烟丝含水率测量系统的分析

范胜兴

湖南中烟工业有限责任公司郴州卷烟厂，湖南省郴州市五里堆路16号，423000

烟丝含水率测量系统的分析

范胜兴

湖南中烟工业有限责任公司郴州卷烟厂，湖南省郴州市五里堆路16号，423000

为准确了解烟丝含水率测量系统现状，采用假设检验法、均值—极差法对两种常用的含水率测量系统进行了准确度和精度分析。结果表明：①以烘箱法为参考，红外含水率测量系统整体偏倚值=-0.0093，对应p值=0.448＞0.05，整体偏倚不明显。②烘箱、红外含水率测量系统的研究公差比（%P/T）、研究变异比（%R&R）均在10%-30%范围，测量系统能力满足对烟丝含水率质量判定和生产过程改进分析的要求。

含水率；测量系统分析（MSA）；偏倚；研究公差比（%P/T）；研究变异比（%R&R）

测量系统分析（MSA，Measurement System Analysis）是指用统计学方法了解测量系统中的各种波动源及其对测量结果的影响，判断测量系统是否符合使用要求的过程[1]。只有合格的测量系统，才能够满足产品质量判定和指导过程生产的需要，而判断一个测量系统是否足够好，它的关键指标有准确度（偏倚）和精度两个方面[2]。烟丝含水率是卷烟加工过程中的一项重要工艺参数，也是成品卷烟的一项重要物理指标。目前，烟丝含水率的测量方法有烘箱法、红外法、微波法[3]、核磁共振法[4]等。邵俊等[5]、赵静芬等[6]运用嵌套方差分析法，朱令宇[7]运用极差法对红外水分仪测量系统进行了分析。本研究以烘箱、红外两种常用的含水率测量系统为例，采用假设检验法、均值—极差法分别从偏倚和精度两个维度对测量系统进行分析，旨在为卷烟含水率测量系统能力评价提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料和仪器

电热鼓风干燥箱FED240（德国宾得公司）；Infralab710红外水分仪(英国NDC公司)；电子天平（感量0.0001g，梅特勒-托利多公司）；某牌号配方烟丝。

1.2 实验方法

取加香后某牌号烟丝10份作为试验样品（取样间隔约5分钟，每份约重250g，收口密封袋包装、编号），在恒温恒湿环境下平衡水分48小时[5]（水分平衡是为了减小从同一样品中取得的不同试料间的差异，并将从同一样品中取得的不同试料视为同一试料来用，从而实现对破坏性测量系统的重复性和再现性研究）。随机选取2名检验员（编号分别为A、B）分别对每份样品，用烘箱按文献[8]规定方法重复测量含水率两次，用红外水分仪按操作规程重复测量含水率两次，记录每一次的测量结果，用于之后的统计分析。

1.3 分析方法

从准确度（偏倚）和精度两个维度对测量系统进行分析。

1.3.1 偏倚分析

烘箱既是含水率测量的常用仪器，通常也是校准其它含水率测量仪器的基准仪器，故以烘箱法测得的各样品平均值作为各样品的参考值，按文献[2]方法对红外水分仪测量系统的偏倚值进行分析，根据假设检验结果对红外测量系统是否存在偏倚做出判定。烘箱因其本身为参考仪器，故对该测量系统不做偏倚分析。

1.3.2 精度分析

采用均值—极差法对两个测量系统进行精度分析，得到评价每个测量系统精度的两项指标：研究公差比（%P/T）和研究变异比（%R&R），以两项指标≤10%、10%＜两项指标＜30%、任一项指标≥30%对测量系统相应做出“良好”、“可接受”、“须改进”的判定[1]。

首先，按公式（1）-（3）分别计算测量系统的重复性波动（EV）、再现性波动（AV）、样品的波动（PV）。

式中：k—测量者数；—测量者i重复测量同一个部件的极差的平均值；—由测量轮数和测量者数量所决定的系数，可通过查“的数值表”[1]得到。

式中：n—试样数；m—重复测量次数；—单个测量者nm个测量值的总平均，分别表示k个中最大和最小的一个。

然后，按公式（4）、（5）计算测量系统波动(R&R)、测量过程总波动（TV）。

最后，按公式（6）、（7）求取评价测量系统精度指标：研究公差比（%P/T）和研究变异比（%R&R）。

式中：T—被测对象质量特性的容差（公差），本例中含水率的公差为1.0%。

2 结果与讨论

检验员采用烘箱、红外水分仪测量烟丝含水率的结果见表1。

表1 烟丝含水率测量数据Tab.1 Measurement data of moisture content in cut tobacco %

2.1 偏倚分析结果

以表1中烘箱测得的各样品含水率平均值作为各样品的参考值，依据前述方法并借助统计软件对红外含水率测量系统进行偏倚分析，结果见图1。从图1可以看出，红外含水率测量系统整体偏倚值=-0.0093，对应的p值=0.448＞0.05，依据假设检验原理，判定该测量系统整体偏倚不明显。

图1 红外含水率测量系统偏倚分析Fig.1 Results of bias analysis of infrared moisture measurement system

2.2 精度分析结果

表1数据依据前述方法计算或借助统计软件，可得到以下分析结果（表2、表3）。从中可以看出：

1）烘箱含水率测量系统的%P/T=23.39%＜30%、%R&R=25.08%＜30%，红外含水率测量系统的%P/T=27.68%＜30%、%R&R=28.72%＜30%，两含水率测量系统的精度均可接受，相对质量特性公差和生产过程变异均具有较好的分析性能。

2）两测量系统的精度虽可接受，但尚未达到良好水平，需要对测量系统进行改善和定期监测维护，以保证其测量能力。两测量系统的重复性波动相对较大，改善测量能力需主要从测量仪器的角度着手。两测量系统的再现性波动相对较小，但也有改善的空间。

3）相对红外含水率测量系统，烘箱含水率测量系统的测量精度较高，故通常将其作为试验室仪器比对的基准。

表2 烘箱含水率测量系统R&R研究-XBar/R法分析结果Tab.2 Results of oven moisture measurement system analysis

表3 红外含水率测量系统R&R研究-XBar/R法分析结果Tab.3 Results of infrared moisture measurement system analysis

3 结论

1）采用假设检验法、均值—极差法对两种常用的含水率测量系统进行了偏倚和精度分析，该方法也适用于对其它含水率测量系统的状态和能力水平进行评估。

2）本实例中红外含水率测量系统的整体偏倚值=-0.0093，对应的p值＞0.05，不存在显著偏倚，测量系统的准确度较高。

3）烘箱、红外含水率测量系统的%P/T值、%R&R值均在10%～30%范围，测量系统精度可接受，能满足对烟丝含水率质量判定和生产过程改进分析的要求。但要保证具有更好的测量能力，需要对以上测量系统进行改善和定期监测维护。

[1]马林,何桢.六西格玛管理.第2版[M].北京:中国人民大学出版社,2007.MA Lin, HE Zhen.Six sigma management[M].Beijing: China Renmin University Press, 2007.

[2]马逢时,周暐,刘传冰.六西格玛管理统计指南：MINITAB使用指导[M].北京:中国人民大学出版社,2007.MA Fengshi, ZHOU Wei, LIU Chuanbing.Six sigma management statistical guide: MINITAB useguidance[M].Beijing: China Renmin University Press, 2007.

[3]梁国海,刘百战,朱仲良,等.应用低场核磁共振技术分析烟丝样品含水率的方法[J].中国烟草学报，2014,20(5): 6-11.LIANG Guohai, LIU Baizhan, ZHU Zhongliang, et al.The application of low-field nuclear magnetic resonance (NMR) to moisture determination in cut-tobacco [J].ACTA TABACARIA SINICA, 2014,20(5): 6–11.

[4]邱晔,彭金辉,黄 铭,等.微波谐振腔微扰技术快速检测烟丝含水率[J].烟草科技，2008(6): 38-40.QIU Ye, PENG Jinhui, Huang Ming, et al.Rapid Determination of Moisture Content in Cut Tobacco by Microwave Resonant Cavity Perturbation[J].Tobacco Science & Technology, 2008(6): 38–40.

[5]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的应用[J].现代仪器,2012,18(5):21-24.SHAO Jun, YAN Hongxi.Measurement system analysis (MSA) in the infrared moisture measurement capability analysis[J].Modern Instruments, 2012, 18(5): 21–24.

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[8]GB-T22838.8-2009卷烟和滤棒物理性能的测定 第8部分：含水率[S].GB/T 22838.8—2009 Determination of physical characteristics for cigarettes and fi lter rods—Part 8: Moisture [S].

Performance analysis of infrared moisture meter in cut tobacco measurement

FAN Shengxing*
Chenzhou Cigarette Factory, China Tobacco Hunan Industrial Co., Ltd., Chenzhou 423000, China

In order to learn more about the status of two common infrared moisture measurement systems, their accuracy and precision were analyzed by hypothesis testing method as well as Xbar and R method.Results showed that: 1) taking oven method as reference, the overall bias value of infrared moisture measurement system was -0.0093（p＞ 0.05）, which was not obvious; 2) the %P/T and %R&R of both infrared and oven moisture measurement systems were between 10%—30%, which satis fi ed the requirements for the estimation of product quality and improvement analysis of production process.

moisture; measurement system analysis (MSA); bias; Precision to tolerance ratio (%P/T); Repeatability and reproducibility ratio(%R&R)

范胜兴.烟丝含水率测量系统的分析[J].中国烟草学报，2017,23（4）

湖南中烟工业有限责任公司科技项目“卷烟测量系统诊断技术的研究与应用”（KY2014CG0024）

范胜兴（1977—），学士，高级工程师，主要从事质量管理与卷烟工艺技术研究，Email：fan3390@163.com

2016-10-17；< class="emphasis_bold">网络出版日期：

日期：2017-08-03

：FAN Shengxing.Performance analysis of infrared moisture meter in cut tobacco measurement[J].Acta Tabacaria Sinica,2017,23(4)

*Corresponding author.Email：fan3390@163.com