CN117434225B - 一种可控的低压气态成分标定系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及大气环境监测科学技术领域，提出了一种可控的低压气态成分标定系统，包括：压力数据采集模块，采集压力数据，获取压力数据序列和压力窗口序列；噪声波动性评价模块，根据压力窗口序列获取压力窗口序列的窗内压力混淆系数；噪声影响评价模块，获取均值偏移系数和前向引导系数，进而获取前向引导混乱熵；低压气态成分标定实现模块，根据压力窗口序列内包含的压力数据和压力窗口序列的前向引导混乱熵获取压力数据的第一平滑系数，根据第一平滑系数对压力数据序列去噪，获取去噪后的压力数据序列，根据去噪后的压力数据序列实现可控的低压气态成分标定。本发明解决压力传感器获取的压力伪数据影响大气立体观测结果的准确性的问题。
Description
技术领域
本发明涉及大气环境监测科学技术领域，具体涉及一种可控的低压气态成分标定系统。
背景技术
在探究大气污染物排放规律、大气污染物空间分布特征时，往往需要对大气进行立体观测。相较于地面观测，大气立体观测能够为大气污染研究提供更精细、全方位和多角度的观测数据。在开展立体观测时，往往是在较低的大气压力环境下，伴随着检测高度的上升，气压值会显著下降，有些甚至会下降到0.6-0.8个大气压。此外，在采用大流量长管路引流方式将高空环境大气引流至地面观测时，由于长距离传输的压降效应，使得引流管路的气压值甚至低于0.5个大气压。大气压值的变化会导致检测仪器内检测腔内样品气体的折射率产生变化，影响光的传输，进而导致仪器的检测数据出现很大偏差。所以，需要额外评估并修正大气变化对设备运行带来的影响。
一般使用压力传感器获取的压力数据对调控泵的工作状态实现标定，但是，压力传感器容易受到温度和环境噪声的影响出现压力伪数据，如果直接根据压力伪数据对调控泵的工作状态实现标定，会造成压力不稳、数据失准，影响大气立体观测结果的准确性。
发明内容
本发明提供一种可控的低压气态成分标定系统，以解决压力传感器获取的压力伪数据影响大气立体观测结果的准确性的问题，所采用的技术方案具体如下：
本发明一个实施例提供了一种可控的低压气态成分标定系统，该系统包括以下模块：
压力数据采集模块，包括标气稀释模块和可控低压模块，根据可控低压模块中的压力控制计获取压力数据，根据压力数据获取压力数据序列，进而获取压力窗口序列；
噪声波动性评价模块，根据压力窗口序列获取模态分量和残差项，根据压力窗口序列的模态分量获取压力窗口序列的模态混淆系数，根据压力窗口序列的残差项获取压力窗口序列的残差偏移系数，根据压力窗口序列、压力窗口序列的模态混淆系数和残差偏移系数获取压力窗口序列的窗内压力混淆系数；
噪声影响评价模块，确定重点窗口和前判断序列，根据压力窗口序列的前判断序列内包含的压力数据获取前判断序列的均值偏移系数，根据压力窗口序列的前判断序列的均值偏移系数以及压力窗口序列和前判断序列的窗内压力混淆系数获取压力窗口序列的前向引导系数，获取终点窗口的前向引导混乱熵；
低压气态成分标定实现模块，根据压力窗口序列内包含的压力数据和压力窗口序列的前向引导混乱熵获取压力数据的第一平滑系数，根据第一平滑系数对压力数据序列去噪，获取去噪后的压力数据序列，根据去噪后的压力数据序列实现可控的低压气态成分标定。
进一步，所述标气稀释模块和可控低压模块包括：
标气稀释模块包括零气、标气、截止阀、质量流量控制器和采样管，其中，零气指商业购买氧气和氮气体积比1:4的混合气，标气为需要标定的待检测气体；
可控低压模块包括泵、压力控制计、针阀和采样管。
进一步，所述根据压力数据获取压力数据序列，进而获取压力窗口序列的方法为：
将压力数据进行归一化并按照获取的时间先后顺序进行排列，获取压力数据序列，在压力数据序列中截取预设长度的时间窗口，获取压力窗口序列。
进一步，所述根据压力窗口序列、压力窗口序列的模态混淆系数和残差偏移系数获取压力窗口序列的窗内压力混淆系数的方法为：
将压力窗口序列的模态混淆系数与残差偏移系数的和与压力窗口序列内包含的压力数据的信息熵的乘积记为压力窗口序列的窗内压力混淆系数。
进一步，所述确定重点窗口和前判断序列的方法为：
分别将每个压力窗口序列作为终点窗口，将在终点窗口的获取时间之前的连续第二预设阈值个相邻的压力窗口序列记为前判断序列。
进一步，所述根据压力窗口序列的前判断序列内包含的压力数据获取前判断序列的均值偏移系数的方法为：
将压力窗口序列的前判断序列内包含的所有压力数据与前判断序列内包含的所有压力数据的均值的差值的绝对值之和记为前判断序列的均值偏移系数。
进一步，所述根据压力窗口序列的前判断序列的均值偏移系数以及压力窗口序列和前判断序列的窗内压力混淆系数获取压力窗口序列的前向引导系数的方法为：
式中，表示第/>个压力窗口序列的前向引导系数/>表示第二预设阈值；/>表示第/>个压力窗口序列的第/>个前判断序列的均值偏移系数；/>表示第/>个压力窗口序列的第/>个前判断序列的窗内压力混淆系数；/>表示第/>个压力窗口序列的窗内压力混淆系数。
进一步，所述获取终点窗口的前向引导混乱熵的方法为：
将终点窗口和前判断序列的前向引导系数的信息熵记为终点窗口的前向引导混乱熵。
进一步，所述根据压力窗口序列内包含的压力数据和压力窗口序列的前向引导混乱熵获取压力数据的第一平滑系数的方法为：
将压力数据与压力数据所在的压力窗口序列内包含的压力数据的均值的差值的绝对值记为第一绝对值；
将第一绝对值与偏移平滑系数中的最大值与压力数据所在的压力窗口序列的前向引导混乱熵的乘积记为压力数据的第一平滑系数。
进一步，所述根据第一平滑系数对压力数据序列去噪，获取去噪后的压力数据序列，根据去噪后的压力数据序列实现可控的低压气态成分标定的方法为：
以压力数据的第一平滑系数作为压力数据的平滑因子，对压力数据序列使用维纳滤波算法进行数据降噪，获取去噪后的压力数据序列；
当去噪后的压力数据序列内包含的压力数据高于设定值时，提高真空泵工作功率，反之，降低真空泵的工作功率，实现检测腔内气压值的恒定；
在设定的恒定低压环境下，通过标气检测设备可获得对应的光谱数据，将光谱数据作为低压气态标定数据，低压气态标定数据可为真实环境气体成分检测提供标定参考，实现可控的低压气态成分标定。
本发明的有益效果是：
本发明根据采集的压力数据获取压力数据序列和压力窗口序列，对压力窗口序列进行模态分解，通过模态分量和残差分量得到窗内压力混淆系数，根据压力窗口序列内的压力数据的分布特征计算窗内压力混淆系数可降低单个离群值对压力窗口序列内的压力数据受到噪声影响的评价误差；其次，获取前判断序列，获取压力窗口序列的前向引导系数，进而获取前向引导混乱熵，根据相邻的多个压力窗口序列提高后续压力数据降噪的准确性，由此获取压力数据的第一平滑系数，根据第一平滑系数对压力数据序列去噪，获取去噪后的压力数据序列，根据去噪后的压力数据序列实现可控的低压气态成分标定，提高压力数据对应的数据采集时刻的腔内气压的准确定，进而提升大气立体观测结果的准确性，解决压力传感器获取的压力伪数据影响大气立体观测结果的准确性的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一个实施例所提供的一种可控的低压气态成分标定系统的流程示意图；
图2为压力数据采集模块示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，其示出了本发明一个实施例提供的一种可控的低压气态成分标定系统流程图，该系统包括：压力数据采集模块、噪声波动性评价模块、噪声影响评价模块、低压气态成分标定实现模块。
压力数据采集模块，包括标气稀释模块和可控低压模块，根据可控低压模块中的压力控制计获取压力数据，根据压力数据获取压力数据序列，进而获取压力窗口序列。
标气稀释模块包括零气、标气、截止阀、质量流量控制器和采样管。零气和标气分别与质量流量控制器通过采样管连接，所述质量流量控制器通过采样管和转接头再与外径1/2英寸的PFA-Teflon管相连。其中，零气指商业购买氧气和氮气体积比1:4的混合气，标气为需要标定的待检测气体。
可控低压模块包括泵、压力控制计、针阀和采样管。泵和压力控制计通过采样管相连，压力控制计和标气稀释模块管通过采样管和转接头相连，旁路的针阀与标气稀释模块管通过采样管和转接头相连。
压力数据采集模块示意图如图2所示。
压力控制计的准确性是低压气态成分标定系统的关键，决定标定数据的准确性和可信度。通过压力控制计获取压力数据。其中，压力控制计的采样间隔的经验值为1ms。
压力传感器容易受到温度和环境噪声的影响出现压力伪数据，如果直接根据压力数据调控泵的工作状态、实现标定数据监测，会造成压力不稳、数据失准，影响大气立体观测结果的准确性，所以，需要对压力数据进行数据清洗，降低环境噪声的干扰。可使用拉格朗日插值法补充缺失数据，其中，拉格朗日插值法为公知技术，不再赘述。
将压力数据进行归一化并按照获取的时间先后顺序进行排列，获取压力数据序列。
当设备长时间运行时能够得到接近无限长的压力数据序列，不利于后续的计算分析。所以，在压力数据序列中截取经验值长度为1秒的时间窗口，获取压力窗口序列。
至此，获取压力窗口序列。
噪声波动性评价模块，根据压力窗口序列获取模态分量和残差项，根据压力窗口序列的模态分量获取压力窗口序列的模态混淆系数，根据压力窗口序列的残差项获取压力窗口序列的残差偏移系数，根据压力窗口序列、压力窗口序列的模态混淆系数和残差偏移系数获取压力窗口序列的窗内压力混淆系数。
在低压气态成分标定系统中，低压环境是不断动态调整的，因此，压力数据具有一定的波动性。同时，环境噪声对低压气态成分标定系统中压力的影响就隐藏在压力数据的波动中。其中，压力数据自身的波动性一般具有一定的连贯性，即压力数据具备时序相关性；噪声具备随机性，并且当统计时间无限长时，噪声信号服从高斯分布。
为了避免加窗对压力窗口序列分解的影响，采用EEMD集成经验模态分解算法对压力窗口序列进行分解，获取第一预设阈值个模态分量和一个残差项/>。其中，第一预设阈值/>的经验值为8；每个模态分量和残差项与压力窗口序列的长度都是一致的；EEMD模态分解算法为公知技术，不再赘述。
根据压力窗口序列的模态分量获取压力窗口序列的模态混淆系数。
式中，表示第/>个压力窗口序列的模态混淆系数；/>表示第一预设阈值；/>表示第/>个压力窗口序列内包含的压力数据的数量；/>表示第/>个时间窗口对应的压力窗口序列的第/>个模态分量中第/>个数值；/>表示第/>个时间窗口对应的压力窗口序列的第/>个模态分量中包含的数值的均值。
根据压力窗口序列的残差项获取压力窗口序列的残差偏移系数。
式中，表示第/>个压力窗口序列的残差偏移系数；/>表示第/>个压力窗口序列的残差项中第/>个数值；/>表示第/>个压力窗口序列的残差项中包含的数值的最小值；/>表示第/>个压力窗口序列的残差项中包含的数值的最小值的位置索引；/>表示第/>个压力窗口序列内第/>个采样时刻；/>表示第/>个压力窗口序列内包含的压力数据的数量。
根据压力窗口序列、压力窗口序列的模态混淆系数和残差偏移系数获取压力窗口序列的窗内压力混淆系数。
表示第/>个压力窗口序列的窗内压力混淆系数；/>表示第/>个压力窗口序列的模态混淆系数；/>表示第/>个压力窗口序列的残差偏移系数；/>表示第/>个压力窗口序列；表示第/>个压力窗口序列内包含的压力数据的信息熵。
当压力数据受环境噪声影响越大时，压力数据的波动越剧烈、异常值越多，所以，压力窗口序列内包含的压力数据的信息熵越大，同时，压力窗口序列的模态分量和残差项内包含的数值差异越大，即压力窗口序列的模态混淆系数和窗内压力混淆系数越大，所以，压力窗口序列的窗内压力混淆系数越大。
至此，获取压力窗口序列的窗内压力混淆系数。
噪声影响评价模块，确定重点窗口和前判断序列，根据压力窗口序列的前判断序列内包含的压力数据获取前判断序列的均值偏移系数，根据压力窗口序列的前判断序列的均值偏移系数以及压力窗口序列和前判断序列的窗内压力混淆系数获取压力窗口序列的前向引导系数，获取终点窗口的前向引导混乱熵。
噪声具备一定的随机性，所以，会出现一些压力窗口序列的窗内压力混淆系数较大，同时，一些压力窗口序列的窗内压力混淆系数较小的情况。
分别对每个压力窗口序列进行分析，此处以第个压力窗口序列的分析为例。
以第个压力窗口序列为终点窗口，选取在第/>个压力窗口序列的获取时间之前的连续第二预设阈值个相邻的压力窗口序列，将选取的压力窗口序列记为前判断序列。其中，第二预设阈值的经验值为30。
根据压力窗口序列的前判断序列内包含的压力数据获取前判断序列的均值偏移系数。
式中，表示第/>个压力窗口序列的第/>个前判断序列的均值偏移系数/>表示第/>个压力窗口序列的第/>个前判断序列内第/>个压力数据；/>表示第/>个压力窗口序列的第/>个前判断序列内包含的压力数据的均值；/>表示第/>个压力窗口序列内包含的压力数据的数量。
当压力窗口序列受到噪声的影响程度越大时，压力窗口序列的均值偏移系数越大。
根据压力窗口序列的前判断序列的均值偏移系数以及压力窗口序列和前判断序列的窗内压力混淆系数获取压力窗口序列的前向引导系数。
式中，表示第/>个压力窗口序列的前向引导系数/>表示第二预设阈值；/>表示第/>个压力窗口序列的第/>个前判断序列的均值偏移系数；/>表示第/>个压力窗口序列的第/>个前判断序列的窗内压力混淆系数；/>表示第/>个压力窗口序列的窗内压力混淆系数。
由于噪声的出现情况是随机的，所以，终点窗口的前判断序列受到噪声的影响程度是不同的。当终点窗口和前判断序列受到噪声的影响程度差异越大时，压力窗口序列的前向引导系数越大。
至此，获取所有压力窗口序列的前向引导系数。
获取压力窗口序列和以压力窗口序列为终点窗口的前判断序列的前向引导系数的信息熵，将信息熵记为终点窗口的前向引导混乱熵。
当压力窗口序列和以压力窗口序列为终点窗口的前判断序列的前向引导系数的数值分布越为离散时，终点窗口的前向引导混乱熵越大，此时，终点窗口受到噪声的影响越大。
至此，获取所有压力窗口序列的前向引导混乱熵。
低压气态成分标定实现模块，根据压力窗口序列内包含的压力数据和压力窗口序列的前向引导混乱熵获取压力数据的第一平滑系数，根据第一平滑系数对压力数据序列去噪，获取去噪后的压力数据序列，根据去噪后的压力数据序列实现可控的低压气态成分标定。
根据压力窗口序列内包含的压力数据和压力窗口序列的前向引导混乱熵获取压力数据的第一平滑系数。
式中，表示第/>个压力窗口序列内第/>个压力数据的第一平滑系数；/>表示第/>个压力窗口序列的前向引导混乱熵；/>表示第/>个压力窗口序列内第/>个压力数据；/>表示第/>个压力窗口序列内包含的压力数据的均值；/>表示偏移平滑系数，经验值取0.2；表示第一取值函数，作用为取括号内的最大值。
当压力窗口序列内的压力数据受到噪声的影响越大时，压力窗口序列的前向引导混乱熵越大、压力窗口序列内包含的压力数据差异越大，则压力窗口序列内压力数据的第一平滑系数越大，此时，应对压力数据采用较大的平滑因子进行去噪，降低噪声对数据的干扰，提高数据准确性。
其中，偏移平滑系数的作用为避免压力数据与压力数据所在的压力窗口序列内包含的压力数据均值相同，导致压力数据的第一平滑系数取零，使第一平滑系数的取值不合理。
对压力数据序列使用维纳滤波算法进行数据降噪，其中，每个压力数据对应的平滑因子取压力数据的第一平滑系数，获取去噪后的压力数据序列。其中维纳滤波算法去噪为公知技术，不再赘述。
去噪后的压力数据序列可反映每个数据采集时刻时，检测腔内更加准确的压力数据值。
根据去噪后的压力数据序列内包含的压力数据实时调控真空泵的工作状态，去噪后的压力数据序列内包含的压力数据即为压力数据对应的数据采集时刻的腔内气压。
当腔内气压高于设定值时，提高真空泵工作功率，反之，需要降低真空泵的工作功率，实现检测腔内气压值的恒定。
在设定的恒定低压环境下，通过标气检测设备可获得对应的光谱数据，将光谱数据作为低压气态标定数据，用于为真实环境气体成分检测提供标定参考。
至此，实现可控的低压气态成分标定。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种可控的低压气态成分标定系统，其特征在于，该系统包括以下模块：
压力数据采集模块，包括标气稀释模块和可控低压模块，根据可控低压模块中的压力控制计获取压力数据，根据压力数据获取压力数据序列，进而获取压力窗口序列；
噪声波动性评价模块，根据压力窗口序列获取模态分量和残差项，根据压力窗口序列的模态分量获取压力窗口序列的模态混淆系数，根据压力窗口序列的残差项获取压力窗口序列的残差偏移系数，根据压力窗口序列、压力窗口序列的模态混淆系数和残差偏移系数获取压力窗口序列的窗内压力混淆系数；
噪声影响评价模块，确定重点窗口和前判断序列，根据压力窗口序列的前判断序列内包含的压力数据获取前判断序列的均值偏移系数，根据压力窗口序列的前判断序列的均值偏移系数以及压力窗口序列和前判断序列的窗内压力混淆系数获取压力窗口序列的前向引导系数，获取终点窗口的前向引导混乱熵；
低压气态成分标定实现模块，根据压力窗口序列内包含的压力数据和压力窗口序列的前向引导混乱熵获取压力数据的第一平滑系数，根据第一平滑系数对压力数据序列去噪，获取去噪后的压力数据序列，根据去噪后的压力数据序列实现可控的低压气态成分标定；
所述模态混淆系数的表达式为：
式中，表示第/>个压力窗口序列的模态混淆系数；/>表示第一预设阈值；/>表示第/>个压力窗口序列内包含的压力数据的数量；/>表示第/>个时间窗口对应的压力窗口序列的第/>个模态分量中第/>个数值；/>表示第/>个时间窗口对应的压力窗口序列的第/>个模态分量中包含的数值的均值；
所述残差偏移系数的表达式为：
式中，表示第/>个压力窗口序列的残差偏移系数；/>表示第/>个压力窗口序列的残差项中第/>个数值；/>表示第/>个压力窗口序列的残差项中包含的数值的最小值；/>表示第/>个压力窗口序列的残差项中包含的数值的最小值的位置索引；/>表示第/>个压力窗口序列内第/>个采样时刻；/>表示第/>个压力窗口序列内包含的压力数据的数量；
所述根据压力窗口序列、压力窗口序列的模态混淆系数和残差偏移系数获取压力窗口序列的窗内压力混淆系数的方法为：
将压力窗口序列的模态混淆系数与残差偏移系数的和与压力窗口序列内包含的压力数据的信息熵的乘积记为压力窗口序列的窗内压力混淆系数；
所述根据压力窗口序列的前判断序列内包含的压力数据获取前判断序列的均值偏移系数的方法为：
将压力窗口序列的前判断序列内包含的所有压力数据与前判断序列内包含的所有压力数据的均值的差值的绝对值之和记为前判断序列的均值偏移系数；
所述根据压力窗口序列的前判断序列的均值偏移系数以及压力窗口序列和前判断序列的窗内压力混淆系数获取压力窗口序列的前向引导系数的方法为：
式中，表示第/>个压力窗口序列的前向引导系数/>表示第二预设阈值；/>表示第/>个压力窗口序列的第/>个前判断序列的均值偏移系数；/>表示第/>个压力窗口序列的第/>个前判断序列的窗内压力混淆系数；/>表示第/>个压力窗口序列的窗内压力混淆系数；
所述根据压力窗口序列内包含的压力数据和压力窗口序列的前向引导混乱熵获取压力数据的第一平滑系数的方法为：
将压力数据与压力数据所在的压力窗口序列内包含的压力数据的均值的差值的绝对值记为第一绝对值；
将第一绝对值与偏移平滑系数中的最大值与压力数据所在的压力窗口序列的前向引导混乱熵的乘积记为压力数据的第一平滑系数。
2.根据权利要求1所述的一种可控的低压气态成分标定系统，其特征在于，所述标气稀释模块和可控低压模块包括：
标气稀释模块包括零气、标气、截止阀、质量流量控制器和采样管，其中，零气为商业购买氧气和氮气体积比1:4的混合气，标气为需要标定的待检测气体；
可控低压模块包括泵、压力控制计、针阀和采样管。
3.根据权利要求1所述的一种可控的低压气态成分标定系统，其特征在于，所述根据压力数据获取压力数据序列，进而获取压力窗口序列的方法为：
将压力数据进行归一化并按照获取的时间先后顺序进行排列，获取压力数据序列，在压力数据序列中截取预设长度的时间窗口，获取压力窗口序列。
4.根据权利要求1所述的一种可控的低压气态成分标定系统，其特征在于，所述确定重点窗口和前判断序列的方法为：
分别将每个压力窗口序列作为终点窗口，将在终点窗口的获取时间之前的连续第二预设阈值个相邻的压力窗口序列记为前判断序列。
5.根据权利要求4所述的一种可控的低压气态成分标定系统，其特征在于，所述获取终点窗口的前向引导混乱熵的方法为：
将终点窗口和前判断序列的前向引导系数的信息熵记为终点窗口的前向引导混乱熵。
6.根据权利要求1所述的一种可控的低压气态成分标定系统，其特征在于，所述根据第一平滑系数对压力数据序列去噪，获取去噪后的压力数据序列，根据去噪后的压力数据序列实现可控的低压气态成分标定的方法为：
以压力数据的第一平滑系数作为压力数据的平滑因子，对压力数据序列使用维纳滤波算法进行数据降噪，获取去噪后的压力数据序列；
当去噪后的压力数据序列内包含的压力数据高于设定值时，提高真空泵工作功率，反之，降低真空泵的工作功率，实现检测腔内气压值的恒定；
在设定的恒定低压环境下，通过标气检测设备可获得对应的光谱数据，将光谱数据作为低压气态标定数据，低压气态标定数据可为真实环境气体成分检测提供标定参考，实现可控的低压气态成分标定。
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