動態補償下潔凈室空氣溫濕度計測量誤差自動控制

馬宏俊

（同方股份有限公司 高科技廠務事業部，北京 100083）

溫濕度計作為一種測量環境溫度與濕度的計量工具，在醫藥儲備、實驗室、食品加工廠、潔凈室、農業以及科研領域被廣泛應用，需要實時監測和校準。在校準點數量和溫濕度標準箱性能的雙重約束下，溫濕度計完成一次校準所需要的時間為5～6 h，人工讀取效率低、時間跨度大且數據量巨大。當溫濕度計擺放位置不合理、箱內照明和溫濕度計顯示屏對比度不合適時，極易出現讀取錯誤的情況，使得溫濕度計校準錯誤。當溫濕度標準箱處于工作狀態下時，噪聲較大，人工校準效率受限。

隨著對溫濕度計校準效率和準確性需求的不斷提升，文獻[1]提出基于加權時域彎折的溫濕度補償方法。在對傳統動態時間彎折算法進行分析后，加入線性頻散信號，形成加權時域彎折算法。在不同的溫度環境下，利用加權時域彎折算法對Lamb波進行分析運算，得到高分辨率成像效果，對其計算后即可實現對溫濕度的補償；文獻[2]提出基于PSO-ARMA（particle swarm optimization-autoregressive moving average）的溫濕度漂移補償模型。將慣性權值遞減策略加入到PSO 算法中，提高算法的收斂速度，對ARMA 中的參數進行尋優，以此保證算法整體具有較高的控制精度。

整合以往研究成果，提出動態補償下的潔凈室空氣溫濕度計測量誤差自動控制方法，確定測量主體，分別針對溫度和濕度測量誤差建立傳播系數，對導致溫度和濕度產生誤差的因素進行分析，整合溫濕度測量誤差數據，利用反濾波補償器對整合后的誤差建立動態補償函數，實現對溫濕度計測量誤差的自動控制。

1 基于傳播系數的溫濕度測量誤差數據整合

傳播系數反映著溫濕度測量誤差數據在潔凈室空氣溫濕度計測量鏈路中的變化和衰減情況，可以通過計算與優化傳播系數，整合與分析溫濕度計的測量誤差來源和特點。

1.1 溫度測量誤差數據

溫度測量誤差數學表達式如式（1）所示：

式中：ΔT 表示溫度讀數誤差；T、TB分別表示溫濕度計和精密露點儀的溫度讀數。

方差表達式為

式中：u2表示方差系數。

傳播系數表達式為[3-4]

式中：c1、c2分別表示溫度測量誤差模型中的2 個不同傳播系數。

（1）在對精密露點儀進行校準后，其導致的溫度測量誤差為0.1℃，則可以得到精密露點儀導致的溫度測量誤差u（T1）；

（2）在對溫濕度箱進行校準后，使溫度最大變化范圍為±0.1℃，根據均勻分布原則[5]，得到溫濕度箱溫度變化導致的溫度測量誤差u（T2）；

（3）溫濕度箱的溫度均勻性一般不會超過0.3℃[6]，根據均勻分布原則，可以得到溫濕度箱溫度均勻性導致的溫度測量誤差u（T3）；

（4）設i=1，2，…，10 表示測量次數，獲取測量一次的溫度標準差，則得到重復測量溫濕度計導致的溫度測量誤差u（T4）；

（5）在滿足均勻分布原則的基礎上，得到溫濕度計分度值和分辨力導致的溫度測量誤差u（T5）。

上述5 個誤差相互獨立，合成總的溫度測量誤差為

1.2 濕度測量誤差數據

濕度測量誤差數學表達式如式（5）所示：

式中：ΔH 表示溫濕度計的濕度讀數誤差；H、HB分別表示溫濕度計和精密露點儀的濕度讀數。

方差表達式為

式中：c3、c4分別表示濕度測量誤差模型中的2 個不同傳播系數。

（1）在滿足均勻分布的基礎上，得到精密露點儀差異導致的濕度測量誤差u（H1）；

（2）在對溫濕度箱校準后，設定濕度變化最大范圍為±0.1%RH，按照均勻分布原則，得到溫濕度箱濕度變化導致的濕度測量誤差u（H2）；

（3）始終保持溫濕度箱的均勻性在±1.0%RH 之間，在滿足均勻分布原則的基礎上，得到溫濕度箱濕度均勻性導致的濕度測量誤差u（H3）；

（4）濕度平均值為xˉ＝59.7%RH，計算測量一次的標準差，得到重復測量溫濕度計導致的濕度測量誤差u（H4）；

（5）在滿足均勻分布的基礎上，計算溫濕度計分辨力導致的濕度測量誤差u（H5）。

上述5 個誤差獨立存在，合成總的濕度測量誤差為

整合總的溫度測量誤差和濕度測量誤差，得到潔凈室空氣溫濕度測量誤差數據整合結果。

2 動態補償下的測量誤差自動控制

溫濕度測量過程會受到環境變化、測量設備漂移等因素的影響，導致測量誤差的來源和特點不同，需要在溫濕度誤差控制中，引入穩定性函數，用來描述最大允許濕度誤差的穩定特性，增加溫濕度測量誤差參數補償過程的響應精度。

式中：Ak表示差分方程；λ 表示測量時滯[14]；y 表示動態補償函數系數。

將穩定性函數作為控制裝置的參考，注意校準、環境適應性、傳感器選擇布局以及數據處理算法選擇等方面的影響，對式（9）進行時域離散化處理，建立溫濕度傳感器和控制裝置之間的數學關系：

式中：Rs表示離散化系數；n=1，2，…，N 表示運算次數；p（n）表示動態補償特性。

基于上述公式所描述的數學關系設計一種反濾波補償器[15]，實時調整潔凈室空氣溫濕度計的初始參數，增強對于外界干擾的抑制能力，得到：

利用K（n）對溫濕度測量誤差自動控制過程的穩定性函數進行正則化表達，得到正則解，比較觀測值與補償結果之間的誤差，采用遞推方式進行周期性的校準與補償，實現對溫濕度測量誤差的自動控制。

3 實驗測試

為了驗證所提方法的控制效果，進行了對比實驗測試。

考慮到潔凈室的環境條件，選取rotronic 公司生產的HYGROPALM/HP22-A 型號溫濕度計作為測量主體。標準器為鉑電阻測溫儀和精密露點儀。溫度和濕度測量范圍分別為0～50℃和5～95%RH。

測量環境條件：環境溫度為（23+5）℃，濕度低于85%RH，測試步驟如下：

（1）將測針的一端置于檢定箱內，與溫濕度計平齊，且不能觸及箱內其他部分，對鉑電阻測溫儀先進行預熱處理；

（2）調整好檢定箱的相關參數，讓鉑電阻測溫儀持續運轉一段時間，以確保溫度計的讀數始終處于一個平穩的狀態；

（3）在鉑電阻測溫儀達到穩定狀態后，10 min后，保證溫濕度計達到穩定狀態，保持精密露點儀探頭在檢定箱的中間位置。

分析應用所提方法前后，溫濕度計讀數與實際值之間的誤差，結果如圖1 和圖2 所示。

圖1 應用所提方法前后溫度測量讀數誤差曲線Fig.1 Error curve of temperature measurement reading before and after the application of the proposed method

圖2 應用所提方法前后濕度測量讀數誤差曲線Fig.2 Error curve of humidity measurement before and after application of the proposed method

從圖1、圖2 中可知，經過所提方法控制后，得到的溫度數值和濕度數值都與實際值非常接近，而未利用所提方法控制前則與實際值之間存在較大的誤差。由此可以證明，所提方法針對溫濕度計測量誤差控制有著一定的可行性和合理性，保證測量誤差盡可能地接近實際結果。這是由于所提方法對溫濕度計中的溫度和濕度分別建立了數學模型，對其中的方差和傳播系數進行了深入分析，從而對測量誤差實現了良好地控制。

改變實驗環境溫度和濕度，對應用所提方法進行測量誤差控制前后的誤差百分比進行對比，結果如表1 所示。

表1 應用所提方法控制前后的誤差百分比對比結果Tab.1 Comparison results of error percentage before and after applying the proposed method for control

從表1 中可知，誤差百分比出現了下降趨勢，始終沒有高于1%，甚至多次控制后的結果與實際值完全相同，達到了0 誤差，進一步說明了所提方法在溫濕度計測量誤差控制方面的有效性。

為進一步驗證所提方法的實際應用性能，在實驗環境完全相同的情況下，利用所提方法分別對3臺型號不同的溫濕度計進行測量誤差自動控制，所得結果如圖3 所示。

圖3 三臺溫濕度計測量誤差控制精度結果Fig.3 Measurement error control accuracy results of three temperature hygrometer

從圖3 中可知，經過所提方法控制后的3 臺溫濕度計，測量誤差數值普遍較小，說明所提方法誤差控制精度較高，可將測量誤差控制在較小范圍內，使測量結果更加接近實際環境溫濕度值。

4 結語

由于溫濕度計測量結果受到多方面因素影響，為保證測量結果最接近實際結果，對其提出一種測量誤差自動控制方法，選取HYGROPALM/HP22-A型號的溫濕度計作為測量主體，對溫度和濕度測量誤差數據來源與特點進行全方位分析，并將測量誤差數據整合在一起，進行頻域時域離散化處理，利用反濾波補償器，進行動態補償，以穩定性函數的正則解控制測量誤差，多次出現了0 誤差的情況，保證溫濕度計測量誤差自動控制結果有著一定的合理性和可行性。