摘要
通过测试某型号空气过滤纸的厚度、定量、紧度、阻力和过滤效率,利用统计分析软件SPSS19.0进行数据分析,考察空气过滤纸厚度、定量与紧度波动对阻力和过滤效率的影响。结果表明,空气过滤纸厚度范围在0.376~0.420 mm时,对其阻力和过滤效率测量值均不存在显著性影响(α=0.05);定量为55.2~59.8 g/
空气过滤纸是空气过滤器的关键原材料,过滤纸细而柔软的纤维错综交织构成了多孔结构,空气过滤器利用过滤纸这种结构特点滤除有毒、有害气溶胶微粒,达到净化空气的目的,其过滤效率通常为99.6%~99.999
影响空气过滤纸过滤性能(阻力和过滤效率)的因素极其复杂,空气过滤纸的阻力计算见公式(1)。
(1) |
式中,Δp为阻力,Pa;L为厚度,cm;A 1为与空气过滤纸纤维结构、空气黏度及气流比速有关的常数。
当A 1一定时,阻力随空气过滤纸厚度增加呈直线上升;当空气过滤纸厚度、空气黏度、气流比速等一定时,阻力与空气过滤纸纤维结构有关,空气过滤纸的定量和紧度是表征空气过滤纸纤维结构的两个参数,纤维密度增大时,空气过滤纸单位面积和体积内含有的纤维数量增多,当气流通过空气过滤纸时,在单位面积和体积内遇到的阻碍增多,压降损失增大,阻力增加。
空气过滤纸的过滤效率 =1‒穿透率,其穿透率计算见公式(2)。
(2) |
式中,K为穿透率,%;L为厚度,cm;k 1为与空气过滤纸纤维结构、气溶胶性质及气流速度等有关的常数。
当k 1一定时,穿透率随厚度增加呈指数下降。当空气过滤纸厚度、气溶胶性质、气流速度等一定时,穿透率与空气过滤纸纤维结构有关,纤维越密,空气过滤纸定量和紧度越大,纤维间空隙宽度越小,扩散、惯性及截留效应越强,穿透率越小。
在造纸过程中,若纸张在干燥部的横向收缩不均一、压光机和压榨部附加压力不均匀或辊面温度不均匀等,常会影响纸张的均一
纸张平面上定量的变异,即纸张匀
假设检验是根据一定假设条件由样本推断总体的一种统计推断方法,回归分析是通过实验和观测来寻找变量之间关系的一种统计学分析方法,两者在解决实际问题中的应用十分广泛。本实验通过测量某型号空气过滤纸不同位置的厚度、定量和紧度,以及空气黏度、气溶胶性质、气流比速等使用条件一定时的阻力和过滤效率,根据数理统计中假设检验和线性回归分析的理论,结合SPSS软件对空气过滤纸的厚度、定量、紧度变异与阻力、过滤效率的关系进行分析,以期更好地控制影响过滤性能均一性的因素。
材料:空气过滤纸(天津市天伦造纸技术开发中心)。
仪器:测厚仪(上海六中量仪厂)、电子天平(北京赛多利斯仪器系统有限公司)、油雾仪(原苏联)、倾斜式微压计(上海虹口打字机生产合作社)。
在某型号空气过滤纸上用铳子随机裁出54个d= 9 cm的圆形纸片,对每个试样测其厚度、定量、紧度、阻力和过滤效率。
假设两样本来自正态总体,进行均值比较时常使用t检验方法。两独立样本的t检验,用于检验2个样本是否来自具有相同均值的总体,基本步骤如下。
(1)提出零假设 : ,和备择假设 : 。
(2)计算t统计量,公式为 ,自由度为 。 为两样本均值之差的标准误差,理论计算见公式(3)。
= | (3) |
当 时, 计算见公式(4)。
= | (4) |
式中, 、 ; 、 ; 、 分别为2个样本的样本量、样本均值、样本方差。
(3)根据 ,确定临界t值t 0.05,做出统计判断。
SPSS19.0软件中,计算得到t检验统计量的观测值以及t分布的P值。当检验统计量的P值小于显著性水平时,则拒绝零假设,认为两独立样本均值有显著性差异;反之,则接受零假设,两独立样本均值无显著性差
需要注意的是,t检验要求两个独立总体具有相等的方差,这是构造和选择t统计量的关键。SPSS19.0软件中利用Levene方差齐性检验方法检验两总体方差是否相等,当检验统计量的P值大于显著性水平时,则接受零假设,认为两独立样本方差相等;反之,则拒绝零假设,方差不相等。
回归模型研究 与 之间的关系,见公式(5)。
(5) |
式中, 是因变量; 是自变量; 是随机变量(或称为随机误差),表示其他随机因素对因变量影响的总和,一般假设它是独立并服从正态分布N~(0,σ)的随机变量。
观察值 之间的差异,由回归偏差(即变量 引起的偏差)和残余误差(包括实验误差以及其他未控因子)两方面引起。
回归方程拟合优度检验引入相关系数R
(6) |
式中, 为回归值; 为观测值; 为观测值的算术平均值;n为观测值的数量。
相关系数R
回归方程显著性检验采用F检验法,F统计量的计算见公式(7)。
(7) |
给定显著性水平α后,可确定临界值F
α,与根据计算得到的F统计量的值进行比较。若F>F
α,表明回归效果显著;若F<F
α,表明回归效果不显著。SPSS软件中,通常直接给出拒绝零假设的概率。当P值<0.05时,接受零假设,回归效果显著;当P值>0.05时,拒绝零假设,回归效果不显
需要注意的是,回归模型的建立是在残差正态性、同方差性、独立性、无偏性的假设下进行的,因此需对残差进行检验。当“P-P图”中各点分布离对角线较近时,说明残差服从均值为零的正态分布;“标准化残差散点图”中各点均匀分布时,说明残差服从方差相等的正态分
对空气过滤纸54个试样各指标的测试结果如下:厚度范围为0.376~0.420 mm,定量范围为55.2~60.8 g/
性能参数 | 厚度/mm | 定量/g• | 紧度/g•c | 阻力/Pa | 过滤效率/% |
---|---|---|---|---|---|
平均值μ | 0.397 | 57.8 | 0.146 | 155 | 99.6054 |
标准偏差σ | 0.013 | 1.7 | 0.004 | 4 | 0.1345 |
变异系数V/% | 3.4 | 2.9 | 2.7 | 2.6 | 0.1 |
各指标数据的均一性用变异系数 表示,其计算见公式(8),变异系数越小,说明数据均一性越好。
% | (8) |
由
基于SPSS软件的假设检验和回归分析方法,讨论空气过滤纸厚度、定量、紧度变异是否造成阻力和过滤效率测量值的显著性差异。
在
方差方程的Levene检验 | 均值方程的 t 检验 | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
F | P值 | t | df |
P值 (双侧) |
均值 差值 |
标准 误差值 | 差分的 95% 置信区间 | ||
下限 | 上限 | ||||||||
方差相等 | 3.140 | 0.090 | -1.210 | 22 | 0.239 | -1.583 | 1.308 | -4.296 | 1.130 |
方差不等 | -1.210 | 15.057 | 0.245 | -1.583 | 1.308 | -4.371 | 1.204 |
由
由于厚度、定量和紧度与阻力之间的关系都是正相关,排除三者对阻力的影响相互抵消的可能,说明厚度在0.376~0.420 mm范围内波动,不影响空气过滤纸的阻力测试值。需要说明的是,这批纸张原定量、紧度波动范围大,若按此批数据处理,发现两组厚度变异不同的空气过滤纸阻力值不一致,究其原因可能是厚度变异单独影响或是定量变异单独影响,或是两者综合影响(即紧度的影响)所致。因此,进一步筛选定量波动范围窄的纸张厚度、定量和紧度数据进行处理,发现厚度不同时阻力数据一致。所以,定量缩到更小范围内是厚度变异不影响阻力测试值结论的前提条件。
在
方差方程的 Levene 检验 | 均值方程的 t 检验 | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
F | P值 | t | df |
P值 (双侧) |
均值 差值 |
标准 误差值 | 差分的 95% 置信区间 | ||
下限 | 上限 | ||||||||
方差相等 | 1.899 | 0.182 | -5.713 | 22 | 0.000 | -6.427 | 1.125 | -8.759 | -4.094 |
方差不等 | -5.558 | 17.849 | 0.000 | -6.427 | 1.156 | -8.858 | -3.996 |
由
采用SPSS软件简单线性回归模型,分析定量波动对空气过滤纸阻力测试值的影响,如

图1 阻力与滤纸定量的散点图

图2 正态P-P图

图3 标准化残差散点图
R |
R
| 调整 R
| 标准估计的误差 | Durbin-Watson |
---|---|---|---|---|
0.904 | 0.817 | 0.809 | 1.851 | 1.438 |
模型 | 非标准化系数 | 标准化系数 | t | P值 | |
---|---|---|---|---|---|
B | 标准误差 | β | |||
截距 斜率 | 3.491 | 15.316 | 0.228 | 0.822 | |
2.641 | 0.267 | 0.904 | 9.909 | 0.000 |
Δp=2.641W (9)
式中,Δp为阻力,Pa;W为定量,g/
模型 | 平方和 | df | 均方 | F | P值 |
---|---|---|---|---|---|
回归 残差 | 336.551 | 1 | 336.551 | 98.188 | 0.000 |
75.408 | 22 | 3.428 | |||
总计 | 411.958 | 23 |
在
方差方程的 Levene 检验 | 均值方程的 t 检验 | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
F | P值 | t | df |
P值 (双侧) |
均值 差值 |
标准 误差值 | 差分的95%置信区间 | ||
下限 | 上限 | ||||||||
方差相等 | 0.021 | 0.885 | 0.544 | 22 | 0.592 | 0.958 | 1.761 | ⁃2.694 | 4.610 |
方差不等 | 0.544 | 21.367 | 0.592 | 0.958 | 1.761 | ⁃2.699 | 4.615 |
由
按厚度将
方差方程的 Levene 检验 | 均值方程的 t 检验 | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
F | P值 | t | df |
P值 (双侧) |
均值 差值 |
标准 误差值 | 差分的 95% 置信区间 | ||
下限 | 上限 | ||||||||
方差相等 | 0.190 | 0.665 | 0.074 | 52 | 0.942 | 0.0027 | 0.0370 | -0.0714 | 0.0769 |
方差不等 | 0.074 | 51.089 | 0.942 | 0.0027 | 0.0370 | -0.0714 | 0.0769 |
由
将
方差方程的 Levene 检验 | 均值方程的 t 检验 | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
F | P值 | t | df |
P值 (双侧) |
均值 差值 |
标准 误差值 | 差分的95%置信区间 | ||
下限 | 上限 | ||||||||
方差相等 | 0.345 | 0.559 | -0.561 | 52 | 0.577 | -0.0207 | 0.0368 | -0.0946 | 0.0533 |
方差不等 | -0.561 | 51.689 | 0.577 | -0.0207 | 0.0368 | -0.0946 | 0.0533 |
由
将
方差方程的 Levene 检验 | 均值方程的 t 检验 | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
F | P值 | t | df |
P值 (双侧) |
均值 差值 |
标准 误差值 | 差分的95%置信区间 | ||
下限 | 上限 | ||||||||
方差相等 | 3.918 | 0.053 | -0.664 | 52 | 0.510 | -0.0244 | 0.0368 | -0.0983 | 0.0494 |
方差不等 | -0.664 | 46.561 | 0.510 | -0.0244 | 0.0368 | -0.0985 | 0.0496 |
由
本课题以空气过滤纸为测试样品,测得其厚度范围为0.376~0.420 mm,定量范围为55.2~60.8 g/
3.1 厚度范围缩小至(0.397±0.010)mm时,空气过滤纸的定量范围为55.2~59.8 g/
3.2 空气过滤纸的过滤效率变异小,α=0.05时,空气过滤纸的厚度、定量、紧度波动对其过滤效率测试值均没有显著性影响。
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