I K A波登管压力表的工作原理
[EB/OL] .www.wika/landingpage_pressure_gauge_work
ing_principle_zh_cn.WIKA.
[4] 何喜富•基于iG M R原理角度传感器TLE5012B应用指南[J】.单
片机与嵌入式系统应用，2015,15 (03): 74-77.
竖流式沉淀池10 2021年第2期
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