真空校準系統測量過程統計控制的設計與實施

摘 要：為確定真空校準系統測量過程是否穩定受控，文章對其設計并實施了統計控制，這也是我院首次將統計控制方法應用在測量過程的控制。在采集測量控制數據基礎上，建立了控制模型，應用t檢驗和F檢驗兩種統計檢驗法，計算得到統計量，對測量過程是否受控進行判定。實施結果表明，真空校準系統測量過程處于穩定受控狀態，測量結果真實可靠。

關鍵詞：真空校準系統；測量過程；統計控制

引言

為保證真空計在工作中實現精確可靠的測量，達到較高的真空獲得水平，我院建立了真空校準系統，用于校準我院在用真空計。目前采用的是傳統的量傳方式，可以保持標準器的穩定性，卻無法考核系統在使用過程中的穩定性，無法對測量全過程實施控制。

目前，在國內僅有幾家參加了MAP（計量保證方案）活動的實驗室開展了此項工作，在統計控制模型的設計方面奠定了理論基礎。但是，測量過程的被測參數多種多樣，針對具體項目的統計控制方法還必須逐項開發，我院尚未開展過對測量過程進行統計控制的應用研究。

本文以真空校準系統為例，開展了對測量過程實施統計控制的摸索與實踐。在建立控制模型的基礎上，利用統計檢驗方法判定系統測量過程是否受控。

1 必要性分析

為保證測量結果準確性，現定期將我院真空校準系統上的標準器送上級計量機構檢定，檢定合格后裝在系統上投入使用，開展我院真空計的校準工作。這種傳統的量傳方法一般能保證測量準確度，但是應用在我院在用的真空校準系統上還存在許多不足。

首先，我院在用的真空校準系統是對測量準確度要求較高、過程較復雜、且測量結果較重要的計量校準系統，其結構組成也比較復雜。

其次，標準器兩次檢定間隔期間內，可能由于偶然因素引起標準器計量性能改變，受環境條件、測量系統、人員操作等因素的影響，不能及時發現其導致的測量準確度下降。

最后，在最新版的JJF1033-2008《計量標準考核規范》C.3.1中明確提出“對于準確度較高且重要的計量標準，如有可能，建議盡量采用控制圖等方法對其測量過程進行連續和長期的統計控制[2]。”

基于以上幾點，對我院在用的真空校準系統的測量過程實施統計控制勢在必行。

2 實施總體思路

在測量過程中引入控制對象代替被測對象，由控制對象提供一種表征測量過程狀態的手段，即在一個相當長的時間和在變化的環境條件下，通過對控制對象的重復測量以反映整個測量過程的性能。

通過監控測量過程對控制對象的響應，來判斷整個測量期間的測量過程的表現，以達到控制測量過程的目的。

3 控制實施的準備階段

3.1 控制對象的選擇

對控制對象的選擇沒有嚴格的限制，關鍵是看其能否達到測量過程控制的目的。在選擇控制對象時主要基于以下考慮：

a.具有良好的重復性和穩定性；b.控制對象的量值能被測量過程測量或復現；c.控制對象應具備可用性，即在測量過程需要進行控制測量的任何時刻，都能獲得和使用。基于以上幾點，針對本系統采用測量范圍1Torr的電容薄膜真空計做被測量器具，對其1Pa測量點進行過程控制。

3.2 建立數據庫

對測量過程統計控制而言，我們所關心的是由測量過程所復現的控制對象量值數據庫，而不是控制對象本身。對控制對象進行測量的全部歷史數據則構成了控制數據庫。

為確定分布正態性、過程參數和控制極限等，對控制對象進行了重復測量，得到了多組測量數據，建立的數據總量超過100個，該數據庫是表征測量過程特性的重要資料，也是判定測量過程是否受控的主要依據。

4 分布的正態性檢驗

在對控制對象長期、重復測量基礎上建立的量值數據庫，是將統計控制應用到該系統測量過程的根本基礎。數據庫應服從一個基本假定，即數據服從單一正態分布，且測量誤差與測量時間不相關。因此，首先進行正態性檢驗，確定變量分布。

在2011年4月至10月期間，對控制對象電容薄膜真空計進行重復測量，得到測量控制數據。根據數據繪制頻數分布表，觀測其頻數分布情況，判斷是否服從正態分布。

首先計算相關參數，由轉化后數據表，測量數據最大值為61，測量數據最小值為44，則計算極差為R=61-44=17；將數據分為5組，確定組距（h）為R/k=17/5=3.4≈3；第一組下限值為最小值減0.5，計算得到43.5，第一組上限值為下限值加組距，計算得到46.5，以此類推。

編制頻數分布表如表1所示。

由頻數分布表中的頻數統計曲線可見，該數據服從正態分布，滿足實施統計控制的應用條件。

5 應用統計檢驗法判定測量過程狀態

在建立過程參數的基礎上，利用已確定的控制模型對測量過程是否受控進行判定。

5.1 利用F檢驗判定

將過程參數代入控制模型中，計算得到F檢驗統計量為：

由以上分析，本系統的F統計量小于理論臨界值，應用F檢驗判定合格。

5.2 利用t檢驗判定

t檢驗統計量是根據新測得控制對象測量值、控制對象認可值和組內標準偏差計算得出的，用以判斷新測得數據是否受控。

2011年12月，對核查標準進行了一組測量，得到檢驗數據。以數據的平均值做Ci值，計算得到：

將ci值和過程參數代入控制模型，計算得到t檢驗統計量為：

對本系統取其檢驗水平 為0.05，查t分布表得到其t臨界值為2.262。

由以上分析，本系統的t統計量小于理論臨界值，應用t檢驗判定合格。

5.3 綜合判定

t檢驗和F檢驗同時進行，兩項檢驗配合是檢驗測量結果長期飄移的有效手段。兩者之一不合格，控制對象的測量結果就要放棄。

由之前判定過程可見，F檢驗結果合格，t檢驗結果也合格。

綜合兩項結果判定：真空校準系統的測量過程受控。

6 結束語

本文對我院真空校準系統的測量過程實施了統計控制，建立了該系統測量過程的控制模型，計算出了檢驗統計量，結果表明：

t檢驗統計量為0.33，F檢驗統計量為0.56，均小于其允許臨界值。我院真空校準系統中每個測量值都是受控長周期內多次測量的隨機值，該系統測量過程持續穩定受控，實驗室出具的測量結果真實可靠。

當然，測量過程統計控制方法的應用前提是對測量過程進行重復采樣，因而不適用于單次測試、破壞性試驗等特殊測試過程。此外，對測量過程實施統計控制必然會增加資金和人力物力的投入，在一些不是十分重要的測量場合，則要衡量失準風險和控制成本后謹慎采用。

致謝

本文的測試和成文過程中得到了許多同事的幫助，沒有他們，本文不能如此順利地完成。張小琴研究員給予作者許多指導，并提出很多建設性意見；楊力工程師對統計控制方法的應用提出了寶貴而中肯的意見；作者在此一并表示感謝。

參考文獻

[1]趙若江，等.計量檢測設備的質量保證要求學習材料[M].改革出版社，1993.

[2]李宗揚等.計量技術基礎[M].原子能出版社，2002.

[3]柴邦衡等.檢驗和測量控制[M].機械工業出版社，2000.

[4]汪應洛等.質量管理與可靠性[M].中國科學技術出版社，2005.