CN111830067A - 一种烟嘴滤棒固化剂含量的微波检测系统及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种烟嘴滤棒固化剂含量的微波检测系统及其检测方法，包括依次相连的微波信号产生器、第一隔离器、微波探头、第二隔离器、检波放大器、A/D变换器、信号处理器、数据采集处理计算机和显示器；本发明的烟嘴滤棒固化剂含量的微波检测系统及其检测方法，滤棒通过微波谐振腔时，由于滤棒材料密度和其固化剂含量的不同，也就是它们介电常数的不同，使得微波谐振腔的谐振频率和谐振带宽产生变化，通过精确测量微波谐振腔的谐振频率和谐振带宽变化就能分析计算出滤棒材料的密度和固化剂含量，本发明的烟嘴滤棒固化剂含量的微波检测系统及其检测方法，能在生产过程中连续不间断的进行，且快速、可靠、安全对烟嘴滤棒固化剂含量进行在线检测。

Description

一种烟嘴滤棒固化剂含量的微波检测系统及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种烟嘴滤棒固化剂含量的微波检测系统及其检测方法。

背景技术

滤棒的主要技术指标有长度、圆周、吸阻、硬度、圆度、含水率及部分外观指标。在滤棒成型中甘油(固化剂)的施加量直接影响滤棒的硬度和吸阻，对于各种规格的滤棒，烟厂或材料厂对每根滤棒的重量和滤棒中的甘油含量百分比都有规定，目前，各种在用的成型机均无滤嘴棒甘油分布均匀性及含量在线检测控制技术或装置，都是离线检测的，离线检测所需时间长，只能少量抽检。手动调整，实时性较差，过程慢、期间造成的浪费大；人工干预，系统性差。由于在上述的调整过程中采用的方式是人工进行的，各种参数的调整就是根据操作者的经验来调整的，不存在系统固化的程序分析过程，因此对机组的参数调整和调整的幅度都是很随意的，没有系统性。

微波在一个金属制成的封闭容器(我们将其称为微波谐振腔)内具有谐振特性。当在该谐振腔内部分或全部填充有其它非金属物质(我们称其为介质材料)时，其谐振频率和谐振带宽会因填充的介质材料的介电常数不同、介质材料的多少和形状的不同而产生不同的变化。这种变化对于所填充的介质材料的不同所产生的响应十分敏感。由于滤棒材料的密度和其固化剂含量的不同，它们的介电常数会有一些差别。因而，通过对这些介电常数变化的精确测量，我们可以分析计算出滤棒材料密度和其固化剂含量。

由于烟嘴滤棒固化剂的主要成分为三醋酸甘油酯，其介电常数为6.1，比空气的介电常数1大得多，所以用微波谐振腔技术来测量滤棒材料的固化剂含量即三醋酸甘油酯含量是可能的。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种烟嘴滤棒固化剂含量的微波检测系统及其检测方法，能在生产过程中连续不间断的进行，且快速、可靠、安全对烟嘴滤棒固化剂含量进行在线检测。

实现上述目的的技术方案是：

一种烟嘴滤棒固化剂含量的微波检测系统，其特征在于，包括依次相连的

微波信号产生器：用于产生微波信号；

第一隔离器：滤除微波信号中的外界杂波信号；

微波探头，用于检测喷涂三醋酸甘油酯前丝束密度及水分含量,以及喷涂三醋酸甘油酯后的滤棒的三醋酸甘油酯含量,并将数据信号输出至第二隔离器；

第二隔离器:滤除微波信号中的外界杂波信号；

检波放大器：将接收的微波谐振信号检波后再进行直流放大，放大后输出直流电压信号；

A/D变换器：实时采集所述检波放大器送出的直流电压信号，经过模数转换，将直流电压信号变为数字信号；

信号处理器：接收A/D变换器输出的数字信号并对其进行处理后发送给数据采集处理计算机；

数据采集处理计算机：接收信号处理器的输出数据并计算后输出鉴别出滤棒密度ρ和三醋酸甘油酯含量ψ_r的变化数据图，并根据变化数据图发送喷洒量控制信号；

显示器：显示数据采集处理计算机输出的变化数据图；

同步控制装置：与数据采集处理计算机连接，用于接收数据采集处理计算机的控制信号，并根据控制信号控制滤棒成型机的增塑剂喷雾室的三醋酸甘油酯的喷洒量；

其中：

所述第一隔离器、输入探针、微波谐振腔、输出探针、第二隔离器和检波放大器通过微波同轴电缆依次相连；

在上述的一种烟嘴滤棒固化剂含量的微波检测系统，微波探头包括两个，分别为丝束微波检测头和滤棒微波检测头，所述丝束微波检测头安装在丝束包上方，用于检测喷涂三醋酸甘油酯前丝束密度及水分含量；所述滤棒微波检测头安装在增塑剂喷雾室的后方，用于检测喷涂三醋酸甘油酯后的滤棒的三醋酸甘油酯含量，两个微波探头的结构相同，均包括依次连接的

输入探针：将微波信号注入到微波谐振腔；

微波谐振腔：一个封闭的金属空腔，有一个输入信号和输出信号。并通过这些信号与外部电路相耦合以进行能量交换。产生微波谐振信号。

输出探针：将微波谐振腔内受被测滤棒的影响而变化的微波谐振信号引出；

所述丝束微波检测头的输入探针与第一隔离器连接，丝束微波检测头的输出探针与第二隔离器连接；所述滤棒微波检测头的输入探针与第一隔离器连接，丝束微波检测头的输出探针与第二隔离器连接。

在上述的一种烟嘴滤棒固化剂含量的微波检测系统，所述微波信号产生器采用由数字控制的快速跳频锁相微波源。

在上述的一种烟嘴滤棒固化剂含量的微波检测系统，所述检波放大器带有温度补偿装置。

一种烟嘴滤棒固化剂含量的微波检测系统的检测方法，其特征在于，基于滤棒固化剂含量与微波谐振腔的谐振频率及谐振带宽的关系定义：

固化剂为三醋酸甘油酯；设微波谐振腔的空腔谐振频率为f(L)，空腔谐振带宽为b(L)；当滤棒通过微波谐振腔时，微波谐振腔的谐振频率变为f(0)，腔体谐振带宽变为b(0)，f(0)及b(0)既决定于滤棒中三醋酸甘油酯的含量，也决定于滤棒的密度；

谐振曲线的谐振带宽差为b(0)-b(L)，谐振频率差为f(L)-f(0)；

设ρ表示位于微波谐振腔内部的滤棒密度，ψ_r表示滤棒中的三醋酸甘油酯含量，则谐振曲线的谐振带宽差及谐振频率差都受到ρ和ψ_r的影响；

设定滤棒密度ρ恒定不变，则三醋酸甘油酯含量ψ_r就是谐振曲线的谐振带宽差及谐振频率差的函数，即：

通过谐振带宽差b(0)-b(L)及谐振频率差f(L)-f(0)，就可以求得滤棒的三醋酸甘油酯的含量；

三醋酸甘油酯含量ψr是线性函数，滤棒的三醋酸甘油酯含量按公式(2)确定，即：

ψ_r＝A{b(0)-b(L)/f(L)-f(0)}+B (2)；

公式(2)中，A和B为定标常数，由按同样密度不同三醋酸甘油酯的含量的滤棒来定标确定；

方法具体包括：

S1，所述微波信号产生器产生的微波信号依次通过所述第一隔离器和微波同轴电缆输出至所述输入探针，所述输入探针将微波信号注入所述微波谐振腔，然后，再由所述输出探针将受被测滤棒的影响而变化的微波谐振信号引出，引出的微波谐振信号通过微波同轴电缆及第二隔离器进入所述检波放大器；

S2，所述检波放大器将接收的微波谐振信号检波后再进行直流放大，放大后输出直流电压信号；

S3，所述A/D变换器实时采集所述检波放大器送出的直流电压信号，经过模数转换，将直流电压信号变为数字信号，并将各个时刻的数字信号送入信号处理器的随机存取储存器中；

S4，所述信号处理器比较各个时刻的数字信号大小，即可求得微波谐振腔的实时谐振特性，从而得到每个时刻的微波谐振频率及谐振带宽，所述信号处理器把每个时刻的微波谐振频率及谐振带宽发送给所述数据采集处理计算机；

S5，当微波谐振腔内被测滤棒的三醋酸甘油酯的含量变化时，微波谐振腔的谐振频率及谐振带宽也将发生改变，所述数据采集处理计算机根据滤棒固化剂含量与微波谐振腔的谐振频率及谐振带宽的关系定义，通过计算处理鉴别出滤棒密度ρ和三醋酸甘油酯含量ψ_r的变化；所述数据采集处理计算机将滤棒密度ρ和三醋酸甘油酯含量ψ_r发送给所述显示器进行显示；

S6，所述数据采集处理计算机结合滤棒成型机的速度脉冲信号，根据三醋酸甘油酯的含量ψ_r的变化，发送控制信号给所述同步控制装置，所述同步控制装置控制滤棒成型机的增塑剂喷雾室的三醋酸甘油酯的喷洒量。

本发明的烟嘴滤棒固化剂含量的微波检测系统及其检测方法，滤棒通过微波谐振腔时，由于滤棒材料密度和其固化剂含量的不同，也就是它们介电常数的不同，使得微波谐振腔的谐振频率和谐振带宽产生变化，通过精确测量微波谐振腔的谐振频率和谐振带宽变化就能分析计算出滤棒材料的密度和固化剂含量，本发明的烟嘴滤棒固化剂含量的微波检测系统及其检测方法，能在生产过程中连续不间断的进行，且快速、可靠、安全对烟嘴滤棒固化剂含量进行在线检测。

附图说明

图1为丝束微波检测头和滤棒微波检测头在滤棒成型机上的安装示意图。

图2为本法发明的烟嘴滤棒固化剂含量的微波检测系统的结构框图。

具体实施方式

为了使本技术领域的技术人员能更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对其具体实施方式进行详细地说明：

请参阅图1，在滤棒成型机上，不同的丝束包形成的滤棒的滤棒密度ρ是变化的，在滤棒成型机上安装了两个微波探头，两个微波探头分别为丝束微波检测头4和滤棒微波检测头14，丝束微波检测头4安装在丝束包1上方，负责检测喷涂三醋酸甘油酯前丝束密度及水分含量；滤棒微波检测头14安装在增塑剂喷雾室10的后方，负责检测喷涂三醋酸甘油酯后的滤棒的三醋酸甘油酯含量；丝束微波检测头4为滤棒微波检测头14检测的数据提供补偿。每个所述微波探头均包括通过微波同轴电缆依次相连的输入探针、微波谐振腔和输出探针。

丝束包1出来的丝束2通过导丝环3和丝束微波检测头4后依次经过空气开松器5、导向板6、制动辊7、输入辊8和伸展辊9后进入增塑剂喷雾室10，增塑剂喷雾室10下设置有增塑剂箱11，丝束2在增塑剂喷雾室10内喷涂上固化剂即三醋酸甘油酯，然后喷涂上三醋酸甘油酯的丝束依次经过导向辊12、楔形槽辊13和滤棒微波检测头14，然后经过空气喷嘴15喷出。

请参阅图2，本发明的最佳实施例，一种烟嘴滤棒固化剂含量的微波检测系统及其检测方法，包括依次相连的微波信号产生器21、第一隔离器22、输入探针23、微波谐振腔24、输出探针25、第二隔离器26、检波放大器27、A/D变换器28、信号处理器29、数据采集处理计算机30和显示器31。

第一隔离器22、输入探针23、微波谐振腔24、输出探针25、第二隔离器26和检波放大器27通过微波同轴电缆20依次相连；数据采集处理计算机30上连接有同步控制装置32。

在信号传送过程中，因为磁场功效常常会使数据信号产生“崎变”。可能会出现干扰信号；避免多路信号之间的互相影响，多路信号传输过程中，会产生“交链”干扰，降低系统的控制精度，严重的时候，还可能会造成系统控制失灵，隔离器可以很好的避免这些情况发生。

微波信号产生器21是一个由数字控制的快速跳频锁相微波源，所用芯片采用进口军品级芯片，增加温度补偿电路，经过高低温老化测试，震动测试。

检波放大器27采用Analog Devices公司两枚低噪声高精度运算放大器OP07及军工级品质的阻容元件精心调试、组装，经过长时间通电老化测试。为了提高系统的稳定性必须对检波和放大电路进行温度补偿，检波放大器27带有温度补偿装置。

信号处理器29使用具有ARM Cortex M4内核的STM32F4系列处理器，该处理器运算速度可达到210DMIPS@168MHz。集成了单周器DSP指令和FPU(floating point unit，浮点单元)，由于微波信号产生器21是一个由数字控制的快速跳频锁相微波源，每一时刻对应于一个微波信号频率。比较各个时刻的输出信号大小，即可求得谐振腔的实时谐振特性，从而得到当时的微波谐振频率及谐振带宽。当微波谐振腔内被测滤棒的三醋酸甘油酯的含量变化时，微波谐振腔的谐振频率及谐振幅度也将发生改变。再根据微波谐振腔的谐振频率及谐振幅度与填充物质的关系，通过计算机处理，从而鉴别出滤棒的密度和三醋酸甘油酯的含量的变化。在信号处理器29的信号处理过程中，采用了高速数据处理技术，其数据处理速度达到了几十兆赫的量级，在国内也处于先进水平。它的应用提高了数据处理能力，使得设备能在滤棒成型机高速运行中能对滤棒的材料及三醋酸甘油酯的含量的微小变化所产生的微波谐振频率及幅度的变化响应进行实时检测；我们还采用了专用微波发射及接收装置和特殊电子线路，从根本上解决微波元件电参数现场使用时易漂移和受各种环境变化(如振动、温度、湿度、灰尘)的影响；采用了温度软件补偿方式，克服了检测装置因温度变化而造成的信号波动。

烟嘴滤棒固化剂含量的微波检测系统的检测方法，包括以下步骤：

S1，滤棒固化剂含量与微波谐振腔的谐振频率及谐振带宽的关系确定步骤：

固化剂为三醋酸甘油酯；设微波谐振腔的空腔谐振频率为f(L)，空腔谐振带宽为b(L)；当滤棒通过微波谐振腔时，微波谐振腔的谐振频率变为f(0)，腔体谐振带宽变为b(0)，f(0)及b(0)既决定于滤棒中三醋酸甘油酯的含量，也决定于滤棒的密度；

谐振曲线的谐振带宽差为b(0)-b(L)，谐振频率差为f(L)-f(0)；

设ρ表示位于微波谐振腔内部的滤棒密度，ψ_r表示滤棒中的三醋酸甘油酯含量，则谐振曲线的谐振带宽差及谐振频率差都受到ρ和ψ_r的影响；

设定滤棒密度ρ恒定不变，则三醋酸甘油酯含量ψ_r就是谐振曲线的谐振带宽差及谐振频率差的函数，即：

通过谐振带宽差b(0)-b(L)及谐振频率差f(L)-f(0)，就可以求得滤棒的三醋酸甘油酯的含量；

三醋酸甘油酯含量ψr是线性函数，滤棒的三醋酸甘油酯含量按公式(2)确定，即：

ψ_r＝A{b(0)-b(L)/f(L)-f(0)}+B (2)；

公式(2)中，A和B为定标常数，由按同样密度不同三醋酸甘油酯的含量的滤棒来定标确定；

S2，微波信号产生器21产生的微波信号依次通过所述第一隔离器22和微波同轴电缆20输出至输入探针23，输入探针23将微波信号注入微波谐振腔24，然后，再由输出探针25将受被测滤棒的影响而变化的微波谐振信号引出，引出的微波谐振信号通过微波同轴电缆及第二隔离器26进入检波放大器27；

S3，检波放大器27将接收的微波谐振信号检波后再进行直流放大，放大后输出直流电压信号；

S4，A/D变换器28实时采集检波放大器27送出的直流电压信号，经过模数转换，将直流电压信号变为数字信号，并将各个时刻的数字信号送入信号处理器29的随机存取储存器中；

S5，信号处理器29比较各个时刻的数字信号大小，即可求得微波谐振腔的实时谐振特性，从而得到每个时刻的微波谐振频率及谐振带宽，信号处理器29把每个时刻的微波谐振频率及谐振带宽发送给数据采集处理计算机30；

S6，当微波谐振腔内被测滤棒的三醋酸甘油酯的含量变化时，微波谐振腔的谐振频率及谐振带宽也将发生改变，数据采集处理计算机30根据步骤S1确定的滤棒固化剂含量与微波谐振腔的谐振频率及谐振带宽的关系，通过计算处理鉴别出滤棒密度ρ和三醋酸甘油酯含量ψ_r的变化；数据采集处理计算机30将滤棒密度ρ和三醋酸甘油酯含量ψ_r发送给显示器31进行显示；

S7，数据采集处理计算机30结合滤棒成型机的速度脉冲信号，根据三醋酸甘油酯的含量ψ_r的变化，发送控制信号给同步控制装置32，同步控制装置32控制滤棒成型机的增塑剂喷雾室的三醋酸甘油酯的喷洒量，实现三醋酸甘油酯喷洒量的自动调整，本发明的烟嘴滤棒固化剂含量的微波检测系统及其检测方法可以实现三醋酸甘油酯含量的闭环控制，综合控制效果超过原有甘油喷洒装置。

本发明的烟嘴滤棒固化剂含量的微波检测系统及其检测方法，可以实现滤棒三醋酸甘油酯含量在线检测功能，实时显示在线三醋酸甘油酯含量。将微波检测系统与滤棒成型机的控制机相连，可以实现三醋酸甘油酯含量超标及分布不均匀滤棒在线剔除功能，每检测到一支超标滤棒，控制机控制滤棒成型机的剔除机构一次性剔除1---3支滤棒，避免不合格滤棒流入下一生产环节；并可以按班次在线统计滤棒生产产量，废品剔除率等生产数据。

综上所述，本发明的烟嘴滤棒固化剂含量的微波检测系统及其检测方法，能在生产过程中连续不间断的进行，且快速、可靠、安全对烟嘴滤棒固化剂含量进行在线检测。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (5)

1.一种烟嘴滤棒固化剂含量的微波检测系统，其特征在于，包括依次相连的

微波信号产生器：用于产生微波信号；

第一隔离器：滤除微波信号中的外界杂波信号；

微波探头，用于检测喷涂三醋酸甘油酯前丝束密度及水分含量,以及喷涂三醋酸甘油酯后的滤棒的三醋酸甘油酯含量,并将数据信号输出至第二隔离器；

第二隔离器:滤除微波信号中的外界杂波信号；

检波放大器：将接收的微波谐振信号检波后再进行直流放大，放大后输出直流电压信号；

A/D变换器：实时采集所述检波放大器送出的直流电压信号，经过模数转换，将直流电压信号变为数字信号；

信号处理器：接收A/D变换器输出的数字信号并对其进行处理后发送给数据采集处理计算机；

数据采集处理计算机：接收信号处理器的输出数据并计算后输出鉴别出滤棒密度ρ和三醋酸甘油酯含量ψ_r的变化数据图，并根据变化数据图发送喷洒量控制信号；

显示器：显示数据采集处理计算机输出的变化数据图；

同步控制装置：与数据采集处理计算机连接，用于接收数据采集处理计算机的控制信号，并根据控制信号控制滤棒成型机的增塑剂喷雾室的三醋酸甘油酯的喷洒量；

其中：

所述第一隔离器、输入探针、微波谐振腔、输出探针、第二隔离器和检波放大器通过微波同轴电缆依次相连。

2.根据权利要求1所述的一种烟嘴滤棒固化剂含量的微波检测系统，其特征在于，微波探头包括两个，分别为丝束微波检测头和滤棒微波检测头，所述丝束微波检测头安装在丝束包上方，用于检测喷涂三醋酸甘油酯前丝束密度及水分含量；所述滤棒微波检测头安装在增塑剂喷雾室的后方，用于检测喷涂三醋酸甘油酯后的滤棒的三醋酸甘油酯含量，两个微波探头的结构相同，均包括依次连接的

输入探针：将微波信号注入到微波谐振腔；

微波谐振腔：一个封闭的金属空腔，有一个输入信号和输出信号；并通过这些信号与外部电路相耦合以进行能量交换；产生微波谐振信号；

输出探针：将微波谐振腔内受被测滤棒的影响而变化的微波谐振信号引出；

所述丝束微波检测头的输入探针与第一隔离器连接，丝束微波检测头的输出探针与第二隔离器连接；所述滤棒微波检测头的输入探针与第一隔离器连接，丝束微波检测头的输出探针与第二隔离器连接。

3.根据权利要求1所述的一种烟嘴滤棒固化剂含量的微波检测系统，其特征在于，所述微波信号产生器采用由数字控制的快速跳频锁相微波源。

4.根据权利要求1所述的一种烟嘴滤棒固化剂含量的微波检测系统，其特征在于，所述检波放大器带有温度补偿装置。

5.一种烟嘴滤棒固化剂含量的微波检测系统的检测方法，其特征在于，基于滤棒固化剂含量与微波谐振腔的谐振频率及谐振带宽的关系定义：

固化剂为三醋酸甘油酯；设微波谐振腔的空腔谐振频率为f(L)，空腔谐振带宽为b(L)；当滤棒通过微波谐振腔时，微波谐振腔的谐振频率变为f(0)，腔体谐振带宽变为b(0)，f(0)及b(0)既决定于滤棒中三醋酸甘油酯的含量，也决定于滤棒的密度；

谐振曲线的谐振带宽差为b(0)-b(L)，谐振频率差为f(L)-f(0)；

设ρ表示位于微波谐振腔内部的滤棒密度，ψ_r表示滤棒中的三醋酸甘油酯含量，则谐振曲线的谐振带宽差及谐振频率差都受到ρ和ψ_r的影响；

设定滤棒密度ρ恒定不变，则三醋酸甘油酯含量ψ_r就是谐振曲线的谐振带宽差及谐振频率差的函数，即：

通过谐振带宽差b(0)-b(L)及谐振频率差f(L)-f(0)，就可以求得滤棒的三醋酸甘油酯的含量；

三醋酸甘油酯含量ψr是线性函数，滤棒的三醋酸甘油酯含量按公式(2)确定，即：

ψ_r＝A{b(0)-b(L)/f(L)-f(0)}+B (2)；

公式(2)中，A和B为定标常数，由按同样密度不同三醋酸甘油酯的含量的滤棒来定标确定；

方法具体包括：

S1，所述微波信号产生器产生的微波信号依次通过所述第一隔离器和微波同轴电缆输出至所述输入探针，所述输入探针将微波信号注入所述微波谐振腔，然后，再由所述输出探针将受被测滤棒的影响而变化的微波谐振信号引出，引出的微波谐振信号通过微波同轴电缆及第二隔离器进入所述检波放大器；

S2，所述检波放大器将接收的微波谐振信号检波后再进行直流放大，放大后输出直流电压信号；

S3，所述A/D变换器实时采集所述检波放大器送出的直流电压信号，经过模数转换，将直流电压信号变为数字信号，并将各个时刻的数字信号送入信号处理器的随机存取储存器中；

S4，所述信号处理器比较各个时刻的数字信号大小，即可求得微波谐振腔的实时谐振特性，从而得到每个时刻的微波谐振频率及谐振带宽，所述信号处理器把每个时刻的微波谐振频率及谐振带宽发送给所述数据采集处理计算机；

S5，当微波谐振腔内被测滤棒的三醋酸甘油酯的含量变化时，微波谐振腔的谐振频率及谐振带宽也将发生改变，所述数据采集处理计算机根据滤棒固化剂含量与微波谐振腔的谐振频率及谐振带宽的关系定义，通过计算处理鉴别出滤棒密度ρ和三醋酸甘油酯含量ψ_r的变化；所述数据采集处理计算机将滤棒密度ρ和三醋酸甘油酯含量ψ_r发送给所述显示器进行显示；

S6，所述数据采集处理计算机结合滤棒成型机的速度脉冲信号，根据三醋酸甘油酯的含量ψ_r的变化，发送控制信号给所述同步控制装置，所述同步控制装置控制滤棒成型机的增塑剂喷雾室的三醋酸甘油酯的喷洒量。

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