楊榮超，趙 航，張 勍，蔣錦鋒，趙繼俊，范 黎，曾 波，張鵬飛，苗 芊

中國(guó)煙草總公司鄭州煙草研究院 中國(guó)煙草標(biāo)準(zhǔn)化研究中心，鄭州市高新區(qū)楓楊街2號(hào) 450001

煙用紙張透氣度的變化直接影響到卷煙的煙氣特征和感官質(zhì)量，因此需要對(duì)煙用紙張的透氣度進(jìn)行嚴(yán)格的檢測(cè)控制［1-8］。紙張透氣度測(cè)定儀是煙草行業(yè)用于檢測(cè)控制紙張透氣度的關(guān)鍵儀器。煙草專用透氣度流量盤（簡(jiǎn)稱流量盤）是用于校準(zhǔn)紙張透氣度測(cè)定儀的標(biāo)準(zhǔn)器具。因此流量盤的測(cè)量結(jié)果對(duì)透氣度測(cè)定儀測(cè)量紙張的透氣度會(huì)產(chǎn)生直接影響。國(guó)內(nèi)現(xiàn)行的流量盤測(cè)量方法［9］存在一些不足：流量盤在測(cè)量氣路中的位置與實(shí)際使用狀態(tài)不一致，且沒(méi)有計(jì)算大氣壓力對(duì)流量盤測(cè)量結(jié)果的影響，從而導(dǎo)致流量盤測(cè)量結(jié)果與國(guó)外廠家提供的測(cè)量結(jié)果存在較大差異。而2009版國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 2965提出了流量盤的分類方法，并提供了流量盤測(cè)量結(jié)果修正到標(biāo)準(zhǔn)條件的方法［10］。國(guó)內(nèi)煙草研究人員曾對(duì)ISO 2965中流量盤測(cè)量結(jié)果的修正方法進(jìn)行過(guò)驗(yàn)證［11］，為改進(jìn)國(guó)內(nèi)現(xiàn)行流量盤測(cè)量方法提供了相應(yīng)的基礎(chǔ)。因此，采用改變流量盤在測(cè)量氣路中的位置及對(duì)流量盤分類測(cè)量等方法對(duì)原方法進(jìn)行了改進(jìn)，旨在提高流量盤測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性、可靠性以及與國(guó)外廠家測(cè)量結(jié)果的可比性。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

18個(gè)流量盤（表1）；FCO510氣體流量計(jì)（英國(guó)Furness公司）；DPI-141大氣壓計(jì)（英國(guó)Druck公司）；Optic精密露點(diǎn)儀（美國(guó)GE公司）；RCY-1A鉑電阻溫度計(jì)（河北興華電子儀器廠）；RPM4壓差計(jì)（美國(guó)Fluke公司）。

表1 不同標(biāo)稱值的18個(gè)流量盤①

1.2 方法

1.2.1 改進(jìn)前流量盤測(cè)量方法

改進(jìn)測(cè)量方法前流量盤的測(cè)量裝置如圖1所示。將流量盤置于專用夾具中，打開氣源開關(guān)，使用壓力調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)流量盤兩端的氣體壓力差，使壓差計(jì)的讀數(shù)滿足（1.000±0.005）kPa的要求［12］。流量盤兩端的氣體壓力穩(wěn)定后，記錄流量計(jì)讀數(shù)。重復(fù)測(cè)量10次，將10次測(cè)量的平均值作為流量盤的測(cè)量結(jié)果。

圖1 改進(jìn)前流量盤的測(cè)量裝置示意圖

1.2.2 改進(jìn)后流量盤測(cè)量方法

以前國(guó)內(nèi)對(duì)流量盤進(jìn)行測(cè)量均采用文獻(xiàn)［9］中的方法，該方法直接用氣體流量計(jì)對(duì)流量盤的流量進(jìn)行測(cè)量，并未考慮流量盤在氣路中的位置差異和大氣壓力變化對(duì)流量盤測(cè)量結(jié)果的影響。然而在流量盤的實(shí)際測(cè)量中發(fā)現(xiàn)，流量盤在測(cè)量氣路中的位置變化以及大氣壓力均影響到流量盤的測(cè)量結(jié)果。因此，對(duì)文獻(xiàn)［9］中的方法進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)后的流量盤測(cè)量裝置如圖2所示。改變了流量盤在測(cè)量氣路中的位置，使流量盤的氣流出口端與大氣相連通，即與紙張透氣度測(cè)定儀上流量盤的使用狀態(tài)保持一致，并增加對(duì)環(huán)境大氣壓力和溫度的測(cè)量。對(duì)流量盤進(jìn)行測(cè)量前，首先判定流量盤的壓力流量特性，然后根據(jù)流量盤的壓力流量特性對(duì)流量盤進(jìn)行測(cè)量。

圖2 改進(jìn)后流量盤的測(cè)量裝置示意圖

1.2.2.1 流量盤壓力流量特性的判定

在流量盤兩端分別為（0.750±0.005）kPa和（1.250±0.005）kPa的不同壓差條件下，測(cè)量透過(guò)流量盤的空氣流量，用公式（1）計(jì)算得出流量盤壓力流量特性因子。

式中：k—流量盤壓力流量特性因子，取值在0.5～1.0之間；Q1—流量盤兩端壓差為P1時(shí)的空氣流量，L/min；Q2—流量盤兩端壓差為P2時(shí)的空氣流量，L/min；P1—流量盤兩端壓差在（0.750±0.005）kPa范圍內(nèi)的壓差值，Pa；P2—流量盤兩端壓差在（1.250±0.005）kPa范圍內(nèi)的壓差值，Pa。

當(dāng)k大于0.95時(shí)，則可以認(rèn)為流量盤是線性流量盤；當(dāng)k小于等于0.95時(shí)，則可以認(rèn)為流量盤是非線性流量盤［10］。

1.2.2.2 線性流量盤的測(cè)量方法

將流量盤置于專用夾具中，打開氣源開關(guān)，使用壓力調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)流量盤兩端的氣體壓力差，使壓差計(jì)的讀數(shù)滿足（1.000±0.005）kPa的要求。流量盤兩端的氣體壓力穩(wěn)定后，記錄流量計(jì)讀數(shù)。重復(fù)測(cè)量10次，將10次測(cè)量的平均值作為線性流量盤的測(cè)量結(jié)果。

1.2.2.3 非線性流量盤的測(cè)量方法

將流量盤置于專用夾具中，打開氣源開關(guān)，使用壓力調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)流量盤兩邊的氣體壓力差，分 別 在（0.800±0.005）kPa、（0.900±0.005）kPa、（0.950±0.005）kPa、（1.000±0.005）kPa 和（1.010±0.005）kPa 5個(gè)不同壓差下測(cè)量透過(guò)流量盤的氣體流量，每個(gè)壓差下重復(fù)測(cè)量10次，取平均值。然后利用文獻(xiàn)［10］中的公式（2）計(jì)算出非線性流量盤的測(cè)量結(jié)果，具體計(jì)算過(guò)程如下：

式中：Qs—修正到標(biāo)準(zhǔn)條件下的體積流量，L/min；α，β—常量，與流量盤的結(jié)構(gòu)有關(guān)；ηs—標(biāo)準(zhǔn)條件下的空氣黏度，Pa·s；ρs—標(biāo)準(zhǔn)條件下的空氣密度，kg/m3；ΔP—流量盤兩端的壓差，Pa。

首先根據(jù) ISO 2965—2009［10］，非線性流量盤的壓力流量特性可由公式（3）表述。其中，空氣黏度η和空氣密度ρ可分別由公式（4）和公式（5）計(jì)算得出［13］。在公式（4）中，由于 T的取值范圍是（296.15±1.00）K，RH的取值范圍是（50±2）%，并結(jié)合T和RH的系數(shù)分析可知，RH對(duì)空氣黏度η的影響遠(yuǎn)小于T，因此可忽略相對(duì)濕度對(duì)空氣黏度η的影響。然后將非線性流量盤兩端5個(gè)不同壓差值和相應(yīng)流量值、空氣黏度及空氣密度分別代入公式（3）中，通過(guò)線性回歸計(jì)算得到α和β。另外，ηs和ρs可由公式（4）和公式（5）計(jì)算得出。

式中：T—流量盤測(cè)量環(huán)境溫度，K；RH—流量盤測(cè)量環(huán)境相對(duì)濕度，%；P—流量盤測(cè)量環(huán)境大氣壓力，Pa。

最后將計(jì)算得到的流量盤特征常量α和β、空氣黏度ηs、空氣密度ρs以及流量盤兩端的壓差ΔP代入公式（2），計(jì)算出非線性流量盤的測(cè)量結(jié)果。

1.2.3 流量盤測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性和穩(wěn)定性考察

用改進(jìn)前后兩種測(cè)量方法分別對(duì)流量盤進(jìn)行短時(shí)間內(nèi)10次重復(fù)測(cè)量，用標(biāo)準(zhǔn)偏差和變異系數(shù)兩個(gè)指標(biāo)比較兩種測(cè)量方法下流量盤測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性。

用改進(jìn)前后兩種方法分別對(duì)流量盤進(jìn)行連續(xù)5個(gè)月測(cè)量，每月1組，每組10次，以10次測(cè)量的平均值為測(cè)量結(jié)果。用測(cè)量結(jié)果的極差比較兩種方法流量盤測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性。

1.2.4 改進(jìn)后流量盤測(cè)量方法共同實(shí)驗(yàn)

采用改進(jìn)后測(cè)量方法參加了CORESTA組織的流量盤共同實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)由德國(guó)Borgwaldt-KC公司（簡(jiǎn)稱BKC）、英國(guó)Cerulean公司、法國(guó)Sodim公司和中國(guó)煙草總公司鄭州煙草研究院（簡(jiǎn)稱ZTRI）共4家單位參與，測(cè)量對(duì)象是12個(gè)流量盤，每家實(shí)驗(yàn)室在文獻(xiàn)［10］的要求下對(duì)流量盤測(cè)量?jī)商欤刻鞙y(cè)量3次。計(jì)算6次測(cè)量結(jié)果的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差，比較國(guó)內(nèi)外4個(gè)實(shí)驗(yàn)室流量盤測(cè)量結(jié)果的差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 流量盤測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性

改進(jìn)前后兩種測(cè)量方法下流量盤測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性數(shù)據(jù)（表2）顯示，改進(jìn)測(cè)量方法后18個(gè)流量盤的流量平均值均有不同程度的增大；12～18號(hào)流量盤即非線性流量盤的流量標(biāo)準(zhǔn)偏差和變異系數(shù)均減小了一半左右，而1～11號(hào)流量盤即線性流量盤的流量標(biāo)準(zhǔn)偏差和變異系數(shù)的差異不顯著。改進(jìn)前后兩種測(cè)量方法的主要區(qū)別有兩點(diǎn)：①流量盤在測(cè)量氣路中的位置不同，改進(jìn)后氣體流量計(jì)位于流量盤專用夾具的前端，因此氣體流量計(jì)可以反映流量盤專用夾具對(duì)流量盤測(cè)量的影響，而改進(jìn)前由于氣體流量計(jì)位于流量盤專用夾具的后端，無(wú)法反映流量盤專用夾具對(duì)流量盤測(cè)量的影響，這是改進(jìn)測(cè)量方法后流量盤流量均值增大的主要原因。②非線性流量盤的測(cè)量方法不同，這是改進(jìn)測(cè)量方法后非線性流量盤的流量標(biāo)準(zhǔn)偏差和變異系數(shù)減小的主要因素?？傊?，改進(jìn)測(cè)量方法后流量盤測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性優(yōu)于改進(jìn)前。

表2 改進(jìn)前后兩種測(cè)量方法下流量盤測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性數(shù)據(jù)

2.2 流量盤測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性

改進(jìn)前后兩種測(cè)量方法下流量盤測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。由表3可知，改進(jìn)測(cè)量方法后12～18號(hào)流量盤即非線性流量盤5個(gè)月內(nèi)測(cè)量結(jié)果的極差均減小了一半左右；而1～11號(hào)流量盤即線性流量盤5個(gè)月內(nèi)測(cè)量結(jié)果的極差變化不明顯。由此可見(jiàn)，改進(jìn)測(cè)量方法后流量盤測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性優(yōu)于改進(jìn)前。

2.3 與國(guó)外實(shí)驗(yàn)室流量盤測(cè)量結(jié)果的比較

CORESTA共同實(shí)驗(yàn)中國(guó)內(nèi)外4家實(shí)驗(yàn)室測(cè)量每個(gè)流量盤的流量均值見(jiàn)表4。由表4可見(jiàn)，ZTRI實(shí)驗(yàn)室與國(guó)外3家實(shí)驗(yàn)室流量盤的流量均值都比較接近。將國(guó)外3家實(shí)驗(yàn)室流量盤的流量均值再取平均，分析ZTRI實(shí)驗(yàn)室流量盤的流量均值與另外3家實(shí)驗(yàn)室流量盤的流量均值的極差和相對(duì)極差，由表4可知，ZTRI實(shí)驗(yàn)室流量盤的流量均值與另外3家實(shí)驗(yàn)室流量盤的流量均值的相對(duì)極差都在2%以下。

CORESTA共同實(shí)驗(yàn)中國(guó)內(nèi)外4個(gè)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量每個(gè)流量盤的流量標(biāo)準(zhǔn)偏差見(jiàn)表5。由表5可知，ZTRI實(shí)驗(yàn)室與國(guó)外3家實(shí)驗(yàn)室流量盤的流量標(biāo)準(zhǔn)偏差相差都不大。進(jìn)一步計(jì)算國(guó)內(nèi)外4家實(shí)驗(yàn)室測(cè)量每個(gè)流量盤流量的變異系數(shù)，由表5可知，4家實(shí)驗(yàn)室各有且只有一個(gè)流量盤的流量變異系數(shù)大于或等于0.20%，但小于0.50%。4家實(shí)驗(yàn)室測(cè)量其余11個(gè)流量盤流量的變異系數(shù)均小于0.20%。

表3 改進(jìn)前后兩種測(cè)量方法下流量盤測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性數(shù)據(jù)① （mL·min-1）

表4 CORESTA共同實(shí)驗(yàn)中各實(shí)驗(yàn)室的流量盤測(cè)量結(jié)果

表5 CORESTA共同實(shí)驗(yàn)中各實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的流量盤標(biāo)準(zhǔn)偏差和變異系數(shù)

表5 （續(xù)）

綜上所述，改進(jìn)測(cè)量方法后國(guó)內(nèi)實(shí)驗(yàn)室與國(guó)外3家實(shí)驗(yàn)室測(cè)量流量盤的結(jié)果差異不大。

3 結(jié)論

通過(guò)分析改進(jìn)前后兩種方法下流量盤測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性和穩(wěn)定性情況發(fā)現(xiàn)：改進(jìn)測(cè)量方法后非線性流量盤測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差和變異系數(shù)以及5個(gè)月內(nèi)測(cè)量結(jié)果的極差均減小了一半左右。采用改進(jìn)后的測(cè)量方法參加CORESTA組織的流量盤共同實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：ZTRI實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的流量盤流量均值與國(guó)外3家實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的流量盤流量均值的相對(duì)極差都在2%以下；國(guó)內(nèi)外4家實(shí)驗(yàn)室測(cè)量每個(gè)流量盤的流量變異系數(shù)均小于0.50%。由此可見(jiàn)，改進(jìn)后的流量盤測(cè)量方法克服了原方法的不足，可替代原方法用于流量盤流量的測(cè)量。

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