正交實驗在計量檢測的優(yōu)化應(yīng)用實例分析

鄧鴻炳 / 廣東省計量科學(xué)研究院

0 引言

隨著國家對環(huán)境保護措施的日益嚴格，能源計量也越來越受到重視[1]。通過對企業(yè)的能耗監(jiān)控，促使企業(yè)提高工業(yè)技術(shù)水平，提高水、氣的使用效率[2]。因此，水、氣的使用和排放計量檢測準確度更是越來越高。能源計量[3]中的流量計的計量檢測有兩種方式，第一是送到有資質(zhì)的檢測機構(gòu)檢定，第二是有資質(zhì)的檢測機構(gòu)赴現(xiàn)場進行檢測[4]。作為一種非接觸式流量計，超聲波流量計為現(xiàn)場檢測不方便拆卸的，且對準確度要求不高的流量計提供了簡單便捷的方法。其他流量計一般應(yīng)送實驗室檢定。而實際操作中，影響便攜式超聲波流量計準確度的因素有許多[5]，如何有效地穩(wěn)定地進行檢測，這對檢定人員提出了高要求。對于多因素[6-7]、多水平和具有隨機誤差的各類實驗, 正交試驗是解決此類復(fù)雜實驗問題的有效統(tǒng)計方法。本文通過正交試驗，對準確度和穩(wěn)定度影響量進行主次分析，得出最優(yōu)組合，對檢定人員有較強的指導(dǎo)意義。

1 便攜式超聲波流量計工作原理

便攜式超聲波流量計主要由主機、數(shù)據(jù)線和換能器構(gòu)成。按工作原理分類主要有時差法和多普勒法[8]。本文實驗使用的為時差法超聲波流量計。超聲波在介質(zhì)中傳播的速度和該介質(zhì)種類有關(guān)。便攜式流量計利用測量超聲波在管道中傳播時間和管道的尺寸、介質(zhì)流速相關(guān)聯(lián)，進行計算得出結(jié)果[9-10]。當超聲波束在液體中傳播時，流體的流動將使傳播時間產(chǎn)生微小變化，由此可求出液體的流速。超聲波沿管道內(nèi)介質(zhì)順流和逆流傳播的時間差具有線性關(guān)系。通過測量出超聲波順流和逆流傳播時間，根據(jù)線性關(guān)系得到管道內(nèi)介質(zhì)各點流速的瞬時平均流速。這樣，再通過流速、管道截面積等相關(guān)公式求出介質(zhì)流量。

2 實驗設(shè)計

分別使用A、B、C表示測量管徑、檢測位置、介質(zhì)溫度3個主要因素。每個因素有3個水平。用1，2，3表示因素水平，其中D表示管徑，（見表1）。選用L9(34)正交表安排實驗(見表2)。

具體實驗過程：便攜式超聲波流量計上電開機后，選取管徑，測量管徑外徑、厚度、介質(zhì)溫度等參數(shù)，輸入超聲波流量計主機，再根據(jù)主機顯示的換能器探頭距離安裝換能器。此次實驗采用V法安裝換能器。而超聲波流量計流量系數(shù)均保持為1.00。通過與標準儀器進行流量比對，得出超聲波流量計在該管徑上的誤差和線性度。

表1 因素水平表

表2 L9(34)正交實驗表

3 實驗結(jié)果

如表3所示，該表為實驗完成后數(shù)據(jù)和處理結(jié)果。

表3 正交實驗結(jié)果

由極差Ri大小可得，因素主次為：B測量位置，C介質(zhì)溫度，A測量管徑。即在便攜式超聲波流量計誤差的影響因素主要為測量位置，介質(zhì)溫度影響次之，最后為測量管徑。最優(yōu)組合方案為：A3B3C1，即測量管徑為200 mm，測量位置為15D，溫度為15 ℃。而由極差Rj大小可得，因素主次為：A測量管徑，B測量位置，C介質(zhì)溫度。即在便攜式超聲波流量計誤差的影響因素主要為測量管徑，測量位置影響次之，介質(zhì)溫度影響最小。最優(yōu)組合方案為：A3B2C1，即測量管徑為200 mm，測量位置為10D，溫度為 15 ℃。

4 結(jié)語

本實驗創(chuàng)造性地將正交實驗使用在對多個計量檢測影響因素的對比方面，實現(xiàn)了便攜式超聲波流量計主要影響因素的最優(yōu)組合方案，并通過分析能得到影響因素的主次順序。實驗數(shù)據(jù)分析顯示，便攜式超聲波流量計誤差影響主要因素為安裝位置，而線性度影響主要因素為管徑。由于在實際使用中，超聲波流量計先進行實驗室標定后，才在現(xiàn)場使用，而實驗室主要對超聲波流量計線性度標定，再誤差標定。本實驗對便攜式超聲波流量計實驗室標定和現(xiàn)場使用具有指導(dǎo)意義。