技术领域
[0001] 本
发明涉及一种用于随时间测量和跟踪流体中的组分的数量或浓度的设备。它还涉及一种相应的方法和
计算机程序。
背景技术
[0002] 本发明更特别地应用于一种包括以下内容的设备：
[0003] -
传感器，能够测量流体中组分的数量或浓度并提供随时间跟踪该数量或浓度的定量
信号，
[0004] -
信号处理模
块，包括跟踪的定量信号的低通
滤波器，
[0005] -输出
接口，用于提供被滤波的跟踪的定量信号。
[0006] 工业应用是多种的，用于检测任何气态或液态流体中的气态、液态或固态组分。可以使用的传感器也很多并且取决于预期的应用。一个非限制性示例是，借助于基于可以构成气体的不同物种的
光谱吸收特性且基于比尔·朗伯定律的光学检测方法，研究空气中的某些气态物种，例如已识别的污染物和/或
温室效应气体。传感器在这种情况下可以是NDIR(英语为Non-Dispersive InfraRed非分散红外)类型的，也就是说，非分散红外发射器，以及通常的
热电堆探测器。
[0007] 这种类型的设备例如在
专利申请US 2003/0058439 A1或专利申请WO 2007/064370 A2中被描述过。使用相同光学方法但具有最佳生产成本和尺寸的其他设备也同样被MEMS(英文“MicroElectroMechanical Systems”微
机电系统)技术的
申请人销售过。它们可以被集成到便携式
电子系统中，例如数字
平板电脑、
移动电话、摄像设备或其他。它们也可以被集成到住宅自动化管理技术、工业检测或空气
质量分析的固定系统中。它们提供的信号可以有利地被用于信息显示或在识别出危险的情况下用于触发警报。
[0008] 但是为了更好地利用此类设备提供的信号，这些信号很少会直接从传感器获得。它们通常经受至少略微的低通滤波处理，以消除某些噪声或伪像的信号。该过滤还产生平滑化，便于信息的读取或检测结果的解释。它另一方面在每个时刻在组分的预估数量或浓度与实际数量或浓度之间引入延迟。这种延迟在
对流体中被认为是危险或至关重要的组分的快速增加或减少需要精确的检测和高
反应性(触发警报或行动计划)的某些应用中可能会造成问题。于是，必须在低通滤波的效率和延迟之间找到总是不能令人满意的折衷方案。
[0009] 因此可能期望提供一种能够克服上述折衷的至少一部分的设备。
发明内容
[0010] 因此提出了一种测量和随着时间跟踪流体中组分的数量或浓度的测量和跟踪设备，包括：
[0011] -传感器，能够测量流体中组分的数量或浓度并提供随着时间跟踪该数量或浓度的跟踪定量信号，
[0012] -信号处理模块，包括跟踪定量信号的
低通滤波器，
[0013] -用于提供滤波的跟踪定量信号的输出接口，
[0014] 其中信号处理模块包括：
[0015] -跟踪定量信号在预定的滑动
时间窗口中的变化的瞬时趋势值的估算器，以及[0016] -根据估算的变化的瞬时趋势值随着时间调整低通滤波器的高截止
频率的装置。
[0017] 通过作用于低通滤波的高截止频率，通常会直接影响延迟：高截止频率越低，跟踪定量信号的平滑程度越高且越容易解释但引入的延迟就越高；相反，高截止频率越高，延迟越短但跟踪定量信号噪声越大且难以解释。因此，本发明使得可以根据跟踪定量信号在预定的滑动时间窗中的变化的估计来动态地改变该高截止频率，该预定的滑动时间窗可以比低通滤波器的延迟短得多。该低通滤波器的参数是由上述不令人满意的折衷导致的。通过这样做，低通滤波实时地适应于信号的变化并且折衷变为动态的且因此令人满意的。
[0018] 还要注意，低通滤波器的概念包括
带通滤波器的概念。实际上，应该将带通滤波器视为低通滤波器的特殊情况，即，表现为低截止频率还低于其高截止频率的低通滤波器。
[0019] 可选地，估算器被设计为用于通过提供跟踪定量信号在预定的滑动时间窗口中的斜率值，特别是通过线性回归，来估算跟踪定量信号变化的瞬时趋势值。这个特别简单的估算可以在很短的时间内实施。
[0020] 同样可选地，调整装置被设计以便：
[0021] -当估算的变化的瞬时趋势值的绝对值减小时，降低低通滤波器的高截止频率；以及
[0022] -当估算的变化的瞬时趋势值的绝对值增加时，增加低通滤波器的高截止频率。
[0023] 同样可选地，将低通滤波器被设计为用于在对跟踪定量信号进行时间
采样后根据以下递归时间关系执行指数加权的滑动平均数字滤波：
[0024]
[0025] 其中y1,...,yi...是跟踪定量信号的连续时间样本， 是从滤波的跟踪定量信号得到的连续时间样本并且α是介于0和1之间的滑动平均数字滤波的指数加权系数且在数学上与该数字滤波的高截止频率fc有关。这种低通滤波特别容易借助于单个参数，在这种情况下为α，来调整。
[0026] 同样可选地，调整装置被利用
模糊逻辑来配置，以便：
[0027] -区分N个变化的瞬时趋势的状态，N≥2，这N个状态中的每一个都与低通滤波器的高截止频率的一个预定对应值和一个隶属函数相关联，该隶属函数的值在变化的瞬时趋势的可能值范围内定义的[0；1]区间中，并且
[0028] -将低通滤波器的高截止频率调整为分别由N个变化的瞬时趋势的状态中的每一个处的估算的变化的瞬时趋势值的N个隶属度进行加权的高截止频率的N个预定值的总和，这些隶属度借助于N个隶属函数来计算。
[0029] 利用模糊逻辑的配置提供有反应的调整但没有低通滤波的中断。
[0030] 还可以选择的，N≥3且：
[0031] -第一稳定状态与一个高截止频率相关联，该高截止频率与指数加权系数α的在0.9和1之间的值相关；
[0032] -缓慢变化的第二状态与一个高截止频率相关联，该高截止频率与指数加权系数α的在0.7至0.9之间的值相关；
[0033] -快速变化的第三状态与一个高截止频率相关联，该高截止频率与指数加权系数α的在0.1和0.3之间的值相关。
[0034] 同样可选地，每个隶属函数是高斯或分段线性函数。这些函数很容易利用模糊逻辑来实现。
[0035] 同样可选地，该传感器是非分散红外发射器和热电堆检环境中的气体。
[0036] 还提出了一种用于测量和随着时间跟踪流体中组分的数量或浓度的方法，其包括以下步骤：
[0037] -借助于传感器测量流体中组分的数量或浓度并提供随着时间跟踪该数量或浓度的跟踪定量信号，
[0038] -借助于低通滤波器处理跟踪定量信号，
[0039] -在输出处提供滤波的定量信号，
[0040] 其中跟踪定量信号的处理包括：
[0041] -随着时间估算在预定的滑动时间窗口中定量信号的变化的瞬时趋势，以及[0042] -根据估算的变化的瞬时趋势，随着时间调整低通滤波器的高截止频率。
[0043] 还提出了一种能够从通信网络下载和/或记录在计算机可读载体上和/或可由处理器执行的计算机程序，包括用于执行以下步骤的指令：
[0044] -接收随着时间跟踪流体中组分的数量或浓度的定量
数字信号，
[0045] -通过低通滤波来处理跟踪的定量信号，
[0046] 低通滤波器借助于用于执行以下步骤的指令来实现：
[0047] -随着时间估算在预定的滑动时间窗口中定量信号的变化的瞬时趋势，以及[0048] -根据估算的变化的瞬时趋势随着时间调整低通滤波器的高截止频率。
附图说明
[0049] 借助于下面的描述，将更好地理解本发明，下面的描述仅以示例的方式并参考附图，其中：
[0050] -图1示意性地示出了根据本发明的一个
实施例的用于测量和跟踪流体中的组分的数量或浓度的设备的总体结构，
[0051] -图2示出了由图1的设备实现的用于测量和跟踪流体中的组分的数量或浓度的方法的连续步骤，
[0052] -图3示出了由图2的方法所利用的模糊逻辑模型的隶属函数图；
[0053] -图4和图5借助于图示示出了实施图2的方法的中间和最终结果。
具体实施方式
[0054] 图1所示设备，适用于随时间测量和跟踪流体F中组分C的数量或浓度，其包括传感器10，信号处理模块12和处理由模块12提供的数据的模块14。
[0055] 传感器10能够测量流体F中组分C的数量或浓度并提供随时间跟踪该数量或浓度的定量信号。根据图1中具体示出但非限制的示例，传感器10是NDIR型的气体环境中气体物种的传感器，即带有红外发射器16和热电堆检测器18。在此特定情况下，流体F是一种气体而组分C是一种特定的气态物种，希望跟踪F中它的数量或浓度。更准确地说，传感器10包括壳体20，其带有第一开口22，待分析的气体F通过该开口进入，和第二开口24，通过它相同的气体F出来。通过保持压差可以迫使气体的进入和/或排出，或通过简单的扩散效应使其自发进行。红外发射器16以预定的谱带照射壳体内部的气体F而热电堆检测器18接收由气体F传送的光
辐射。该光辐射已经经历了与气体F中组分数量或浓度直接相关的某些吸收。然后，传感器10的转换器26将由热电堆检测器18接收到的模拟光辐射转换成数字采样信号，这与气体F中的组分C对光辐射的吸收直接相关并最终代表了在每个采样时刻测量的C组分的数量或浓度。在本描述的其余部分该跟踪定量信号记为y1,...,yi...。
[0056] 信号处理模块12通过输入接口28接收跟踪定量信号y1,...,yi...。它还包括低通滤波器30和向其传送信号y1,...,yi...的瞬时变化的估算器32。估算器32更具体地被设计为计算在预定长度T的滑动时间窗口中的跟踪定量信号的变化的瞬时趋势值V。有利的是，该长度T远小于低通滤波器30能够产生的延迟时间。此外，根据本发明的一般原理，模块12还包括用于根据估算器32返回的变化的瞬时趋势值随时间调整低通滤波器30的高截止频率fc的装置34。最后，它包括用于提供滤波的跟踪定量信号的输出接口36。该滤波的信号在以下描述中被记为
[0057] 在优选的实施方式中，瞬时的变化估算器32被设计用于通过在预定的滑动时间窗口中提供跟踪定量信号的斜率值，特别是通过线性回归来估算跟踪定量信号y1,...,yi...的变化的瞬时趋势值V。如果可以假设跟踪定量信号在所考虑的时间窗口中是近似线性的则这种线性回归是相关的，这在短时间间隔情况下通常是这样的。注意到例如xi-T,...,xi为滑动时间窗口的T个采样时刻，在时刻x处希望估算值V，线性回归在于以以下形式来表达相应的跟踪信号yi-T,...,yi:
[0058]
[0059] 并且确定 值和 值，它们使零均值的残留误差εi-T,...,εi最小化，[0060] 注意：
[0061] 和
[0062] 通过最小化均方差得出最小二乘法解的值 以如下方式估算:
[0063] 其中XT是矩阵X的转置。
[0064] 因此，变化的瞬时趋势值V可被选为等于斜率 的绝对值。如先前的计算所指示的并且根据滑动时间窗口的概念，在每次接收到新的跟踪定量信号样本时，该值V都是可
修改的。
[0065] 同样在优选实施例中，调整装置34被设计以用于：
[0066] -当由估算器32计算的变化的瞬时趋势值V的绝对值减小时，
[0067] 降低低通滤波器30的高截止频率fc，和
[0068] -当估算器32计算的变化的瞬时趋势值V的绝对值增加时，增加低通滤波器30的高截止频率fc。
[0069] 在这种情况下，V和fc之间的直接关系可以在调整装置中预先定义，例如以递增函数的形式，用于根据V调整高截止频率fc。由于每次接收到新的跟踪定量信号样本时都可以修改V值，因此高截止频率fc同样可以相同的速率进行调整。
[0070] 同样在一种优选实施例中，低通滤波器30是数字的并且被设计为根据以下递归时间关系，对采样的定量跟踪信号y1，...，yn，...执行通过指数加权的滑动平均数字滤波：
[0071]
[0072] 其中α是介于0和1之间的滑动平均数字滤波的指数加权系数并且在数学上与该数字滤波的高截止频率fc相关。例如，从上述时间递归关系可以看出，该数学关系采用以下形式估算-3dB处的高截止频率：
[0073]
[0074] 其中Fs是
采样频率，cos-1是反余弦函数，而max(；)是返回两个值中的最大值的函数。
[0075] 这种数学关系尤其是由里克·里昂斯(Rick Lyons)的书《理解数字信号处理》，第三版，Prentice Hall Publishing，2011，第613-614页中的教导得出的。当fc与Fs相较保持较低，尤其是当fc≤0.1Fs时，可以以以下方式简化，
[0076]
[0077] 在这种情况下，V和fc之间的直接关系可以通过V和α之间的直接关系以等价的方式预先定义。
[0078] 在优选实施例中，该直接关系在调整装置34中通过模糊逻辑以如下方式配置：
[0079] -定义和区分变化的瞬时趋势的N个离散状态，N≥2，这N个状态中的每一个与低通滤波器30的高截止频率fc的预定对应值fc(n)相关联，或以等效的方式与加权系数α的预定对应值α(n)相关联，以及与其值在V的可能值范围内(例如，被包括在[0，+∞]中)定义的[0，1]区间中的隶属函数FMS,n相关联，以及
[0080] -将低通滤波器30的高截止频率fc，或以等效的方式将加权系数α调整为高截止频率的N个预定值的总和，或以等效的方式调整为分别由在N个变化的瞬时趋势的每个状态下估算的值V的N个隶属度加权的加权系数的N个预定值的总和，这些隶属度是借助于N个隶属函数计算的。
[0081] 每个隶属函数例如是高斯或分段线性函数。模糊逻辑中众所周知的任何其他隶属函数族也可以根据预期的应用和背景的需要进行考虑和调整。
[0082] 如图1所示并且先前详细描述的，信号处理模块12的元件30、32、34可以例如在至少一个计算机设备中实现，该计算机设备例如是包括与一个或多个用于存储数据文件和计算机程序的
存储器相关联的处理器，或者甚至直接与一个或多个存储器相关联的一个或多个处理器的传统计算机。
[0083] 这些功能模块因此包括若干计算机程序或同一计算机程序的若干功能，这些程序或功能根据所有可能的组合被分组为一个或多个
软件。它们也可以至少部分地在专用集成
电路中被微编程或微布线。因此，可替换地，实现上述一个或多个功能模块的每个计算机设备可以由仅由用于执行相同动作的数字电路(没有计算机程序)组成的电子设备代替。
[0084] 操作由模块12提供的数据的模块14接收滤波的信号 以本身已知的方式，它操作和处理该信号用于信息显示或在出现问题的情况下触发警报，例如如果超过了气体F中组分C的检测数量或浓度的预定
阈值。其工作将不作详述。只要注意到模块12实现的处理可以包括将滤波的信号 转换成直接表示在每个采样时刻测量的组分C的量或浓度的信号，该转换以本身已知的方式通过利用朗伯-比尔定律实现。
[0085] 应当注意传感器10、信号处理模块12和数据操作模块14在结构上是可分离的。因此图1所示的设备可被设计成一件式或多个独立的、通过有线或无线的数据传输相互连接的
硬件元件。不同的可能配置由预期的应用来指导。
[0086] 现在将参考图2所示的方法的不同步骤来详细描述图1的设备的操作。
[0087] 在由传感器10连续执行的步骤100期间，热电堆检测器18提供测量由红外发射器16发射并被气体F传输的光辐射被组分C的光吸收的连续的
模拟信号。
[0088] 在由传感器10的转换器26连续执行的步骤102期间，由热电堆检测器18通过执行步骤100提供的连续模拟信号被数字化转换，以提供跟踪定量信号y1,...,yi...的连续时间采样。
[0089] 在由估算器32在时间采样的每个时刻执行的步骤104期间，在预定长度为N的滑动时间窗口中跟踪定量信号y1,...,yi...的变化的瞬时趋势值V被计算出。
[0090] 在由调整装置34在每个时间采样时刻执行的步骤106期间，低通滤波器30的高截止频率fc、或以等效的方式在指数加权滑动平均数字滤波情况下的上述加权系数α，根据在步骤104中估算的V值被调整。
[0091] 在由使用高截止频率fc或以等效的方式在指数加权滑动平均数字滤波的情况下的上述加权系数α的低通滤波器30在每个时间采样时刻执行的步骤108期间，跟踪定量信号y1,...,yi......被滤波并转换为
[0092] 在由数据操作模块14在时间采样的每个瞬时执行的步骤110期间，该滤波的跟踪定量信号 经由输出接口36逐渐传送到数据操作模块14。
[0093] 在时间采样的每个时刻根据估算值V来计算上述加权系数α的简单且具体的示例在图3中被示出。根据前面一般介绍的模糊逻辑配置，对于N＝3：
[0094] -第一稳定状态与一个高截止频率相关联，该高截止频率与指数加权系数α的在0.9和1之间的值α(1)相关，例如α(1)＝0.99；
[0095] -缓慢变化的第二状态与一个高截止频率相关联，该高截止频率与指数加权系数α的在0.7至0.9之间的值α(2)相关，例如α(2)＝0.8；
[0096] -快速变化的第三状态与一个高截止频率相关联，该高截止频率与指数加权系数α的在0.1和0.3之间的值α(3)相关，例如α(3)＝0.2。
[0097] 稳定状态与第一隶属函数FMS,1关联，其值在[0，+∞]的取值范围中定义的区间[0；1]中。为了简单说明，在图3的示例中，该第一隶属函数是分段线性的。它首先在第一个区间中连续取值1，随后在第二个区间内向0线性减小，然后在剩余的取值范围内连续取值0。
[0098] 缓慢变化的状态与第二隶属函数FMS,2相关联，其值在取值范围[0；+∞]中定义的区间[0；1]中。为了简单说明，该第二隶属函数也是分段线性的。它首先在第一个区间内连续取值0，随后在第二区间内向1线性增长，然后在第三区间内连续取值1，然后在第四区间内向0线性降低，然后在其余值范围内连续取值为0。
[0099] 快速变化的状态与第三隶属函数FMS,3相关联，其值在取值范围[0；+∞]中定义的区间[0；1]中。为了简单说明，该第三隶属函数也是分段线性的。它首先在第一个、第二个和第三个区间连续取值0，然后在第四个区间向1线性增加，然后在其余取值范围内连续取值1。
[0100] 然后根据在每个采样瞬时的估算值V通过以下关系式确定加权系数α：
[0101] α＝FMS，1[V].α(1)+FMS，2[V].α(2)+FMS，3[V].α(3)，(3)，[0102] 或者，例如在图3的具体图示中：
[0103] a＝0.8×0.99+0.2×0.8+0×0.2＝0.952。
[0104] 图4和图5显示了对1100个连续样本的跟踪定量信号所获得的结果。图4示出了由估算器32计算的斜率 的1100个连续值。观察到直到样品340之前的跟踪定量信号的相对
稳定性，然后在样品340周围有快速减小，然后为直到样品680之前的再次相对稳定性，随后在样品680周围有快速增长，然后是直到样品950之前的相对稳定性，然后是样品950和1050之间的缓慢增长，然后是样品1050之后的相对稳定性。图5示出了跟踪定量信号，如先前所引起的，在低通滤波利用图4的瞬时变化之前和之后。非常清楚的是，滤波之前的跟踪定量信号无延迟地检测到气体F中组分C的数量或浓度的任何快速变化，但代价是在稳定或缓慢变化区域中的噪声值非常大。同样非常清楚的是，过滤后的定量信号也无延迟地检测到气体F中组分C的含量或浓度的任何快速变化，其值在稳定或缓慢变化的区域中没有噪声。因此，在调整低通滤波的高截止频率时进行动态折衷是非常有效的。
[0105] 显然，如上所述的测量和跟踪设备使得可以，以降噪的方式并且没有令人不适的延迟时间，来测量和跟踪流体F中的组分C的含量或浓度。
[0106] 还要注意，本发明不限于上面参考图1和2描述的实施例。
[0107] 因此例如，尽管先前已经在来自热电堆检测器18的采样和数字化之后的信号上直接提出了低通滤波，提出在处理链中的另一处进行低通滤波也是可能的，特别是在根据朗伯-比尔(Beer-Lambert)定律进行转换之后。然而，该变型的优势较小，因为朗伯-比尔(Beer-Lambert)定律的指数表达式在低通滤波之前会带来很大的噪声变化的放大。
[0108] 对于技术人员而言，更通常的是根据刚刚公开的教导，可以对上述实施例进行各种修改。特别地，尽管由于该方法的简单性，有利地推荐了通过线性回归的跟踪定量信号的瞬时变化的估算，但是技术人员已知的用于估算信号的瞬时变化趋势的其他方法可以被使用。同样地，尽管已经为低通滤波器30的操作推荐了指数加权的滑动平均数字滤波，但是其他可调整的高截止频率的低通滤波器，尤其是其他
无限脉冲响应滤波器也可以被考虑。同样地，即使通过模糊逻辑配置具有特定的优点并且被证明是巧妙的，技术人员可以定义V和fc之间的多个直接关系。
[0109] 通常，在所附
权利要求书中，所使用的术语不应解释为将本发明限制于本
说明书中阐述的实施例，而是应被解释为包括权利要求书意图涵盖的所有等同形式，通过将技术人员的常识应用于刚刚公开的内容是能够达到其范围的。
