劉民昌 劉　洋 溫若愚 曾　建 趙維一

(四川中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)研發(fā)中心，四川 成都　610066)

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微波煙支密度分布檢測(cè)儀測(cè)量特性分析

劉民昌 劉洋 溫若愚 曾建 趙維一

(四川中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)研發(fā)中心，四川 成都610066)

為了分析微波煙支密度分布檢測(cè)儀的測(cè)量特性，研究接裝紙類型、寬度、位置以及濾棒填充長(zhǎng)度對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，提出一種能夠有效降低測(cè)量誤差的樣品制作方法，建立密度測(cè)量值與填充長(zhǎng)度關(guān)系模型，并指出減小微波諧振腔的厚度理論上能夠提高檢測(cè)精度，為煙支密度分布檢測(cè)設(shè)備的進(jìn)一步優(yōu)化提供了參考依據(jù)。

微波諧振腔；密度分布；金屬環(huán)；部分填充

煙支密度是衡量煙支卷制質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)[1]，其分布狀況對(duì)緊頭位置、端部落絲量、掉火頭等有重要影響[2-4]。早期人們通過(guò)稱量煙支中煙絲的質(zhì)量計(jì)算得到煙支密度，該方法效率低且不能反映煙支內(nèi)密度分布情況。目前檢測(cè)煙支密度分布的主流方法是利用微波技術(shù)[5-8]，其原理是不同密度煙支段的介電常數(shù)存在一定差異，從而引起微波諧振腔的諧振頻率和幅度發(fā)生變化，利用這種變化和煙支密度存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)煙支密度分布的測(cè)量，檢測(cè)速度快且不損害煙支。

但在實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)，煙支密度的測(cè)量結(jié)果在點(diǎn)燃端存在異常偏低的情況，而在濾嘴端尤其當(dāng)接裝紙有金屬環(huán)時(shí)，存在異常偏高的情況。目前相關(guān)的研究主要集中在煙支密度分布的測(cè)量方法[9-10]，以及煙支密度對(duì)卷煙質(zhì)量的影響上[11-12]，未見(jiàn)對(duì)微波法煙支密度分布測(cè)量特性的相關(guān)報(bào)道，本研究擬通過(guò)對(duì)三種類型的煙支樣品進(jìn)行檢測(cè)，分析微波法煙支密度檢測(cè)技術(shù)的測(cè)量特性，以期為煙支密度分布測(cè)量設(shè)備或檢測(cè)方法的優(yōu)化提供參考。

1　材料與方法

1.1材料及設(shè)備

1.1.1材料及樣品

嬌子(精品)燙金接裝紙，空白接裝紙，嬌子(藍(lán))煙絲、卷煙紙及濾棒：成都卷煙廠；

樣品A：在相同卷煙機(jī)參數(shù)下卷制A1、A2兩種規(guī)格卷煙，A1使用空白接裝紙，A2使用燙金接裝紙，其他輔材相同；

樣品B：將A2卷煙利用壓縮空氣吹出煙絲，在空筒中植入不同長(zhǎng)度、數(shù)量的濾棒，制作成B1、B2、B3、B4四種樣品，見(jiàn)圖1；樣品C：在長(zhǎng)度為84 mm的濾棒上以距點(diǎn)燃端40 mm為中心粘貼一圈接裝紙制作成C1和C2兩種樣品，樣品C1用燙金接裝紙，樣品C2用空白接裝紙，長(zhǎng)度均為26.5 mm，寬度分別為0.5，1.0，1.5，2.0，3.5，5.0 mm。

圖1　卷煙空筒植入濾棒示意圖

1.1.2主要儀器設(shè)備

煙支水分與密度分布測(cè)量?jī)x(簡(jiǎn)稱密度測(cè)量?jī)x)：MW4420型，德國(guó)TEWS Elektronik公司；

分析天平：MS204S型，瑞士Mettler Toledo公司；

數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱：GZX-9240 MBE型，上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠。

1.2方法

1.2.1樣品檢測(cè)對(duì)三種樣品在溫度(22±1) ℃、相對(duì)濕度(60±2)%環(huán)境下平衡48 h以上[13]。樣品A需對(duì)A1、A2兩種規(guī)格卷煙分別校準(zhǔn)，樣品B利用樣品B2進(jìn)行校準(zhǔn)，樣品C利用純?yōu)V棒進(jìn)行校準(zhǔn)，以樣品A1為例，在密度測(cè)量?jī)x中按卷煙規(guī)格進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，校準(zhǔn)時(shí)選取20支無(wú)空頭卷煙進(jìn)行密度檢測(cè)，測(cè)試完成后剝開(kāi)煙支，稱量煙絲質(zhì)量，計(jì)算并重新設(shè)定密度系數(shù)。對(duì)樣品進(jìn)行密度分布檢測(cè)。

1.2.2分段誤差取A1、A2兩種規(guī)格卷煙各100支并編號(hào)。方法1：利用密度測(cè)量?jī)x進(jìn)行檢測(cè)，并計(jì)算各段煙支的平均密度；方法2：將利用方法1測(cè)量過(guò)后的卷煙按照編號(hào)順序依次分切為四段，以點(diǎn)燃端為起始點(diǎn)，A段0～15 mm，B段15～35 mm，C段35～50 mm，D段50～54 mm，切剝并稱量煙絲質(zhì)量，計(jì)算各段的平均密度[14]：

(1)

式中：

ρ——煙支密度，mg/cm3；

M——各段煙絲質(zhì)量，mg；

r——煙支圓周，cm；

l——各段煙支長(zhǎng)度，cm。

2　結(jié)果與分析

2.1煙支分段密度誤差

對(duì)A1、A2兩種規(guī)格卷煙分別利用兩種方法進(jìn)行檢測(cè)，密度檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，兩種檢測(cè)方法整段煙支的檢測(cè)結(jié)果較為接近，說(shuō)明密度測(cè)量?jī)x能夠反映煙支整體平均密度大?。籄段煙支利用方法1檢測(cè)得到的密度值偏小，說(shuō)明密度測(cè)量?jī)x在卷煙起始位置檢測(cè)誤差較大；D段有金屬環(huán)煙支利用方法1檢測(cè)得到的密度偏大，D段無(wú)金屬環(huán)煙支兩種方法檢測(cè)結(jié)果較為接近，說(shuō)明接裝紙有金屬環(huán)時(shí)，密度測(cè)量?jī)x在卷煙金屬環(huán)位置檢測(cè)誤差較大。

2.2含濾棒空筒的密度分布

為了利于對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析，排除煙絲密度變化造成的干擾，制作了如圖1所示的四種含濾棒空筒樣品B，對(duì)樣品B進(jìn)行密度分布檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖1可知：① 煙支內(nèi)部密度突然變化時(shí)測(cè)量值以密度突變位置為中心緩慢連續(xù)變化；② 金屬環(huán)位置密度測(cè)量值明顯高出其他位置。驗(yàn)證了卷煙密度突變位置及金屬環(huán)位置測(cè)量誤差較大的現(xiàn)象。

表1　樣品A1、A2密度檢測(cè)結(jié)果

圖2　樣品B密度分布曲線

2.3介質(zhì)部分填充對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響

(2)

式中：

y——密度測(cè)量值 mg/cm3；

A1——空筒密度，mg/cm3；

A2——濾棒密度，mg/cm3；

x——濾棒進(jìn)入諧振腔的長(zhǎng)度，mm；

x0——諧振腔厚度的一半，mm；

a——x0處斜率參數(shù)，值越大，曲線越陡。

由于樣品B3在距點(diǎn)燃端16 mm處的密度測(cè)量值是由5.5 mm的空筒和5.5 mm的濾棒共同作用的結(jié)果，此時(shí)x的值應(yīng)為5.5 mm，將橫坐標(biāo)進(jìn)行變換，對(duì)距點(diǎn)燃端16 mm位置為中心得前后各10 mm的測(cè)量值進(jìn)行擬合，結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4可知，參數(shù)A1、A2、x0的擬合值與實(shí)際情況較為接近，模型的可決系數(shù)R2接近1，平均相對(duì)誤差δ小于1%，說(shuō)明該模型適用于預(yù)測(cè)介質(zhì)未完全填充時(shí)密度測(cè)量值的變化情況。單獨(dú)改變x0的值，利用該模型預(yù)測(cè)微波諧振腔不同厚度時(shí)的測(cè)量值，結(jié)果見(jiàn)圖5。由圖5可知，在其他參數(shù)不變的情況下，微波諧振腔的厚度越小，測(cè)量值對(duì)密度變化越敏感，說(shuō)明減小微波諧振腔厚度在理論上能夠提高密度測(cè)量?jī)x的檢測(cè)精度。

圖3　微波諧振腔與煙支相對(duì)位置示意圖

A1=15.7 mg/cm3，A2=95.85 mg/cm3,x0=5.89 mm,a=0.77,

圖5　不同微波諧振腔厚度的理論測(cè)量值曲線

2.4接裝紙對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響

為了進(jìn)一步分析接裝紙對(duì)密度檢測(cè)的影響，分別對(duì)黏貼有燙金接裝紙的樣品C1和空白接裝紙的樣品C2進(jìn)行密度分布檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)圖6、7。由圖6、7可知，① 接裝紙會(huì)導(dǎo)致密度檢測(cè)結(jié)果偏高；② 燙金接裝紙比空白接裝紙對(duì)密度檢測(cè)結(jié)果影響大；③ 接裝紙寬度越大，對(duì)密度檢測(cè)結(jié)果影響越大。

圖6　樣品C1密度分布曲線

圖7　樣品C2密度分布曲線

2.5介質(zhì)位置對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響

為了直觀分析介質(zhì)在微波諧振腔內(nèi)部不同位置時(shí)對(duì)密度檢測(cè)的影響，以黏貼有2 mm燙金接裝紙的濾棒為例，接裝紙中線在濾棒距點(diǎn)燃端40 mm處，微波諧振腔厚度為11 mm，由此可將橫坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為接裝紙中線到諧振腔中心的距離，見(jiàn)圖8。由圖8可知，當(dāng)介質(zhì)處于微波諧振腔中心時(shí)比在兩側(cè)時(shí)檢測(cè)結(jié)果大，也可以理解為雖然x處的密度測(cè)量值由x±5.5 mm段煙支共同作用得到，但x處介質(zhì)比兩側(cè)介質(zhì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的貢獻(xiàn)大。

a區(qū)間是接裝紙還未完全進(jìn)入諧振腔時(shí)的密度變化情況，b區(qū)間是接裝紙完全進(jìn)入諧振腔后到達(dá)不同位置的密度變化情況，c區(qū)間是接裝紙還未完全退出諧振腔時(shí)的密度變化情況

圖8接裝紙?zhí)幱诓煌恢脮r(shí)的密度分布曲線

Figure 8Density distribution curve of tipping paper at different position

3　結(jié)論

通過(guò)對(duì)接裝紙類型、寬度、位置以及濾棒填充長(zhǎng)度對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響的研究，提出了一種能夠有效降低測(cè)量誤差的樣品制作方法，建立了密度測(cè)量值與填充長(zhǎng)度關(guān)系模型，并

為微波煙支密度分布檢測(cè)儀的進(jìn)一步優(yōu)化提供了一定的理論參考，相關(guān)結(jié)論如下：① 微波煙支密度分布檢測(cè)儀能夠很好地反映煙支整體平均密度情況，但對(duì)于煙支內(nèi)部密度分布尤其是起始位置和接裝紙位置檢測(cè)結(jié)果誤差較大；② 建立了密度測(cè)量值與填充長(zhǎng)度關(guān)系模型，該模型適用于預(yù)測(cè)介質(zhì)未完全填充時(shí)密度測(cè)量值的變化情況，減小微波腔厚度在理論上能夠提高設(shè)備的檢測(cè)精度；③ 接裝紙尤其是含金屬接裝紙會(huì)造成檢測(cè)結(jié)果偏大，金屬環(huán)越寬影響越大，使用空白接裝紙能夠有效降低測(cè)量誤差。

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Measurement characteristics analysis of microwave cigarette density distribution detector

LIU Min-changLIUYangWENRuo-yuZENGJianZHAOWei-yi

(ChinaTobaccoSichuanIndustrialCorporationTechnicalResearchCenter,Chengdu,Sichuan610066,China)

In order to analyze the measurement characteristics of microwave cigarette density distribution detector, the effects of types, width and position of tipping paper, and filling length of filter rod were studied. In this paper, the sample making method that can effectively reduce the measurement error is proposed, and the relationship model between measurement value and filling length of filter rod is also established. Our results showed that the detection accuracy can be theoretically improved by reducing the thickness of the microwave cavity, and this provides a new clue for further optimizing the detector of microwave cigarette density distribution.

microwave cavity; density distribution; metal ring; partially filled

劉民昌(1985—)，男，四川中煙工業(yè)有限責(zé)任公司工程師，碩士。E-mail：lmc129@126.com

2016-04-16

10.13652/j.issn.1003-5788.2016.08.009