CN110879276A - 气体分析仪器滤波方法 - Google Patents

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武婧
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Abstract

本发明提供一种气体分析仪器滤波方法，包括以下步骤：步骤一：气体分析仪器实时获得N个时刻的瞬时测量值I(n)，其中n＝‑N+1,…,‑3,‑2,‑1,0，I(0)为当前时刻的瞬时值；步骤二：根据N个时刻的瞬时测量值I(n)计算气体稳定性参数；步骤三：根据气体稳定性判断气体变化状态；气体变化急剧时，执行步骤四；气体变化稳定时，执行步骤五；步骤四：滤波窗口W设置为1；步骤五：滤波窗口W根据气体稳定性进行设置，气体稳定性越差，滤波窗口W越大；气体稳定性越好，滤波窗口W越小，滤波窗口W最大值不超过M；步骤六：根据滤波窗口W进行平滑滤波。本发明所提供的气体分析仪器滤波方法，能够兼顾分析结果的稳定性和气体分析仪器的响应性能，同时获得快速的响应速度以及稳定的分析结果。

Description

气体分析仪器滤波方法
技术领域
本发明属于气体分析仪器分析方法领域，尤其涉及一种气体分析仪器滤波方法。
背景技术
目前，气体分析仪器为了降低噪音，提高分析结果的稳定性，通常采用滤波的方式对获得的测试数据进行处理。
然而，现有的滤波方法，例如滑动平均滤波、加权平均滤波和卡尔曼滤波，都存在一定的滤波时间，导致分析结果在时间上滞后，从而降低了气体分析仪器的响应性能。
发明内容
针对现有的气体分析仪器滤波方法滤波时间较长，降低气体分析仪器响应性能的技术问题，本发明提供了一种气体分析仪器滤波方法，能够兼顾分析结果的稳定性和气体分析仪器的响应性能，同时获得快速的响应速度以及稳定的分析结果。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种气体分析仪器滤波方法，所述气体分析仪器滤波方法包括以下步骤：
步骤一：气体分析仪器实时获得N个时刻的瞬时测量值I(n)，其中n＝-N+1,…,-3,-2,-1,0，I(0)为当前时刻的瞬时测量值；
步骤二：根据N个时刻的瞬时测量值I(n)计算气体稳定性参数；
步骤三：根据气体稳定性参数判断气体变化状态；气体变化急剧时，执行步骤四；气体变化稳定时，执行步骤五；
步骤四：滤波窗口W设置为1；
步骤五：滤波窗口W根据气体稳定性进行设置，气体稳定性越差，滤波窗口W越大；气体稳定性越好，滤波窗口W越小，滤波窗口W最大值不超过M；
步骤六：根据滤波窗口W进行平滑滤波。
进一步，所述步骤五还包括：设置参考滤波窗口w(t)，参考滤波窗口w(t)随时刻变化逐个递增；当前时刻的参考滤波窗口w(t)大于滤波窗口W时，滤波窗口W不变；当前时刻的参考滤波窗口w(t)小于滤波窗口W时，滤波窗口W等于下一时刻的参考滤波窗口w(t+1)，其中w(t+1)＝w(t)+1。
进一步，所述步骤二中，气体稳定性参数为N个瞬时测量值I(n)的相对标准偏差rs和绝对标准偏差s。
进一步，所述步骤二中，气体稳定性参数为N个瞬时测量值I(n)的变化梯度g。
进一步，所述步骤五中，滤波窗口W按照单调递增函数f(rs)变化，其中rs越大，f(rs)的值越大。
进一步，所述步骤五中，设置测量值阈值C，当I(0)<C时，绝对标准偏差s越大，滤波窗口W越大；当I(0)≥C时，相对标准偏差rs越大，滤波窗口W越大。
进一步，当I(0)<C时，滤波窗口W按照单调递增函数f(s)变化，其中s越大，f(s)的值越大；当I(0)>C时，滤波窗口W按照单调递增函数f(rs)变化，其中相对标准偏差rs越大，f(rs)的值越大。
进一步，所述步骤五中，设置测量值阈值C，当I(0)<C时，滤波窗口W为常数；当I(0)≥C时，相对标准偏差rs越大，滤波窗口W越大。
进一步，滤波窗口W按照单调递增函数f(rs)变化，其中相对标准偏差rs越大，f(rs)的值越大。
进一步，所述步骤三中，根据气体稳定性参数判断气体变化状态通过如下方法实现：设定气体稳定性阈值，当气体稳定性参数大于气体稳定性阈值时，判断为气体变化急剧；当气体稳定性参数小于等于气体稳定性阈值时，判断为气体变化稳定。与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.本发明所提供的气体分析仪器滤波方法，设置有气体稳定性参数，根据气体稳定性参数判断通入气体分析仪器中气体的稳定性状态，并根据稳定性状态确定是否需要滤波。当气体变化急剧时，判断为气体向气体分析仪器注入的过程，不进行滤波；当气体变化稳定时，判断为气体已充满气体分析仪器，根据气体的稳定性设置滤波窗口的大小。气体稳定性越差，气体的波动越大，则滤波窗口W越大；气体稳定性越好，气体的波动越小，滤波窗口W越小。与现有的气体分析仪器滤波方法相比，第一实施例所提供的气体分析仪器滤波方法能够能够减少滤波时间，且兼顾分析结果的稳定性和气体分析仪器的响应性能，同时获得快速的响应速度以及稳定的分析结果。
2.本发明所提供的气体分析仪器滤波方法，滤波窗口W随气体稳定性变化而变化，为了避免当气体稳定性变化较大，导致滤波窗口W由小窗口切换至大窗口时，滤波输出结果出现跳变，设置有参考滤波窗口w(t)，使用参考滤波窗口w(t)对滤波窗口W进行控制，使得滤波窗口W由小窗口逐渐递增至大窗口，避免出现测量结果的跳变。
附图说明
图1为现有技术中气体分析仪器的一般结构示意图；
图2为第一实施例所提供的气体分析仪器滤波方法流程图。
对附图标记作具体说明：
1、光源；2、气室；21、进气口；22、出气口；3、探测器；4、准直镜组；5、聚焦镜组。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明具体实施例中的技术方案进行详细、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明总的技术方案的部分具体实施方式，而非全部的实施方式。基于本发明的总的构思，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都落于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明所提供的气体分析仪器滤波方法，应用于气体分析仪器。参考附图1，气体分析仪器一般包括光源1、气室2、探测器3，为了提高测试精度，气体分析仪器还可以包括准直镜组4和聚焦镜组5。气室2设置有进气口21和出气口22。待测试气体经进气口21进入至气室2内，光源1发出的光经准直透镜2准直后平行入射至气室2内，气室2内的待测气体对光源1中的某部分光谱范围的光进行吸收；随后，吸收后的光从气室2射出，并经聚焦镜组5汇聚至探测器3上，探测器3对出射光进行测量，得到测量值，例如，可以为电压值、电流值或者浓度值，并对探测器3的测量结果进行数据处理，得到气体分析结果。
为了降低测量结果的噪音，提高分析结果的稳定性，通常采用滤波的方式对获得的测试数据进行处理。然而，现有的滤波方法，例如滑动平均滤波、加权平均滤波和卡尔曼滤波，都存在一定的滤波时间，导致分析结果在时间上滞后，从而降低了气体分析仪器的响应性能。
针对现有的气体分析仪器滤波方法滤波时间较长，降低气体分析仪器响应性能的技术问题，本发明提供了一种气体分析仪器滤波方法，能够兼顾分析结果的稳定性和气体分析仪器的响应性能，同时获得快速的响应速度以及稳定的分析结果。下面结合具体实施例对本发明的技术方案作具体说明。
第一实施例
第一实施例提供一种气体分析仪器滤波方法，包括以下步骤：
步骤一：气体分析仪器实时获得N个时刻的瞬时测量值I(n)，其中n＝-N+1,…,-3,-2,-1,0，I(0)为当前时刻的瞬时值；
步骤二：根据N个时刻的瞬时测量值I(n)计算气体稳定性参数；
步骤三：根据气体稳定性参数判断气体变化状态；气体变化急剧时，执行步骤四；气体变化稳定时，执行步骤五；
步骤四：滤波窗口W设置为1；
步骤五：滤波窗口W根据气体稳定性进行设置，气体稳定性较差时，滤波窗口W越大，滤波窗口W最大值不超过M；
步骤六：根据滤波窗口W进行平滑滤波。
第一实施例所提供的气体分析仪器滤波方法，设置有气体稳定性参数，根据气体稳定性参数判断通入气体分析仪器中气体的稳定性状态，并根据稳定性状态确定是否需要滤波。当气体变化急剧时，判断为气体向气体分析仪器注入的过程，不进行滤波；当气体变化稳定时，判断为气体已充满气体分析仪器，根据气体的稳定性设置滤波窗口的大小。气体稳定性越差，气体的波动越大，则滤波窗口W越大；气体稳定性越好，气体的波动越小，滤波窗口W越小。与现有的气体分析仪器滤波方法相比，第一实施例所提供的气体分析仪器滤波方法能够能够减少滤波时间，且兼顾分析结果的稳定性和气体分析仪器的响应性能，同时获得快速的响应速度以及稳定的分析结果。
具体地说，参考附图2为第一实施例所提供的气体分析仪器滤波方法流程图。
首先，对滤波窗口W进行初始化，将滤波窗口W设置为M。
步骤一，探测器3实时采集测量值，得到当前时刻瞬时测量值I(0)，及前N-1个时刻的瞬时测量值I(n)，其中n＝-N+1,…,-3,-2,-1。
步骤二：根据N个时刻的瞬时测量值I(n)计算气体稳定性参数。进一步，可以采用N个时刻的瞬时测量值的相对标准偏差rs和绝对标准偏差s作为气体稳定性参数，其中相对标准偏差rs为：
Figure BDA0002256236010000061
绝对标准偏差为：
Figure BDA0002256236010000062
式(1)中，I(i)为当前时刻向前第i个时刻瞬时测量值，
Figure BDA0002256236010000063
为N个瞬时测量值的平均值。
步骤三，根据气体稳定性参数判断待测气体的变化状态。具体地说，设定气体稳定性阈值，并判断气体稳定性参数是否大于气体稳定性阈值。更为具体地说，设定气体稳定性阈值A和气体稳定性阈值B；如果相对标准偏差rs大于气体稳定性阈值A，且绝对标准偏差s大于气体稳定性阈值B，气体变化急剧，气体具有较大波动性，则判断此时为待测气体向气体分析仪器注入的过程，执行步骤四；
如果不满足上述条件，则判断此时气体变化稳定，气体波动性较小，待测气体已充满气室2，执行步骤五。
步骤四，待测气体向气体分析仪器注入的过程，此过程中，滤波窗口W设置为1，不进行滤波。
步骤五，待测气体的已充满气室2中，此过程进行滤波。
为了进一步减少滤波过程中的时间损耗，滤波窗口W根据待测气体的稳定性进行调整。当气体稳定性越差，滤波窗口W越大；气体稳定性越好，滤波窗口W越小。具体地说，滤波窗口W按照单调递增函数f(rs)变化，其中rs越大，f(rs)的值越大。
作为一个优选技术方案，为了提高气体分析仪器测量结果的准确性，本实施例所提供的气体分析仪器滤波方法设置有测量值阈值C，当前时刻瞬时测量值I(0)<C时，滤波窗口根据绝对标准偏差s进行计算；当前时刻瞬时测量值I(0)≥C时，滤波窗口根据相对标准偏差rs进行计算。
当瞬时测量值I(0)高于测量值阈值C时，绝对标准偏差s的计算值一般比较大，无法较好的表明气体稳定性，采用绝对标准偏差s计算滤波窗口W大小，容易造成误判；而采用相对标准偏差rs计算滤波窗口W大小，则能够提高本实施例所提供的滤波方法的准确性，进一步提高气体分析仪器测量结果的准确性。具体地说，当瞬时测量值I(0)小于测量值阈值C时，调整滤波窗口W设置为f(s)，f(s)为单调递增函数，f(s)的值随s的增大而增大。当瞬时测量值I(0)大于等于测量值阈值C时，调整滤波窗口W设置为f(rs)，f(rs)为单调递增函数，f(rs)的值随rs的增大而增大。
作为另一个优选技术方案，当瞬时测量值I(0)小于测量值阈值C时，调整滤波窗口W设置为一常数，即滤波窗口为固定大小。当瞬时测量值I(0)大于等于测量值阈值C时，调整滤波窗口W设置为f(rs)，f(rs)为单调递增函数，f(rs)的值随rs的增大而增大。该方案能够减少计算量，进一步减少气体分析仪器的滤波时间，从而提高响应速度。
与固定大小的滤波窗口相比，第一实施例所提供的气体分析仪器滤波方法，减少了滤波过程中耗费的时间，提高了气体分析仪器的响应速度。
进一步，为了避免待测气体充满气室2后，当气体波动较大时，导致滤波窗口W由小窗口切换至大窗口时，滤波后输出结果出现跳变，第一实施例还设置有参考滤波窗口w(t)。具体地说，参考附图2，第一实施例设置有参考滤波窗口w(t)，参考滤波窗口w(t)随时刻变化逐个递增；当前时刻的参考滤波窗口w(t)大于滤波窗口W时，滤波窗口W不变；当前时刻的参考滤波窗口w(t)小于滤波窗口W时，滤波窗口W等于下一时刻的参考滤波窗口w(t+1)，其中w(t+1)＝w(t)+1。也就是说，第一实施例使用参考滤波窗口w(t)对滤波窗口W进行控制，使得滤波窗口W由小窗口逐渐递增至大窗口，避免出现测量结果的跳变，保证分析结果的连续性。
步骤六：根据滤波窗口W进行平滑滤波。
第二实施例
本发明还提供第二实施例，在第二实施例的步骤二中，设置N个时刻的瞬时测量值I(n)的梯度g为气体稳定性参数。待测气体稳定性越差，梯度g越大；待测气体越稳定，梯度g越小。
步骤三，根据气体稳定性参数判断气体变化状态。具体地说，设定气体稳定性阈值D，并判断梯度g是否大于气体稳定性阈值D。如果梯度g大于气体稳定性阈值D，气体变化急剧，气体具有较大波动性，则判断此时为待测气体向气体分析仪器注入的过程，执行步骤四；如果梯度g小于气体稳定性阈值D，气体波动性较小，则判断此时气体变化稳定，待测气体的已充满气室2，执行步骤五。
其余步骤同第一实施例。

Claims (10)

1.一种气体分析仪器滤波方法，其特征在于，所述气体分析仪器滤波方法包括以下步骤：
步骤一：气体分析仪器实时获得N个时刻的瞬时测量值I(n)，其中n＝-N+1,…,-3,-2,-1,0，I(0)为当前时刻的瞬时测量值；
步骤二：根据N个时刻的瞬时测量值I(n)计算气体稳定性参数；
步骤三：根据气体稳定性参数判断气体变化状态；气体变化急剧时，执行步骤四；气体变化稳定时，执行步骤五；
步骤四：滤波窗口W设置为1；
步骤五：滤波窗口W根据气体稳定性进行设置，气体稳定性越差，滤波窗口W越大；气体稳定性越好，滤波窗口W越小，滤波窗口W最大值不超过M；
步骤六：根据滤波窗口W进行平滑滤波。
2.根据权利要求1所述的气体分析仪器滤波方法，其特征在于，所述步骤五还包括：设置参考滤波窗口w(t)，参考滤波窗口w(t)随时刻变化逐个递增；当前时刻的参考滤波窗口w(t)大于滤波窗口W时，滤波窗口W不变；当前时刻的参考滤波窗口w(t)小于滤波窗口W时，滤波窗口W等于下一时刻的参考滤波窗口w(t+1)，其中w(t+1)＝w(t)+1。
3.根据权利要求1所述的气体分析仪器滤波方法，其特征在于，所述步骤二中，气体稳定性参数为N个瞬时测量值I(n)的相对标准偏差rs和绝对标准偏差s。
4.根据权利要求1所述的气体分析仪器滤波方法，其特征在于，所述步骤二中，气体稳定性参数为N个瞬时测量值I(n)的变化梯度g。
5.根据权利要求1所述的气体分析仪器滤波方法，其特征在于，所述步骤五中，滤波窗口W按照单调递增函数f(rs)变化，其中rs越大，f(rs)的值越大。
6.根据权利要求5所述的气体分析仪器滤波方法，其特征在于，所述步骤五中，设置测量值阈值C，当I(0)<C时，绝对标准偏差s越大，滤波窗口W越大；当I(0)≥C时，相对标准偏差rs越大，滤波窗口W越大。
7.根据权利要求6所述的气体分析仪器滤波方法，其特征在于，当I(0)<C时，滤波窗口W按照单调递增函数f(s)变化，其中s越大，f(s)的值越大；当I(0)>C时，滤波窗口W按照单调递增函数f(rs)变化，其中相对标准偏差rs越大，f(rs)的值越大。
8.根据权利要求5所述的气体分析仪器滤波方法，其特征在于，所述步骤五中，设置测量值阈值C，当I(0)<C时，滤波窗口W为常数；当I(0)≥C时，相对标准偏差rs越大，滤波窗口W越大。
9.根据权利要求8所述的气体分析仪器滤波方法，其特征在于，滤波窗口W按照单调递增函数f(rs)变化，其中相对标准偏差rs越大，f(rs)的值越大。
10.根据权利要求1～9任一项所述的气体分析仪器滤波方法，其特征在于，所述步骤三中，根据气体稳定性参数判断气体变化状态通过如下方法实现：设定气体稳定性阈值，当气体稳定性参数大于气体稳定性阈值时，判断为气体变化急剧；当气体稳定性参数小于等于气体稳定性阈值时，判断为气体变化稳定。
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