可监测气体泄漏电磁阀电路的设计
2022-03-06单月忠通信作者
单月忠(通信作者)
绍兴第二医院医共体总院医学工程科 (浙江绍兴 312000)
随着医疗设备的飞速发展,临床与医技科室对气体的利用频率越来越高,特别是对人体有害的气体,如二氧化碳、二氧化氮等,若其发生泄漏,将会影响医疗设备的正常使用和医疗工作人员的身体健康[1-2]。
目前,市场上的电磁阀主要有二位二通、二位三通两类,此类电磁阀均无法判断输出气体是否发生泄漏,当用于控制气体时,若电磁阀发生损坏或开关无法闭合,气体将会发生泄漏[3-4];若所控制气体为有害气体,且工作人员未察觉到泄漏情况,将会对其造成严重的危害。图1为目前市场上所使用的二位二通电磁阀开、关状态,当线圈通电时,电磁阀打开,气体从P 端口输入,Q 端口输出;当线圈断电时,电磁阀内部阀门将输入、输出端口关闭,气体无法从Q 端口输出;但若电磁阀内部阀门无法将输入、输出端口关闭紧密,则气体有可能从Q 端口泄漏输出[5-6]。鉴于此,本研究针对目前市场上电磁阀所存在的隐患,提出了一种可监测气体泄漏电磁阀电路的设计方案。
图1 二位二通电磁阀的开、关状态
1 整体框架设计
图2为可监测气体泄漏电磁阀的整体设计框架。该电磁阀的工作原理为:当气体经由入气端口P 进入时,处于入气端口的压力传感器B 将气体压力转换为电压,并将电压值传给电压比较器C;同理,当气体经由出气端口Q 输出时,处于出气端口的压力传感器A 将气体压力转换为电压,并将电压值传给电压比较器C;电压比较器在接收到压力传感器B、A 的电压值后对两者进行比较,若出气端口Q 的气体压力小于入气端口P,则说明电磁阀发生气体泄漏,电压比较器C 所连接的红色LED 灯即会闪亮,进行报警提醒。
图2 一种可监测气体泄漏电磁阀的整体框架设计
2 各模块电路设计
2.1 气体压力传感器与电压比较器设计
气体压力传感器选用CFSensor 公司的XGZP68-47040KPGPN传感器,该传感器的测量范围为0~40 kPa,以5 V 电源供电,工作温度为-20~100 ℃,尺寸小、易安装,被广泛用于电子血压计、呼吸机、制氧机等设备中。其监测压力与输出电压的关系见表1,符合本设计电路要求。
表1 XGZP6847040KPGPN 传感器监测压力与输出电压的关系
电压比较器选用Texas Instruments 公司的LM393,该芯片内部由两个电压比较器组成,其工作电源电压范围宽,单电源、双电源均可工作,单电源为2~36 V,双电源为±1~±18 V,工作温度为0~70 ℃,输出电压能够直接驱动TTL、MOS、CMOS。该芯片的结构[7-8]见图3,电路中,该芯片采用18 V 单电源供电进行设计。
图3 LM393芯片的结构
本设计是在传统二位二通电磁阀的基础上进行的改进,二位二通电磁阀选用的是天启工业自动化有限公司生产的电磁阀,该电磁阀的工作电源为24 V。设计后的气体压力传感器、电压比较器、电磁阀电路图见图4,其中在电压比较器LM393的2管脚连接红色LED 报警灯,用于报警提醒。
图4 气体压力传感器、电压比较器及电磁阀的电路图
2.2 电源电路设计
由于电磁阀的供电电源为24 V,而XGZP6847-040KPGPN 气体压力传感器、LM393电压比较器的工作电源分别为18 V 与5 V,因此需要进行电源转换,将输入电源24 V 转换为18 V 与5 V。
2.2.1 24 V 转18 V 的电源电路设计
在24 V 转18 V 的电源电路设计中,选用LM317电源转换芯片,该芯片是Texas Instruments 公司生产的三端可调正稳压器集成电路。其输出电压为1.2~37.0 V,负载电流最大为1.5 A,使用简单,仅需两个外接电阻即可设置输出电压;此外,其线性调整率和负载调整率优于标准的固定稳压器。LM317内置过载保护、安全区保护等多种保护电路,通常情况下,LM317无需外接电容,除非输入滤波电容到LM317输入端的连线超过6英寸(约15 cm),该芯片符合本电路设计要求[4,9-13]。其内部结构见图5。
图5 LM317的内部结构
所设计的24 V 转18 V 电源电路见图6。
图6中,决定LM317输出电压的是电阻R1与R2的比值。假设R2是固定电阻,因为输出端的电位高,电流经R1与R2流入接地点, LM317的控制端消耗非常少的电流,可忽略不计,所以控制端的电位是I×R2,又因为LM317控制端与输出端接脚间的电位差为1.25 V,所以输出的电压是:
图6 24 V 转18 V 的电源电路
2.2.2 24 V 转5 V 的电源电路设计
在24 V 转5 V 的电源电路设计中,选用PW2330电源转换芯片,该芯片由NETGEAR Inc 公司开发,能够高效率地进行电压转换。其输入电压为4.5~30.0 V,输出电压为1~28 V,且最大输出电流可达3 A。该芯片的3管脚能够控制芯片的工作状态[14-20],符合本电路设计要求。本电路设计中,在PW2330芯片的3管脚处放置了3脚2挡拨动开关,用于控制PW2330的工作状态,即控制开关是否需要报警。当电磁阀无需报警时,只需将开关拨至接地处即可。所设计的电源电路见图7。
图7中,决定PW2330输出电压的是电阻R4与R5 的比值。输出电压公式为:
3 小结
本研究分析了目前二位二通电磁阀存在的问题,提出了一种可监测气体泄漏电磁阀的结构,并绘制了结构框图,同时介绍了气体压力传感器XGZP6847040KPGPN、电压比较器LM393、电源转换芯片LM317与PW2330,设计了可监测气体泄漏电磁阀的电路图。本设计装置易操作,电路结构简单,对今后可监测气体泄漏电磁阀的实现具有重要的指导意义。