在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)NDC 水分儀精確度影響因素分析

詹 映，徐 杏 ，楊華強(qiáng)，易建定，黃秋岳 ，李建華，岳博文，趙 賢 ，石 超

（1.上海創(chuàng)和億電子科技發(fā)展有限公司，上海200092；2.湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司）

NDC 水分儀由于操作簡(jiǎn)便，功能簡(jiǎn)單且智能被廣泛應(yīng)用于煙草行業(yè)[1]，目前對(duì)水分儀研究集中在儀器本身性能評(píng)價(jià)和校準(zhǔn)改進(jìn)[2-3]、安裝調(diào)試[4]、或者水分儀設(shè)計(jì)與研制[5-6]方面，對(duì)影響水分儀測(cè)試結(jié)果和精度的因素研究較少,章習(xí)等[7]對(duì)其中某個(gè)影響因素進(jìn)行研究，沒(méi)有全面分析水分儀多個(gè)影響因素的影響。

因此，需要確定影響NDC 水分儀精度的因素，并及時(shí)采取相應(yīng)的措施使實(shí)時(shí)采集到的水分儀數(shù)據(jù)能夠真實(shí)地反映煙葉水分值。通過(guò)控制變量法設(shè)計(jì)試驗(yàn)，分別分析溫度、NDC 水分儀、煙葉的牌號(hào)與光照強(qiáng)度對(duì)煙葉水分的影響，進(jìn)一步提高NDC 水分儀的測(cè)量精度，確保產(chǎn)品質(zhì)量，提升生產(chǎn)加工過(guò)程的控制水平。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

采取湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司提供的常用的13 種牌號(hào)煙葉，硬銀紫、峽谷情中支、硬雪之景、硬如意、軟雪之景、硬金砂、硬珍品、軟藍(lán)、軟珍品、紅金龍硬新版、硬雅韻、硬紅、軟雅韻。主要設(shè)備：在線NDC 水分儀、烘箱、溫度傳感器、光強(qiáng)傳感器。

1.2 測(cè)定方法

溫度試驗(yàn)：密封鐵盒一個(gè)，鐵盒直徑尺寸大于NDC水分儀光斑尺寸，取煙絲裝滿鐵盒，密封加熱（烘箱加熱），每個(gè)牌號(hào)取樣10 個(gè)，將裝滿煙絲的鐵盒放在NDC水分儀探頭底下采集水分值和溫度值，讓煙絲逐步冷卻至常溫，整個(gè)過(guò)程中記錄水分值和溫度值，每個(gè)牌號(hào)試驗(yàn)一次。

不同NDC 水分儀靈敏度試驗(yàn)：密封鐵盒一個(gè)，鐵盒直徑尺寸大于NDC 水分儀光斑尺寸，取煙絲裝滿鐵盒，每個(gè)牌號(hào)取樣3 個(gè)，將裝滿煙絲的鐵盒放在NDC水分儀探頭底下采集水分值；同一樣品分別在7 臺(tái)NDC水分儀（7 個(gè)工藝段）上檢測(cè)一次（一次1 min，取平均值），整個(gè)過(guò)程中記錄水分值。

不同牌號(hào)試驗(yàn)：每個(gè)牌號(hào)取樣5 個(gè)，自封袋密封保存，當(dāng)所有牌號(hào)取樣完成后，解開(kāi)密封袋放在實(shí)驗(yàn)室半天，讓所有樣品含水率達(dá)到一致，然后將每個(gè)樣品放在同一NDC 水分儀上檢測(cè)水分值；采集完DNC 水分?jǐn)?shù)據(jù)的樣品采用烘箱檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)水分值；收集NDC 水分檢測(cè)數(shù)據(jù)和烘箱檢測(cè)數(shù)據(jù)。

光強(qiáng)試驗(yàn)：密封鐵盒一個(gè)，鐵盒直徑尺寸大于NDC水分儀光斑尺寸；取煙絲裝滿鐵盒，每個(gè)牌號(hào)取樣10個(gè)；將裝滿煙絲的鐵盒放在NDC 水分儀探頭下采集水分值；根據(jù)實(shí)際環(huán)境一年光強(qiáng)變化情況，設(shè)置7 個(gè)梯度，從50 變化至1 000，依次選組梯度對(duì)煙葉進(jìn)行照射，將樣品放置在NDC 水分儀探頭下采集水分值；采用烘箱檢測(cè)每個(gè)樣品的真實(shí)水分值；每個(gè)牌號(hào)試驗(yàn)一次。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

對(duì)不同NDC 水分值測(cè)試的數(shù)據(jù)進(jìn)行tukey 法多重方差分析，是用來(lái)比較均值ug和ugh（g≠h）的所有可能的兩兩差異的一種聯(lián)立檢驗(yàn)，目標(biāo)是為所有兩兩比較構(gòu)建100（1-α）%的置信區(qū)間。計(jì)算公式如下：

令a為從均值為μ、方差為σ2的正態(tài)分布中得到的一些獨(dú)立觀察的極差(即最大值減最小值),令v為誤差的自由度數(shù)目(多重比較中為N-E)。則學(xué)生化的極差可以定義如下:

均值比較的置信區(qū)間：

其中cg是E 組中的任意比對(duì)，通常有約束條件為：

算法原本設(shè)計(jì)為比較兩個(gè)均值μ1和μ2，故在“±”號(hào)后的第一項(xiàng)就成為：

2 結(jié)果與分析

2.1 物料溫度對(duì)煙葉水分變化的影響

由于溫度的變化會(huì)改變樣品分子間的作用力,水分子中的O-H 的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)發(fā)生變化，從而改變紅外光譜吸收帶的形狀或發(fā)生漂移。因此，需要研究溫度和紅外水分儀檢測(cè)值變化的規(guī)律。在線各個(gè)工序段溫度分布情況，如圖1。

圖1 各個(gè)工序段溫度分布情況

從圖中可以看出，在工藝參數(shù)控制下，各個(gè)工序位置的溫度變化幅度非常小，為了研究溫度變化對(duì)水分值的影響，采取離線試驗(yàn)方案對(duì)每個(gè)常用牌號(hào)使用最小二乘法，建立溫度與水分的回歸模型，每個(gè)牌號(hào)做4 次試驗(yàn)，結(jié)果如表1。

表1 不同牌號(hào)煙葉溫度與水分之間的關(guān)系

從表1 可以看出，煙葉水分值均與溫度為正相關(guān)，12 種牌號(hào)煙葉呈顯著正相關(guān)。

2.2 不同NDC 水分儀對(duì)煙葉水分變化的影響

如圖2，繪制不同NDC 水分儀測(cè)試水分值的箱型圖，可以看出存在顯著差異，烘絲前水分值為正，其他NDC 位置均為負(fù)值，烘絲后水分值最小。

對(duì)不同NDC 水分值測(cè)試的數(shù)據(jù)進(jìn)行tukey 法多重方差分析，結(jié)果與表2。累計(jì)共21 組對(duì)比數(shù)據(jù)，每個(gè)NDC 水分儀測(cè)試數(shù)據(jù)與其他6 臺(tái)水分儀數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，其中僅4 組數(shù)據(jù)差異不顯著，其他均差異顯著，說(shuō)明不同NDC 水分儀之間差異顯著。

圖2 不同NDC 水分儀零位分布

表2 不同NDC 水分儀測(cè)試零值多重方差分析

2.3 不同牌號(hào)對(duì)煙葉水分變化的影響

數(shù)據(jù)分布如圖3，可以看出，不同牌號(hào)煙葉之間水分值存在差異。

圖3 不同牌號(hào)零位分布

取每個(gè)牌號(hào)水分值均值，如表3 所示。可以看出，不同牌號(hào)的煙葉水分儀測(cè)試數(shù)據(jù)與烘箱測(cè)試的水分值存在明顯差異，烘箱水分測(cè)試值普遍偏高，差異最大的為峽谷情中支，硬雪之景的差異較小。

表3 不同煙葉NDC 水分儀與烘箱數(shù)據(jù)差異值

2.4 不同光照強(qiáng)度對(duì)煙葉水分變化的影響

每個(gè)牌號(hào)試驗(yàn)一次，光照梯度設(shè)置7 個(gè)梯度，從50變化至10 000，測(cè)試NDC 水分儀的變化情況，結(jié)果如圖4。

圖4 不同光照強(qiáng)度對(duì)煙葉水分的影響

可以看出，改變光照強(qiáng)度，NDC 水分儀的測(cè)試結(jié)果幾乎不變，可以說(shuō)明，單純光照強(qiáng)度對(duì)煙葉水分幾乎沒(méi)有影響。

3 結(jié)論與討論

溫度試驗(yàn)表明，在加熱煙絲后，煙絲的水分值隨著溫度的降低而降低，但是該溫度試驗(yàn)是模擬將煙絲加熱之后，溫度與水分的關(guān)系，導(dǎo)致這個(gè)方程不可逆，即煙絲水分會(huì)隨著溫度降低而降低，但不會(huì)隨著溫度升高而提升。

不同NDC 水分儀試驗(yàn)說(shuō)明，不同NDC 水分儀之間存在測(cè)量誤差，但是由于不同工序段的加工條件不同，每個(gè)NDC 水分儀的采樣點(diǎn)環(huán)境不同，不單存在溫度的影響，加熱、濕度與風(fēng)力也會(huì)對(duì)水分值產(chǎn)生影響，在工藝參數(shù)控制下，變化幅度較小，后續(xù)可以進(jìn)一步探討針對(duì)特定的工藝環(huán)境下研究NDC 水分儀與烘箱法標(biāo)準(zhǔn)水分值的差異。

不同牌號(hào)試驗(yàn)說(shuō)明，不同牌號(hào)的煙葉水分儀測(cè)試數(shù)據(jù)與烘箱測(cè)試的水分值存在明顯差異，烘箱水分測(cè)試值普遍偏高，其中差異最大的為峽谷情中支，硬雪之景的差異較小。

光照強(qiáng)度試驗(yàn)說(shuō)明，光照強(qiáng)度對(duì)煙葉水分沒(méi)有影響，在NDC 水分儀使用的10 個(gè)波長(zhǎng)段近紅外鏡頭測(cè)定水分值，且NDC 水分儀本身可以抵抗周圍環(huán)境的光線影響，但是太陽(yáng)光的照射具有豐富的紫外線能量，長(zhǎng)期直射會(huì)對(duì)煙葉產(chǎn)生額外的影響，瞬時(shí)的照射不會(huì)對(duì)煙葉水分值產(chǎn)生影響，后續(xù)可以繼續(xù)探討長(zhǎng)時(shí)間光照下煙葉水分的變化情況。