煙絲含水率測量系統(tǒng)的分析

范勝興

湖南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司郴州卷煙廠，湖南省郴州市五里堆路16號，423000

煙絲含水率測量系統(tǒng)的分析

范勝興

湖南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司郴州卷煙廠，湖南省郴州市五里堆路16號，423000

為準(zhǔn)確了解煙絲含水率測量系統(tǒng)現(xiàn)狀，采用假設(shè)檢驗法、均值—極差法對兩種常用的含水率測量系統(tǒng)進行了準(zhǔn)確度和精度分析。結(jié)果表明：①以烘箱法為參考，紅外含水率測量系統(tǒng)整體偏倚值=-0.0093，對應(yīng)p值=0.448＞0.05，整體偏倚不明顯。②烘箱、紅外含水率測量系統(tǒng)的研究公差比（%P/T）、研究變異比（%R&R）均在10%-30%范圍，測量系統(tǒng)能力滿足對煙絲含水率質(zhì)量判定和生產(chǎn)過程改進分析的要求。

含水率；測量系統(tǒng)分析（MSA）；偏倚；研究公差比（%P/T）；研究變異比（%R&R）

測量系統(tǒng)分析（MSA，Measurement System Analysis）是指用統(tǒng)計學(xué)方法了解測量系統(tǒng)中的各種波動源及其對測量結(jié)果的影響，判斷測量系統(tǒng)是否符合使用要求的過程[1]。只有合格的測量系統(tǒng)，才能夠滿足產(chǎn)品質(zhì)量判定和指導(dǎo)過程生產(chǎn)的需要，而判斷一個測量系統(tǒng)是否足夠好，它的關(guān)鍵指標(biāo)有準(zhǔn)確度（偏倚）和精度兩個方面[2]。煙絲含水率是卷煙加工過程中的一項重要工藝參數(shù)，也是成品卷煙的一項重要物理指標(biāo)。目前，煙絲含水率的測量方法有烘箱法、紅外法、微波法[3]、核磁共振法[4]等。邵俊等[5]、趙靜芬等[6]運用嵌套方差分析法，朱令宇[7]運用極差法對紅外水分儀測量系統(tǒng)進行了分析。本研究以烘箱、紅外兩種常用的含水率測量系統(tǒng)為例，采用假設(shè)檢驗法、均值—極差法分別從偏倚和精度兩個維度對測量系統(tǒng)進行分析，旨在為卷煙含水率測量系統(tǒng)能力評價提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

電熱鼓風(fēng)干燥箱FED240（德國賓得公司）；Infralab710紅外水分儀(英國NDC公司)；電子天平（感量0.0001g，梅特勒-托利多公司）；某牌號配方煙絲。

1.2 實驗方法

取加香后某牌號煙絲10份作為試驗樣品（取樣間隔約5分鐘，每份約重250g，收口密封袋包裝、編號），在恒溫恒濕環(huán)境下平衡水分48小時[5]（水分平衡是為了減小從同一樣品中取得的不同試料間的差異，并將從同一樣品中取得的不同試料視為同一試料來用，從而實現(xiàn)對破壞性測量系統(tǒng)的重復(fù)性和再現(xiàn)性研究）。隨機選取2名檢驗員（編號分別為A、B）分別對每份樣品，用烘箱按文獻[8]規(guī)定方法重復(fù)測量含水率兩次，用紅外水分儀按操作規(guī)程重復(fù)測量含水率兩次，記錄每一次的測量結(jié)果，用于之后的統(tǒng)計分析。

1.3 分析方法

從準(zhǔn)確度（偏倚）和精度兩個維度對測量系統(tǒng)進行分析。

1.3.1 偏倚分析

烘箱既是含水率測量的常用儀器，通常也是校準(zhǔn)其它含水率測量儀器的基準(zhǔn)儀器，故以烘箱法測得的各樣品平均值作為各樣品的參考值，按文獻[2]方法對紅外水分儀測量系統(tǒng)的偏倚值進行分析，根據(jù)假設(shè)檢驗結(jié)果對紅外測量系統(tǒng)是否存在偏倚做出判定。烘箱因其本身為參考儀器，故對該測量系統(tǒng)不做偏倚分析。

1.3.2 精度分析

采用均值—極差法對兩個測量系統(tǒng)進行精度分析，得到評價每個測量系統(tǒng)精度的兩項指標(biāo)：研究公差比（%P/T）和研究變異比（%R&R），以兩項指標(biāo)≤10%、10%＜兩項指標(biāo)＜30%、任一項指標(biāo)≥30%對測量系統(tǒng)相應(yīng)做出“良好”、“可接受”、“須改進”的判定[1]。

首先，按公式（1）-（3）分別計算測量系統(tǒng)的重復(fù)性波動（EV）、再現(xiàn)性波動（AV）、樣品的波動（PV）。

式中：k—測量者數(shù)；—測量者i重復(fù)測量同一個部件的極差的平均值；—由測量輪數(shù)和測量者數(shù)量所決定的系數(shù)，可通過查“的數(shù)值表”[1]得到。

式中：n—試樣數(shù)；m—重復(fù)測量次數(shù)；—單個測量者nm個測量值的總平均，分別表示k個中最大和最小的一個。

然后，按公式（4）、（5）計算測量系統(tǒng)波動(R&R)、測量過程總波動（TV）。

最后，按公式（6）、（7）求取評價測量系統(tǒng)精度指標(biāo)：研究公差比（%P/T）和研究變異比（%R&R）。

式中：T—被測對象質(zhì)量特性的容差（公差），本例中含水率的公差為1.0%。

2 結(jié)果與討論

檢驗員采用烘箱、紅外水分儀測量煙絲含水率的結(jié)果見表1。

表1 煙絲含水率測量數(shù)據(jù)Tab.1 Measurement data of moisture content in cut tobacco %

2.1 偏倚分析結(jié)果

以表1中烘箱測得的各樣品含水率平均值作為各樣品的參考值，依據(jù)前述方法并借助統(tǒng)計軟件對紅外含水率測量系統(tǒng)進行偏倚分析，結(jié)果見圖1。從圖1可以看出，紅外含水率測量系統(tǒng)整體偏倚值=-0.0093，對應(yīng)的p值=0.448＞0.05，依據(jù)假設(shè)檢驗原理，判定該測量系統(tǒng)整體偏倚不明顯。

圖1 紅外含水率測量系統(tǒng)偏倚分析Fig.1 Results of bias analysis of infrared moisture measurement system

2.2 精度分析結(jié)果

表1數(shù)據(jù)依據(jù)前述方法計算或借助統(tǒng)計軟件，可得到以下分析結(jié)果（表2、表3）。從中可以看出：

1）烘箱含水率測量系統(tǒng)的%P/T=23.39%＜30%、%R&R=25.08%＜30%，紅外含水率測量系統(tǒng)的%P/T=27.68%＜30%、%R&R=28.72%＜30%，兩含水率測量系統(tǒng)的精度均可接受，相對質(zhì)量特性公差和生產(chǎn)過程變異均具有較好的分析性能。

2）兩測量系統(tǒng)的精度雖可接受，但尚未達到良好水平，需要對測量系統(tǒng)進行改善和定期監(jiān)測維護，以保證其測量能力。兩測量系統(tǒng)的重復(fù)性波動相對較大，改善測量能力需主要從測量儀器的角度著手。兩測量系統(tǒng)的再現(xiàn)性波動相對較小，但也有改善的空間。

3）相對紅外含水率測量系統(tǒng)，烘箱含水率測量系統(tǒng)的測量精度較高，故通常將其作為試驗室儀器比對的基準(zhǔn)。

表2 烘箱含水率測量系統(tǒng)R&R研究-XBar/R法分析結(jié)果Tab.2 Results of oven moisture measurement system analysis

表3 紅外含水率測量系統(tǒng)R&R研究-XBar/R法分析結(jié)果Tab.3 Results of infrared moisture measurement system analysis

3 結(jié)論

1）采用假設(shè)檢驗法、均值—極差法對兩種常用的含水率測量系統(tǒng)進行了偏倚和精度分析，該方法也適用于對其它含水率測量系統(tǒng)的狀態(tài)和能力水平進行評估。

2）本實例中紅外含水率測量系統(tǒng)的整體偏倚值=-0.0093，對應(yīng)的p值＞0.05，不存在顯著偏倚，測量系統(tǒng)的準(zhǔn)確度較高。

3）烘箱、紅外含水率測量系統(tǒng)的%P/T值、%R&R值均在10%～30%范圍，測量系統(tǒng)精度可接受，能滿足對煙絲含水率質(zhì)量判定和生產(chǎn)過程改進分析的要求。但要保證具有更好的測量能力，需要對以上測量系統(tǒng)進行改善和定期監(jiān)測維護。

[1]馬林,何楨.六西格瑪管理.第2版[M].北京:中國人民大學(xué)出版社,2007.MA Lin, HE Zhen.Six sigma management[M].Beijing: China Renmin University Press, 2007.

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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)

范勝興.煙絲含水率測量系統(tǒng)的分析[J].中國煙草學(xué)報，2017,23（4）

湖南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司科技項目“卷煙測量系統(tǒng)診斷技術(shù)的研究與應(yīng)用”（KY2014CG0024）

范勝興（1977—），學(xué)士，高級工程師，主要從事質(zhì)量管理與卷煙工藝技術(shù)研究，Email：fan3390@163.com

2016-10-17；< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)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