动态补偿下洁净室空气温湿度计测量误差自动控制

马宏俊

（同方股份有限公司 高科技厂务事业部，北京 100083）

温湿度计作为一种测量环境温度与湿度的计量工具，在医药储备、实验室、食品加工厂、洁净室、农业以及科研领域被广泛应用，需要实时监测和校准。在校准点数量和温湿度标准箱性能的双重约束下，温湿度计完成一次校准所需要的时间为5～6 h，人工读取效率低、时间跨度大且数据量巨大。当温湿度计摆放位置不合理、箱内照明和温湿度计显示屏对比度不合适时，极易出现读取错误的情况，使得温湿度计校准错误。当温湿度标准箱处于工作状态下时，噪声较大，人工校准效率受限。

随着对温湿度计校准效率和准确性需求的不断提升，文献[1]提出基于加权时域弯折的温湿度补偿方法。在对传统动态时间弯折算法进行分析后，加入线性频散信号，形成加权时域弯折算法。在不同的温度环境下，利用加权时域弯折算法对Lamb波进行分析运算，得到高分辨率成像效果，对其计算后即可实现对温湿度的补偿；文献[2]提出基于PSO-ARMA（particle swarm optimization-autoregressive moving average）的温湿度漂移补偿模型。将惯性权值递减策略加入到PSO 算法中，提高算法的收敛速度，对ARMA 中的参数进行寻优，以此保证算法整体具有较高的控制精度。

整合以往研究成果，提出动态补偿下的洁净室空气温湿度计测量误差自动控制方法，确定测量主体，分别针对温度和湿度测量误差建立传播系数，对导致温度和湿度产生误差的因素进行分析，整合温湿度测量误差数据，利用反滤波补偿器对整合后的误差建立动态补偿函数，实现对温湿度计测量误差的自动控制。

1 基于传播系数的温湿度测量误差数据整合

传播系数反映着温湿度测量误差数据在洁净室空气温湿度计测量链路中的变化和衰减情况，可以通过计算与优化传播系数，整合与分析温湿度计的测量误差来源和特点。

1.1 温度测量误差数据

温度测量误差数学表达式如式（1）所示：

式中：ΔT 表示温度读数误差；T、TB分别表示温湿度计和精密露点仪的温度读数。

方差表达式为

式中：u2表示方差系数。

传播系数表达式为[3-4]

式中：c1、c2分别表示温度测量误差模型中的2 个不同传播系数。

（1）在对精密露点仪进行校准后，其导致的温度测量误差为0.1℃，则可以得到精密露点仪导致的温度测量误差u（T1）；

（2）在对温湿度箱进行校准后，使温度最大变化范围为±0.1℃，根据均匀分布原则[5]，得到温湿度箱温度变化导致的温度测量误差u（T2）；

（3）温湿度箱的温度均匀性一般不会超过0.3℃[6]，根据均匀分布原则，可以得到温湿度箱温度均匀性导致的温度测量误差u（T3）；

（4）设i=1，2，…，10 表示测量次数，获取测量一次的温度标准差，则得到重复测量温湿度计导致的温度测量误差u（T4）；

（5）在满足均匀分布原则的基础上，得到温湿度计分度值和分辨力导致的温度测量误差u（T5）。

上述5 个误差相互独立，合成总的温度测量误差为

1.2 湿度测量误差数据

湿度测量误差数学表达式如式（5）所示：

式中：ΔH 表示温湿度计的湿度读数误差；H、HB分别表示温湿度计和精密露点仪的湿度读数。

方差表达式为

式中：c3、c4分别表示湿度测量误差模型中的2 个不同传播系数。

（1）在满足均匀分布的基础上，得到精密露点仪差异导致的湿度测量误差u（H1）；

（2）在对温湿度箱校准后，设定湿度变化最大范围为±0.1%RH，按照均匀分布原则，得到温湿度箱湿度变化导致的湿度测量误差u（H2）；

（3）始终保持温湿度箱的均匀性在±1.0%RH 之间，在满足均匀分布原则的基础上，得到温湿度箱湿度均匀性导致的湿度测量误差u（H3）；

（4）湿度平均值为xˉ＝59.7%RH，计算测量一次的标准差，得到重复测量温湿度计导致的湿度测量误差u（H4）；

（5）在满足均匀分布的基础上，计算温湿度计分辨力导致的湿度测量误差u（H5）。

上述5 个误差独立存在，合成总的湿度测量误差为

整合总的温度测量误差和湿度测量误差，得到洁净室空气温湿度测量误差数据整合结果。

2 动态补偿下的测量误差自动控制

温湿度测量过程会受到环境变化、测量设备漂移等因素的影响，导致测量误差的来源和特点不同，需要在温湿度误差控制中，引入稳定性函数，用来描述最大允许湿度误差的稳定特性，增加温湿度测量误差参数补偿过程的响应精度。

式中：Ak表示差分方程；λ 表示测量时滞[14]；y 表示动态补偿函数系数。

将稳定性函数作为控制装置的参考，注意校准、环境适应性、传感器选择布局以及数据处理算法选择等方面的影响，对式（9）进行时域离散化处理，建立温湿度传感器和控制装置之间的数学关系：

式中：Rs表示离散化系数；n=1，2，…，N 表示运算次数；p（n）表示动态补偿特性。

基于上述公式所描述的数学关系设计一种反滤波补偿器[15]，实时调整洁净室空气温湿度计的初始参数，增强对于外界干扰的抑制能力，得到：

利用K（n）对温湿度测量误差自动控制过程的稳定性函数进行正则化表达，得到正则解，比较观测值与补偿结果之间的误差，采用递推方式进行周期性的校准与补偿，实现对温湿度测量误差的自动控制。

3 实验测试

为了验证所提方法的控制效果，进行了对比实验测试。

考虑到洁净室的环境条件，选取rotronic 公司生产的HYGROPALM/HP22-A 型号温湿度计作为测量主体。标准器为铂电阻测温仪和精密露点仪。温度和湿度测量范围分别为0～50℃和5～95%RH。

测量环境条件：环境温度为（23+5）℃，湿度低于85%RH，测试步骤如下：

（1）将测针的一端置于检定箱内，与温湿度计平齐，且不能触及箱内其他部分，对铂电阻测温仪先进行预热处理；

（2）调整好检定箱的相关参数，让铂电阻测温仪持续运转一段时间，以确保温度计的读数始终处于一个平稳的状态；

（3）在铂电阻测温仪达到稳定状态后，10 min后，保证温湿度计达到稳定状态，保持精密露点仪探头在检定箱的中间位置。

分析应用所提方法前后，温湿度计读数与实际值之间的误差，结果如图1 和图2 所示。

图1 应用所提方法前后温度测量读数误差曲线Fig.1 Error curve of temperature measurement reading before and after the application of the proposed method

图2 应用所提方法前后湿度测量读数误差曲线Fig.2 Error curve of humidity measurement before and after application of the proposed method

从图1、图2 中可知，经过所提方法控制后，得到的温度数值和湿度数值都与实际值非常接近，而未利用所提方法控制前则与实际值之间存在较大的误差。由此可以证明，所提方法针对温湿度计测量误差控制有着一定的可行性和合理性，保证测量误差尽可能地接近实际结果。这是由于所提方法对温湿度计中的温度和湿度分别建立了数学模型，对其中的方差和传播系数进行了深入分析，从而对测量误差实现了良好地控制。

改变实验环境温度和湿度，对应用所提方法进行测量误差控制前后的误差百分比进行对比，结果如表1 所示。

表1 应用所提方法控制前后的误差百分比对比结果Tab.1 Comparison results of error percentage before and after applying the proposed method for control

从表1 中可知，误差百分比出现了下降趋势，始终没有高于1%，甚至多次控制后的结果与实际值完全相同，达到了0 误差，进一步说明了所提方法在温湿度计测量误差控制方面的有效性。

为进一步验证所提方法的实际应用性能，在实验环境完全相同的情况下，利用所提方法分别对3台型号不同的温湿度计进行测量误差自动控制，所得结果如图3 所示。

图3 三台温湿度计测量误差控制精度结果Fig.3 Measurement error control accuracy results of three temperature hygrometer

从图3 中可知，经过所提方法控制后的3 台温湿度计，测量误差数值普遍较小，说明所提方法误差控制精度较高，可将测量误差控制在较小范围内，使测量结果更加接近实际环境温湿度值。

4 结语

由于温湿度计测量结果受到多方面因素影响，为保证测量结果最接近实际结果，对其提出一种测量误差自动控制方法，选取HYGROPALM/HP22-A型号的温湿度计作为测量主体，对温度和湿度测量误差数据来源与特点进行全方位分析，并将测量误差数据整合在一起，进行频域时域离散化处理，利用反滤波补偿器，进行动态补偿，以稳定性函数的正则解控制测量误差，多次出现了0 误差的情况，保证温湿度计测量误差自动控制结果有着一定的合理性和可行性。