运用测量系统分析提高在线水分仪测量准确度和精密度

在线水分仪是实时、快速和连续测量生产过程数据的重要测量工具，在线水分仪测量准确度和精密度直接影响烟丝含水率控制质量，因此提高在线水分仪的测量准确度和精密度至关重要。现行水分仪校准方式，主要由在线水分仪检测数值与烘箱检测水分值的偏差大小是否超出标准限值为依据。测量系统分析是用于评估测量系统的孩子了，是运用统计方法来分析、研究测量系统中的各个变差源、给出测量系统能否满足使用要求的明确判断，测量系统的准确性和精确性为保证在线水分仪测量数据的质量提供了依据。

一、材料与方法：

1.烟丝材料：正常生产的长白山（硬红）烤烟型配方烟丝。

试验仪器：TM710e红外水分仪、YLC-233B1干燥箱

2.原理与方法：

2.1 由于在线红外水分仪测量物料（烟叶、烟丝、烟梗、梗丝等）的动态性以及不可重复性,因此无法使用常规测量系统的分析方法来进行能力的分析评价。本实验以烘箱干燥法测的量结果为依据,并参考破坏性的测量系统的稳定性分析方法，计算测量仪器的波动,参考测量系统判断准则,对在线水分仪的测量能力进行分析、评价。

2.2 在线水分仪的校准通常是以烘箱干燥法测量的含水率作为标准,烘箱法测量值和水分仪显示值之间的误差不超过工艺标准要求的最大误差0.3%作为校准依据。

                 |M_烘 - M_示|≤△M                     ⑴

式⑴中：M烘—烘箱法测量值；M示—在线水分仪显示值；△M—工艺要求的误差。

由测量系统分析的方法看，水分仪显示值和烘箱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

     S=               ⑵

式⑵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%）在线水分仪精度要求≤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：

⑴ 测量系统波动R&R与总波动之比来进行度量，通常即为P/TV

⑵ 测量系统的R&R与测量对象的质量特性值容差之比来进行度量，通常记为P/T

测量系统的波动需要对被测量的样品进行重复测量，但对在线水分仪来说，受环境和在线水分仪特性等因素的影响，在同一台在线水分仪下对同一物料（烟叶、烟丝、梗丝等）进行重复性测试是不可能的，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，可以参考烘箱干燥法校准在线水分仪的方法，将烘箱干燥法的测量值作为标准值，得到烘箱干燥法测量值和在线水分仪显示值之间的差值，即可认为是在线水分仪的波动σ_s，也就是测量系统的波动σ_ms，而烘箱干燥法测量的样品之间的绝对误差，则能够反映测量对象的波动σ_P，那么过程输出的总方差为σ_T。

                        ⑸

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。

二、结果与分析

以长白山（硬红）烘丝机出口水分仪为例，取样数值范围较大，基本涵盖了烘丝机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，表2是测量结果。

表2  含水率测试结果（%）

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。

表3  含水率测试结果（%）

用式⑹估算σ_s

式⑹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.计算测量对象的波动σ_P

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。

表4  单值—移动极差（%）

用式⑺估算σ_P

                           ⑺

式⑺中R_均2是移动极差的均值，同样可查控制图系数表得到d₂=1.128

用式5计算可得到

然后计算：

10%＜P/TV=12.7%≤30%，根据测量系统能力判断准则,可以认为此在线水分仪测量能力基本可以接受。

三、结论

在线红外水分仪受环境及其自身测量特性的影响，无法对抽取样品进行重复性测量。只能以烘箱干燥法测量含水率为基准，运用测量系统分析的方法计算在线水分仪波动，根据测量系统能力判断准则来判断在线红外水分仪的测量能力，来保证测量系统的准确性和精确性，比传统的测量误差的方法，更具有全面性、合理性。