一種新型煙筋水分探測功能型烤煙控制器的研發與應用

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一種新型煙筋水分探測功能型烤煙控制器的研發與應用

摘要：本研究通過在烤房內增加煙筋水分探測功能型自控儀的方式，實現煙筋水分含量的實時監控，進而達到程序化控制煙葉烘烤工藝的目的。通過對比新型配制烤房和原有配制烤房，我們發現配制新型水分探測功能型自控儀的烤房和原有配制烤房在烘烤煙葉效果方面差別不顯著，但經濟效益顯著提高，對現有烘烤工藝的改進和完善具有重要意義。

關鍵詞：煙筋水分探測；烘烤；意義

現有烘烤工藝只能了解烤房內溫濕度的變化情況，對煙葉水分散失了解不夠深入，通常只能根據經驗獲得。我們知道，煙葉含水量和烤房溫濕度環境是影響初烤煙葉質量的關鍵因素。但是由于目前烘烤過程中對煙葉水分散失情況判斷沒有探測數據支持，這就導致不同烘烤技術員的烘烤效果也不盡相同，特別對于散煙，現有烘烤工藝的不足更為突出。為提高卷煙工業可用性，引入新技術應用到煙草生產經營里，煙葉智能化烘烤設備的研究和應用項目應運而生。

1　工作原理

煙筋水分探測功能型自控儀以現有密集烤房自控儀為基礎，增加煙筋水分探測模塊和Zigbee無線通訊模塊，能夠在煙葉烘烤過程中動態檢測烤房內煙葉煙筋含水量，為烘烤工藝的調整提供數據參考，可以達到準確控制烘烤工藝中提溫時間點和理想溫濕度的目的。

1.1煙筋水分探測探針的定型和設計。采用玻璃纖維板作為基板，將126 mm長的不銹鋼鋼針按照20 mm間距焊接到基板上，在基板一端通過接線端引出導線。插針時將探針末端掰開至25 mm插入到排列好的多片煙葉煙筋中，從而保證在整個烘烤過程中探針和煙葉能夠緊密接觸。

1.2煙筋水分數據的可靠采集和處理。煙筋水分探測主要根據煙筋含水量與電導率的關系進行測定，煙筋含水量越高電導率越大，含水量越小電導率越小，由此可以根據測得的電導率算出煙筋的含水量。煙筋水分探測模塊使用煙筋水分探針插入煙葉中部煙筋采集電導率信號，通過高精度集成運放電路對信號放大，用溫度補償電路進行溫度補償以減小溫度的影響，然后通過模擬濾波量程切換選擇合適的量程，再由ADC將模擬信號轉換為數字信號進行運算處理，最終得出煙筋水分含量。為了保證測得水分數值的有效性，在煙筋水分換算法中還加入溫度補償和煙葉烘烤階段補償，消除烤房內溫度和煙筋變形程度對水分數據測定的影響。

1.3煙筋水分探測數據應用原理。采用煙筋水分數據和8點式烘烤工藝曲線相結合共同驅動煙葉烘烤控制。整個煙葉烘烤過程中仍然根據8點式烘干工藝進行，輔助顯示煙筋水分，根據煙筋水分來確定變筋階段和干片階段的切換、定色階段和干筋階段切換以及干筋階段的結束等關鍵點。根據8點式烘烤工藝和煙筋水分關系確定關鍵節點的煙筋水分數值。烘烤過程中根據煙筋水分是否達到該閾值來判斷提前結束進入下一烘烤階段或延長烘烤時長推遲進入下一烘烤階段。

2　試驗設計

2.1試驗材料。試驗于2014年在平邑縣保太鎮和平烘烤工場進行。烘烤煙葉品種為NC102，這是當地主栽煙葉品種。煙葉烘烤采用了兩種不同的處理方式，一是配置新型煙筋水分探測功能型自控儀的烤房，二是配置普通密集烤房自控儀的烤房。為了驗證設備的準確性和穩定性，在烘烤實驗的同時還采用1臺日本進口的水分計(型號：SK-100)做參照。

2.2試驗方法。以當地主栽品種煙葉為供試材料，選取大田管理規范、個體發育正常、群體生長整齊一致的煙葉進行烘烤試驗，對照使用普通溫濕度自控儀密集烤房。采收不同成熟階段煙葉素質相近的下、中、上部煙葉，每座烤房配備1臺煙筋水分探測功能型密集烤房自控儀，在烤房上、中、下3層煙葉設置6路水分探測探針，在烘烤工場監控室配置1臺監控電腦并部署集中監控軟件，通過Zig-Bee無線通訊，實現烘烤工場內烤房數據集中采集顯示，在線控制，數據匯總查詢。準確記錄烘烤過程中煙筋水分數據的變化，驗證煙筋水分探測和可視化烘烤系統設備的可靠性和穩定性；調查記錄烤后原煙主要經濟性狀、外觀質量和內在質量，比較不同烘烤工藝優劣。在實驗過程中，采用煙筋水分功能型自控儀采集和顯示煙筋水分數據的同時，還采用進口電子式水分計(日本三酷：SK-100)同步測量采集煙筋水分數據。

3　結果與分析

3.1煙筋水分探測設備的可靠性及穩定性分析。在實驗過程中，采用煙筋水分功能型自控儀采集和顯示煙筋水分數據的同時，還采用進口電子式水分計(日本三酷：SK-100)同步測量采集煙筋水分數據。截取其中1爐對比實驗數據如下(表1)：

表1　自控儀測得煙筋水分數據和參照設備測得數據對比

從表1可知，本設備測得數據和參照設備測得煙筋水分數據基本一致(數值誤差為1%)，說明本設備測得數據完全能滿足煙葉烘烤煙筋水分數據檢測要求。

3.2煙筋水分數據變化趨勢分析。在實驗過程中，從采集的煙筋水分數據分析可知，在煙葉烘烤過程中煙筋水分數據根據煙葉烘烤階段、煙葉烘烤環境狀態呈規律性變化?，F截取兩處煙葉烘烤水分數據為例說明：

圖1　煙葉烘烤溫濕度及煙筋水分變化曲線圖

表1和圖1中水分1、水分2表示的是上棚煙葉含水量變化曲線，水分3、水分4表示的是中棚煙葉含水量變化曲線，水分5、水分6表示的是下棚煙葉含水量變化曲線。從曲線圖中可以清楚看出，煙葉烘烤過程中烤房上部煙葉的失水速度快于下部煙葉失水速度，但整體變化走勢受烤房溫度的影響，基本一致。在煙葉烘烤變黃期干球溫度穩定在40℃～42℃時，煙筋水分變化不大，從85%左右緩慢下降至70%左右。在變黃期后半階段和定色階段，隨著烤房溫度的不斷提高，煙筋含水量迅速下降至20%左右，煙筋水分的散失主要在定色階段完成，最后在干筋階段，煙筋水分進一步降低至5%～8%。本項目檢測的煙筋水分數據和國外進口設備檢測數據基本一致，由此可見，實驗中采集的數據的準確性、穩定性較好，滿足煙葉烘烤水分探測要求，為烘烤過程中協調水分、變黃和定色之間的關系提供技術支持，提高煙葉烘烤質量，對改進和完善現有烘烤工藝，特別是散煙烘烤工藝有著重要意義。

3.3不同設備配置烤房煙葉烘烤效果。從K1和K2兩座烤房烤后煙葉中隨機抽取10竿煙葉，自然回潮后查看煙葉烘烤質量情況。由表2可見，兩種烤房都能滿足煙葉烘烤需要，但是在相同條件下，在具有煙筋水分探測技術手段支持下的烤房，烤后原煙顏色較深，色度稍強，油分較多，葉片結構疏松(見表3)。

表2　不同形式烤房烘烤煙葉素質記載

表3　不同配置烤房烤后煙外觀質量對比表

3.4不同設備配置烤房經濟效益情況分析。不同配置的密集烤房烤后煙葉經分級扎把后，單獨存放，單獨交售，對比經濟效益。

表4　不同配置烤房經濟效益對比表

從表4可以看出，不同配置的烤房經濟效益差異較大。K1平均上等煙比例為35.47%，比K2高3.6%；每千克均價K1比K2高0.86元，平均每畝折合多收入129元。綜合比較，配置煙筋水分探測功能型的密集烤房烤后原煙經濟性狀優于普通密集烤房。

3.5不同設備配置烤房烤后煙化學成分分析。不同烘烤設備配置的密集烤房中部煙葉烘烤試驗，主要化學成分見表5。

表5　不同配置烤房中部煙C3F烤后化學成分

從表5可以看出，使用支持煙筋水分探測的烤房和普通密集烤房烤后煙葉C3F化學成分無明顯變化。

4　結論

本項目實現了煙葉烘烤環節煙筋水分含量的實時采集和顯示，借助現有工藝進行煙葉烘烤，是對現有烘烤工藝，特別是散煙烘烤工藝的改進和完善，有著積極的意義。另外本系統借助自動化、信息化和網絡化手段實現了真正意義上的集中監控、遠程輔導，提升了服務效能，提高了管理水平和煙葉生產綜合能力。

該項目在一定程度上提升了煙葉烘烤環節的智能化水平，實現了“減工、降本、提質、增效”的預期目標，促進了煙葉生產的集約化、規?；?，是實現現代煙草農業的有效途徑，有利于提升煙草公司行業和企業形象。

273300山東臨沂煙草有限公司平邑分公司

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