正交实验在计量检测的优化应用实例分析

邓鸿炳 / 广东省计量科学研究院

0 引言

随着国家对环境保护措施的日益严格，能源计量也越来越受到重视[1]。通过对企业的能耗监控，促使企业提高工业技术水平，提高水、气的使用效率[2]。因此，水、气的使用和排放计量检测准确度更是越来越高。能源计量[3]中的流量计的计量检测有两种方式，第一是送到有资质的检测机构检定，第二是有资质的检测机构赴现场进行检测[4]。作为一种非接触式流量计，超声波流量计为现场检测不方便拆卸的，且对准确度要求不高的流量计提供了简单便捷的方法。其他流量计一般应送实验室检定。而实际操作中，影响便携式超声波流量计准确度的因素有许多[5]，如何有效地稳定地进行检测，这对检定人员提出了高要求。对于多因素[6-7]、多水平和具有随机误差的各类实验, 正交试验是解决此类复杂实验问题的有效统计方法。本文通过正交试验，对准确度和稳定度影响量进行主次分析，得出最优组合，对检定人员有较强的指导意义。

1 便携式超声波流量计工作原理

便携式超声波流量计主要由主机、数据线和换能器构成。按工作原理分类主要有时差法和多普勒法[8]。本文实验使用的为时差法超声波流量计。超声波在介质中传播的速度和该介质种类有关。便携式流量计利用测量超声波在管道中传播时间和管道的尺寸、介质流速相关联，进行计算得出结果[9-10]。当超声波束在液体中传播时，流体的流动将使传播时间产生微小变化，由此可求出液体的流速。超声波沿管道内介质顺流和逆流传播的时间差具有线性关系。通过测量出超声波顺流和逆流传播时间，根据线性关系得到管道内介质各点流速的瞬时平均流速。这样，再通过流速、管道截面积等相关公式求出介质流量。

2 实验设计

分别使用A、B、C表示测量管径、检测位置、介质温度3个主要因素。每个因素有3个水平。用1，2，3表示因素水平，其中D表示管径，（见表1）。选用L9(34)正交表安排实验(见表2)。

具体实验过程：便携式超声波流量计上电开机后，选取管径，测量管径外径、厚度、介质温度等参数，输入超声波流量计主机，再根据主机显示的换能器探头距离安装换能器。此次实验采用V法安装换能器。而超声波流量计流量系数均保持为1.00。通过与标准仪器进行流量比对，得出超声波流量计在该管径上的误差和线性度。

表1 因素水平表

表2 L9(34)正交实验表

3 实验结果

如表3所示，该表为实验完成后数据和处理结果。

表3 正交实验结果

由极差Ri大小可得，因素主次为：B测量位置，C介质温度，A测量管径。即在便携式超声波流量计误差的影响因素主要为测量位置，介质温度影响次之，最后为测量管径。最优组合方案为：A3B3C1，即测量管径为200 mm，测量位置为15D，温度为15 ℃。而由极差Rj大小可得，因素主次为：A测量管径，B测量位置，C介质温度。即在便携式超声波流量计误差的影响因素主要为测量管径，测量位置影响次之，介质温度影响最小。最优组合方案为：A3B2C1，即测量管径为200 mm，测量位置为10D，温度为 15 ℃。

4 结语

本实验创造性地将正交实验使用在对多个计量检测影响因素的对比方面，实现了便携式超声波流量计主要影响因素的最优组合方案，并通过分析能得到影响因素的主次顺序。实验数据分析显示，便携式超声波流量计误差影响主要因素为安装位置，而线性度影响主要因素为管径。由于在实际使用中，超声波流量计先进行实验室标定后，才在现场使用，而实验室主要对超声波流量计线性度标定，再误差标定。本实验对便携式超声波流量计实验室标定和现场使用具有指导意义。