復合濾棒微波在線檢測剔除控制系統的研制

摘 要：本文提出了一種用微波測量方法來解決能使生產過程連續不間斷的進行，且快速、可靠、安全地對煙支復合濾棒的拼接間隙、濾棒錯位、相位偏移等各種缺陷進行檢測并實時剔除的方法。這種方法具有檢測速度快，測量結果準確，可靠性高，對操作者人體安全的特點。它可以適用于各種型號的復合濾嘴棒機組，對各種復合濾棒進行在線檢測并實時剔除有質量缺陷的產品。

關鍵詞：復合濾棒；微波檢測；剔除

1 引言

隨著科學技術的發展，微波檢測與控制裝置在煙草行業得到廣泛的應用，采用微波濕度檢測[1]的方法來檢測控制煙絲水分[2]，通過檢測煙條中煙絲密度的變化控制煙支重量[3]等。隨著降焦減害的要求提高，加上卷煙企業對烤煙型卷煙增香補香和突出產品差異化，在高檔卷煙中開始大量使用復合濾棒，而如何控制復合濾棒成型精度，保持吸阻穩定，是復合濾棒成型中的關鍵技術。

復合濾棒通常由二至三種不同材質濾棒，經專用復合濾棒成型機分切、拼接而成。例如，某型號復合濾棒生產工藝要求如圖1所示：

其中，A1段、A2段、A3段材質為普通高透濾棒；B1段、B2段材質為同心圓濾棒。整根復合濾棒長120mm，除A2段長40mm外，其余段均為20mm長。

生產過程中，經常容易出現如下幾種嚴重影響產品質量的缺陷：

1.1 拼接間隙；即A段濾棒與B段濾棒之間拼接不嚴密，產生縫隙。

如圖2所示：當相鄰兩段，如A+B不等于目標總長度，并當誤差大于設定值時，判定該復合濾棒中有間隙，輸出剔除信號。

1.2 濾棒錯位；即應該放入A段濾棒的位置，錯放入B段濾棒，反之亦然。錯位濾棒將被剔除。

1.3 相位偏移；即A段濾棒與B段濾棒長度不符合工藝質量要求。

目前，有采用光電照射法應用于檢測復合濾棒間隙缺陷，但不能檢測復合濾棒錯位和相位偏移（基棒色差很小時）。

本文提出了一種解決能使生產過程連續不間斷的進行，且快速、可靠、安全地對煙支復合濾棒的拼接間隙；濾棒錯位；相位偏移等各種缺陷進行檢測并實時剔除的方法。微波測量方法是一種解決這個問題的較好的方法，它不受復合濾棒表面顏色完全一致的影響，具有檢測速度快，測量結果準確，可靠性高，對操作者人體安全的特點。它可以適用于各種型號的復合濾嘴棒機組，對各種復合濾棒進行在線檢測并實時剔除有質量缺陷的產品。

2 檢測、剔除控制方法的原理及系統結構設計

“復合濾棒微波在線檢測剔除控制系統”由兩部分組成。第一部分是硬件部分，即微波探測單元，它的作用是使用微波諧振器作為傳感器，將部分填充不同濾嘴棒材料的微波諧振頻率和諧振幅度的變化信號檢測出來。第二部分是軟件部分，即分析處理和控制程序。它將微波探測器送出的微波諧振頻率和諧振幅度的變化信號經過分析計算，轉換為材料介質常數的變化。然后再按判斷規則，確定復合濾嘴棒是否合格。再將不合格信號送給執行機構，剔除不合格產品。

2.1 微波探測單元

它由微波諧振腔、微波信號產生器、微波信號隔離器、微波同軸傳輸電纜、微波信號檢波及放大器組件等組成。

微波在一個金屬制成的容器（我們將其稱為微波諧振腔）內具有諧振特性。對于一個空的微波諧振腔，當諧振腔的幾何形狀確定后，其諧振頻率和諧振幅度也是確定的。但當在該諧振腔內部分或全部填充有其它非金屬物質（我們稱其為介質材料）時，其諧振頻率和諧振幅度會因填充的介質材料的介質常數、介質的多少和形狀的不同而產生不同的變化[4]。這種變化對于所填充的介質材料的不同所產生的響應的十分敏感的。當不同材料的濾棒通過微波諧振腔時，其介質常數有著微小的差別，而微波諧振腔能夠明顯的區別這種材料的介質常數的微小差別。因此，我們可以利用對微波諧振腔的諧振頻率和諧振幅度的測量來快速、精確地區別微波諧振腔內所填充的濾棒的類型。

2.2 分析處理和控制程序

介質材料在微波諧振腔內的對諧振腔諧振頻率和諧振幅度的影響是由于介質材料的介質常數不同而產生的[4]。介質材料的介質常數通常是一個復數：

（式1）

其虛部 ε\"表示微波能量通過介質材料時的損耗；而實部ε′表示微波能量在介質材料中的儲存[4]。通過ε'和ε\"即可得到物料濕度，同時也可得到物料的整體密度。而功率衰減和諧振頻率等是與介電常數密切相關的物理量，只要測得這兩個物理量就能夠測得介質材料的密度和濕度。

在微波密度和濕度的測量中，被測物的介質常數起到了橋梁的作用：一方面穿透被測物料的微波的兩個參量（衰減A和諧振頻率f0）與不同物料的介質常數和其密度有關；另一方面由于水的介質常數遠遠大于一般物質，因此被測物濕度（Ψ）的變化也表現為被測物介質常數的變化。

通過ε'和ε\"的中介，可以建立被測物的密度及濕度與被測量衰減A和諧振頻率f0的關系。但通常這種關系相當復雜，我們由大量實驗結果可以得到以下關系：在被測量衰減A和諧振頻率f0的關系圖中，被測物質的密度表現為一條直線關系；而被測物質的濕度決定該直線的斜率。

定標常數a、b、c 、d只需根據對已知密度和濕度的四種不同濾嘴棒材料作四次測量即可確定。

定標常數a、b、c 、d確定以后，在每次測量中只需測得ΔA和ΔF，即可確定材料的密度與濕度。

按照復合濾棒生產機械技術指標，復合成型的速度為400M/min。而要求成型濾棒的最大測量誤差不大于0.5mm，所以要求測量的取樣速率大于75μS/次。為了消除外部瞬時突發干擾信號的影響，我們采取多次采樣值平均的方法，為此要求測量的取樣速率大于10μS/次，即采樣頻率為100KHz。這樣在每次測量周期內，有7次以上的采樣數據進行平均，從而避免了一些外部干擾的影響。在F-U圖上可以得到如圖4所示的圖形。圖4中：U表示微波諧振曲線振幅；F表示微波諧振曲線頻率。紅點表示A段材質濾棒產生的微波信號；藍點表示B段材質濾棒產生的微波信號。根據該圖所示，不同材質的復合濾棒其微波信號U，F完全不同，據此，可以判斷復合濾棒是否有錯位現象。而當復合濾棒存在有拼接間隙時，諧振腔內則出現一段空腔，此時U，F明顯升高。我們在原機上加裝有軸編碼器，可以實時檢測煙機的速度，根據A段或B段濾棒U、F出現持續的時間，結合煙機的速度，我們可以推算出復合濾棒每段的相位長度。并確定所生產的濾棒是否合格，將不合格信號送給剔除裝置，從而將不合格濾棒剔除。

3 系統操作過程

本系統操作步驟如圖5所示。系統開機后微波信號源（1）產生微波信號，通過微波信號隔離器（2）和微波同軸傳輸電纜（3）由信號輸入探針（4）送給微波諧振腔（5），

信號輸出探針（6）將收到被測濾棒擾動的微波諧振信號接收，并通過微波信號隔離器（7）和微波同軸傳輸電纜（8）傳輸到檢波放大器（9）。檢波放大器（9）將接收到的微弱的微波信號進行檢波并且放大，輸出直流檢測電壓信號送給數據分析處理單元。

模數轉換和信號處理電路⑽將直流檢測電壓作A/D變換，變成數字電壓并進行采樣，將采樣得到的（U-F）值送到數據采集和處理計算機⑾的存貯器1中。然后再進行第二次采樣，多次采樣得到的（U-F）值在數據采集和處理計算機中進行分析計算、歸納。

上圖中，縱坐標ρ為按微波檢測系統測得的濾棒材質的密度。橫坐標為各種濾棒材質的長度，它可以由機器運行的速度與和濾棒起始位置同步的掃描時間來計算。根據前面給出的判斷準則由處理單元進行分析、判斷。我們分別將測得的ρ1、ρ2及ρ3與相應的要求值相比較，如果測得的ρ1、ρ2及ρ3比要求值超差±10%，我們即判斷該濾棒段的材質不符合要求。其相應的材質長度或間隙d超過要求值的±10%，我們即判斷為該段濾棒的長度或間隙不合格。

將不合格信號提供給剔除控制單元（12），剔除不合格產品。

4 結語

4.1 本系統采用微波諧振原理對復合濾棒的生產產品合格與否進行快速、連續進行在線檢測，并將不合格產品進行實時剔除。檢測準確度及可靠性高，剔除可靠，不因環境因素影響檢測和剔除的準確性。

4.2 本系統采用的微波信號源輸出功率小，僅為10毫瓦，是一般手機發射功率的百分之一，安全性高。其在操作位置的輻射強度僅為0.1mW/cm2， 遠遠低于國家規定的5mW/cm2的安全標準。

4.3 本系統采用工控機進行控制，具有良好的人機界面，可根據需要設置告警、剔除等功能。可對復合濾棒生產過程的合格和不合格產品進行統計，并給出統計分析報告。

4.4 本系統開機后即可正常工作，不需預熱、不需調零，操作使用方便。

4.5 本系統完全不受復合濾棒表面顏色的影響。

我們利用微波檢測原理，成功開發出了復合濾棒在線微波檢測剔除控制系統，該系統能夠在線檢測并剔除各種有質量缺陷的復合濾棒。目前，我們已經在YL43和ZL41成功安裝使用了復合濾棒在線微波檢測剔除控制系統。

參考文獻

[1]王偉波.微波濕度測量儀的設計，哈爾濱工業大學2005屆畢業設計優秀論文選，P.179-186.

[2]邱華，彭金輝等，微波諧振腔微擾技術快速檢測煙絲含水量.《煙草科技》2008，6 PP.38-40.

[3]李德法，廉潔等.微波煙支重量控制系統的設計與應用.《煙草科技》2005，8，P14-15，23.

[4]Cutmore N G， Evans T G，et al. Low frequency microwave techniques for on-line measurement moisture. Mineral Engneering， 2000，13 （14-15）：1615-1622.