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【摘 要】针对在线红外水分仪在动态精度检测中存在的问题进行分析，采用统计技术对水分仪的准确性和稳定性进行检测，运用配对样本t检验检测水分仪的准确性，将水分仪的显示值与烘箱法检测值的差值作为过程的输出，运用统计过程控制（SPC）对水分仪的稳定性进行检测，为在线红外水分仪的校验提供了新的方法。
【关键词】在线红外水分仪；配对样本t检验；偏移；统计过程控制
在线红外水分仪是烟草制丝线自动化控制的主要测量器具之一，是提高精细化加工的基础。在制丝生产加工过程中， 严格控制好各加工过程节的烟丝含水率， 对于改善和提高烟丝的感官质量、填充能力和耐加工性、 保证卷烟的卷接质量和仓贮防霉等十分重要。因各水分调整加工过程是根据在线水分仪反馈的水分值进行调整，以保证水分满足规范要求，因此在线测水分仪的准确性和稳定性对工序质量控制极其重要。
1 水分仪校验精度评价的局限性
烟草行业标准《烟草机械CA611～CA613型红外水分仪》（YC/T 77—1996）对水分仪的校准、检测提出了要求，通过检测“静态精度”和“动态精度”，评定水分仪是否满足使用要求，因水分仪的“动态精度”对生产过程更具指导性，下文主要针对“动态精度”进行论证。
1.1 在线水分仪“动态精度”检测过程
（1）水分仪安装后，根据YC/T 77—1996要求，调整和校正仪器，确保水分仪正常状态。
（2）取样：取样前，水分仪要预热30分钟以上，在生产线工作稳定后取样，取样数不少于8个，每个样品质量不少于50g。取样位置应在水分仪的测试范围内，取样时手不能进入光电，防止影响水分仪读书，取样同时记录水分仪的显示值，显示值为水分仪对样品的测定值。
（3）在线动态测量精度计算
采用烘箱法对每个样品的水分进行测定，设，，……，为烘箱法对样品的测定值，，，……，为红外水分仪对样品的测定值，n为取样次数，则红外水分仪的精度为：
各加工过程的水分仪性能指标应符合表1的规定。
表1 加工过程水份仪性能指标（动态精度）
1.2 水分仪校验精度评价的局限性
通过对在线水分仪进行“动态精度”检测，并根据检测结果对水分仪的符合性进行判定，采用此种方法方法，只能检测水分仪的准确性。在生产实践中，受各种因素的影响，水分仪在使用过程中会产生漂移，采用“动态精度”检测，并不能对水分仪的稳定性进行检测，不能满足生产过程的要求。
2 测量系统分析
测量定义为赋值（或数）给具体事物以表示它们之间关于特定性的关系。赋值过程定义为测量过程，而赋予的值定义为测量值。测量系统是用来对被测特性定量测量或定性评价的仪器或量具、标准、操作、方法、夹具、软件、人员、环境和假设的集合；用来获得测量结果的整个过程。测量系统分析（Measurement System Analysis），是使用数理统计及图表的方法对测量系统的分辨率和误差进行分析，以评估测量系统的分辨率和测量误差相对于被测量的参数来说是否合适，并确定测量系统误差的主要成分。MSA技术是质量改进的一项重要内容，若缺少对测量系统的有效控制，质量改进就失去了前提；缺少对测量系统的科学分析，则将直接影响到连续质量改进实施的效果。
测量系统的准确性和稳定性是测量系统的两个重要特性。其中偏倚是测量系统准确性的度量，用来描述测量结果的位置方面的状况，反映的是测量结果平均值与真值的差异程度[1]，真值可为采用更高级的测量方法对样品测得的数据，对在线水分仪进行测量系统分析时，真值为烘箱法检测的测量值。稳定性是指测量系统的测量特性的分布不随时间而变，即它的平均值、标准差以及分布的形状等都不随时间而变。测量可以看做制造数据的过程，所以用于判读过程稳定性的各种控制图都可以用来判断测量系统的稳定性，我们通常使用Xbar-R或Xbar-S控制图进行分析。[2]
与传统的机械加工产业不同，烟草的制丝过程属于流程性加工过程，样品不具备重复测量的条件，而测量系统的重复性和测量性需对样品进行重复的测量，因此对在线水分仪的准确性和稳定性检测，不能采用传统的方法。
3 在线红外水分仪检验
3.1 测量数据的获得
在对水分仪取样校验时，由于物料在振槽或运输带上运输，水分仪只检测到流经探头的物料，且物料是流动的，不具备重复测量的条件，因此只能依据1.1中取样要求，对物料进行取样， 同时记录好水分仪的显示值（Yi）；采用烘箱法，测得相应样品的测量值（Xi）。
3.2 取样样品数量的确定
在显著性水平α为0.05，检出功效（1-β）为0.95，差值为0.3，假设配对差值标准差为0.15，备择假设为“不等于”时，使用minitab输出结果如下：
功效和样本数量
配对 t 检验
正在检验均值配对差异 = 0（与 ≠ 0）
正在计算均值配对差异的功效 = 差值
Alpha = 0.05 假设配对差值的标准差 = 0.15
样本
差值 数量 目标功效 实际功效
0.3 6 0.95 0.970504
可以得出，样品数量为6即可检测出差值为0.3的变异。
3.3 水分仪偏倚的检测
为检验水分仪的偏倚，采用在线物料，对水分仪进行偏倚分析。根据取样方法，获得的6个样品的测量数据见表2。
表2 水分仪显示值和测量值列表
采用配对样品t检验，输出结果如下：
从结果可以得出，显示值与测量值平均差的95% 置信区间为（-0.001542， 0.000709），P值为0.385，大于0.05，所以在显著水平0.05上，不能拒绝原假设，即水分仪显示值和实验测量值在α=0.05水平上无显著差异，水分仪偏倚检验合格，水分仪的准确性满足要求。 3.4 应用SPC技术，对测量系统进行统计控制
在水分仪偏倚检验合格的基础上，运用SPC理论知识，将在线测量仪器的显示与“真值”的偏差作为“质量特性值”，并对其进行分析。
测量可以看做制造数据的过程，所以用于判读过程稳定性的各种控制图都可以用来判断测量系统的稳定性。为了判定在线红外水分仪的稳定性，将水分仪的显示值（Yi）与测量值（Xi）的差值（Di）作为水分仪测量过程的输出，判断水分仪的稳定性。即
Di= Yi - Xi
此差可以把个体差异抵消，留下的仅是水分仪测量过程的误差。
以烘丝机出口水分仪为例。采用“动态对比法”采集水分仪显示值与测量值的差值。连续采集25批次烘叶丝工序生产时水分仪对比数据，每批次（子组）在生产过程中按相同时间间隔采集6个样本，比对数据见表3。
表3 水分仪比对数据表
使用minitab“控制图”工具，对水分仪比对数据进行分析，图见图1。
根据国标GB/T4091-2001《常规控制图》中规定的8种判异准则，对均值—极差（）控制图进行判断，由于标准差（）控制图和均值（）控制图均无异常，可以判断过程处于稳定受控状态（统计稳态）。UCL=0.1847，LCL=-0.0951，因此，可用UCL、LCL作为控制限，对该台水分仪进行控制，并进行调整。
图1 水分仪图
4 结束语
统计技术在生产质量管理中应用越来越广泛，将在线红外水分仪的显示值与烘箱法检测值的差值，作为水分仪检测过程的输出，并运用统计过程控制理论对差值进行检测，以检测水分仪的稳定性，运用配对样本t对水分仪的偏移进行检验，以确保水分仪的准确性，为在线红外水分仪的校验提供了新的方法。
参考文献：
[1]马林，何桢.六西格玛管理（第二版）[M].北京：中国人民大学出版社，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.
作者简介：
牛序策（1974- ），男，研究生，工程师，山东中烟工业有限责任公司青岛卷烟厂高级工程师办公室，机械工程师，主要从事卷烟设备、工艺研究工作。
【关键词】在线红外水分仪；配对样本t检验；偏移；统计过程控制
在线红外水分仪是烟草制丝线自动化控制的主要测量器具之一，是提高精细化加工的基础。在制丝生产加工过程中， 严格控制好各加工过程节的烟丝含水率， 对于改善和提高烟丝的感官质量、填充能力和耐加工性、 保证卷烟的卷接质量和仓贮防霉等十分重要。因各水分调整加工过程是根据在线水分仪反馈的水分值进行调整，以保证水分满足规范要求，因此在线测水分仪的准确性和稳定性对工序质量控制极其重要。
1 水分仪校验精度评价的局限性
烟草行业标准《烟草机械CA611～CA613型红外水分仪》（YC/T 77—1996）对水分仪的校准、检测提出了要求，通过检测“静态精度”和“动态精度”，评定水分仪是否满足使用要求，因水分仪的“动态精度”对生产过程更具指导性，下文主要针对“动态精度”进行论证。
1.1 在线水分仪“动态精度”检测过程
（1）水分仪安装后，根据YC/T 77—1996要求，调整和校正仪器，确保水分仪正常状态。
（2）取样：取样前，水分仪要预热30分钟以上，在生产线工作稳定后取样，取样数不少于8个，每个样品质量不少于50g。取样位置应在水分仪的测试范围内，取样时手不能进入光电，防止影响水分仪读书，取样同时记录水分仪的显示值，显示值为水分仪对样品的测定值。
（3）在线动态测量精度计算
采用烘箱法对每个样品的水分进行测定，设，，……，为烘箱法对样品的测定值，，，……，为红外水分仪对样品的测定值，n为取样次数，则红外水分仪的精度为：
各加工过程的水分仪性能指标应符合表1的规定。
表1 加工过程水份仪性能指标（动态精度）
1.2 水分仪校验精度评价的局限性
通过对在线水分仪进行“动态精度”检测，并根据检测结果对水分仪的符合性进行判定，采用此种方法方法，只能检测水分仪的准确性。在生产实践中，受各种因素的影响，水分仪在使用过程中会产生漂移，采用“动态精度”检测，并不能对水分仪的稳定性进行检测，不能满足生产过程的要求。
2 测量系统分析
测量定义为赋值（或数）给具体事物以表示它们之间关于特定性的关系。赋值过程定义为测量过程，而赋予的值定义为测量值。测量系统是用来对被测特性定量测量或定性评价的仪器或量具、标准、操作、方法、夹具、软件、人员、环境和假设的集合；用来获得测量结果的整个过程。测量系统分析（Measurement System Analysis），是使用数理统计及图表的方法对测量系统的分辨率和误差进行分析，以评估测量系统的分辨率和测量误差相对于被测量的参数来说是否合适，并确定测量系统误差的主要成分。MSA技术是质量改进的一项重要内容，若缺少对测量系统的有效控制，质量改进就失去了前提；缺少对测量系统的科学分析，则将直接影响到连续质量改进实施的效果。
测量系统的准确性和稳定性是测量系统的两个重要特性。其中偏倚是测量系统准确性的度量，用来描述测量结果的位置方面的状况，反映的是测量结果平均值与真值的差异程度[1]，真值可为采用更高级的测量方法对样品测得的数据，对在线水分仪进行测量系统分析时，真值为烘箱法检测的测量值。稳定性是指测量系统的测量特性的分布不随时间而变，即它的平均值、标准差以及分布的形状等都不随时间而变。测量可以看做制造数据的过程，所以用于判读过程稳定性的各种控制图都可以用来判断测量系统的稳定性，我们通常使用Xbar-R或Xbar-S控制图进行分析。[2]
与传统的机械加工产业不同，烟草的制丝过程属于流程性加工过程，样品不具备重复测量的条件，而测量系统的重复性和测量性需对样品进行重复的测量，因此对在线水分仪的准确性和稳定性检测，不能采用传统的方法。
3 在线红外水分仪检验
3.1 测量数据的获得
在对水分仪取样校验时，由于物料在振槽或运输带上运输，水分仪只检测到流经探头的物料，且物料是流动的，不具备重复测量的条件，因此只能依据1.1中取样要求，对物料进行取样， 同时记录好水分仪的显示值（Yi）；采用烘箱法，测得相应样品的测量值（Xi）。
3.2 取样样品数量的确定
在显著性水平α为0.05，检出功效（1-β）为0.95，差值为0.3，假设配对差值标准差为0.15，备择假设为“不等于”时，使用minitab输出结果如下：
功效和样本数量
配对 t 检验
正在检验均值配对差异 = 0（与 ≠ 0）
正在计算均值配对差异的功效 = 差值
Alpha = 0.05 假设配对差值的标准差 = 0.15
样本
差值 数量 目标功效 实际功效
0.3 6 0.95 0.970504
可以得出，样品数量为6即可检测出差值为0.3的变异。
3.3 水分仪偏倚的检测
为检验水分仪的偏倚，采用在线物料，对水分仪进行偏倚分析。根据取样方法，获得的6个样品的测量数据见表2。
表2 水分仪显示值和测量值列表
采用配对样品t检验，输出结果如下：
从结果可以得出，显示值与测量值平均差的95% 置信区间为（-0.001542， 0.000709），P值为0.385，大于0.05，所以在显著水平0.05上，不能拒绝原假设，即水分仪显示值和实验测量值在α=0.05水平上无显著差异，水分仪偏倚检验合格，水分仪的准确性满足要求。 3.4 应用SPC技术，对测量系统进行统计控制
在水分仪偏倚检验合格的基础上，运用SPC理论知识，将在线测量仪器的显示与“真值”的偏差作为“质量特性值”，并对其进行分析。
测量可以看做制造数据的过程，所以用于判读过程稳定性的各种控制图都可以用来判断测量系统的稳定性。为了判定在线红外水分仪的稳定性，将水分仪的显示值（Yi）与测量值（Xi）的差值（Di）作为水分仪测量过程的输出，判断水分仪的稳定性。即
Di= Yi - Xi
此差可以把个体差异抵消，留下的仅是水分仪测量过程的误差。
以烘丝机出口水分仪为例。采用“动态对比法”采集水分仪显示值与测量值的差值。连续采集25批次烘叶丝工序生产时水分仪对比数据，每批次（子组）在生产过程中按相同时间间隔采集6个样本，比对数据见表3。
表3 水分仪比对数据表
使用minitab“控制图”工具，对水分仪比对数据进行分析，图见图1。
根据国标GB/T4091-2001《常规控制图》中规定的8种判异准则，对均值—极差（）控制图进行判断，由于标准差（）控制图和均值（）控制图均无异常，可以判断过程处于稳定受控状态（统计稳态）。UCL=0.1847，LCL=-0.0951，因此，可用UCL、LCL作为控制限，对该台水分仪进行控制，并进行调整。
图1 水分仪图
4 结束语
统计技术在生产质量管理中应用越来越广泛，将在线红外水分仪的显示值与烘箱法检测值的差值，作为水分仪检测过程的输出，并运用统计过程控制理论对差值进行检测，以检测水分仪的稳定性，运用配对样本t对水分仪的偏移进行检验，以确保水分仪的准确性，为在线红外水分仪的校验提供了新的方法。
参考文献：
[1]马林，何桢.六西格玛管理（第二版）[M].北京：中国人民大学出版社，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.
作者简介：
牛序策（1974- ），男，研究生，工程师，山东中烟工业有限责任公司青岛卷烟厂高级工程师办公室，机械工程师，主要从事卷烟设备、工艺研究工作。