戴 昕

(湖南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司長(zhǎng)沙卷煙廠，長(zhǎng)沙 410007)

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卷煙吸阻與通風(fēng)度儀器的測(cè)量原理和使用維護(hù)

戴 昕

(湖南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司長(zhǎng)沙卷煙廠，長(zhǎng)沙 410007)

吸阻和通風(fēng)度是卷煙最重要的兩個(gè)質(zhì)量指標(biāo)，文章針對(duì)卷煙吸阻與通風(fēng)度儀器的測(cè)量原理、儀器維護(hù)和常見(jiàn)故障的排除方法進(jìn)行了論述。

卷煙；吸阻；通風(fēng)度；恒定流量；校準(zhǔn)；維護(hù)保養(yǎng)；故障排除

0 引言

在煙草行業(yè)，吸阻(也稱為壓降)和通風(fēng)度是卷煙最重要的兩個(gè)質(zhì)量指標(biāo)，它們直接影響卷煙的抽吸口感和煙氣成份的含量(包括一氧化碳、煙堿、尼古丁等)，因此，檢測(cè)吸阻和通風(fēng)度對(duì)保證卷煙質(zhì)量非常重要。

目前煙草行業(yè)檢測(cè)卷煙吸阻和通風(fēng)度的儀器有國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的各種型號(hào)的綜合測(cè)試臺(tái)及吸阻通風(fēng)度儀，這些儀器的測(cè)量原理基本相同、結(jié)構(gòu)組成相似，都符合IS06565(煙草及煙草制品-卷煙吸阻和濾棒壓降的標(biāo)準(zhǔn)條件及測(cè)量)和ISO9512(卷煙通風(fēng)的測(cè)定-定義及測(cè)量原理)的要求，其中，使用最廣泛的儀器就是英國(guó)斯茹林公司的QTM5U吸阻通風(fēng)度儀和C2綜合測(cè)試臺(tái)。本文以英國(guó)斯茹林公司的C2為例，闡述卷煙吸阻與通風(fēng)度儀器的測(cè)量原理、儀器使用維護(hù)注意事項(xiàng)和常見(jiàn)故障的排除方法。

1 卷煙吸阻和通風(fēng)度儀器的測(cè)量原理

儀器的基本測(cè)量過(guò)程：如圖1所示，在進(jìn)行卷煙吸阻和通風(fēng)度測(cè)量時(shí)，卷煙要密封于樣品測(cè)量設(shè)備(即樣品測(cè)量頭)中，卷煙濾嘴端插入深度為9mm的乳膠管中，讓負(fù)壓環(huán)境空氣流先后經(jīng)過(guò)卷煙樣品和流量控制器(CFO)，由于CFO的恒流作用，保證卷煙樣品的濾嘴輸出端的氣流體積流量為恒定值17.5ml/s，然后測(cè)量與卷煙樣品的吸阻和通風(fēng)度分別相關(guān)的不同壓力傳感器信號(hào)，經(jīng)過(guò)計(jì)算處理后得出卷煙樣品的吸阻和通風(fēng)度。其中，吸阻包括開(kāi)吸阻和閉吸阻，通風(fēng)度包括濾嘴通風(fēng)度、煙紙通風(fēng)度、總通風(fēng)度。

圖1 吸阻和通風(fēng)度測(cè)量整體示意圖

1.1 開(kāi)吸阻的測(cè)量原理

在圖1中,當(dāng)只有固定乳膠管緊緊包裹住樣品的濾嘴端的一部分，樣品(樣品即是卷煙樣品)的其他部分與大氣相通時(shí)，負(fù)壓環(huán)境空氣流同時(shí)從樣品的煙絲端、煙紙部分及濾嘴部分進(jìn)入卷煙樣品，從濾嘴端流出，由傳感器2的測(cè)量信號(hào)得出樣品的開(kāi)吸阻PDO，PDO=P1-P2。式中，P1是大氣壓力；P2是樣品出口端的氣流壓力；壓力及吸阻的單位均為kPa。

1.2 閉吸阻的測(cè)量原理

在圖1中，當(dāng)樣品的濾嘴部分被封閉與大氣環(huán)境完全隔絕，樣品的煙紙部分和煙絲端與大氣環(huán)境相通，負(fù)壓環(huán)境空氣流同時(shí)從樣品的煙絲端及煙紙部分進(jìn)入樣品，從濾嘴端流出，由傳感器2的測(cè)量信號(hào)得出樣品的閉吸阻PDC，PDC=P1-P2。

1.3 煙紙通風(fēng)度測(cè)量原理

在圖1中，當(dāng)樣品被三個(gè)乳膠管緊緊包裹住，且樣品的濾嘴部分被封閉與大氣環(huán)境完全隔絕，樣品的煙紙部分通過(guò)層流元件1(laminar flow element)與大氣環(huán)境相通，負(fù)壓環(huán)境空氣流通過(guò)層流元件1后進(jìn)入樣品的煙紙部分，從濾嘴端流出，根據(jù)層流元件的特性可知：

ΔP1=K×Q1

則樣品的實(shí)際煙紙通風(fēng)度：

式中，Q為樣品輸出端的流量，是一個(gè)恒量17.5ml/s。

1.4 濾嘴通風(fēng)度測(cè)量原理

在圖1中，當(dāng)樣品被三個(gè)乳膠管緊緊包裹住，且樣品的煙紙部分被封閉與大氣環(huán)境隔絕，樣品的濾嘴部分通過(guò)層流元件2與大氣環(huán)境相通，負(fù)壓環(huán)境空氣流通過(guò)層流元件2后進(jìn)入樣品的濾嘴部分(此時(shí)的層流元件2兩端的壓降為ΔP2)，從濾嘴端流出，參照上述1.3，得出樣品的實(shí)際濾嘴通風(fēng)度：

1.5 總通風(fēng)度測(cè)量原理

在圖1中，當(dāng)樣品的上下兩端被乳膠管緊緊包裹住，中間的可調(diào)位置乳膠管2張開(kāi)，樣品的濾嘴部分和煙紙部分一起通過(guò)層流元件2與大氣環(huán)境相通，負(fù)壓環(huán)境空氣流通過(guò)層流元件2后進(jìn)入樣品的煙紙部分和濾嘴部分(此時(shí)的層流元件2兩端的壓降為ΔP3)，從濾嘴端流出，參照上述1.3，得出樣品的實(shí)際總通風(fēng)度：

2 吸阻通風(fēng)度儀器的使用維護(hù)、故障排除

2.1 儀器在使用過(guò)程中的注意事項(xiàng)

2.1.1 儀器校準(zhǔn)

由于不同的環(huán)境溫濕度及大氣壓會(huì)影響測(cè)量時(shí)進(jìn)入樣品的空氣氣流的體積流量、粘度和密度，所以，同一樣品在不同的環(huán)境溫濕度和大氣壓下測(cè)量出的吸阻是不一樣的。一般情況下，環(huán)境溫度每變化1℃，樣品的吸阻變化約0.23%；環(huán)境相對(duì)濕度每變化10%，樣品的吸阻變化約0.03%；環(huán)境大氣壓每變化5kPa，樣品吸阻就大約變化0.34%，其中影響最大的是環(huán)境溫度，因?yàn)樵谕坏貐^(qū)，大氣壓的變化是很小的。

為保證儀器的測(cè)量精度，必須要用標(biāo)準(zhǔn)吸阻棒和通風(fēng)度棒對(duì)儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，但是要注意，標(biāo)準(zhǔn)吸阻棒和通風(fēng)度棒的校準(zhǔn)值是在溫度(22±2)℃、相對(duì)濕度(60±5)%和1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下測(cè)得的，所以在用標(biāo)準(zhǔn)棒校準(zhǔn)儀器時(shí)，如果所處環(huán)境不是標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境，就要先把標(biāo)準(zhǔn)棒在該環(huán)境下充分平衡2小時(shí)以上，然后跟標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境相比，環(huán)境溫度每增加1℃，標(biāo)準(zhǔn)棒的吸阻校準(zhǔn)值就增加0.23%，環(huán)境相對(duì)濕度每增加10%，標(biāo)準(zhǔn)棒的吸阻校準(zhǔn)值就增加0.03%，反之類推，然后再用修正了校準(zhǔn)值的標(biāo)準(zhǔn)棒來(lái)校準(zhǔn)儀器。

對(duì)于帶有吸阻自動(dòng)校準(zhǔn)功能的儀器，可以選擇自動(dòng)校準(zhǔn)或手動(dòng)校準(zhǔn)，如果儀器的使用環(huán)境是恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)室空氣環(huán)境能夠滿足溫度(22±2)℃，相對(duì)濕度(60±5)%，建議選擇手動(dòng)校準(zhǔn)，每天校準(zhǔn)一次，且手動(dòng)校準(zhǔn)所用標(biāo)準(zhǔn)吸阻棒必須一直暴露在實(shí)驗(yàn)室空氣環(huán)境中，使得標(biāo)準(zhǔn)吸阻棒與環(huán)境之間充分平衡，保證標(biāo)準(zhǔn)吸阻棒的吸阻值穩(wěn)定；如果儀器的使用環(huán)境是生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，因?yàn)樯a(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境溫濕度一般不是很穩(wěn)定，所以建議選擇自動(dòng)校準(zhǔn)，這時(shí)要調(diào)整好儀器內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)吸阻棒的的修正參數(shù)，保證儀器在對(duì)外置標(biāo)準(zhǔn)吸阻棒做校準(zhǔn)檢查時(shí)的儀器示值與該外置標(biāo)準(zhǔn)吸阻棒在該生產(chǎn)環(huán)境下的修正后校準(zhǔn)值之間的誤差在1%以下。

2.1.2 流量檢查

根據(jù)IS06565和ISO9512的要求，測(cè)量時(shí)從樣品出口端流出的空氣體積流量必須滿足(17.5±0.3)ml/s，否則會(huì)造成吸阻和通風(fēng)度的檢測(cè)不穩(wěn)定，因此，定期(一般是半年)檢查流量的準(zhǔn)確性是很有必要的，檢查的方法就是把精度為0.5%的氣體流量計(jì)的測(cè)量桿插入測(cè)量頭中模擬樣品，然后開(kāi)始測(cè)量流量。

如果流量計(jì)的測(cè)量示值超出允差范圍的下限，即流量小于17.2ml/s，原因可能有兩個(gè)，一是流量控制器(CFO)的流量孔臟污或損壞，解決辦法就是先用電子清洗劑噴灑到流量孔上進(jìn)行清洗，然后再測(cè)量流量，如果清洗無(wú)效就更換CFO；二是經(jīng)過(guò)CFO兩端的負(fù)壓氣流的壓力差過(guò)小，因?yàn)橹挥挟?dāng)CFO兩端的氣壓差大于一定值后，流經(jīng)CFO的流量才會(huì)保持在(17.5±0.3)ml/s內(nèi)的某個(gè)恒定值，解決辦法就是檢查CFO入口端的空氣過(guò)濾芯是否臟污、負(fù)壓發(fā)生器產(chǎn)生的負(fù)壓值是否在-70kPa以上、壓縮空氣的壓力是否在400～450kPa之間、壓縮空氣的過(guò)濾芯是否有臟污。

如果流量計(jì)的測(cè)量示值超出允差范圍的上限，即流量大于17.8ml/s，原因很可能就是流量控制器(CFO)損壞，更換CFO即可。

2.2 儀器的維護(hù)保養(yǎng)和故障排除

2.2.1 易損件的檢查和更換

儀器的易損件主要包括測(cè)量頭里面的三個(gè)乳膠管和測(cè)量頭底部的密封圈，如果乳膠管有細(xì)微破損或密封圈有裂紋，就會(huì)導(dǎo)致測(cè)量卷煙樣品時(shí)吸阻值和通風(fēng)度值明顯異常，雖然有些儀器帶有乳膠管的泄漏檢測(cè)功能，但是，每月檢查乳膠管和每半年檢查密封圈還是很有必要的，這能較早地發(fā)現(xiàn)和預(yù)防吸阻和通風(fēng)度的檢測(cè)問(wèn)題。

2.2.2 常見(jiàn)故障的排除方法

吸阻通風(fēng)度儀器的故障主要有兩類，一類是軟件故障，一類是硬件故障。軟件故障主要是操作程序和儀器控制程序的問(wèn)題，只需要按照儀器說(shuō)明操作儀器和安裝控制程序即可，下面主要講講硬件故障。

硬件故障主要包括電磁閥、壓力傳感器和負(fù)壓發(fā)生器等問(wèn)題，其中，電磁閥的問(wèn)題居多。解決電磁閥的問(wèn)題，一般根據(jù)儀器氣路圖上三類氣流的作用及通過(guò)路徑就可以找到故障電磁閥，這三類氣流分別是正壓氣流、負(fù)壓氣流、恒定流量氣流。正壓氣流用于驅(qū)動(dòng)氣缸、清潔碎屑、驅(qū)動(dòng)負(fù)壓發(fā)生器形成負(fù)壓。負(fù)壓氣流用于張開(kāi)測(cè)量頭里面的乳膠管以及驅(qū)動(dòng)流量控制器(CFO)形成17.5ml/s的恒定流量氣流。恒定流量氣流用于通過(guò)被測(cè)樣品，保證通過(guò)樣品出口端的氣流的流量恒定為17.5ml/s。

壓力傳感器的輸出端信號(hào)是一個(gè)直流模擬電壓信號(hào)，在儀器準(zhǔn)備狀態(tài)下用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量該輸出端信號(hào)，應(yīng)該是一個(gè)mV級(jí)的直流模擬電壓信號(hào)(即零位信號(hào))，如果達(dá)不到要求就調(diào)整壓力傳感器的零位電位器，如果調(diào)整無(wú)效就說(shuō)明該壓力傳感器損壞。另外，在校準(zhǔn)過(guò)程中壓力傳感器的輸出端信號(hào)的大小應(yīng)該與校準(zhǔn)用的標(biāo)準(zhǔn)棒的吸阻值成正比，在測(cè)量樣品過(guò)程中該信號(hào)的大小應(yīng)該與被測(cè)樣品的吸阻值成正比，否則說(shuō)明該壓力傳感器損壞。

判斷負(fù)壓發(fā)生器是否有問(wèn)題，只要用數(shù)字壓力表測(cè)量負(fù)壓發(fā)生器的輸出負(fù)壓值是否大于-70kPa，在進(jìn)入負(fù)壓發(fā)生器的壓縮空氣壓力足夠大(在400～450kPa之間)的情況下，負(fù)壓發(fā)生器的輸出負(fù)壓必須大于-70kPa，否則必須更換負(fù)壓發(fā)生器。

3 結(jié)語(yǔ)

本文比較全面地闡述了卷煙吸阻與通風(fēng)度儀器的各個(gè)指標(biāo)的測(cè)量原理，根據(jù)本人的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，提煉和總結(jié)了儀器使用過(guò)程中的校準(zhǔn)、檢查，維護(hù)保養(yǎng)的注意事項(xiàng)以及排除常見(jiàn)故障的方法，希望對(duì)煙草行業(yè)的相關(guān)人員有較大的幫助。

[1] 周德成,等.GB/T 22838.5—2009/ISO6565卷煙吸阻和濾棒壓降,2002

[2] 馮茜,等.GB/T 22838.15—2009/ISO9512卷煙通風(fēng)的測(cè)定定義和測(cè)量原理，2002

[3] C2綜合測(cè)試臺(tái)操作手冊(cè).英國(guó)斯茹林公司，2013

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.11.22