機(jī)艙空氣質(zhì)量檢測(cè)中的壓力補(bǔ)償方法

何永勃，田吉磊，黃呂霖，李明偉

(中國民航大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津300300)

1 引 言

飛機(jī)運(yùn)行條件多變，飛行季節(jié)、區(qū)域、高度的變化會(huì)直接影響座艙內(nèi)溫度、濕度、氣壓的變化，進(jìn)而對(duì)座艙空氣質(zhì)量的檢測(cè)結(jié)果造成不同程度的影響。氣體傳感器生產(chǎn)商及使用者對(duì)溫度和濕度影響研究較多，但很少對(duì)氣壓影響進(jìn)行研究。飛機(jī)座艙氣壓正常變化范圍為0.061～0.111 MPa，當(dāng)飛機(jī)發(fā)生故障，變化范圍更大。以瑞士MEMBRAPOR品牌的CO氣體傳感器為例，其工作的氣壓條件為0.091～0.111 MPa。在地面環(huán)境條件下標(biāo)定的氣體傳感器，在座艙環(huán)境下由于氣壓變化，必然引起較大檢測(cè)誤差，甚至不能使用。因此有必要對(duì)氣體傳感器進(jìn)行氣壓補(bǔ)償，降低檢測(cè)誤差，提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，有利于座艙空氣質(zhì)量的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。

美國材料實(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì)發(fā)布了《飛機(jī)客艙中空氣質(zhì)量檢測(cè)儀器和檢測(cè)方法的標(biāo)準(zhǔn)指南》[1]；歐洲航空工業(yè)協(xié)會(huì)也發(fā)布了《航空航天系列—飛機(jī)內(nèi)部空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，條件及測(cè)定方法》[2]。國內(nèi)目前缺乏一套完整的飛機(jī)座艙空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)體系，檢測(cè)方法只能參考《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 18883-2002)[3]和《公共場(chǎng)所衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法》(GB/T 18204-2000)[4]。

文獻(xiàn)[5，6]對(duì)飛機(jī)座艙的熱舒適性及空氣質(zhì)量的監(jiān)測(cè)進(jìn)行了相關(guān)研究；文獻(xiàn)[7～9]采用CFD數(shù)值計(jì)算方法，通過不同送風(fēng)方式來研究座艙內(nèi)氣流速度、溫度及氣態(tài)污染物等的分布情況，以改善艙內(nèi)的空氣質(zhì)量。

以上現(xiàn)狀可知，有關(guān)飛機(jī)座艙空氣質(zhì)量檢測(cè)及氣壓補(bǔ)償方面研究較少。本文將通過設(shè)計(jì)試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)HCHO、CO、CO2和NO2共4種氣體傳感器進(jìn)行正負(fù)壓試驗(yàn)研究，并采用RBF(徑向基函數(shù)，radial basis function)氣壓補(bǔ)償算法，降低氣壓對(duì)氣體傳感器所造成的檢測(cè)誤差，得到更為準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)系統(tǒng)由氣壓室(體積10 L)、氣源、氣壓表、真空泵、氣體傳感器、風(fēng)扇、數(shù)據(jù)采集模塊等組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)Fig.1 The overall structure of the system

氣源為HCHO、CO、CO2、NO2共4種高壓瓶裝氣體，經(jīng)減壓閥為氣壓室提供高于大氣壓力(即正壓)的被測(cè)氣體。充氣閥a和放氣閥b控制氣體流量，真空泵可提供低于大氣壓力(即負(fù)壓)的試驗(yàn)條件，氣體傳感器用到兩類：電化學(xué)氣敏傳感器(HCHO、CO、NO2)和紅外激光式傳感器(CO2)，風(fēng)扇有助于氣體混合更均勻，氣壓室內(nèi)外的連接電纜用環(huán)氧樹脂密封。

3 試 驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)內(nèi)容

設(shè)置12個(gè)氣壓點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，見表1，其中的壓力為表壓力。試驗(yàn)內(nèi)容見表2。

表1 試驗(yàn)氣壓變化Tab.1 Pressure change on the experiments MPa

表2 試驗(yàn)內(nèi)容Tab.2 Information on the experiments

3.2 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)包括正壓試驗(yàn)和負(fù)壓試驗(yàn)，以HCHO為例，具體過程：

正壓試驗(yàn)：1)連接好試驗(yàn)設(shè)備，檢查各接口氣密性。2)打開充氣閥a，緩慢通入HCHO氣體，約1 min后氣壓表示值達(dá)到p5；關(guān)閉充氣閥a，待氣壓室氣體混合均勻30 s后，通過數(shù)據(jù)接口測(cè)出傳感器輸出值。3)打開放氣閥b并控制氣體流量，約5 min后氣壓表示值達(dá)到p4；關(guān)閉放氣閥b，待氣壓室氣體混合均勻30 s后，通過數(shù)據(jù)接口測(cè)出傳感器輸出值；以此操作，分別測(cè)出p3，p2，p1，p+0處的傳感器輸出值，并做好數(shù)據(jù)記錄，完成正壓試驗(yàn)過程。

負(fù)壓試驗(yàn)：1)正壓試驗(yàn)結(jié)束后，打開放氣閥b，啟動(dòng)真空泵，約1 min后氣壓表示值達(dá)到p-5；關(guān)閉放氣閥b，待氣壓室氣體混合均勻30 s后，通過數(shù)據(jù)接口測(cè)出傳感器輸出值。2)打開放氣閥b并控制氣體流量，約5 min后氣壓表示值達(dá)到p-4；關(guān)閉放氣閥b，待氣壓室氣體混合均勻30 s后，通過數(shù)據(jù)接口測(cè)出傳感器輸出值；以此操作，分別測(cè)出p-3，p-2，p-1，p-0處的傳感器輸出值，并做好數(shù)據(jù)記錄，完成負(fù)壓試驗(yàn)過程。

其余氣體試驗(yàn)過程與HCHO相似，不再贅述。

3.3 試驗(yàn)理論公式

本試驗(yàn)條件下，氣壓室內(nèi)氣體壓力、體積、物質(zhì)的量、溫度滿足理想氣體狀態(tài)方程。

pV=nRT

(1)

式中：p為絕對(duì)壓力，MPa；V為氣體體積，L；n為氣體的物質(zhì)的量，mol；R為氣體常數(shù)，J/(mol·K)；T為氣體的熱力學(xué)溫度，K。本試驗(yàn)條件下，氣體的熱力學(xué)過程可近似為準(zhǔn)平衡狀態(tài)，溫度T保持不變。

設(shè)氣壓室初始狀態(tài)氣壓為p0(即天津地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，p0=0.101 MPa)，體積為V0，物質(zhì)的量為n0，溫度為T0。不同氣壓下，即p-5到p5，氣壓變化為pk，試驗(yàn)變化區(qū)間|Δp|=0.1 MPa，物質(zhì)的量變化為nk，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，滿足：

初始狀態(tài)：p0V0=n0RT0

(2)

氣壓變化后： (pk+p0)V0=nkRT0

(3)

由式(2)、(3)可得：

(4)

式中：pk為表壓力，MPa；k=-5，-4，-3，-2，-1，-0，+0，1，2，3，4，5。

當(dāng)氣壓室通入濃度(體積比)為φ的被測(cè)氣體，正壓試驗(yàn)下，氣壓從p5變化到p+0，被測(cè)氣體理論濃度(體積比)保持不變，記作φZ；負(fù)壓試驗(yàn)下，氣壓從p-5變化到p-0被測(cè)氣體理論濃度(體積比)一直在發(fā)生變化，記作φF。具體理論公式為：

(5)

(6)

式中：φZ、φF分別為正壓和負(fù)壓試驗(yàn)過程被測(cè)氣體的理論相對(duì)濃度，mL·m-3；kF=-5，-4，-3，-2，-1，-0。

3.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

不同氣體傳感器對(duì)于氣壓變化的敏感程度不同，因此各氣體特征變化曲線及誤差亦有所不同。試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示,圖2中測(cè)量值和理論值均為體積比，單位為mL·m-3；絕對(duì)值為物質(zhì)的量濃度值，單位為10-7mol·L-1

圖2 不同氣體特征變化曲線Fig.2 Characteristic change curves of different gas

負(fù)壓試驗(yàn)下，從p-5到p-0，圖2(a)測(cè)量值與理論值之間的誤差先減小后又緩慢增大最后趨于穩(wěn)定不變；圖2(b)和圖2(c)誤差先減小到最小值后又開始逐漸增大；圖2(d)誤差逐漸增大。

正壓試驗(yàn)下，從p5到p+0，圖2(a)和圖2(c)誤差先減小到最小值后又開始逐漸增大；圖2(b)誤差一直在減??；圖2(d)誤差仍是逐漸增大。圖2(a)～圖2(d)理論值不變，測(cè)量值整體呈減小趨勢(shì)(除圖2(a)測(cè)量值在p5到p4出現(xiàn)突增情況)，這跟絕對(duì)值的變化有很大關(guān)系。

整個(gè)試驗(yàn)過程，圖2(d)誤差均逐漸增大，不僅跟NO2本身特性有關(guān)，還與試驗(yàn)濃度有很大關(guān)系，說明試驗(yàn)濃度越小，氣壓對(duì)氣體傳感器影響越明顯，導(dǎo)致誤差越大。

4 算法及結(jié)果分析

4.1 算法設(shè)計(jì)

傳感器常用的補(bǔ)償方法有2種：硬件補(bǔ)償和軟件補(bǔ)償。硬件補(bǔ)償通過設(shè)計(jì)硬件電路來消除影響，但會(huì)增加功耗和制作成本，且存在補(bǔ)償電路硬件漂移、精度低、通用性差等缺點(diǎn)[10]。軟件補(bǔ)償常用的有最小二乘法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。最小二乘法計(jì)算過程繁雜、使用局限性大；目前BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在誤差補(bǔ)償方面應(yīng)用廣泛[11，12]，但其在收斂速度、分類能力及逼近能力等方面遠(yuǎn)不如RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[13]。所以文中采用12維的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體傳感器的氣壓補(bǔ)償。

補(bǔ)償原理：試驗(yàn)通入濃度(體積比)為φ的被測(cè)氣體，氣體傳感器檢測(cè)到的濃度(體積比)值φm、以及氣壓p，作為RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸入。經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，消除環(huán)境參量對(duì)氣壓的影響后，輸出修正補(bǔ)償后的濃度(體積比)值φ′。補(bǔ)償原理如圖3所示。

圖3 氣壓誤差補(bǔ)償原理圖Fig.3 Air pressure error compensation principle diagram

采用常用的3層RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，由輸入層、隱含層和輸出層3部分組成，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示。輸入層為各氣體傳感器檢測(cè)的濃度值和氣壓條件；隱含層由一組徑向基函數(shù)構(gòu)成，通常為高斯函數(shù)；輸出層為各氣體的期望濃度值。

圖4 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of RBF neural network

其中隱含層高斯徑向基函數(shù)表達(dá)式為：

(7)

式中：i=1,2，…，n；φi(x)為隱藏節(jié)點(diǎn)i的輸出，φi(x)∈[0，1]；ci為對(duì)應(yīng)第i個(gè)隱含層節(jié)點(diǎn)的中心向量；σi為對(duì)應(yīng)第i個(gè)徑向基函數(shù)的寬度。

輸出層采用線性激活函數(shù)，網(wǎng)絡(luò)表達(dá)式為：

(8)

式中:i=1,2，…，n；yj(x)為輸出層節(jié)點(diǎn)j的網(wǎng)絡(luò)輸出；Wij為隱含層節(jié)點(diǎn)i到輸出層節(jié)點(diǎn)j的連接權(quán)值；n為隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)。

RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種性能良好的前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，能夠以任意精度逼近任意連續(xù)函數(shù), 且學(xué)習(xí)速度比BP網(wǎng)絡(luò)快，不存在局部極小值問題[14]。本文運(yùn)用MATLAB軟件中的RBF網(wǎng)絡(luò)工具箱進(jìn)行算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

通過調(diào)用newrb函數(shù)能有效地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，具體格式為：

net=newrb(p，t，goal，spread，mn，df)

其中：p為輸入向量；t為期望輸出向量；goal為網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練精度；spread為分布密度；mn為神經(jīng)元個(gè)數(shù)的最大值；df為訓(xùn)練過程的顯示頻率。

根據(jù)不同氣體傳感器的誤差情況設(shè)定不同的訓(xùn)練精度。spread越大，收斂速度越快，但會(huì)引起神經(jīng)元響應(yīng)區(qū)域交叉太多，導(dǎo)致精度不高，綜合考慮確定spread值為1；試驗(yàn)氣壓點(diǎn)有12個(gè)，故確定mn值為12；df確定為每次1個(gè)。通過對(duì)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)各參數(shù)的設(shè)定，按照設(shè)定目標(biāo)，進(jìn)行自身的學(xué)習(xí)、訓(xùn)練、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)調(diào)整以及參數(shù)優(yōu)化等，從而建立起最佳網(wǎng)絡(luò)模型。

4.2 算法結(jié)果分析

網(wǎng)絡(luò)模型建立并訓(xùn)練完畢后，將測(cè)試數(shù)據(jù)導(dǎo)入訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)模型里，通過sim函數(shù)進(jìn)行仿真并計(jì)算出與理論值之間的誤差，檢驗(yàn)補(bǔ)償效果。

HCHO氣體傳感器設(shè)定的網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練精度為 6.1×10-4，訓(xùn)練步數(shù)10步，用時(shí)1.148 s，補(bǔ)償前后對(duì)比見表3。

表3 HCHO氣體傳感器氣壓補(bǔ)償結(jié)果Tab.3 Pressure compensation results of HCHO gas sensor

CO氣體傳感器設(shè)定的網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練精度為9×10-4，訓(xùn)練步數(shù)7步，用時(shí)0.835 s，補(bǔ)償前后對(duì)比見表4。

表4 CO氣體傳感器氣壓補(bǔ)償結(jié)果Tab.4 Pressure compensation results of CO gas sensor

CO2氣體傳感器設(shè)定的網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練精度為2.2×10-4，訓(xùn)練步數(shù)6步，用時(shí)0.718 s，補(bǔ)償前后對(duì)比見表5。

表5 CO2氣體傳感器氣壓補(bǔ)償結(jié)果Tab.5 Pressure compensation results of CO2 gas sensor

NO2氣體傳感器設(shè)定的網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練精度為2.6×10-4，訓(xùn)練步數(shù)6步，用時(shí)0.736 s，補(bǔ)償前后對(duì)比見表6。

表6 NO2氣體傳感器氣壓補(bǔ)償結(jié)果Tab.6 Pressure compensation results of NO2 gas sensor

由表3～表6數(shù)據(jù)可知，HCHO、CO、CO2、NO2氣體傳感器未補(bǔ)償時(shí)的檢測(cè)最大相對(duì)誤差分別為32.85%、28.42%、52.87%、87.18%;采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償后的最大相對(duì)誤差分別為2.001%、3.668%、2.392%、12.68%，總體最大相對(duì)誤差控制在13%以內(nèi)，較好地完成了氣壓補(bǔ)償任務(wù)，大大降低了氣體傳感器檢測(cè)中所受的氣壓影響，得到更為準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果，對(duì)飛機(jī)座艙空氣質(zhì)量的評(píng)價(jià)有一定參考價(jià)值。

5 結(jié) 論

1) 文中選取了12個(gè)氣壓點(diǎn)對(duì)HCHO、CO、CO2、NO2共4種典型飛機(jī)座艙空氣質(zhì)量檢測(cè)的氣體傳感器進(jìn)行了大量試驗(yàn)，得出氣壓對(duì)于不同氣體傳感器的影響差異較大，必須對(duì)氣體傳感器進(jìn)行氣壓修正補(bǔ)償，便于空氣質(zhì)量的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)；

2) 采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行氣壓修正補(bǔ)償，最大相對(duì)誤差控制在13%以內(nèi)，大大提高了檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性；

3) 本次試驗(yàn)，氣壓室內(nèi)部為正負(fù)壓變化，外部為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，未來可將兩者均置于正負(fù)壓環(huán)境下進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)研究；

4) 未來可模擬更多復(fù)雜環(huán)境，對(duì)飛機(jī)座艙空氣質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)研究，為空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)及標(biāo)準(zhǔn)體系的建立提供參考依據(jù)。