CN101344471A - 一种水分仪的校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及测量设备的校准方法领域，所要解决的技术问题是克服现有水分校准方法不适用香烟分组加工工艺的缺点，提供一种能够在工作过程中快速准确对水分仪进行校准的方法。本发明改良后的校准方法增加了β变量，从而将各自独立的校准曲线联系起来，在日常动态校准时只要调节β变量即可完成对所有曲线的修改，大大降低了抽样的样品量，提高校准效率和精度，实现了线水分仪在分组加工工艺中的实时校准。

Description

一种水分仪的校准方法

技术领域

本发明涉及测量设备的校准方法领域，更具体的说是一种利用历史数据对含水率测量设备进行实时校准的在线水分仪的校准方法。

背景技术

分组加工为一种新型开发或加工产品的工艺，如何获得或监控每个工艺点的参数尤为关键。如烟草分组加工技术是指针对不同品质、不同类型、不同特性的原料，依据工序评价论证结果，结合产品设计要求和单等级原料感官评价结果，有针对性地制定合适的加工工艺参数、工艺路线、加工方式，提升在线加工工艺的水平的中式卷烟特色工艺技术。制丝生产线分组加工工艺主要包括叶片的分组加工、叶丝的分组加工和叶丝的混配等。

烟草制造企业通常使用在线水分仪来测量不同工艺点的物料含水率，最常见的有红外水分仪和微波水分仪两种。由于具有快速准确，量程范围大，能实现在线非接触式连续测量，并可与自动控制***连接实现闭环控制，在线水分仪在制丝生产的工艺控制和质量监控中显得越来越重要，同时合理使用水分仪，提高其检测控制的精确度和可靠性一直是水分仪应用中的重点。尽管测量原理不同，但是在线水分仪(以下称水分仪)在使用中的算法和使用流程大致相似。

首先利用工艺点物料制作平衡样品，然后用水分仪静态测量并记录显示值x₁，x₂...x_i，同时用烘箱法检测相对应的样品含水率y₁，y₂...y_i，利用最小二乘法将水分仪显示值和烘箱标准值做拟合曲线，确定校准曲线：

Y_i＝a_iX+b_i  (i＝1...n)

每一个分组则对应一个校准曲线，i为分组序号。这是静态标定过程。

水分仪经过静态标定后，在使用过程还需要动态校准。在水分仪的实际应用中，动态校准中参考质检人员对在制品的抽样水分检验数据，按照分组分类将烘箱标准值与对应的现场水分仪显示值对比，取差值的平均值作为依据，在零位上做相应的动态修正，其数据量一般为5个左右。

但是烟草分组加工技术在单个工艺点，比如松散回潮、加料、叶丝干燥和烟丝掺配中形成了比以往全配方加工模式多了不同的物料，物料的形式和特点各异，更具个性化，水分仪的特征曲线也要做单独标定，随着外界的变化，比如温度、湿度，还要需要对水分仪进行动态校准。而动态校准依赖采样的有效性和统计的样品量，样品量越大操作工作量大。可见在分组加工工艺中动态校准的工作量是十分大的，同时也明显存在滞后性，而且当天不生产的分组得不到校准数据，不能检查其对应的校准曲线，容易存在测量风险。随着叶组储柜和预配柜的增加，单分组的加工存在间歇特征，这样水分仪的动态校准将失去校准的数据依据。

综上所述，传统算法上动态校准各个通道的保持独立性和滞后性，比如对1号通道的校准并不会在更换通道后保证水分仪的精确度，这样就大大降低了水分仪的可靠性，增加水分仪动态校准的复杂性；虽然在实际使用中将零位接近的物料合并共用一个校准曲线是合情合理的工程应用，但是这样必然牺牲了一部分分组的精度，即使如此一个工艺点仍然保留五个到十个的通道，动态校准的工作量仍然是庞大的，而且通道的无关性导致在校准管理中很难理清头绪，管理非常困难。分组加工工艺技术的推广应用急需更先进、更准确且能够实时进行的水分仪校准方法的配合。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有水分校准方法不适用分组加工工艺的缺点，提供一种能够在工作过程中快速准确对水分仪进行校准的方法。

本专利采用以下技术方案来实现上述发明目的。

具体方案包括以下步骤：

①利用测量工艺中的工艺点制作多组不同性质的校准样品；

②用水分仪分别静态测量上述多组校准样品，并记录显示值，同时用烘箱法检测相对应的样品含水率，通过最小二乘法计算校准曲线Y_i＝κX+b_i的参数κ和b_i，其中Y_i为每个分组的校准值，X为水分仪测量值，斜率κ为工艺点的加工特性，b_i为工艺点的分组每天测量的个性，i为分组序号；

③进行多天测试性测量，并在每个分组中抽样，采用烘箱法测量的b_i误差，并取误差的平均值修正b_i；

④记录每天的每个分组的b_i，形成历史数据库；

其特征在于还包括以下步骤：

⑤进行一致性维护，选择历史数据库中一天的b_i为b_ij，计算同一分组不同时间b_i与b_ij的误差并取误差平均值β，将同一分组b_i全部统一为b_ij，校准曲线变更为Y_i＝κX+b_ij+β，其中为b_ij工艺点的分组的个性，β为外界条件对水分仪的综合影响，j为一致性维护的次数；

⑥运行水分仪进行实际测量；

⑦不分组进行抽样，采用烘箱法测量的β误差，并取误差的平均值修正β。

从上述方法可见在线水分仪在使用中需要标定校准曲线，每一个工艺点的一个分组对应一个校准，彼此相对独立，在动态校准时根据需要逐一修改，分组加工中需要添加更多的通道，就以往校准法难以在新模式中有效应用。本发明改良后的校准方法增加了β变量，从而将各自独立的校准曲线联系起来，在日常动态校准时只要调节β变量即可完成对所有曲线的修改，大大降低了抽样的样品量，提高校准效率和精度，实现了线水分仪在分组加工工艺中的实时校准。

在校准之后，一般的日常使用过程中，只需在每天运行水分仪进行测量的过程中，实时不分组进行抽样，采用烘箱法测量的β误差，并取误差的平均值修正β，步骤⑧。使用上十分简单方便，工作量大大减少。

上述的一致性维护无需每天进行，隔一段时间进行一次，其原因是b_ij无需每天进行维护，而且每天维护对提高校准精度的意义不大。一般是相隔几天，累计一定数据量之后才进行一次一次性维护，这样可以进一步提高校准的精度，主要包括以下步骤：

⑨在每天测量之后，在每个分组中抽样，采用烘箱法测量的b_ij误差，并取误差的平均值修正b_ij，在历史数据库中记录b_ij；

⑩在水分仪运行相隔5至30天进行一次一致性维护，选择历史数据库中一天b_ij统一同一分组的b_ij。

为了很好的利用历史数据，在一般工作过程中在上述步骤③、⑨中在每个分组中抽样4至20个数据。由于抽取的数量较大，采用烘箱法不能及时的对水分仪进行实时校准，不过这些数据对非实时校准起到重要的作用，如步骤⑨中进行的一致性维护就是基于这些数据。

在水分仪日常使用过程中进行值的β修正无需进行分组采样，所以在步骤⑦、⑧中只需不分组进行抽样4至20个数据即可，可以通过烘箱法对水分仪进行实时的修正。

在步骤③中测试性测量的天数为5至15天，可以保证准确性。

本发明方法将同一个工艺点的所有校准曲线由原来的相对独立变成了相互关联，对于加工量相对少呈现间歇性生产的分组无论在什么时候生产，都可以保证与其他分组相同的精确度和工作的可靠性。使各个分组的烘箱数据就可以达到数据复用的效果，相当于增加了样品量，增强了数据的有效利用和动态校准的可靠性，使各个校准曲线可以保证相同的精确度，从而提高水分仪的测量精度。提供方便的动态校准，日常维护以值为唯一参变量，简化工作量。

附图说明

图1为香烟制造工艺中的分组加工工艺流程图；

图2为本发明方法的校准流程图。

具体实施方式

以下以香烟分组加工工艺为例子，结合附图对本发明做进一步详细描述。

香烟的分组加工技术是指针对不同品质、不同类型、不同特性的原料，依据工序评价论证结果，结合产品设计要求和单等级原料感官评价结果，有针对性地制定合适的加工工艺参数、工艺路线、加工方式，提升在线加工工艺的水平的中式卷烟特色工艺技术。制丝生产线分组加工工艺主要包括叶片的分组加工、叶丝的分组加工和叶丝的混配等。

如图1所示，具有多个单个工艺点，比如松散回潮、加料、叶丝干燥和烟丝掺配，形成了比以往全配方加工模式多了许多不同的物料，物料的形式和特点各异，更具个性化，首先要对水分仪的特征曲线单独进行静态标定，根据检测原理水分仪的每个校准曲线分别对应一个分组配方。

从理论上分析，在一个工艺点中，各个分组配方对应的校准曲线有：

$\left\{\begin{array}{c}{Y}_1=a_{1}X+b_1\\ Y_2=a_{2}X+b_2\\ \·\·\·\\ Y_i=a_{i}X+b_i\end{array}\right.$ 对应系数矩阵为 $\left\{\begin{array}{cc}{a}_1& b_1\\ a_2& b_2\\ \·\·\·& \\ a_i& b_i\end{array}\right\}$

令b₁＝b₁₁+b₁₂，b₂＝b₂₁+b₂₂，…，b_i＝b_i1+b_i2；则

$\left\{\begin{array}{c}{Y}_1=a_{1}X+b_{11}+b_{12}\\ Y_2=a_{2}X+b_{21}+b_{22}\\ \·\·\·\\ Y_i=a_{i}X+b_{i1}+b_{i2}\end{array}\right.$ 对应系数矩阵为 $\left\{\begin{array}{ccc}{a}_1& b_{11}& b_{12}\\ a_2& b_{21}& b_{22}\\ \·\·\·& & \\ a_i& b_{i1}& b_{i2}\end{array}\right\}$

由于在水分波动范围很小的情况下，各个通道保持相同的斜率仍然可以保证含水率的检测精确度，水分仪的实际应用中，相同工艺点中不同的分组配方对应校准曲线经常采用相同的斜率，同时将系数按以下要求整合：

令 $\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\β}=b_{12}=b_{22}=\·\·\·=b_{i2};\\ \mathrm{\κ}=a_1=a_2=\·\·\·=a_{i;}\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{Y}_1=\mathrm{\κX}+b_{11}+\mathrm{\β}\\ Y_2=\mathrm{\κX}+b_{21}+\mathrm{\β}\\ \·\·\·\\ Y_i=\mathrm{\κX}+b_{i1}+\mathrm{\β}\end{array}\right.$ 对应系数矩阵为 $\left\{\begin{array}{ccc}\mathrm{\κ}& b_{11}& \mathrm{\β}\\ \mathrm{\κ}& b_{21}& \mathrm{\β}\\ \·\·\·& & \\ \mathrm{\κ}& b_{i1}& \mathrm{\β}\end{array}\right\}$

从系数矩阵可以看得出，原来各自独立无关的通道表征出明显的个性和共性，这也符合测量仪器误差理论和水分仪测量原理，校准曲线系数矩阵的意义分别为：Y_i＝κX+b_i1表征了水分仪对工艺点物料的特征曲线，斜率κ为工艺点的加工特性，b_i1为工艺点的分组物料的个性，β表征了外界条件对水分仪的综合影响，为测量***的随机误差，对各个分组的一致的。b_i＝b_i1+β对应传统意义上的零位。水分仪算法改变后，从系数矩阵中可以看到参变量β变为唯一，只要对β进行修正即可，动态校准变得更加方便。

由于现有水分仪并未支持如此算法，但是现有的计算机***完成可以实现，只要将水分仪校准曲线对应的系数矩阵建立在上位机，在配方释放的同时将斜率κ和零位b_i＝b_i1+β上传到相应的水分仪即可。

新算法改变了传统水分仪校准分为静态标定和动态校准两部分的流程，将静态检定(确定斜率κ和b_i1)和动态调整(相同条件下各个曲线确定b_i1)合并成水分仪的自学习过程，日常维护改为对β调整的动态校准过程。

如图2所示，下面举例说明上述计算过程。

首先对水分仪进行静态标定，即运用最小二乘法确定κ、b参数。在同一个工艺点将不同分组物料制作成平衡样品，然后用水分仪静态测量并记录显示值x₁，x₂...x_i，同时用烘箱法检测相对应的样品含水率y₁，y₂…y_i，利用最小二乘法将水分仪显示值和烘箱标准值做拟合：Y_i＝κX+b_i(i＝1...n)其中i为分组序号，每一个分组(牌号)则对应一个校准曲线，通过拟合曲线方程对水分仪进行静态标定。

水分仪经过静态标定后，在使用过程还需要动态校准。在水分仪的实际应用中，质检人员对在生产过程中的分组物料制品进行抽样检验水分数据，按照分组将烘箱标准值与对应的现场水分仪显示值对比，取差值的平均值作为依据，在零位上做相应的动态修正。如在第一分组工作过程中，挑选四组物料制品进行检验，对b₁的动态校准过程如下表所示：

动态校准b₁＝b₁-误差均值，即b₁＝b₁+0.52。

如上所述，分别对每一个分组物料的b₁进行动态，并将每天校准过程记录下来形成历史数据库，以上为现有技术中的计算过程，其他分组的动态校准和记录，在此不再进行累述。

接下来对已经记录的历史数据进行一致性维护，以下选取六天的数据进行说明，如下表(表中误差指上述动态校准误差均值)：

在第一天的基础上(下表加粗显示部分)，令β值为零，误差为零，计算b_i值，b_i＝b_i-误差，如下表：

进行第一次一致性维护，将历史数据库中b_i的统一为第一天的b_i(下表加粗显示部分)，即上述理论分析中的b_i1，并重新计算误差，如第二天1分组的误差为0.15-0.47+0.52＝0.20，第三天1分组的误差为0.33-0.47+0.52＝0.38，依次类推：

抽取b_i1和误差，整理上述表格为如下格式：

令β值＝-误差均值，并对误差进行修正：误差＝原误差-β值，修正后的误差列表如下：

从对比第一个表格和最后一个表格可见，采用β进行修正之后，大大缩小了误差值，在后续每天的测量中，不分牌号进行统计，计算误差，取得平均误差作为β修正值。参变量β变为唯一，只要对β进行修正即可，动态校准变得更加方便。上述校准过程现有的计算机***完成可以实现，只要将水分仪校准曲线对应的系数矩阵建立在上位机，在配方释放的同时将斜率κ和零位b_i＝b_i1+β上传到相应的水分仪即可，即Y_i＝κX+b_i1+β。在每天的测量中计算β值进行校准如下表所示：

本发明设计的校准方法改变了传统水分仪校准分为静态标定和动态校准两部分的流程，将静态检定(确定斜率κ和b_i)和动态调整(相同条件下各个曲线确定b_i1)合并成水分仪的自学习过程，日常维护改为对β调整的动态校准过程。

b_ij无需每天进行维护，而且每天维护对提高校准精度的意义不大。一般是相隔几天，累计一定数据量之后才进行一次一次性维护，这样可以进一步提高校准的精度。在每天测量之后，在每个分组中抽样，采用烘箱法测量的b_ij误差，并取误差的平均值修正b_ij，在历史数据库中记录b_ij。每个分组中抽样4至20个数据。由于抽取的数量较大，采用烘箱法不能及时的对水分仪进行实时校准，这些数据对非实时校准起到重要的作用，一般在水分仪运行相隔5至30天进行一次一致性维护，选择历史数据库中一天b_ij统一同一分组的b_ij。每次校准j增加1，并进行记录。

Claims (6)

1.一种水分仪的校准方法，包括以下步骤：

①利用测量工艺中的工艺点制作多组不同性质的校准样品；

②用水分仪分别静态测量上述多组校准样品，并记录显示值，同时用烘箱法检测相对应的样品含水率，通过最小二乘法计算校准曲线Y_i＝κX+b_i的参数κ和b_i，其中Y_i为每个分组的校准值，X为水分仪测量值，斜率κ为工艺点的加工特性，b_i为工艺点的分组每天测量的个性，i为分组序号；

③进行多天测试性测量，并在每个分组中抽样，采用烘箱法测量的b_i误差，并取误差的平均值修正b_i；

④记录每天的每个分组的b_i，形成历史数据库；

其特征在于还包括以下步骤：

⑤进行一致性维护，选择历史数据库中一天的b_i为b_ij，计算同一分组不同时间b_i与b_ij的误差并取误差平均值β，将同一分组b_i全部统一为b_ij，校准曲线变更为Y_i＝κX+b_ij+β，其中为b_ij工艺点的分组的个性，β为外界条件对水分仪的综合影响，j为一致性维护的次数；

⑥运行水分仪进行实际测量；

⑦不分组进行抽样，采用烘箱法测量的β误差，并取误差的平均值修正β。

2.根据权利要求1所述的校准方法，其特征是在校准之后还包括以下步骤：

⑧在每天运行水分仪进行测量的过程中，实时不分组进行抽样，采用烘箱法测量的β误差，并取误差的平均值修正β。

3.根据权利要求2所述的校准方法，其特征是还包括以下步骤：

⑨在每天测量之后，在每个分组中抽样，采用烘箱法测量的b_ij误差，并取误差的平均值修正b_ij，在历史数据库中记录b_ij；

⑩在水分仪运行相隔5至30天进行一次一致性维护，选择历史数据库中一天b_ij统一同一分组的b_ij。

4.根据权利要求3所述的校准方法，其特征是在步骤③、⑨中在每个分组中抽样4至20个数据。

5.根据权利要求3所述的校准方法，其特征是在步骤⑦、⑧中不分组进行抽样4至20个数据。

6.根据权利要求1所述的校准方法，其特征是在步骤③中测试性测量的天数为5至15天。