陳天麗，汪魁，沈偉，桂圓，陳恩博

湖北中煙工業(yè)有限責任公司武漢卷煙廠，武漢市東西湖區(qū)金銀湖辦事處環(huán)湖路51號 430040

濾棒硬度是影響卷煙質(zhì)量的一項關(guān)鍵技術(shù)指標，該指標與增塑劑用量緊密相關(guān)[1-2]。在卷煙醋酸纖維濾棒生產(chǎn)過程中，需要將醋酸纖維拉平展開后噴涂三醋酸甘油酯，如果三醋酸甘油酯霧化后噴涂不均勻，影響濾棒硬度不達標，會出現(xiàn)濾棒“滴油”（膠孔）和“干棒”現(xiàn)象，嚴重影響卷煙濾棒質(zhì)量。目前卷煙行業(yè)內(nèi)濾棒三醋酸甘油酯施加量在生產(chǎn)現(xiàn)場工藝測試是通過干棒和濕棒，人工進行計量驗證，再者利用氣相色譜儀檢測、近紅外漫反射光譜法進行離線計量檢測驗證[3-4]。離線檢測所需時間長，且抽檢量少，無法真實反饋其動態(tài)變化。埃伯哈德·托伊費爾等[5]提出用微波傳感器測定濾嘴內(nèi)三醋酸甘油酯含量，第一個微波傳感器安裝在絲束位置，第二個微波傳感器安裝在刀頭旁，該位置處濾棒已涂有中線膠和搭扣膠，中線膠和搭口膠涂的含量是變化的，對微波檢測信號有較大影響，造成濾棒三醋酸甘油酯含量檢測不準確，且此法未投入實際應(yīng)用。在此背景下，本文提出利用微波檢測原理設(shè)計一種濾棒三醋酸甘油酯含量均勻性檢測裝置，通過微波對濾棒生產(chǎn)過程中三醋酸甘油酯含量進行在線檢測計算，將三醋酸甘油酯含量超標的濾棒準確自動剔除，杜絕濾棒硬度不夠、彈性不足、出現(xiàn)膠孔等系列質(zhì)量問題，避免不合格濾棒流入下一生產(chǎn)環(huán)節(jié)，以期將濾棒質(zhì)量人工控制轉(zhuǎn)化為在線自動過程受控。

1 檢測原理

微波在一個金屬制成的封閉容器（微波諧振腔）內(nèi)具有諧振特性，當在該諧振腔內(nèi)部分或全部填充有其它非金屬物質(zhì)（介質(zhì)材料）時，其諧振頻率和諧振帶寬因填充介質(zhì)材料的介電常數(shù)不同、介質(zhì)材料多少和形狀的不同而產(chǎn)生不同變化[6-7]。其中煙嘴濾棒固化劑的主要成分為三醋酸甘油酯，其介電常數(shù)為6.1，比空氣介電常數(shù)1 大，可用微波諧振腔技術(shù)來測量濾棒材料的固化劑含量。

設(shè)微波諧振腔的空腔諧振頻率為f (L)、空腔諧振帶寬為b (L)，當濾棒通過微波諧振腔時，微波諧振腔的諧振頻率變?yōu)閒 (0)，腔體諧振帶寬變?yōu)閎 (0)。諧振曲線的諧振帶寬差為b (0)—b (L)、諧振頻率差為f (L)—f (0)，設(shè)ρ 表示位于微波諧振腔內(nèi)部的濾棒密度，表示濾棒中的三醋酸甘油酯含量。諧振曲線的諧振帶寬差及諧振頻率差受ρ 和ψr的影響，設(shè)定濾棒密度ρ 恒定不變，則三醋酸甘油酯含量是諧振曲線的諧振帶寬差及諧振頻率差的函數(shù)，即：

通過公式（1）諧振帶寬差b (0)—b (L)及諧振頻率差f (L)—f (0)，求濾棒的三醋酸甘油酯含量。三醋酸甘油酯含量rψ 是線性函數(shù)，濾棒的三醋酸甘油酯含量按公式（2）確定，即：

公式（2）中A 和B 為定標常數(shù)，按同樣密度不同三醋酸甘油酯含量的濾棒來定標確定。實際生產(chǎn)中不同絲束包形成濾棒的密度ρ 是變化的，本系統(tǒng)設(shè)計通過兩個諧振腔來進行數(shù)據(jù)補償。

實際工程應(yīng)用中，兩個微波探頭檢測計算濾棒的三醋酸甘油酯含量W，設(shè)W1為絲束原料的重量，W2為噴完三醋酸甘油酯絲束總重量，W=W2-W1為三醋酸甘油酯含量。微波諧振腔檢測值計算公式為：

諧振頻率差f = f (L) — f (0)；

諧振帶寬差為b = b (0) — b (L)；

公式（3）中，Ku、Kp 為校準系數(shù)，通過調(diào)試盒校準得到。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 工藝檢測流程設(shè)計

圖1 濾棒三醋酸甘油酯微波檢測裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Structural diagram of microwave detection system for glycerol triacetate content in filter rods

系統(tǒng)設(shè)計在濾棒成型機上安裝了兩個微波探頭，分別為絲束微波檢測頭和濾棒微波檢測頭。工藝檢測流程見圖1，其中絲束微波檢測頭安裝在絲束包上方，用來檢測噴涂三醋酸甘油酯前絲束密度及水分含量。濾棒微波檢測頭安裝在增塑劑噴霧室的后方，用來檢測噴涂三醋酸甘油酯后濾棒的絲束密度和三醋酸甘油酯含量（含水分）。

絲束微波檢測頭為濾棒微波檢測頭檢測的數(shù)據(jù)提供補償，每個微波探頭包括通過微波同軸電纜依次相連的輸入探針、微波諧振腔和輸出探針。絲束包出來的絲束通過導絲環(huán)和絲束微波檢測頭后依次經(jīng)過空氣開松器、導向板、制動輥、輸入輥和伸展輥后進入增塑劑噴霧室，增塑劑噴霧室下設(shè)置有增塑劑箱，絲束在增塑劑噴霧室內(nèi)噴涂上固化劑即三醋酸甘油酯，然后噴涂上三醋酸甘油酯的絲束依次經(jīng)過導向輥、楔形槽輥和濾棒微波檢測頭，經(jīng)過空氣噴嘴噴出，系統(tǒng)檢測流程完成，成型濾棒到下一道工序。

2.2 檢測實現(xiàn)方式

系統(tǒng)檢測主要設(shè)備：altera Cyclone IV 系列fpga 控制AD9912 數(shù)字頻率合成芯片產(chǎn)生微波信號（ANALOG DEVICES 公司），兩枚低噪聲高精度運算檢波放大器OP07（ANALOG DEVICES 公司），ARM Cortex M4 內(nèi)核的STM32F4 系列數(shù)據(jù)處理器。

濾棒三醋酸甘油酯微波檢測裝置流程圖如圖2 所示，微波信號依次通過第一隔離器和微波同軸電纜輸出至輸入探針，輸入探針將微波信號注入微波諧振腔，輸出探針將被測濾棒的影響而變化的微波諧振信號引出，引出的微波諧振信號通過微波同軸電纜及第二隔離器進入檢波放大器。檢波放大器將接收的微波諧振信號檢波后再進行直流放大，放大后輸出直流電壓信號，當微波諧振腔內(nèi)被測濾棒的三醋酸甘油酯含量變化時，微波諧振腔的諧振頻率及諧振帶寬也將發(fā)生改變，數(shù)據(jù)采集處理計算機根據(jù)公式（2）確定濾棒固化劑含量與微波諧振腔的諧振頻率及諧振帶寬的關(guān)系，通過計算處理鑒別出濾棒密度ρ 和三醋酸甘油酯含量 的變化，并發(fā)送給顯示器，相應(yīng)的缺陷濾棒將被記錄下來，至接裝機的43槽時由計算機發(fā)出剔除信號，經(jīng)接口板驅(qū)動電磁閥進行剔除。

濾棒微波檢測裝置在第一次投入使用前，三醋酸甘油酯含量值與微波信號、三醋酸甘油酯含量增減幅度與微波信號增減幅度進行系統(tǒng)校準，一次校準后，無需二次校準，使用方便。

圖2 濾棒三醋酸甘油酯微波檢測裝置流程圖Fig. 2 Microwave detection device flow for glycerol triacetate content in filter rods

2.3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

（1）計數(shù)功能。對檢測濾棒支數(shù)進行計數(shù)，對廢品剔除數(shù)量及缺陷百分比統(tǒng)計，支持分班統(tǒng)計。

（2）控制功能。在人機交互界面進行相應(yīng)控制功能設(shè)置。

相位剔除閥值設(shè)置。設(shè)置相位剔除靈敏度，根據(jù)質(zhì)檢要求進行放大或縮小。

剔除支數(shù)設(shè)置。設(shè)備每次剔除信號觸發(fā)后，一次剔除濾棒的支數(shù)。控制剔除支數(shù)以及對計算參數(shù)校準等操作。

3 應(yīng)用效果

3.1 試驗設(shè)計

試驗設(shè)備：ZL29 設(shè)備（許昌煙草機械有限責任公司）安裝三醋酸甘油酯微波濾棒檢測裝置，設(shè)備滿速4700 支/min 運行30 min 不停機。

試驗原輔料標準：醋酸纖維絲束3.9Y/31000，增塑劑：煙用三醋酸甘油酯。

試驗工藝參數(shù)：增塑劑儀表顯示值（60±2）mg，濾棒增塑劑施加比例：（8±1）%。

實測三醋酸甘油酯含量值計算方式為：增塑劑施加量%=（單支濕棒重量—單支干棒重量）/單支濕棒重量*100。

（1）試驗一

驗證濾棒三醋酸甘油酯檢測裝置檢測濾棒三醋酸甘油酯含量的可行性和驗證濾棒三醋酸甘油酯檢測裝置檢測濾棒三醋酸甘油酯含量的準確性。設(shè)備正常帶料運行下，調(diào)整增塑劑量額定值從0 mg 到160 mg，對應(yīng)活門開度從15 到105 依次增大，到105 之后達極限位置，調(diào)整參數(shù)活門也不變化。以10 mg 為單位遞增，共測試12 組數(shù)據(jù)。每組運行2 min，期間保留生產(chǎn)的各組樣品濾棒100 支，每組100 支稱重并記錄重量平均值，根據(jù)實測三醋酸甘油酯含量計算公式計算100 支濾棒三醋酸甘油酯實測含量，記錄2 分鐘內(nèi)每組濾棒生產(chǎn)中微波三醋酸甘油酯裝置顯示濾棒三醋酸甘油酯含量參數(shù)。

（2）試驗二

設(shè)置增塑劑設(shè)定值為60 mg，每隔2 min 取樣100 支濾棒，共取樣5 組，每組100 支稱重并記錄重量平均值，根據(jù)實測三醋酸甘油酯含量計算公式計算100 支濾棒三醋酸甘油酯實測含量，記錄2 分鐘內(nèi)每組濾棒生產(chǎn)中微波三醋酸甘油酯裝置顯示濾棒三醋酸甘油酯含量參數(shù)。

（3）試驗三

驗證濾棒三醋酸甘油酯檢測裝置控制系統(tǒng)廢品剔除功能。控制系統(tǒng)廢品剔除功能能夠及時識別生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的超出重量范圍的濾棒，并通過跟蹤移位在廢品閥處剔除，以有效改善成品濾棒質(zhì)量，檢查和評價方法是測量剔除濾棒。設(shè)定濾棒三醋酸甘油酯含量檢測裝置的剔除上下限值為9%和7%，調(diào)整增塑劑量額定值15 mg、30 mg、45 mg、55 mg、60 mg、75 mg、85 mg 使三醋酸甘油酯含量超過上限或低于下限，檢測應(yīng)準確剔除超過上限或低于下限三醋酸甘油酯含量的缺陷濾棒。

3.2 數(shù)據(jù)分析

3.2.1 檢測系統(tǒng)檢測可行性評價

由表1 可見，不同增塑劑含量（即三醋酸甘油酯噴灑活門開度），三醋酸甘油酯噴灑量不同?；铋T越大，生產(chǎn)的濾棒三醋酸甘油酯含量越高，濾棒的重量越大。微波濾棒三醋酸甘油酯檢測系統(tǒng)的在線檢測三醋酸甘油酯含量趨勢與干濕棒計算實測值趨勢保持一致，濾棒三醋酸甘油酯微波檢測系統(tǒng)能夠正確顯示三醋酸甘油酯含量的變化趨勢。

表1 三醋酸甘油酯含量檢測可行性結(jié)果Tab. 1 Feasibility results of glycerol triacetate content detection

3.2.2 檢測系統(tǒng)檢測準確性評價

由表2 可見，濾棒三醋酸甘油酯含量微波在線檢測系統(tǒng)檢測精度為0.01%，三醋酸甘油酯含量檢測系統(tǒng)三醋酸甘油酯檢測顯示含量與實測濾棒計算三醋酸甘油酯含量最大誤差0.18%，微波濾棒三醋酸甘油酯檢測系統(tǒng)檢測三醋酸甘油酯含量的數(shù)據(jù)準確性比較可靠。

表2 三醋酸甘油酯含量檢測準確性結(jié)果Tab. 2 Detection accuracy of glycerol triacetate content results

3.2.3 檢測系統(tǒng)廢品剔除功能驗證

由表3 可見，設(shè)定本檢測系統(tǒng)三醋酸甘油酯含量剔除上下限分別為9%和7%，在機器正常運行時，收集剔除樣品檢測，其重量均為超輕或超重缺陷濾棒。實驗結(jié)果表明缺陷濾棒剔除準確，且該系統(tǒng)計數(shù)及統(tǒng)計功能正常，各數(shù)據(jù)顯示正常。

表3 廢品剔除結(jié)果Tab. 3 Waste rejection results

4 結(jié)論

本文針對濾棒三醋酸甘油酯含量不能實時在線自動監(jiān)測問題，采用全新的微波諧振幅頻特性解析方法，研制出一套基于微波技術(shù)的濾棒三醋酸甘油酯含量在線監(jiān)測裝備，其中ZL29 成型機安裝微波在線檢測濾棒三醋酸甘油酯含量系統(tǒng)后，實現(xiàn)了對生產(chǎn)過程中濾棒的三醋酸甘油酯含量在線檢測計算，在線檢測系統(tǒng)檢測精度為0.01%，系統(tǒng)中三醋酸甘油酯檢測顯示含量與實測濾棒計算三醋酸甘油酯含量最大誤差0.18%，能準確剔除三醋酸甘油酯含量超標濾棒，缺陷剔除準確率為100%，杜絕濾棒硬度不夠、彈性不足、出現(xiàn)膠孔等系列質(zhì)量問題，避免不合格濾棒流入下一生產(chǎn)環(huán)節(jié)。將濾棒質(zhì)量人工控制轉(zhuǎn)化為在線自動過程受控，實現(xiàn)了濾棒三醋酸甘油酯含量的在線監(jiān)測和超限剔除功能。