真空校准系统测量过程统计控制的设计与实施

真空校准系统测量过程统计控制的设计与实施
摘要：为确定真空校准系统测量过程是否稳定受控，文章对其设计并实施了统计控制，这也是我院首次将统计控制方法应用在测量过程的控制。

在采集测量控制数据基础上，建立了控制模型，应用t检验和f检验两种统计检验法，计算得到统计量，对测量过程是否受控进行判定。

实施结果表明，真空校准系统测量过程处于稳定受控状态，测量结果真实可靠。

关键词：真空校准系统；测量过程；统计控制
引言
为保证真空计在工作中实现精确可靠的测量，达到较高的真空获得水平，我院建立了真空校准系统，用于校准我院在用真空计。

目前采用的是传统的量传方式，可以保持标准器的稳定性，却无法考核系统在使用过程中的稳定性，无法对测量全过程实施控制。

目前，在国内仅有几家参加了map（计量保证方案）活动的实验室开展了此项工作，在统计控制模型的设计方面奠定了理论基础。

但是，测量过程的被测参数多种多样，针对具体项目的统计控制方法还必须逐项开发，我院尚未开展过对测量过程进行统计控制的应用研究。

本文以真空校准系统为例，开展了对测量过程实施统计控制的摸索与实践。

在建立控制模型的基础上，利用统计检验方法判定系统测量过程是否受控。

1 必要性分析
为保证测量结果准确性，现定期将我院真空校准系统上的标准器送上级计量机构检定，检定合格后装在系统上投入使用，开展我院真空计的校准工作。

这种传统的量传方法一般能保证测量准确度，但是应用在我院在用的真空校准系统上还存在许多不足。

首先，我院在用的真空校准系统是对测量准确度要求较高、过程较复杂、且测量结果较重要的计量校准系统，其结构组成也比较复杂。

其次，标准器两次检定间隔期间内，可能由于偶然因素引起标准器计量性能改变，受环境条件、测量系统、人员操作等因素的影响，不能及时发现其导致的测量准确度下降。

最后，在最新版的jjf1033-2008《计量标准考核规范》c.3.1中明确提出“对于准确度较高且重要的计量标准，如有可能，建议尽量采用控制图等方法对其测量过程进行连续和长期的统计控制[2]。

”
基于以上几点，对我院在用的真空校准系统的测量过程实施统计控制势在必行。

2 实施总体思路
在测量过程中引入控制对象代替被测对象，由控制对象提供一种表征测量过程状态的手段，即在一个相当长的时间和在变化的环境条件下，通过对控制对象的重复测量以反映整个测量过程的性能。

通过监控测量过程对控制对象的响应，来判断整个测量期间的测量过程的表现，以达到控制测量过程的目的。

3 控制实施的准备阶段
3.1 控制对象的选择
对控制对象的选择没有严格的限制，关键是看其能否达到测量过程控制的目的。

在选择控制对象时主要基于以下考虑：
a.具有良好的重复性和稳定性；
b.控制对象的量值能被测量过程测量或复现；
c.控制对象应具备可用性，即在测量过程需要进行控制测量的任何时刻，都能获得和使用。

基于以上几点，针对本系统采用测量范围1torr的电容薄膜真空计做被测量器具，对其1pa测量点进行过程控制。

3.2 建立数据库
对测量过程统计控制而言，我们所关心的是由测量过程所复现的控制对象量值数据库，而不是控制对象本身。

对控制对象进行测量的全部历史数据则构成了控制数据库。

为确定分布正态性、过程参数和控制极限等，对控制对象进行了重复测量，得到了多组测量数据，建立的数据总量超过100个，该数据库是表征测量过程特性的重要资料，也是判定测量过程是否受控的主要依据。

4 分布的正态性检验
在对控制对象长期、重复测量基础上建立的量值数据库，是将统计控制应用到该系统测量过程的根本基础。

数据库应服从一个基本假定，即数据服从单一正态分布，且测量误差与测量时间不相关。

因此，首先进行正态性检验，确定变量分布。

在2011年4月至10月期间，对控制对象电容薄膜真空计进行重复测量，得到测量控制数据。

根据数据绘制频数分布表，观测其频数分布情况，判断是否服从正态分布。

首先计算相关参数，由转化后数据表，测量数据最大值为61，测量数据最小值为44，则计算极差为r=61-44=17；将数据分为5组，确定组距（h）为r/k=17/5=3.4≈3；第一组下限值为最小值减0.5，计算得到43.5，第一组上限值为下限值加组距，计算得到46.5，以此类推。

编制频数分布表如表1所示。

由频数分布表中的频数统计曲线可见，该数据服从正态分布，满足实施统计控制的应用条件。

5 应用统计检验法判定测量过程状态
在建立过程参数的基础上，利用已确定的控制模型对测量过程是否受控进行判定。

5.1 利用f检验判定
将过程参数代入控制模型中，计算得到f检验统计量为：
由以上分析，本系统的f统计量小于理论临界值，应用f检验判定合格。

5.2 利用t检验判定
t检验统计量是根据新测得控制对象测量值、控制对象认可值和组内标准偏差计算得出的，用以判断新测得数据是否受控。

2011年12月，对核查标准进行了一组测量，得到检验数据。

以
数据的平均值做ci值，计算得到：
将ci值和过程参数代入控制模型，计算得到t检验统计量为：对本系统取其检验水平为0.05，查t分布表得到其t临界值为2.262。

由以上分析，本系统的t统计量小于理论临界值，应用t检验判定合格。

5.3 综合判定
t检验和f检验同时进行，两项检验配合是检验测量结果长期飘移的有效手段。

两者之一不合格，控制对象的测量结果就要放弃。

由之前判定过程可见，f检验结果合格，t检验结果也合格。

综合两项结果判定：真空校准系统的测量过程受控。

6 结束语
本文对我院真空校准系统的测量过程实施了统计控制，建立了该系统测量过程的控制模型，计算出了检验统计量，结果表明：
t检验统计量为0.33，f检验统计量为0.56，均小于其允许临界值。

我院真空校准系统中每个测量值都是受控长周期内多次测量的随机值，该系统测量过程持续稳定受控，实验室出具的测量结果真实可靠。

当然，测量过程统计控制方法的应用前提是对测量过程进行重复采样，因而不适用于单次测试、破坏性试验等特殊测试过程。

此外，对测量过程实施统计控制必然会增加资金和人力物力的投入，在一些不是十分重要的测量场合，则要衡量失准风险和控制成本后谨慎
采用。

致谢
本文的测试和成文过程中得到了许多同事的帮助，没有他们，本文不能如此顺利地完成。

张小琴研究员给予作者许多指导，并提出很多建设性意见；杨力工程师对统计控制方法的应用提出了宝贵而中肯的意见；作者在此一并表示感谢。

参考文献
[1]赵若江，等.计量检测设备的质量保证要求学习材料[m].改革出版社，1993.
[2]李宗扬等.计量技术基础[m].原子能出版社，2002.
[3]柴邦衡等.检验和测量控制[m].机械工业出版社，2000.
[4]汪应洛等.质量管理与可靠性[m].中国科学技术出版社，2005.。