基于Minitab的测量系统性能分析

介绍了用数理统计中的重复性和再现性、变异率、容忍度和分组数等因素分析测量系统的基本原理。本文选用红外水分仪作为测量系统，采用量具嵌套分析法对水分平衡试验进行分析。选取切碎的烟叶作为样本，设定烟叶水分的三个等级，使用Minitab进行实践，根据结果识别波动来源，并对测量系统的性能进行评估。然后分析现有的测量系统是否满足要求，可以用来测量烟叶的水分含量。

一.测量和分析

烟草中的水分含量是烟草加工过程中的主要物理性质，直接影响产品的质量。然而，烟草中的水分易受温度和湿度的影响，难以控制在质量指标中。目前，烟草中的水分主要通过红外水分仪来测量，测量系统检测的是材料吸收红外光后的反射光，但这种方法只有在烟草表面的水分能够被测量出来的时候才有用。因此，我们用重复性和再现性、变异率和容忍度来评价水分仪的性能。Minitab是评价烟草测量系统性能的有效工具。

二、应用分析

在某些情况下，样品可能会在测量过程中被破坏，因此无需进行大量测量。烟草中水分的测量就是一个典型的例子。我们使用环境试验箱中的温度和湿度平衡方法，并使用Minitab中的R&R分析选项来建立侧流过程。

第一步:烘箱设备系统运行一段时间后稳定，必须校准。

第二步:烟草的水分含量由环境试验箱测定，需平衡48小时。样品应均匀分布在试验箱的上层、中层和下层。

第三步:每个操作人员从每一层取9个样品，然后将每个样品放在金属盖上。每个金属盖上的样品应转移到水分分析仪的样品托盘中。

第四步:将样品转移到托盘中并快速分析。

第五步:第一个操作符之后，第二个操作符重复前面的步骤。

这种设计的目的是减少环境和样本差异的影响。实验中建立了三种样品和两种快速测量方法。评价水分测定仪的性能有三个条件。

图1

图2

图3

三.测量应用

图1、2和3是Minitab的输出。图1显示了烟草含水量为11%时的分析。从图中可以看出，这种变化不仅是由目标引起的，还包括重复测量的因素。每个操作人员都能很好地测量样品，所有数据点都在范围内，重复性好。大部分平均值都失控了。实际波动很大，测量系统表现良好。两组操作者的实验结果显示平均值变化很小，再现性很小。测量系统性能分析结果:方差分量贡献率为0.41，研究变异为6.43% < 10%，因此测量系统性能良好，组数为21。

图2的结果类似于图1的结果。从图中可以看出，不同操作人员的测量结果存在一定差异。成分贡献率为4.70，研究变异为21.67%。

图3与图1基本相似，但与之前11%和15%的条件相比，当含水率为20%时，两个测量结果有明显差异。成分贡献率为2.70，研究变异为14.67%。

本文从新的角度分析了传统的测量系统。我们采用嵌套法进行R&R分析，红外分析仪测量系统采用分层温湿度平衡法，每层放置样品。结果表明，烟草水分测量系统的分析是可以接受的。MSA分析为实验室仪器的评价提供了有效的方法和重要的科学依据。