微波煙支密度分布檢測儀測量特性分析

劉民昌 劉　洋 溫若愚 曾　建 趙維一

(四川中煙工業有限責任公司技術研發中心，四川 成都　610066)

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微波煙支密度分布檢測儀測量特性分析

劉民昌 劉洋 溫若愚 曾建 趙維一

(四川中煙工業有限責任公司技術研發中心，四川 成都610066)

為了分析微波煙支密度分布檢測儀的測量特性，研究接裝紙類型、寬度、位置以及濾棒填充長度對檢測結果的影響，提出一種能夠有效降低測量誤差的樣品制作方法，建立密度測量值與填充長度關系模型，并指出減小微波諧振腔的厚度理論上能夠提高檢測精度，為煙支密度分布檢測設備的進一步優化提供了參考依據。

微波諧振腔；密度分布；金屬環；部分填充

煙支密度是衡量煙支卷制質量的一項重要指標[1]，其分布狀況對緊頭位置、端部落絲量、掉火頭等有重要影響[2-4]。早期人們通過稱量煙支中煙絲的質量計算得到煙支密度，該方法效率低且不能反映煙支內密度分布情況。目前檢測煙支密度分布的主流方法是利用微波技術[5-8]，其原理是不同密度煙支段的介電常數存在一定差異，從而引起微波諧振腔的諧振頻率和幅度發生變化，利用這種變化和煙支密度存在對應關系，實現煙支密度分布的測量，檢測速度快且不損害煙支。

但在實際工作中發現，煙支密度的測量結果在點燃端存在異常偏低的情況，而在濾嘴端尤其當接裝紙有金屬環時，存在異常偏高的情況。目前相關的研究主要集中在煙支密度分布的測量方法[9-10]，以及煙支密度對卷煙質量的影響上[11-12]，未見對微波法煙支密度分布測量特性的相關報道，本研究擬通過對三種類型的煙支樣品進行檢測，分析微波法煙支密度檢測技術的測量特性，以期為煙支密度分布測量設備或檢測方法的優化提供參考。

1　材料與方法

1.1材料及設備

1.1.1材料及樣品

嬌子(精品)燙金接裝紙，空白接裝紙，嬌子(藍)煙絲、卷煙紙及濾棒：成都卷煙廠；

樣品A：在相同卷煙機參數下卷制A1、A2兩種規格卷煙，A1使用空白接裝紙，A2使用燙金接裝紙，其他輔材相同；

樣品B：將A2卷煙利用壓縮空氣吹出煙絲，在空筒中植入不同長度、數量的濾棒，制作成B1、B2、B3、B4四種樣品，見圖1；樣品C：在長度為84 mm的濾棒上以距點燃端40 mm為中心粘貼一圈接裝紙制作成C1和C2兩種樣品，樣品C1用燙金接裝紙，樣品C2用空白接裝紙，長度均為26.5 mm，寬度分別為0.5，1.0，1.5，2.0，3.5，5.0 mm。

圖1　卷煙空筒植入濾棒示意圖

1.1.2主要儀器設備

煙支水分與密度分布測量儀(簡稱密度測量儀)：MW4420型，德國TEWS Elektronik公司；

分析天平：MS204S型，瑞士Mettler Toledo公司；

數顯鼓風干燥箱：GZX-9240 MBE型，上海博迅實業有限公司醫療設備廠。

1.2方法

1.2.1樣品檢測對三種樣品在溫度(22±1) ℃、相對濕度(60±2)%環境下平衡48 h以上[13]。樣品A需對A1、A2兩種規格卷煙分別校準，樣品B利用樣品B2進行校準，樣品C利用純濾棒進行校準，以樣品A1為例，在密度測量儀中按卷煙規格進行參數設定，校準時選取20支無空頭卷煙進行密度檢測，測試完成后剝開煙支，稱量煙絲質量，計算并重新設定密度系數。對樣品進行密度分布檢測。

1.2.2分段誤差取A1、A2兩種規格卷煙各100支并編號。方法1：利用密度測量儀進行檢測，并計算各段煙支的平均密度；方法2：將利用方法1測量過后的卷煙按照編號順序依次分切為四段，以點燃端為起始點，A段0～15 mm，B段15～35 mm，C段35～50 mm，D段50～54 mm，切剝并稱量煙絲質量，計算各段的平均密度[14]：

(1)

式中：

ρ——煙支密度，mg/cm3；

M——各段煙絲質量，mg；

r——煙支圓周，cm；

l——各段煙支長度，cm。

2　結果與分析

2.1煙支分段密度誤差

對A1、A2兩種規格卷煙分別利用兩種方法進行檢測，密度檢測結果見表1。由表1可知，兩種檢測方法整段煙支的檢測結果較為接近，說明密度測量儀能夠反映煙支整體平均密度大小；A段煙支利用方法1檢測得到的密度值偏小，說明密度測量儀在卷煙起始位置檢測誤差較大；D段有金屬環煙支利用方法1檢測得到的密度偏大，D段無金屬環煙支兩種方法檢測結果較為接近，說明接裝紙有金屬環時，密度測量儀在卷煙金屬環位置檢測誤差較大。

2.2含濾棒空筒的密度分布

為了利于對測量結果進行分析，排除煙絲密度變化造成的干擾，制作了如圖1所示的四種含濾棒空筒樣品B，對樣品B進行密度分布檢測，結果見圖2。由圖1可知：① 煙支內部密度突然變化時測量值以密度突變位置為中心緩慢連續變化；② 金屬環位置密度測量值明顯高出其他位置。驗證了卷煙密度突變位置及金屬環位置測量誤差較大的現象。

表1　樣品A1、A2密度檢測結果

圖2　樣品B密度分布曲線

2.3介質部分填充對測量結果的影響

(2)

式中：

y——密度測量值 mg/cm3；

A1——空筒密度，mg/cm3；

A2——濾棒密度，mg/cm3；

x——濾棒進入諧振腔的長度，mm；

x0——諧振腔厚度的一半，mm；

a——x0處斜率參數，值越大，曲線越陡。

由于樣品B3在距點燃端16 mm處的密度測量值是由5.5 mm的空筒和5.5 mm的濾棒共同作用的結果，此時x的值應為5.5 mm，將橫坐標進行變換，對距點燃端16 mm位置為中心得前后各10 mm的測量值進行擬合，結果見圖4。由圖4可知，參數A1、A2、x0的擬合值與實際情況較為接近，模型的可決系數R2接近1，平均相對誤差δ小于1%，說明該模型適用于預測介質未完全填充時密度測量值的變化情況。單獨改變x0的值，利用該模型預測微波諧振腔不同厚度時的測量值，結果見圖5。由圖5可知，在其他參數不變的情況下，微波諧振腔的厚度越小，測量值對密度變化越敏感，說明減小微波諧振腔厚度在理論上能夠提高密度測量儀的檢測精度。

圖3　微波諧振腔與煙支相對位置示意圖

A1=15.7 mg/cm3，A2=95.85 mg/cm3,x0=5.89 mm,a=0.77,

圖5　不同微波諧振腔厚度的理論測量值曲線

2.4接裝紙對測量結果的影響

為了進一步分析接裝紙對密度檢測的影響，分別對黏貼有燙金接裝紙的樣品C1和空白接裝紙的樣品C2進行密度分布檢測，結果見圖6、7。由圖6、7可知，① 接裝紙會導致密度檢測結果偏高；② 燙金接裝紙比空白接裝紙對密度檢測結果影響大；③ 接裝紙寬度越大，對密度檢測結果影響越大。

圖6　樣品C1密度分布曲線

圖7　樣品C2密度分布曲線

2.5介質位置對測量結果的影響

為了直觀分析介質在微波諧振腔內部不同位置時對密度檢測的影響，以黏貼有2 mm燙金接裝紙的濾棒為例，接裝紙中線在濾棒距點燃端40 mm處，微波諧振腔厚度為11 mm，由此可將橫坐標轉化為接裝紙中線到諧振腔中心的距離，見圖8。由圖8可知，當介質處于微波諧振腔中心時比在兩側時檢測結果大，也可以理解為雖然x處的密度測量值由x±5.5 mm段煙支共同作用得到，但x處介質比兩側介質對檢測結果的貢獻大。

a區間是接裝紙還未完全進入諧振腔時的密度變化情況，b區間是接裝紙完全進入諧振腔后到達不同位置的密度變化情況，c區間是接裝紙還未完全退出諧振腔時的密度變化情況

圖8接裝紙處于不同位置時的密度分布曲線

Figure 8Density distribution curve of tipping paper at different position

3　結論

通過對接裝紙類型、寬度、位置以及濾棒填充長度對檢測結果的影響的研究，提出了一種能夠有效降低測量誤差的樣品制作方法，建立了密度測量值與填充長度關系模型，并

為微波煙支密度分布檢測儀的進一步優化提供了一定的理論參考，相關結論如下：① 微波煙支密度分布檢測儀能夠很好地反映煙支整體平均密度情況，但對于煙支內部密度分布尤其是起始位置和接裝紙位置檢測結果誤差較大；② 建立了密度測量值與填充長度關系模型，該模型適用于預測介質未完全填充時密度測量值的變化情況，減小微波腔厚度在理論上能夠提高設備的檢測精度；③ 接裝紙尤其是含金屬接裝紙會造成檢測結果偏大，金屬環越寬影響越大，使用空白接裝紙能夠有效降低測量誤差。

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Measurement characteristics analysis of microwave cigarette density distribution detector

LIU Min-changLIUYangWENRuo-yuZENGJianZHAOWei-yi

(ChinaTobaccoSichuanIndustrialCorporationTechnicalResearchCenter,Chengdu,Sichuan610066,China)

In order to analyze the measurement characteristics of microwave cigarette density distribution detector, the effects of types, width and position of tipping paper, and filling length of filter rod were studied. In this paper, the sample making method that can effectively reduce the measurement error is proposed, and the relationship model between measurement value and filling length of filter rod is also established. Our results showed that the detection accuracy can be theoretically improved by reducing the thickness of the microwave cavity, and this provides a new clue for further optimizing the detector of microwave cigarette density distribution.

microwave cavity; density distribution; metal ring; partially filled

劉民昌(1985—)，男，四川中煙工業有限責任公司工程師，碩士。E-mail：lmc129@126.com

2016-04-16

10.13652/j.issn.1003-5788.2016.08.009