基于X射線煙葉含梗率無損檢測裝置的設計與應用

李克強 李瑞東 張 云 黃文勇 尚關蘭 楊曉華 經 坤

（1.云南煙葉復烤有限公司，昆明650031；2.云南昆船設計研究院有限公司工業裝備所，昆明 650051）

隨著特色優質煙葉開發、中式卷煙制絲生產線、細支卷煙技術升級創新等重大專項的實施，煙草產業鏈上游的煙葉生產、下游的卷煙制造均已實現強化和提升，打葉復烤作為煙草產業鏈承上啟下的中間環節，現已成為產業鏈中的技術洼地和短板，特別是打葉復烤加工過程質量檢測水平已不適應大品牌和創新產品發展需要。雖然打葉復烤在線質量檢測技術已有在線紅外水份溫度檢測儀、電離輻射裝箱密度檢測儀，但由于打葉復烤過程葉關鍵環節的葉中含梗率指標檢測手段落后，制約著打葉復烤技術向著精細化、數字化生產發展[1]。為此，研發一種便利、高效、適合在線檢測的基于X射線技術煙葉含梗率無損檢測設備，解決現有檢測手段的技術瓶頸，對促進煙草工業現代化發展、保證煙草產品質量有重要意義[2]。

1 存在問題

長期以來，煙葉復烤廠采用葉含梗率的檢測手段還是傳統的破壞性檢測，即首先用打葉機械設備對煙葉進行機械式破碎葉梗分離，然后人工按標準進行葉片和葉梗分裝進行稱重并計算葉中含梗率。這種方式存在以下主要問題：（1）破壞性檢測不可重復，浪費煙葉原料，增加企業運營成本，每次檢測約3kg的樣本，造成約40%煙葉失去使用價值，每年損失數十萬經濟損失；（2）檢測效率低，相對于生產來說檢測具有嚴重的滯后性，每次檢測耗時約半個小時，導致設備不能及時依據結果作出快速調整，產品質量控制風險大；（3）檢測結果的人為因素影響多，整個檢測過程多個環節需要人工參與，如葉和梗分離后分選稱重計算等，增加檢測過程的系統性誤差。

2 煙葉含梗率無損檢測裝置的設計

2.1 設備結構

如圖1所示，按照混合葉梗的煙葉入口到出口的安裝順序進行描述，煙葉從進料斗1加入并落到皮帶輸送裝置11上，隨著皮帶輸送裝置11的運動，煙葉被輸送至X射線探測裝置10下方。在進料斗1與皮帶輸送裝置11過渡處，設置有刮料板，用于將煙葉刮平，以利于檢測。

X射線發生裝置100被整體設置在射線防護腔3內，包括X射線管5，X射線管5安裝在射線管安裝架6上。射線管安裝架6包括前支架、后支架和可調節底座。前支架是一個內襯鉛板的防護腔體，其作用是屏蔽由X射線管5窗口發射出來的射線，并支撐X射線管5。而且，射線的發射角度也可由前支架來調節。射線管安裝架6中的可調節底座不但用來固定前、后支架，而且是前支架和準直器7的過渡部件。為防止射線泄漏，可調節底座上開有沉臺，前支架、后支架和準直器7都嵌入沉臺中，這樣可保證射線通道的整體屏蔽性，防止接口處泄漏。

圖1 設備結構示意圖

而在X射線管5的外層罩有防護罩4，其與可調節底座共同形成一個屏蔽區域，作用是防止由于X射線管5本身或其與前支架、后支架安裝時存在裝配問題而出現的X射線泄漏。

準直器7被設置在X射線發生裝置100和皮帶輸送裝置11之間，作用是限制照射區域，使X射線主要集中在檢測區域內，減少不需要的照射帶來的干擾。在準直器7的端面上配有濾光板，可提高檢測區域內的射線強度均衡性，有利于檢測圖像的分析處理。

煙葉被輸送至X射線探測裝置10下方時，通過X射線的照射對煙葉進行掃描，此時由于X射線的穿透性，從混合物種將葉梗和煙葉的投影區分出來，并被X射線探測器10獲取[3]。被掃描過的煙葉被繼續向前輸送，進而從出料斗8輸出。而X射線探測器10將檢測信號轉化為數字信號傳遞給信號分析處理系統進行處理。

X射線探測器10位于皮帶輸送裝置11的輸送帶下方，被安裝在位于皮帶輸送裝置11的腹部的探測器密封腔9內。X射線探測器10須與X射線管5保持在同一光軸上，以減小測量偏差。

探測器密封腔9是一個屏蔽空腔，它與射線管安裝架6、準直器7構成第一層X射線防護體系，理論上X射線只在這一防護區域內存在。

2.2 設備工藝原理

把取來的煙葉從入料口到處檢測設備，檢測設備的皮帶機組把被檢測的煙葉攤薄，進入X射線掃掃描區域，X射線穿過承載被測物的皮帶輸送裝置的皮帶面，然后被X射線探測器檢測，X射線探測器將探測信號轉化為電信號傳送給信號分析處理系統[4]。依據被測葉、梗混合物的物理組織密度不同，對X射線的衰減能力存在差異，則投射到X射線探測器上的探測信號出現相應的差異，信號分析處理系統利用這種差異檢測出梗的結構尺寸，折算出煙葉面密度和煙梗面密度，計算機通過統計葉和梗的檢測數據，即可得出煙葉中梗所占的比率。

設葉中含梗率的百分比為P、片煙的重量為M、煙梗的重量為M2：

3 應用效果

為驗證X射線煙葉含梗率無損檢測裝置檢測結果的準確性，與傳統的葉中含梗率檢測設備進行比較，選取同一等級的煙葉作檢測，結果如圖1所示。

圖2 X射線無損檢測裝置和傳統裝置葉中含梗率對比圖

從圖2結果可看出采用研發出來X射線無損檢測裝置和傳統法檢測葉中含梗率的結果趨勢相同，葉中含梗率相對誤差均保持在5%以下，數據誤差保持在許可的范圍之內，從而驗證了采用新裝置檢測的結果穩定可靠，且邀請第三方檢測機構對設備輻射進行監測，符合國家標準《電離輻射防護與輻射源安全基本標準》要求。