正交實(shí)驗(yàn)在計(jì)量檢測的優(yōu)化應(yīng)用實(shí)例分析

鄧鴻炳 / 廣東省計(jì)量科學(xué)研究院

0 引言

隨著國家對環(huán)境保護(hù)措施的日益嚴(yán)格，能源計(jì)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(jì)量檢測準(zhǔn)確度更是越來越高。能源計(jì)量[3]中的流量計(jì)的計(jì)量檢測有兩種方式，第一是送到有資質(zhì)的檢測機(jī)構(gòu)檢定，第二是有資質(zhì)的檢測機(jī)構(gòu)赴現(xiàn)場進(jìn)行檢測[4]。作為一種非接觸式流量計(jì)，超聲波流量計(jì)為現(xiàn)場檢測不方便拆卸的，且對準(zhǔn)確度要求不高的流量計(jì)提供了簡單便捷的方法。其他流量計(jì)一般應(yīng)送實(shí)驗(yàn)室檢定。而實(shí)際操作中，影響便攜式超聲波流量計(jì)準(zhǔn)確度的因素有許多[5]，如何有效地穩(wěn)定地進(jìn)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(jī)誤差的各類實(shí)驗(yàn), 正交試驗(yàn)是解決此類復(fù)雜實(shí)驗(yàn)問題的有效統(tǒng)計(jì)方法。本文通過正交試驗(yàn)，對準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度影響量進(jìn)行主次分析，得出最優(yōu)組合，對檢定人員有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

1 便攜式超聲波流量計(jì)工作原理

便攜式超聲波流量計(jì)主要由主機(jī)、數(shù)據(jù)線和換能器構(gòu)成。按工作原理分類主要有時(shí)差法和多普勒法[8]。本文實(shí)驗(yàn)使用的為時(shí)差法超聲波流量計(jì)。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(jì)利用測量超聲波在管道中傳播時(shí)間和管道的尺寸、介質(zhì)流速相關(guān)聯(lián)，進(jìn)行計(jì)算得出結(jié)果[9-10]。當(dāng)超聲波束在液體中傳播時(shí)，流體的流動(dòng)將使傳播時(shí)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(shí)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(shí)間，根據(jù)線性關(guān)系得到管道內(nèi)介質(zhì)各點(diǎn)流速的瞬時(shí)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

分別使用A、B、C表示測量管徑、檢測位置、介質(zhì)溫度3個(gè)主要因素。每個(gè)因素有3個(gè)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(shí)驗(yàn)(見表2)。

具體實(shí)驗(yàn)過程：便攜式超聲波流量計(jì)上電開機(jī)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(jì)主機(jī)，再根據(jù)主機(jī)顯示的換能器探頭距離安裝換能器。此次實(shí)驗(yàn)采用V法安裝換能器。而超聲波流量計(jì)流量系數(shù)均保持為1.00。通過與標(biāo)準(zhǔn)儀器進(jìn)行流量比對，得出超聲波流量計(jì)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(shí)驗(yàn)表

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如表3所示，該表為實(shí)驗(yàn)完成后數(shù)據(jù)和處理結(jié)果。

表3 正交實(shí)驗(yàn)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(jì)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(jì)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(shí)驗(yàn)創(chuàng)造性地將正交實(shí)驗(yàn)使用在對多個(gè)計(jì)量檢測影響因素的對比方面，實(shí)現(xiàn)了便攜式超聲波流量計(jì)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析顯示，便攜式超聲波流量計(jì)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(shí)際使用中，超聲波流量計(jì)先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定后，才在現(xiàn)場使用，而實(shí)驗(yàn)室主要對超聲波流量計(jì)線性度標(biāo)定，再誤差標(biāo)定。本實(shí)驗(yàn)對便攜式超聲波流量計(jì)實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定和現(xiàn)場使用具有指導(dǎo)意義。