制丝在线红外水分仪的测量系统分析

朱令宇

（河南中烟工业有限责任公司漯河卷烟厂,河南漯河462000）

制丝在线红外水分仪的测量系统分析

朱令宇

（河南中烟工业有限责任公司漯河卷烟厂,河南漯河462000）

为评价卷烟厂制丝在线红外水分仪的测量能力,以烘丝机出口水分仪为例,采用测量系统分析的基本原理和方法,计算水分仪的偏倚和测量波动,作出其测量能力能否满足测量要求的评价,为保证水分仪测量数据的质量提供了依据.

测量系统分析；红外水分仪；测量能力；控制图

测量系统分析是用统计学的方法,来定量衡量测量系统中的各个波动源对测量结果的影响,并给出测量系统能否满足使用要求的明确判断.测量系统必须具有良好的准确性（通常用偏倚来衡量）和精确性（通常用波动来衡量）.

叶丝含水率是烟草加工过程中的一项重要指标,其控制水平直接影响后续的卷接加工和产品质量.含水率的控制主要由红外水分仪的实时测量、数据反馈控制来完成.在线红外水分仪的测量原理是利用物料受特定波长的红外光照射时,物料中的水分子吸收红外辐射能量,造成发射光和反射光能量衰减来测量物料的含水率[1-2].邵俊等采用测量系统分析法对实验室红外水分仪的测量能力进行了分析[3],但对于生产线的红外水分仪来说,由于测量物料的动态性以及不可重复性,因此无法使用常规的测量系统分析方法进行能力分析.作者从测量系统分析的基本原理入手,以烘箱法测量结果为依据,参考破坏性测量系统稳定性分析方法[4-5]计算了测量仪器本身的波动,参考测量系统判异准则,对水分仪的测量能力进行了评价.

1 原理和方法

目前测定烟草及烟草制品含水率的方法很多,但是,烘箱干燥法在世界范围内仍被视为可供对照的经典标准方法.因此,水分仪的校准通常是以烘箱法测量含水率为标准,水分仪示值和烘箱法测量值之间的误差不超过工艺要求的最大误差0.3%作为校准依据[1].

式（1）中：M烘—烘箱法测量值；M示—在线水分仪显示值；ΔM—工艺要求的误差.

由测量系统分析的方法看,水分仪示值和烘箱法测量值之间的误差仅能说明水分仪的准确性,即偏倚的大小,而其精确性《,卷烟工艺规范》用水分仪的探测精度来度量[6]

式（2）中：S—探测精度；Xi—第i次含水率烘箱法测量值；Yi—第i次含水率显示值；n—检测次数.高水分物料（含水率≥15%）在线水分仪精度要求≤0.5%；低水分物料（含水率＜15%）精度≤0.3%.

探测精度一定程度上反映了水分仪的测量波动,但测量系统是否有能力可靠的反映烟草物料含水率本身的过程波动,并不能够从探测精度上得到结论.

评价测量系统能力的方法通常有两种[7]：

（1）测量系统的波动R＆R与总波动之比来度量,通常记为P/TV

（2）用测量系统的R＆R与测量对象的质量特性值容差之比来度量,通常记为P/T

表1 测量系统能力判别准则Tab.1 Criterion of measurement system capability

一般来说,测量系统的波动需要对被测样品进行重复测量,但对在线水分仪来说,受环境和水分仪特性等因素影响,在同一台水分仪下对同一物料进行重复测试是不可能的,但又与一般破坏性试验的测量系统分析中,可以得到差异小到可以忽略不计同组样品的情况不同.有利的是,可以参考烘箱法校准水分仪的方法,将烘箱法测量值作为标准值,得到水分仪示值和烘箱法测量值之间的差值,即可认为是水分仪的波动,也就是测量系统的波动.而烘箱法测量的各样品间的绝对误差,则能够反映测量对象的波动.过程输出的总方差包括了过程的实际波动和测量系统的方差.由此来估算系统的P/TV和P/T,再根据表1描述的准则,来定量考察水分仪的测量能力充分与否.

2 实例分析

以烘丝机出口水分仪为例,取样涵盖数个生产批次,数值包括了较大的范围,基本覆盖了烘丝出口含水率的正常波动.按照水分仪操作规程分别进行取样、记录以及烘箱法测量含水率[8],表2是测试结果.

表2 含水率测试结果Tab.2 Test results of moisture content%

2.1 计算测量系统的偏倚和波动

由于烘箱法测量含水率是标准值,因此可以认为两组数据的差异是由测量误差造成的.计算水分仪示值和烘箱法测量值的差,将表2数据进行整理得到表3数据,并根据表3绘制误差控制图,见图1.

表3 含水率测试结果—单值控制图Tab.3 Test result of moisture content for X control chart%

图1 误差单值控制Fig.1 X control chart of error

单值控制图均在控制界限内,没有失控现象,因此可以用式（6）估算

式（6）中d2可查控制图系数表得到,n=2,查表d2=1.128；因此可以得到

2.2 计算测量对象的波动

以烘箱法测量值为真值,其波动即能够反映了过程的波动,计算烘箱测量含水率的移动极差,把表2数据整理成表4,并绘制单值—移动极差控制图,见图2.

表4 含水率测试结果—用于单值—移动极差控制图Tab.4 Test results of moisture content for X-MR control chart%

图2 单值—移动极差控制Fig.2 X-MR control

由于单值—移动极差控制图是稳定的,所以可以用式（7）估算

式（7）中R是移动极差的均值,同样可查控制图系数表得到d2=1.128,

10%＜P/TV=12.7%≤30%,测量系统基本可以接受.

烘丝出口含水率的容差为设计值±0.5%,因此T=1.0%.故

10%＜P/T=11.8%≤30%,且10%＜P/TV=12.7%≤30%,根据测量系统能力判别准则,可以认为该水分仪的测量能力基本可以接受.

3 小结

叶线在线红外水分仪受测量环境和仪器测量特性的影响,限制了样品重复性测量的可能性.以烘箱法含水率测量为基准,应用测量系统分析的基本原理计算水分仪的测量波动与过程总波动之比、与叶丝含水率容差之比,根据测量能力判断准则来判断在线红外水分仪的测量能力,较使用测量误差和探测精度来度量水分仪的测量能力,更具全面和合理性.对于制丝线其他各工序在线水分仪的测量能力分析,此方法亦有借鉴意义.

[1]NDC红外技术公司.M710红外水分仪简明操作手册（英文版）[S].

[2]王建腾,李松,董小卫.用于烟草水分检测的两种红外水分仪[J].计测技术.2011（10）：50-52.

[3]邵俊,闫洪喜.测量系统分析（MSA）在红外水分仪测量能力分析中[J].现代仪器.2012,18（5）：21-24.

[4]赵庶娴,李效伟,刘东,等.破坏性测量系统稳定性分析初探[J].柴油机设计与制造,2011,134：44-48.

[5]马义中,岳刚.破坏性测量系统波动源的分析[J].数理统计与管理.2007（6）：1056-1059.

[6]国家烟草专卖局.卷烟工艺规范[M].北京：中央文献出版社,2003.

[7]马林,何桢.六西格玛管理[M].北京：中国人民大学出版社,2003：166-183.

[8]王志杰.干燥法在线校准TM710红外水分仪[J].计量技术,2011（10）：50-52.

（责任编辑：卢奇）

Measurement system analysis for infrared moisture meter of tobacco processing line

Zhu Lingyu
（Luohe cigarette factory of Henan tobacco industry limited liability company,Luohe 462000,China）

In order to evaluate measurement capabilities of cigarette factory online infrared moisture meter,taking the silk dryer export moisture meter for example,using the measurement system analysis of the basic principles and methods,the basis and measurement capabilities of moisture meter were calculated for scientific evaluation,to provide the basis for the quality of water meter measuring data.

measurement system analysis；infrared moisture meter；measurement capability；control chart

TS41

A

1008-7516（2013）05-0073-04

10.3969/j.issn.1008-7516.2013.05.017

2013-06-13

朱令宇（1978-）,男,河南鹿邑人,硕士,工程师.主要从事烟草工艺研究和质量管理工作.