可监测气体泄漏电磁阀电路的设计

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。