CN107462540A - 一种卷烟接装纸色差分析装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种卷烟接装纸色差分析装置和方法，该装置包括依次连接的吸烟机、加热装置、过滤装置、环形光纤池、红外光入射装置和检测装置，环形光纤池包括环形池体、设于环形池体一端的进样口、设于环形池体另一端的出样口，红外入射装置设于出样口一侧，检测装置设于进样口一侧，所述加热装置包括管体、设于管体中的烟气通道、设于烟气管道与管体之间的导热材料、设于烟气通道周围的加热元件和若干温度传感器，过滤装置出口与环形池体的进样口相连，吸烟机和加热装置之间还设有缓冲气供气装置，还包括PLC控制器。本发明整个鉴别过程准确、快速、灵敏度高，对卷烟产品提质增效和新产品外观设计提供有效的技术支撑。
Description
技术领域
本发明涉及一种色差分析装置，具体涉及一种卷烟接装纸色差分析装置，还涉及利用该装置进行卷烟接装纸色差分析的方法，属于卷烟接装纸色差管控领域。
背景技术
卷烟接装纸，其外观质量决定了卷烟最终消费者对卷烟产品的第一印象，并在一定程度上影响着消费者对卷烟产品的选择。卷烟消费者对卷烟产品的青睐要求卷烟内在品质及包装质量均应保持一致，评价卷烟包装印刷质量的一致性，通常采用主观目测法或色差仪法将印刷产品与标准样进行对比。判断是否存在色差，卷烟接装纸的色差是指在印刷品输出过程中由于印刷原材料差异和印刷工艺等原因，使得印刷品与原稿之间在色彩领域形成的色彩差异。
卷烟接装纸色差的传统评价方法主要有主观目测法和色差仪分析法，但由于人群对色差的感受程度各不相同，而色差仪可调变区间较窄，因此这两种方法往往难以客观准确地评价卷烟接装纸的色差。基于主流烟气特性的卷烟接装纸色差分析具有快速、准确、在线等优点，而国内应用该技术对卷烟烟支接装纸的色差分析尚未见任何文献报道。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于烟支主流烟气特性对卷烟接装纸的色差进行分析的方法，通过建立一系列主流烟气特性的色差分析模型，快速准确地测定各色彩的差异，为卷烟接装纸的色差快速、准确检测提供了理论依据和方法，以快速、准确的完成卷烟产品外观色差的监控工作，提升卷烟产品的质量。
本发明的目的通过以下技术方案予以实现：
一种卷烟接装纸色差分析装置，包括依次连接的吸烟机、加热装置、过滤装置、环形光纤池、红外光入射装置和检测装置，环形光纤池包括环形池体、设于环形池体一端的进样口、设于环形池体另一端的出样口，红外入射装置设于出样口一侧，检测装置设于进样口一侧，所述加热装置包括管体、设于管体中的烟气通道、设于烟气管道与管体之间的导热材料、设于烟气通道周围的加热元件和若干温度传感器，过滤装置出口与环形池体的进样口相连，吸烟机和加热装置之间还设有缓冲气供气装置，还包括与吸烟机、加热装置、过滤装置、环形光纤池、红外光入射装置、缓冲气供气装置和检测装置连接的PLC控制器。
进一步地，环形池体为环形空芯毛细管柱，内径为0.2mm，长10m，其内壁涂覆有Ag/AgI复合涂层，Ag和AgI的物质的量之比为1：1，涂层厚度为0.15μm。
进一步地，环形池体两端设有三通阀，进样端的三通阀一端与环形池体连接，另一端与检测装置连接，剩余一端为进样口，出样端的三通阀一端与环形池体连接，另一端与红外入射装置连接，剩余一端为出样口，出样口与真空泵相连。
进一步地，所述加热装置的管体为空芯矩形塑料体，烟气通道为薄层铜管，加热元件为设于烟气通道周围的加热电阻丝，所述加热电阻丝为包围所述烟气通道的矩形框架，所述导热材料为纤维状硅酸铝棉，若干温度传感器设于加热电阻丝附近，加热电阻丝和若干温度传感器与PLC控制器连接。
进一步地，所述过滤装置滤片孔径为2μm。
进一步地，所述检测装置为二极管阵列检测器，所述红外光入射装置为二维相关红外光谱仪。
本发明涉及的使用上述的装置进行卷烟接装纸色差分析方法，包括如下步骤：
（1）红外入射装置的开机及预处理：打开红外入射装置进行预热，中红外光谱一前一后发射，用缓冲气吹扫加热装置、过滤装置和环形光纤池中残留的空气，然后关闭进样口处的阀门，打开出样口处的阀门，并抽真空，然后关闭出样口的阀门；
（2）背景采集：打开环形光纤池进样口阀门，收集实验环境中的惰性气体作为背景，进样至压力表示数稳定时，关闭进气阀；采集二维中红外光谱信号，并以此信号作为背景信号，信号测定两个平行样，直至信号稳定为止；
（3）卷烟测试样的制作：选用不同的待测接装纸制成卷烟测试样，其中一个为建模用的标杆接装纸制成卷烟测试样。
（4）烟气的产生和前处理：打开高压气瓶控制阀，调节缓冲气的流量为1-10ml/min，通过吸烟机分别抽吸待测卷烟，产生的烟气依次经过加热装置和过滤装置，准备进入气体池，产生的烟气与缓冲气的体积比为1：5-10；
（5）采集光谱：吸烟机开始抽吸卷烟5s左右，打开出样口的阀门，并再次抽真空，关闭出样口阀门，打开进样口阀门，使产生的烟气进入到气体池中，待进样口压力表示数稳定后，关闭进气阀，采集样品的红外光谱，描次数至少24次，需重复采集建模用的标杆卷烟纸卷制测试样品的红外光谱10次以上；
（6）数据分析：以自适应背景扣除算法对步骤（5）所得红外光谱进行预处理，以提升信号的信噪比；再按常规计算滤波后信号的主成分得分，该得分即为卷烟测试样主流烟气的特征，进而判断卷烟测试样的主成分得分是否在标杆接装纸所制卷烟PCA得分的区域之内，进而判断是否存在色差。
进一步地，步骤（1）中，吹扫时间为2min，真空度抽到-100.00 Kpa；步骤（2）中，一共收集10次，每次35mL；步骤（5）中，真空度抽到-100.00 Kpa。
进一步地，所述卷烟烟气每次抽吸为一口，容量为35mL，不采集燃烧不完全的第一口主流烟气，每只卷烟收集第2～7口，共6口的主流烟气。
与现有技术相比，本发明具备的优点及效果如下：
本发明的环形光纤气体池为空芯光纤结构，其内壁涂覆有Ag/AgI复合涂层，使得入射光源在空芯光纤内形成多次反射而延长光与物质交互作用的光程，能够更高效地提升待测体系的红外吸收强度，从而降低检出限，提高分析的精密度和准确性。
本发明加热装置结构具有优良的传热性能，立方体状的加热电阻丝便于更好的传热，设置温度传感器便于调节加热丝的加热效率。
本发明设计并应用空芯光纤波导二维红外光谱，红外入射装置为二维相关红外光谱仪，具备高灵敏度（ppm 级别），检测装置采用二极管阵列检测器，带有一个20Hz的高速二极管保证数据采集更加迅速，使窄峰获得更精确的重现；带一个20位A/D转换器提供了更好的基线噪音数字分辨率，减少定量错误；光束使用数百个二极管阵列，并且在整个光谱波段上有响应，且数字分辨率可达到1.2 nm，可实现对主流烟气气相物的动态实时检测和在线监控，适用于卷烟主流烟气的整体特征的分析检测，无需放置剑桥滤片对粒相部分单独捕集，能直接收集主流烟气的整体光谱信息，通过背景扣除和数据预处理，可以增强仪器分析的灵敏度，结合计量学计算方法可以方便的计算样品的主成分（PCA）得分，得分即表征了该样品的主流烟气整体特征，可用该得分对不同卷烟测试样接装纸的色差进行分析鉴别。整个鉴别过程准确、快速、灵敏度高，对卷烟产品提质增效和新产品外观设计提供有效的技术支撑。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的加热装置的结构示意图；
图3为实施例的烟气样本的原始红外光谱；
图4为实施例的烟气样本经预处理后的红外光谱；
图5为实施例的烟气样本红外光谱的主成分得分图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是对本发明一部分实例，而不是全部的实例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，本实施例的卷烟接装纸色差分析装置，包括依次连接的吸烟机1、加热装置2、过滤装置3、环形光纤池4、红外光入射装置5和检测装置6，环形光纤池4包括环形池体4.1、设于环形池体4.2一端的进样口、设于环形池体4.2另一端的出样口，红外入射装置5设于出样口一侧，检测装置6设于进样口一侧，过滤装置3出口与环形池体4的进样口相连，还包括与吸烟机1、加热装置2、过滤装置3、环形光纤池4、红外光入射装置5和检测装置6连接的PLC控制器。加热装置2包括管体2.2、设于管体2.2中的烟气通道2.1、设于烟气通道2.1与管体2.2之间的导热材料2.5、设于烟气通道2.1周围的加热元件2.3和若干温度传感器2.4。作为优选，管体2.2为空芯矩形塑料体，烟气通道2.1为薄层铜管，加热元件2.3为设于烟气通道2.1周围的加热电阻丝，加热电阻丝为包围所述烟气通道的矩形框架，导热材料2.5为纤维状硅酸铝棉，若干温度传感器2.4设于加热电阻丝附近，加热电阻丝和若干温度传感器与PLC控制器连接。管体2.2材质为采用耐热性和耐磨性优良且市场价格适中的热塑性聚酯PBT/PET工程塑料。加热电阻丝材质为Cr/Ni合金，外层包裹无碱玻璃纤维绝缘材料。
环形池体4.1为环形空芯毛细管柱，内径为0.2mm，长10m，其内壁涂覆有Ag/AgI复合涂层，Ag和AgI的物质的量之比为1：1，涂层厚度为0.15μm。
环形池体两端设有三通阀，进样端的三通阀4.2一端与环形池体连接，另一端与检测装置连接，剩余一端为进样口，进样口上设有第一阀门4.3，检测装置连接口设有第二阀门4.4，出样端的三通阀4.7一端与环形池体4.1连接，另一端与红外入射装置5连接，该连接口设有第三阀门4.5，剩余一端为出样口，出样口上设有第四阀门，出样口与真空泵相连，第一、二、三、 四阀门由PLC控制器控制，三通阀为不锈钢。
过滤装置为可采用SM450（英国Cerulin公司）吸烟机专用的烟支夹持装置作为过滤装置，其中放置一个2μm孔径的专用滤片，当主流烟气经过夹持装置滤片时可以过滤掉碳颗粒等较大粒径的杂质。
检测装置可采用Model 6000型（美国Super Systems Inc 公司）二极管阵列检测器，红外光入射装置可采用Spectrum 100 二维相关红外光谱仪，Spectrum v 6.3.5操作软件（美国 Perkin Elmer 公司），光谱仪可以发射快慢不同的两束红外光谱，红外光谱的测定范围为3500~400 cm-1，光谱间相位差范围为（-π、π）。吸烟机1、加热装置2、过滤装置3与环形光纤池4之间通过韧性优良且具有一定耐压性的铜管连通。
吸烟机采用RM1/Puls单孔道吸烟机（德国Borgwaldt KC公司）；用于抽吸卷烟并生成主流烟气。
缓冲气可采用性质稳定的惰性气体，例如N2、He等，气体由高压气瓶供气，气体流量控制在10 mL/min以内，气体可以对主流烟气起到缓冲和稳定的作用，防止主流烟气中的高活性分子之间产生弹性碰撞而淬灭。真空泵可采用D60C德国莱宝公司的机械泵。
实施例2
利用实施例1的装置进行卷烟接装纸色差分析。
1、试剂与材料：
除另有规定外，所用试剂均为分析纯。
氮气：N2（纯度 ≥ 99.99%）。
材料：云烟（软珍品）正品卷烟接装纸（以下简称标杆接装纸）、存在色差的云烟（软珍品）卷烟接装纸（以下简称色差接装纸）。
本实施例的卷烟接装纸色差分析的方法，包括如下步骤：
（1）二维红外光谱的开机及预处理：打开二维红外光谱，二维光谱信号为一前一后发射的中红外光谱，设置其前后两条光谱间相差5秒，并进行预热，用惰性气体吹扫加热装置、过滤装置和环形光纤池中残留的空气，其中，惰性气体为氮气，吹扫时间为2 min，然后关闭进样口处的进气阀，打开与机械泵相连接的光纤出口处的出气阀门，并用外接的机械泵将气体池的真空度抽到-100.00 KPa，关闭机械泵及与样品池连接的阀门；
（2）背景采集：打开环形光纤池的进样口阀门和高压气瓶控制阀，并通入氮气，以收集实验环境中的惰性气体作为背景，进样至压力表示数稳定时，关闭进气阀，一共收集10次，每次35mL；检测装置采集中红外光谱信号，并以此信号作为背景信号，信号可测定两个平行样，直至信号稳定为止；
（3）卷烟测试样的制作：选用不同的待测接装纸（包括标杆接装纸和色差接装纸）、相同的云烟（软珍品）用正品卷烟纸、内衬纸和滤嘴棒、相同的云烟（软珍品）烟丝配方、相同的香精香料配方和相同的工艺条件卷制成卷烟测试样A（标杆接装纸卷烟）和B（色差接装纸卷烟），每个测试样卷制5个样品。
（4）烟气的产生和前处理：通过单通道吸烟机分别抽吸待测卷烟测试样A和B，产生的烟气先后经过加热装置和过滤装置，准备进入气体池，打开高压气瓶控制阀，调节惰性气体的流量为8ml/min，使产生的烟气与惰性气体的体积比为1:5；不收集燃烧不完全的第一口主流烟气，每只卷烟收集第2～7口，共6口的主流烟气。待测试卷烟A和B各生成5个主流烟气样本，编号前1-20号为测试样A的主流烟气样本，编号21-30号为测试样B的主流烟气样本。
（5）采集光谱：在步骤（4）单通道吸烟机开始抽吸卷烟5s左右，打开出样口处的阀门，并打开机械泵重新将气体池真空度抽至-100.00 KPa，关闭机械泵及其与气体池相连接的阀门，打开进样口处的阀门，使产生的烟气进入到气体池中，待进样口压力表示数稳定后，关闭进气阀，分别采集样品的红外光谱。仪器扫描次数30次，以加大扫描次数以提升信噪比，光谱分辨率为1cm-1；如图3所示；
（6）数据分析：采用Chempattern软件（科迈恩科技有限公司，中国）的红外光谱法解决模块，以自适应背景扣除算法对光谱数据进行预处理，以提升信号的信噪比，如图4所示；再按常规计算滤波后信号的主成分得分（PC1和PC2），两个主成分得分对原始变量的方差解释率分别为：73.77%和19.01%。
（7）验证：通过两个主成分得分（PC1和PC2）在坐标轴所围成的模式空间里的分布情况可以观察两类卷烟测试样（A和B）的区分度，并予以分类。
图3显示了烟气样本的原始红外光谱，由图可见，两类烟气样本（A和B）的区分度较低，但从重现性而言，高灵敏红外气体光谱技术具备良好的重现性。对图3中的光谱进行了自动扣除背景操作，如图4所示，为了进一步验证图4中的烟气特征的细微差别，对图4中的光谱进行了主成分分析，所得结果如图5所示。由图5可见，长光程红外光谱技术准确提取了两类不同烟气样本的细微特征差别，借助化学计量学技术，有望进一步应用于不同品类烟气的准确区分。
编号1～30的样品通过计算获得各自的主成分得分，主成分得分在坐标轴围成的模式空间中处于不同的位置，其中1～20号样品为正方形，处于模式平面的第二、三象限，围成一个椭圆圈，是标杆接装纸卷烟样品区域；而21～30号样品处于一、四象限，为圆球形，也聚成为一类，是色差接装纸卷烟样品区域。说明B类样品所采用的卷烟接装纸与A类样品存在色差，可见，本发明应用于接装纸色差的分析和鉴别，具备良好的应用潜力。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种卷烟接装纸色差分析装置，其特征在于：包括依次连接的吸烟机、加热装置、过滤装置、环形光纤池、红外光入射装置和检测装置，环形光纤池包括环形池体、设于环形池体一端的进样口、设于环形池体另一端的出样口，红外入射装置设于出样口一侧，检测装置设于进样口一侧，所述加热装置包括管体、设于管体中的烟气通道、设于烟气管道与管体之间的导热材料、设于烟气通道周围的加热元件和若干温度传感器，过滤装置出口与环形池体的进样口相连，吸烟机和加热装置之间还设有缓冲气供气装置，还包括与吸烟机、加热装置、过滤装置、环形光纤池、红外光入射装置、缓冲气供气装置和检测装置连接的PLC控制器。
2.根据权利要求1所述的卷烟接装纸色差分析装置，其特征在于：环形池体为环形空芯毛细管柱，内径为0.2mm，长10m，其内壁涂覆有Ag/AgI复合涂层，Ag和AgI的物质的量之比为1：1，涂层厚度为0.15μm。
3.根据权利要求1所述的卷烟接装纸色差分析装置，其特征在于：环形池体两端设有三通阀，进样端的三通阀一端与环形池体连接，另一端与检测装置连接，剩余一端为进样口，出样端的三通阀一端与环形池体连接，另一端与红外入射装置连接，剩余一端为出样口，出样口与真空泵相连。
4.根据权利要求1所述的卷烟接装纸色差分析装置，其特征在于：所述加热装置的管体为空芯矩形塑料体，烟气通道为薄层铜管，加热元件为设于烟气通道周围的加热电阻丝，所述加热电阻丝为包围所述烟气通道的矩形框架，所述导热材料为纤维状硅酸铝棉，若干温度传感器设于加热电阻丝附近，加热电阻丝和若干温度传感器与PLC控制器连接。
5.根据权利要求1所述的卷烟接装纸色差分析装置，其特征在于：所述过滤装置滤片孔径为2μm。
6.根据权利要求1-5之一所述的卷烟接装纸色差分析装置，其特征在于：所述检测装置为二极管阵列检测器，所述红外光入射装置为二维相关红外光谱仪。
7.一种使用权利要求1-6所述的装置进行卷烟接装纸色差分析方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）红外入射装置的开机及预处理：打开红外入射装置进行预热，中红外光谱一前一后发射，用缓冲气吹扫加热装置、过滤装置和环形光纤池中残留的空气，然后关闭进样口处的阀门，打开出样口处的阀门，并抽真空，然后关闭出样口的阀门；
（2）背景采集：打开环形光纤池进样口阀门，收集实验环境中的惰性气体作为背景，进样至压力表示数稳定时，关闭进气阀；采集二维中红外光谱信号，并以此信号作为背景信号，信号测定两个平行样，直至信号稳定为止；
（3）卷烟测试样的制作：选用不同的待测接装纸制成卷烟测试样，其中一个为建模用的标杆接装纸制成卷烟测试样；
（4）烟气的产生和前处理：打开高压气瓶控制阀，调节缓冲气的流量为1-10ml/min，通过吸烟机分别抽吸待测卷烟，产生的烟气依次经过加热装置和过滤装置，准备进入气体池，产生的烟气与缓冲气的体积比为1：5-10；
（5）采集光谱：吸烟机开始抽吸卷烟5s左右，打开出样口的阀门，并再次抽真空，关闭出样口阀门，打开进样口阀门，使产生的烟气进入到气体池中，待进样口压力表示数稳定后，关闭进气阀，采集样品的红外光谱，描次数至少24次，需重复采集建模用的标杆卷烟纸卷制测试样品的红外光谱10次以上；
（6）数据分析：以自适应背景扣除算法对步骤（5）所得红外光谱进行预处理；再按常规计算滤波后信号的主成分得分，该得分即为卷烟测试样主流烟气的特征，进而判断卷烟测试样的主成分得分是否在标杆接装纸所制卷烟PCA得分的区域之内，进而判断是否存在色差。
8.根据权利要求7所述的卷烟接装纸色差分析方法，其特征在于：步骤（1）中，吹扫时间为2min，真空度抽到-100.00 Kpa；步骤（2）中，一共收集10次，每次35mL；步骤（5）中，真空度抽到-100.00 Kpa；缓冲气的流量为1-10ml/min。
9.根据权利要求7所述的卷烟的卷烟接装纸色差分析方法，其特征在于：所述卷烟烟气每次抽吸为一口，容量为35mL，不采集燃烧不完全的第一口主流烟气，每只卷烟收集第2～7口，共6口的主流烟气。
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