李文偉 牛芳芳 顏秋男 朱 震

(1. 河南中煙有限責(zé)任公司安陽卷煙廠，河南安陽，455000;2. 中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院，安徽合肥，230031)

在卷煙的生產(chǎn)中，卷煙紙的陰燃速率對(duì)于煙支熄火等現(xiàn)象有很大影響，同時(shí)影響著煙支的焦油含量和煙氣煙堿含量。卷煙紙陰燃速率的測(cè)定對(duì)于卷煙生產(chǎn)中的質(zhì)量控制以及對(duì)卷煙質(zhì)量的檢驗(yàn)具有很大的意義［1］。

本文介紹了一種新型的卷煙紙陰燃速率測(cè)量?jī)x(簡(jiǎn)稱陰燃儀)的設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)陰燃儀相比，采用紅外傳感器通過溫度直接探測(cè)紙張燃燒位置，避免了傳統(tǒng)方法中采用普通LED 發(fā)射管和接收管來探測(cè)紙張燃燒的位置時(shí)，紙張燃燒后的灰燼會(huì)擋住發(fā)射管的光線而引起誤判造成測(cè)量誤差。該陰燃儀具有高可靠性、高精度的優(yōu)點(diǎn)，即使紙張燃燒后的灰燼不脫落，也不會(huì)影響系統(tǒng)正常的測(cè)量和判斷。同時(shí)，煙支水平放置，避免了垂直放置時(shí)陰燃速率不均勻的現(xiàn)象［2］。

1 陰燃速率測(cè)試原理

根據(jù)YC/T 197—2005 煙草行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，卷煙紙的陰燃速率定義為:測(cè)量陰燃150 mm 長(zhǎng)、全寬的卷煙紙所需的時(shí)間，以秒(s)計(jì)，并計(jì)算出其燃燒速率，單位為s/150 mm［3］。

1.1 紅外輻射的基本原理

凡溫度高于絕對(duì)零度的物體均會(huì)向外輻射紅外線，物體的溫度越高，其輻射出來的紅外線越多，紅外輻射的能量就越強(qiáng)。

由斯蒂芬-波爾茲曼定律可知，物體發(fā)射的全部能量M (W/m2)由物體的溫度決定，兩者之間的關(guān)系可以表示為式(1)。

式中，ε 為被測(cè)物體能量的表面發(fā)射率，σ 為斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)，W/m2·K4，T 為物體的絕對(duì)溫度，K［4］。

1.2 陰燃儀的測(cè)量原理

根據(jù)紅外輻射原理，卷煙紙燃燒過程中會(huì)輻射大量紅外線，利用紅外傳感器探測(cè)紅外線的強(qiáng)度，感應(yīng)距離不同，傳遞到紅外傳感器的紅外線強(qiáng)度也會(huì)不同。

在陰燃儀的測(cè)量中，卷煙紙?jiān)谌紵^程中，其燃燒線與紅外傳感器達(dá)到一定距離時(shí)，紅外傳感器測(cè)得的紅外線輻射就會(huì)達(dá)到一定的強(qiáng)度，此時(shí)即可作為測(cè)量的計(jì)時(shí)點(diǎn)。利用起始與終止兩處計(jì)時(shí)的時(shí)間差即可得到陰燃速率。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)陰燃儀的工作過程為:將卷煙紙置于支撐桿上，通過電阻絲引燃卷煙紙，控制系統(tǒng)根據(jù)紅外探測(cè)裝置探測(cè)卷煙紙燃燒的位置，控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，使每個(gè)卷煙紙支撐桿依次離開，完成卷煙紙陰燃速率的測(cè)試。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)主要包括紅外探頭、電阻絲、步進(jìn)電機(jī)、卷煙紙紙樣的支撐裝置及人機(jī)界面等部分。

為了保證測(cè)試精度和測(cè)試準(zhǔn)確度，本設(shè)計(jì)使用了多組紅外傳感器作為測(cè)試探頭來跟蹤探測(cè)卷煙紙的燃燒位置。

紙樣支撐裝置包括多個(gè)支撐桿，用以使卷煙紙?jiān)谌紵^程中保持平穩(wěn)。同時(shí)，為了不妨礙卷煙紙的正常燃燒，支撐桿在接近陰燃線時(shí)需離開。于是本設(shè)計(jì)利用控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)來使支撐桿隨著陰燃速率依次下落。

測(cè)試過程中，將卷煙紙置于支撐桿上，利用人機(jī)界面輸入開始測(cè)試信號(hào)，控制器控制電阻絲加熱卷煙紙使之開始陰燃，當(dāng)探測(cè)裝置的第一個(gè)探頭探測(cè)到卷煙紙陰燃線時(shí)開始計(jì)時(shí)，同時(shí)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)推進(jìn)斜塊前進(jìn)，使每個(gè)支撐桿依次離開，當(dāng)探測(cè)裝置最后一個(gè)探頭探測(cè)到陰燃線時(shí)，測(cè)試結(jié)束，控制器計(jì)算出被測(cè)卷煙紙的陰燃速率，并顯示在人機(jī)界面上。

3 測(cè)量誤差分析

本設(shè)計(jì)陰燃儀的測(cè)量誤差主要由以下幾方面組成。

3.1 紅外傳感器的精度

紅外傳感器可以分為熱傳感器與光子傳感器兩種。

熱傳感器利用探測(cè)元件吸收入射的紅外輻射能量而引起溫升，在此基礎(chǔ)上借助各種物理效應(yīng)把溫升轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏俊?/p>

而光子傳感器是利用半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)，使材料的電學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，通過測(cè)量電學(xué)性質(zhì)的變化，從而確定紅外輻射的強(qiáng)弱［5］。

采用光子傳感器作為系統(tǒng)的紅外傳感器，與熱傳感器相比，其靈敏度高，響應(yīng)速度快，響應(yīng)頻率高等。能夠很好地減小系統(tǒng)的測(cè)試誤差。

3.2 卷煙紙包灰現(xiàn)象的影響

卷煙紙?jiān)谌紵^程中，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)燃燒后的灰燼附著在正在燃燒的卷煙紙上，導(dǎo)致紅外傳感器不動(dòng)作，直到灰燼脫落后，紅外傳感器才發(fā)出信號(hào)。這樣就會(huì)造成燃燒計(jì)時(shí)的延遲，影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，陰燃儀上下均設(shè)置了紅外光電傳感器，能夠同時(shí)測(cè)試卷煙紙燃燒時(shí)上側(cè)和下側(cè)的紅外線強(qiáng)度，避免了卷煙紙燃燒灰燼上卷或下卷造成的探測(cè)延遲。

3.3 測(cè)量長(zhǎng)度的誤差

由于卷煙紙的陰燃速率是由陰燃時(shí)間除以陰燃長(zhǎng)度得到的，因此陰燃長(zhǎng)度的準(zhǔn)確性對(duì)最終測(cè)得陰燃速率的精度影響很大。

煙草行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，用于樣品陰燃長(zhǎng)度的測(cè)試裝置，其量程需為150 mm，精度為±1mm。

為了使陰燃儀陰燃長(zhǎng)度的量程符合要求，需對(duì)其測(cè)試量程進(jìn)行標(biāo)定。

3.4 環(huán)境影響

在卷煙紙的燃燒過程中，環(huán)境條件對(duì)其燃燒性能有著一定的影響。如空氣的流通會(huì)加快卷煙紙的燃燒，而空氣濕度較大時(shí)，卷煙紙的燃燒速率較低等［6］。

本設(shè)計(jì)采用了密閉的燃燒空間，避免了空氣流動(dòng)對(duì)燃燒的影響。但另一方面，密閉空間可能會(huì)造成煙霧遮擋，影響紅外探頭的探測(cè)，由于紅外探頭的精度較高，使得這種影響微乎其微，可以忽略不計(jì)。

此外，紅外探頭的位置、計(jì)時(shí)器的精度、陰燃線的整齊與否等都會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果造成影響。

4 陰燃儀測(cè)量距離的標(biāo)定

為了減小陰燃儀量程誤差對(duì)測(cè)試精度的影響，設(shè)計(jì)了一種標(biāo)定裝置來標(biāo)定陰燃儀的量程。利用通電發(fā)熱的電阻絲來模擬燃燒線，并通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電阻絲的移動(dòng)來模擬卷煙紙的燃燒過程，同時(shí)采用分辨率為0.01 mm 的數(shù)字深度尺來測(cè)量電阻絲在測(cè)試起始和結(jié)束時(shí)的位置信息，以計(jì)算出陰燃儀的實(shí)測(cè)陰燃長(zhǎng)度，從而實(shí)現(xiàn)標(biāo)定功能。

標(biāo)定裝置的工作原理如圖2 所示，由圖2 可以看出，該標(biāo)定裝置主要包括主電路和控制電路兩部分。其中，主電路部分包括數(shù)字深度尺、步進(jìn)電機(jī)、限位開關(guān)以及電阻絲等，是測(cè)量過程的主要實(shí)現(xiàn)單元。而控制電路部分主要實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制、讀取數(shù)字深度尺的數(shù)據(jù)、與陰燃儀之間數(shù)據(jù)交換等功能。

圖2 標(biāo)定裝置的工作原理

若設(shè)LS為測(cè)試起始點(diǎn)位置，LE為測(cè)試終止點(diǎn)位置，則可得出陰燃儀的測(cè)試長(zhǎng)度Y，見式(2)。

5 實(shí)驗(yàn)分析

為了檢測(cè)上述陰燃儀的可實(shí)現(xiàn)性與準(zhǔn)確性，利用所設(shè)計(jì)的陰燃儀對(duì)卷煙紙進(jìn)行陰燃速率測(cè)試。

對(duì)兩種定量的卷煙紙分別進(jìn)行多次測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表1 和表2。

表1 定量為28.5 g/m2 的卷煙紙陰燃速率的測(cè)試結(jié)果

由表1 和表2 可以看出，在對(duì)同一種類卷煙紙進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)試時(shí)，得出的結(jié)果具有較高的穩(wěn)定性。同時(shí)，在測(cè)試不同種類卷煙紙時(shí)，測(cè)試結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差的穩(wěn)定性同樣較高。

由此可見，本設(shè)計(jì)的卷煙紙陰燃儀符合實(shí)際測(cè)試需要。

表2 定量為32 g/m2 的卷煙紙陰燃速率的測(cè)試結(jié)果

6 結(jié) 語

為了檢測(cè)卷煙紙的陰燃速率，設(shè)計(jì)了一種新型的卷煙紙陰燃速率測(cè)量?jī)x，利用紅外傳感器測(cè)定卷煙紙陰燃線的位置，來判斷測(cè)試的起止位置。同時(shí)分析了陰燃儀測(cè)量誤差的來源，并采取了相應(yīng)的措施來減小誤差。

通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，本設(shè)計(jì)的卷煙紙陰燃儀完全符合實(shí)際需要，且與傳統(tǒng)陰燃儀相比，測(cè)試精度與穩(wěn)定性大大提高。

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