譚吉芳

摘 要：測量過程的實(shí)現(xiàn)是測量管理體系的重要過程之一，測量過程的實(shí)現(xiàn)包括測量過程策劃、設(shè)計(jì)、確認(rèn)、實(shí)施與控制等五項(xiàng)主要活動(dòng)。測量過程控制是選擇合適的測量方法來得到正確的測量結(jié)果。測量過程定義為確認(rèn)量值的一組操作。文章以大連高合金線材公司臺(tái)車式熱處理爐爐膛溫度測量過程為例總結(jié)歸納了測量過程設(shè)計(jì)、確認(rèn)的基本步驟。

關(guān)鍵詞：測量過程 計(jì)量要求 熱處理 實(shí)現(xiàn)

中圖分類號(hào)：TB94 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）03（a）-0128-02

測量過程的實(shí)現(xiàn)并不是簡單地選擇好適用的測量設(shè)備就可以得到正確的測量結(jié)果。設(shè)計(jì)一個(gè)測量過程應(yīng)首先確定工藝過程的計(jì)量要求，然后識(shí)別測量過程的要素和影響量，判斷測量過程的重要程度，依據(jù)重要程度進(jìn)行分類管理、評(píng)定測量不確定度，最后對(duì)測量過程進(jìn)行有效性確認(rèn)。下面舉例說明測量過程涉及到的步驟。

1 確定測量過程的計(jì)量要求

1.1 生產(chǎn)工藝要求

大連高合金線材公司臺(tái)車式熱處理爐，該爐有效長度為12.3 m，寬3 m；最大裝量為50 t。要求溫度控制精度為±10℃，各測量點(diǎn)之間的溫差<10℃。主要用于1～4Cr13、430、GCr15鋼材的熱處理，如GCr15熱處理工藝，見表1。

從表1可以看出：臺(tái)車式熱處理爐在升溫和降溫階段，重點(diǎn)要求的是升降溫度的速度。而在保溫階段，要求溫度波動(dòng)范圍控制在±10℃之間。另外，工藝要求還提出退火的最高溫度不超過1 100℃。為達(dá)到這些要求，先決條件就是要有準(zhǔn)確的溫度測量值。

1.2 工藝要求轉(zhuǎn)換成計(jì)量要求

計(jì)量要求可表示為最大允許誤差、允許不確定度、測量范圍、穩(wěn)定性、分辨力、環(huán)境條件或操作者技能要求。

該工藝的計(jì)量要求只是對(duì)測量范圍、測量的最大允許誤差、允許不確定度給予要求。

測量范圍要求應(yīng)覆蓋被測對(duì)象的最小測量點(diǎn)M小、最大測量點(diǎn)M大，根據(jù)工藝要求，爐中退火溫度最高不超過1 100℃，因此，選擇K型熱電偶的測量范圍0～1 100℃作為一次測溫元件，完全滿足生產(chǎn)工藝要求。

根據(jù)工藝要求，保溫階段的溫度控制在810～830℃，則控溫點(diǎn)的公差T為：T測=830-810=20℃。

最大允許誤差：△允=T測×（-）=20×=4℃。

配備測量設(shè)備時(shí)，應(yīng)根據(jù)被測對(duì)象的公差要求導(dǎo)出的最大允許誤差來選用測量設(shè)備。因此，測量設(shè)備選用Ⅱ級(jí)K型熱電偶、相對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償導(dǎo)線、PLC以及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。按照設(shè)備選型表配置測量設(shè)備后，對(duì)各測量設(shè)備進(jìn)行檢定、測試或按國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定得出其計(jì)量特性，所選測量設(shè)備的計(jì)量特性需滿足表2的要求。將測量設(shè)備的計(jì)量特性與工藝計(jì)量要求進(jìn)行比較，經(jīng)計(jì)量驗(yàn)證后方可投入使用。設(shè)備選型見表2。

1.3 測量過程允許不確定度推導(dǎo)

溫度測量過程的允許不確定度，需采用過程測量能力指數(shù)CP來推導(dǎo)允許不確定度。

過程測量能力指數(shù)：CP===式中：CP為過程測量能力指數(shù)；T為工藝或技術(shù)要求的容差范圍；B為測量能力，以測量過程合成標(biāo)準(zhǔn)測量不確定度的6倍表示；為標(biāo)準(zhǔn)偏差，這里為測量過程合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

CP值的大小反應(yīng)了測量能力對(duì)產(chǎn)品工藝要求的滿足程度，由于退火爐溫度測量過程作為產(chǎn)品質(zhì)量控制環(huán)節(jié)，因此，我集團(tuán)公司質(zhì)量管理里體系中，將所有鋼材熱處理退火爐作為重要過程進(jìn)行控制，如果失控可能直接導(dǎo)致產(chǎn)品不合格。這里查表3，當(dāng)1.67≥CP>1.33時(shí)，表示過程能力充裕。因此，Cp取1.33來推導(dǎo)出計(jì)量要求：標(biāo)準(zhǔn)偏差（測量過程合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度）：。

2 識(shí)別過程要素和影響量

對(duì)每一個(gè)測量過程都要識(shí)別有關(guān)過程要素和影響量，必須從人、機(jī)、料、法、環(huán)、測方面進(jìn)行分析。因此，重要的要素是操作者，控制方法是要對(duì)操作者進(jìn)行上崗培訓(xùn)，使操作者具有退火工藝操作的基本技能；重要的影響量是環(huán)境溫、濕度。所以必須控制好儀表操作室的溫度、濕度，滿足PLC、計(jì)算機(jī)的對(duì)溫、濕度的要求。

3 測量不確定度評(píng)定

在鋼材熱處理退火爐控溫系統(tǒng)中，影響測量爐膛溫的準(zhǔn)確度因素很多，除了爐子的保溫性、溫場的均勻性、測量設(shè)備安裝與使用方法、環(huán)境條件或其他干擾等外，一般在退火爐和控溫方式確定后，影響測量爐膛溫準(zhǔn)確度的主要原因是測量過程的誤差，它包括：一次測溫元件、顯示系統(tǒng)和之間相連接的補(bǔ)償導(dǎo)線的誤差等。本例中測量不確定度的評(píng)定如下：

3.1 數(shù)學(xué)模型

Y=f（X1+X2+X3）（Y——是被測溫度；X1——是一次元件（K型熱電偶）生產(chǎn)的熱電勢；X2——是PLC和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的顯示；X3——是補(bǔ)償導(dǎo)線的信號(hào)傳輸）。

3.2 測量不確定度來源

（1）一次元件K型熱電偶引入的測量不確定度分量；（2）PLC和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的顯示引入的測量不確定度分量；（3）補(bǔ)償導(dǎo)線誤差引入的測量不確定度分量。

3.3 溫度測量過程不確定度評(píng)定

根據(jù)臺(tái)車式熱處理爐工藝曲線要求，GCr15退火的保溫溫度為820±10℃。

（1）一次元件K型熱電偶引入的測量不確定度分量u1。

熱電偶工作溫度T1=820℃選用的精度等級(jí)Ⅱ級(jí)，允許誤差為±0.75% t。采用B類不確定度評(píng)定方法，按正態(tài)分布K=3則熱電偶引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

u1=T1×0.75%/3=820×0.75%/3=1.8℃

（2）PLC和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的顯示引入的測量不確定度分量u2。

計(jì)算機(jī)顯示的量程是T2=1100℃精度等級(jí)±0.2%FS，采用B類不確定度評(píng)定方法，按均勻分布k=，則PLC和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的顯示引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

u2=T2×0.2%/3=1 100×0.2%/=1.27℃

（3）補(bǔ)償導(dǎo)線誤差引入的測量不確定度分量u3。

補(bǔ)償導(dǎo)線的允許誤差為1.5℃，采用B類不確定度評(píng)定方法，按正態(tài)分布K=3則補(bǔ)償導(dǎo)線引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u3：u3=1.5/3=0.5℃

（4）合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

2.25℃

（5）實(shí)際測量能力。

CP===== 1.48

3.4 測量能力評(píng)定

經(jīng)過上述的分析、計(jì)算，大連高合金線材公司臺(tái)車式熱處理爐溫度測量過程測量不確定度評(píng)定結(jié)果和從工藝要求導(dǎo)出的允許不確定度比較：工藝計(jì)量要求（允許測量不確定度）：2.5℃，評(píng)定結(jié)果（合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度）：2.25℃，實(shí)際測量能力：1.48，可以看出目前選擇的測量設(shè)備的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度滿足測量過程的工藝計(jì)量要求。

4 測量過程的有效性確認(rèn)

測量管理體系標(biāo)準(zhǔn)要求，測量過程設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)后，必須進(jìn)行驗(yàn)證。因此，對(duì)測量過程的有效性確認(rèn)是測量過程設(shè)計(jì)的重要過程，也是測量管理體系技術(shù)工作審核的重要內(nèi)容之一。測量過程的有效性確認(rèn)方法主要有：（1）與其他已確認(rèn)有效的過程結(jié)果比較；（2）與其他測量方法的結(jié)果比較；（3）測量系統(tǒng)分析。

前兩種方法是比較常見的，都是通過最終結(jié)果的比較來確認(rèn)，但是，沒有對(duì)過程進(jìn)行分析。

而第三種方法測量系統(tǒng)分析是通過過程特征的連續(xù)性分析來確認(rèn)測量過程是否有效。嚴(yán)格的來說，必須是具有復(fù)現(xiàn)性的測量系統(tǒng)才可運(yùn)用本方法進(jìn)行測量過程有效性確認(rèn)，而生產(chǎn)過程中退火保溫階段的溫度值不可復(fù)現(xiàn)。為了對(duì)其進(jìn)行確認(rèn)，需設(shè)計(jì)適用的實(shí)驗(yàn)方法，進(jìn)行測量系統(tǒng)分析，確定該測量系統(tǒng)是否可以接受。

可采用%GRR來評(píng)價(jià)測量系統(tǒng)是否可接受。%GRR是測量系統(tǒng)變差占總變差的比例，是評(píng)價(jià)測量系統(tǒng)能否被接受的指標(biāo)。判斷要求：

（1）%GRR≤10%測量系統(tǒng)可接受；

（2）10%≤%GRR≤30%測量系統(tǒng)有條件可接受：是否改進(jìn)測量系統(tǒng)，由使用風(fēng)險(xiǎn)、測量儀器的成本、修理成本等因素綜合考慮；

（3）%GRR≥30%測量系統(tǒng)不可接受，應(yīng)努力全面改進(jìn)測量系統(tǒng)。

計(jì)算公式如下：TV2=PV2+AV2+EV2、GRR=、%GRR=（GRR/TV）%

式中：PV——被測對(duì)象的變差，主要考察被測對(duì)象的波動(dòng)及測量引起的波動(dòng)；AV——再現(xiàn)性，主要考慮操作者在測量技術(shù)上的變差；EV——重復(fù)性，主要考察測量儀器引起測量結(jié)果的波動(dòng)性。

5 本爐爐膛測溫過程的測量系統(tǒng)分析

按照測量系統(tǒng)分析的要求，選定3名測量人員，在保證爐子溫場均勻性的前提下，將爐溫升到820℃后保溫，在重復(fù)性條件下，3名記錄人員對(duì)十個(gè)測量點(diǎn)分別記錄，每半個(gè)小時(shí)記錄一次，共記錄三次，將測量值記錄在《量具重復(fù)性和再現(xiàn)性數(shù)據(jù)收集表》中，見《測量系統(tǒng)分析》參考手冊(cè)、第三版、第101（圖12）。按表內(nèi)公式進(jìn)行計(jì)算，最后結(jié)果如下：

從得出的數(shù)據(jù)來看，大連高合金線材公司臺(tái)車式熱處理爐爐膛溫控系統(tǒng)是可接受的，因此，該測量過程的有效性進(jìn)一步得到確認(rèn)。

參考文獻(xiàn)

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