CN114184517A - 一种分段吸阻检测系统及其检测方法 - Google Patents

Abstract

一种分段吸阻检测系统，包括滑动变阻器、进气壳体、顶针、步进电机、数据采集模块、密封橡胶圈、电磁阀、数据流量计、质量流量计、压力传感器、流量控制器、负压发生器、计算机，分段吸阻检测系统顶部设置进气壳体，滑动变阻器上设置步进电机，步进电机连接顶针，所述顶针伸入进气壳体内部。本发明提供的分段吸阻检测系统及其检测方法，在不破坏卷烟烟支完整性的前提下，基于改进后的卷烟吸阻线性网络模型，引入滑动变阻气阻补偿滤嘴通风流量损失部分，并通过数据同化方法减小补偿误差，通过分段吸阻检测装置测得卷烟完整烟支的相关数据后即可根据相应公式直接计算得到准确的卷烟分段吸阻。

Description

一种分段吸阻检测系统及其检测方法

技术领域

本发明涉及烟草检测技术领域，尤其是一种分段吸阻检测系统及其检测方法。

背景技术

卷烟吸阻是卷烟物理指标的一个重要参数，对卷烟抽吸质量有很大影响。目前在我国烟草行业的卷包生产线上配备着多种卷烟烟支物理检测综合测试台，如HY系列、QTM系列和AM-DT系列等，其主要工艺任务为自动测量吸阻、重量、通风率、含水率、直径或圆周、不圆度、长度和硬度，但不能直接检测出烟支烟丝段和滤嘴段的吸阻值，而是需要切割烟支，分段测量得到各段吸阻值。邹冠驰、王乐等建立的线性网络模型将烟支分为烟丝前段(卷烟纸包裹)、卷烟纸段、烟丝后段(接装纸包裹)、滤嘴前段、滤嘴通风段和滤嘴后段六个部分，将卷烟各部分的气阻类比为电阻，各部分气阻间存在着串联或并联的关系，该模型中假设烟丝段和滤嘴段物质性质均匀、各向同性，且都满足一维达西定律，即通过该部分的气流速率与压降差成正比，与横截面积成正比，与长度成反比。但基于该模型设计的卷烟烟支分段吸阻检测仪没有将滤嘴通风段的气流流量损失考虑在内，仪器实际检测结果与真实气阻值偏差较大。

发明内容

为克服现有的缺陷，本发明提出了一种分段吸阻检测系统及其检测方法。

一种分段吸阻检测系统，包括滑动变阻器、进气壳体、顶针、步进电机、数据采集模块、密封橡胶圈、电磁阀、数据流量计、质量流量计、压力传感器、流量控制器、负压发生器、计算机，所述分段吸阻检测系统顶部设置进气壳体，滑动变阻器上设置步进电机，步进电机连接顶针，所述顶针伸入进气壳体内部。

所述滑动变阻器，可表征滑动变阻气阻值的变化，其滑片跟随步进电机移动，从而改变滑片与接点之间电阻的大小,且这种变化是单向的、连续的。

所述进气壳体，在壳体联接处塞有橡胶垫片，确保负压发生器开启后气流只从顶针与壳体侧壁形成的通路进入测量通道。

所述顶针，由步进电机驱动顶入或推出，顶针顶入时，烟丝前段的进气量会减小，为维持恒定的抽吸流量，滤嘴通风孔的进气量会相应增加；顶针推出时，烟丝前段的进气量会增大，为维持恒定的抽吸流量，滤嘴通风孔的进气量会相应减小。顶针全部顶入时，顶针与壳体内壁相接触，对应的滑动变阻气阻值理论上为无穷大；顶针全部推出时，相当于未加针形阀，对应的滑动变阻气阻值为零。

所述步进电机，上部与针形阀的顶针联接，下部与滑动变阻器的滑片联接，电机转动的同时会带动顶针和滑片移动。电机正转对应于顶针顶入、滑动变阻气阻增大，电机反转对应于顶针推出、滑动变阻气阻减小。

所述数据采集模块，其功能是在对针形阀进行压降标定后，根据标定表将顶针位置与滑动变阻气阻值一一对应起来。

分段吸阻的有损检测方法为将烟支分割为烟丝段和滤嘴段，基于现有综合测试台分别对各段进行测试即可得到卷烟的分段吸阻。

所述分段吸阻检测系统内部中空测量通道内设置烟支，第一密封橡胶圈设置于烟支顶端；第二密封橡胶圈设置于烟支烟丝与过滤嘴连接处；第三密封橡胶圈设置于过滤嘴末端，所述第一密封橡胶圈、第二密封橡胶圈和第三密封橡胶圈将分段吸阻检测仪内部中空测量通道分割为第一腔体、第二腔体和第三腔体。

第一腔体连通第一测量通道，第一测量通道上设置第一电磁阀和第一数字流量计；第二腔体连通第二测量通道，第二测量通道上设置第二电磁阀和第二数字流量计。

第三腔体分别连通质量流量计和压力传感器，其中，质量流量计依次连接流量控制器和负压发生器，流量控制器和压力传感器联通计算机。

一种分段吸阻检测系统的检测方法，基于改进后的卷烟吸阻线性网络模型，在恒定的抽吸流量设定下，补偿滤嘴通风段的进气流量损失，并通过数据同化方法减小补偿误差，通过分段吸阻检测装置测得卷烟完整烟支的相关数据后计算卷烟分段吸阻，所述数据同化过程为两个步骤的循环，第一步通过实际系统的观测量与模型产生的预报值相比较/融合，得到系统状态的最佳估计；第二步，根据观测数据和模型两者包含的不确定度信息，平衡二者得到关于未来系统状态的预报值。

通过步进电机驱动顶针调节进气壳体的进气量u，在设定的恒定抽吸流量下，调整进气量u可以间接调整第二测量通道中卷烟样品的滤嘴通风流量；步进电机推动顶针移动引起滑动变阻器的阻值发生变化，数据采集模块记录顶针位置并依据顶针位置-滑动变阻气阻标定表将顶针位置转换为滑动变阻气阻值R_x，

所述顶针位置-滑动变阻气阻标定表为，设定顶针位置区间，顶针位置以等间隔改变，并测得每个位置对应的压降值，从而计算得到顶针位置-滑动变阻气阻标定表。

分段吸阻检测系统测量卷烟吸阻的过程为，将烟支放入测量通道，控制密封橡胶圈开合以开放或封闭侧面通风，电磁阀动作以打开进气通路，并通过数字流量计测得对应气路流量，质量流量计、流量控制器保证滤嘴段的出气流量满足测试标准，开始模拟抽吸时负压发生器打开，压力传感器实时监控，测试过程中流量控制器和压力传感器的数据传送至电脑显示，测得烟支的开放吸阻ΔP_open、滤嘴段封闭吸阻ΔP_cf、封闭吸阻ΔP_close及滤嘴通风率η_filter。

滑动变阻气阻值R_x的计算过程为：

首先，选取实验烟支，利用现有综合测试台分别测得烟丝段和滤嘴段的吸阻值，计算得到烟丝段、滤嘴段的平均气阻值(R₁+R₃)’、(R₄+R₅)’作为真值，测得烟支滤嘴前段与滤嘴段后段的长度之比为k，即其气阻之比R₄/R₅；

其次，设定分段吸阻检测系统抽吸流量，设定顶针位置，步进电机驱动顶针和滑动变阻器的滑片运动至对应位置；将实验烟支放入测量通道，测得烟支的开放吸阻ΔP_open、滤嘴段封闭吸阻ΔP_cf、封闭吸阻ΔP_close、滤嘴通风率η_filter，根据卷烟气流结构及各部分吸阻的关系，通过公式(1)-(2)计算得到烟丝段气阻(R₁+R₃)、滤嘴段气阻(R₄+R₅)：

最后，基于数据同化法和系统误差分析，代入真值(R₄+R₅)’，通过公式(3)-(4)计算得到对应的滑动变阻气阻R_x，

所述数据同化法，是指在考虑数据时空分布以及观测场和背景场误差的基础上,在数值模型的动态运行过程中融合新的观测数据的方法。它是在过程模型的动态框架内,通过数据同化算法不断融合时空上离散分布的不同来源和不同分辨率的直接或间接观测信息来自动调整模型轨迹,以改善动态模型状态的估计精度，提高模型预测能力。数据同化过程主要为两个步骤的循环，第一步可以称为分析，其中实际系统的观测量与模型产生的预报值相比较/融合，得到系统状态的最佳估计；第二步，根据观测数据和模型两者包含的不确定度信息，平衡二者得到关于未来系统状态的预报值。

得到R_x后，根据顶针位置-滑动变阻气阻标定表，将顶针调整到对应位置，重新测试得到烟丝段、滤嘴段的气阻值(R₁+R₃)”、(R₄+R₅)”,若其与真值(R₁+R₃)’、(R₄+R₅)’基本一致，则验证了本检测方法的有效性。

本发明提供的分段吸阻检测系统及其检测方法，在不破坏卷烟烟支完整性的前提下，基于改进后的卷烟吸阻线性网络模型，引入滑动变阻气阻补偿滤嘴通风流量损失部分，并通过数据同化方法减小补偿误差，通过分段吸阻检测装置测得卷烟完整烟支的相关数据后即可根据相应公式直接计算得到准确的卷烟分段吸阻，与传统的有损检测方法相比，在保证卷烟分段吸阻检测结果准确性的同时可显著提高检测效率，为卷烟的实际生产过程提供重要参考。

附图说明

图1为分段吸阻检测系统的示意图。

图2为改进后的分段吸阻线性网络模型。其中：R_x-滑动变阻气阻、R₁₂-烟丝段(卷烟纸包裹)总气阻、R₃-烟丝后段(接装纸包裹)气阻、R₄-滤嘴前段气阻、R₅-滤嘴后段气阻、R₆-滤嘴通风区气阻。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种分段吸阻检测系统及其检测方法进行详细描述。

图1所示，一种分段吸阻检测系统，包括滑动变阻器141、进气壳体142、顶针143、步进电机144和数据采集模块145，所述分段吸阻检测系统顶部设置进气壳体142，滑动变阻器141上设置步进电机144，步进电机144连接顶针143，所述顶针143伸入进气壳体142内部。

所述分段吸阻检测仪系统内部中空测量通道内设置烟支10，第一密封橡胶圈101设置于烟支10顶端；第二密封橡胶圈102设置于烟支烟叶与过滤嘴连接处；第三密封橡胶圈103设置于过滤嘴末端，所述第一密封橡胶圈101、第二密封橡胶圈102和第三密封橡胶圈103将分段吸阻检测仪1内部中空测量通道分割为第一腔体11、第二腔体12和第三腔体13。

所述第一腔体11连通第一测量通道111，第一测量通道111上设置第一电磁阀112和第一数字流量计113；第二腔体12连通第二测量通道121，第二测量通道121上设置第二电磁阀122和第二数字流量计123。

第三腔体13分别连通质量流量计131和压力传感器132，其中，质量流量计131依次连接流量控制器133和负压发生器134，流量控制器133和压力传感器132联通计算机135。

一种分段吸阻检测系统的检测方法，基于改进后的卷烟吸阻线性网络模型，在恒定的抽吸流量设定下，补偿滤嘴通风段的进气流量损失，并通过数据同化方法减小补偿误差，通过分段吸阻检测装置测得卷烟完整烟支的相关数据后计算卷烟分段吸阻，所述数据同化过程为两个步骤的循环，第一步通过实际系统的观测量与模型产生的预报值相比较/融合，得到系统状态的最佳估计；第二步，根据观测数据和模型两者包含的不确定度信息，平衡二者得到关于未来系统状态的预报值。

图1所示的分段吸阻检测系统上，当顶针达到边界位置时，顶针143的顶部与进气壳体142的侧壁可以完全贴合以封闭进气通路。通过步进电机144驱动顶针143以调节进气壳体142的进气量u，通过调整进气量u可以间接调整第二测量通道12中卷烟样品的滤嘴通风流量。步进电机144行程与滑动变阻器141相连，行程L变化引起滑动变阻器141的阻值发生变化。数据采集模块145记录顶针143位置并依据顶针位置-滑动变阻气阻标定表将顶针143位置转换为滑动变阻气阻值R_x。

图1所示的分段吸阻检测系统测量卷烟吸阻的过程为，将烟支10放入测量通道，控制密封橡胶圈(101、102、103)开合以开放或封闭侧面通风，电磁阀(112、122)动作以打开进气通路，并通过数字流量计(113、123)测得对应气路流量，质量流量计131、流量控制器133起到保证滤嘴段的出气流量满足测试标准17.5ml/s的作用，开始模拟抽吸时负压发生器134打开，压力传感器132实时监控，测试过程中流量控制器133和压力传感器132的数据传送至计算机135显示，最终测得烟支10的开放吸阻ΔP_open、滤嘴段封闭吸阻ΔP_cf、封闭吸阻ΔP_close及滤嘴通风率η_filter

实施例

具体实施中，首先将卷烟样品放置在温度为22±2℃，相对湿度为60±5％的恒温恒湿环境下平衡48小时，挑选30支，控制质量变化在±5mg范围内。然后将其中10支卷烟样品分割为烟丝段和滤嘴段，并用胶布缠绕以封闭侧面通风，设定抽吸流量为17.5ml/s，利用现有综合测试台分别测得烟丝段和滤嘴段的吸阻值，然后计算得到烟丝段、滤嘴段的平均气阻值(R₁+R₃)’、(R₄+R₅)’作为真值，测得烟支滤嘴前段与滤嘴段后段的长度之比为k，即其气阻之比R₄/R₅。

利用压降仪对针形阀进行气阻标定，以顶针143位置区间0-500为例，顶针143位置从500开始按间隔10依次减小至0，测得每个位置对应的压降值，即可计算得到顶针位置-滑动变阻气阻标定表。

设定分段吸阻检测系统的抽吸流量Q为17.5ml/s，设定顶针143位置为500(即针形阀全开状态)，步进电机144驱动顶针143和滑动变阻器141的滑片运动至对应位置。将剩余20支卷烟样品依次放入测量通道，测得20支样品的开放吸阻ΔP_open、滤嘴段封闭吸阻ΔP_cf、封闭吸阻ΔP_close、滤嘴通风率η_filter，根据图2所示的卷烟气流结构及各部分吸阻的关系，通过公式(1)-(2)计算得到烟丝段气阻(R₁+R₃)、滤嘴段气阻(R₄+R₅)：

由于此时未考虑滤嘴通风段的进气流量损失，烟丝段、滤嘴段气阻的理论计算值(R₁+R₃)、(R₄+R₅)与通过有损检测方法获得的气阻真值(R₁+R₃)’、(R₄+R₅)’相差较大。基于数据同化法和系统误差分析，代入真值(R₄+R₅)’，通过公式(3)-(4)计算得到对应的滑动变阻气阻R_x：

取20支样品的滑动变阻气阻平均值R_x’作为滑动变阻器141阻值的调整目标值，对照顶针位置-滑动变阻气阻标定表，将顶针141调整至对应位置，然后重新将20支样品放入测量通道，测得其开放吸阻ΔP_open、滤嘴段封闭吸阻ΔP_cf、封闭吸阻ΔP_close、滤嘴通风率η_filter，计算烟丝段气阻(R₁+R₃)”、滤嘴段气阻(R₄+R₅)”，验证其接近通过有损检测方法获得的气阻真值(R₁+R₃)’、(R₄+R₅)’。

表1烟丝段、滤嘴段气阻检测结果

通过表1的实验数据，可以看出，相对于有损检测，无损检测得到的样品烟丝段、滤嘴段气阻值的相对偏差分别为3.2％、4.8％，均小于5％，证明了本检测系统及其检测方法的可行性。

本发明提供了一种分段吸阻的检测方法，通过针形阀调节烟丝前段(卷烟纸包裹)的进气流量，在恒定的抽吸流量设定下，滤嘴通风孔的进气量会相应变化，相当于在原线性网络模型中引入一个随针形阀的顶针移动而变化的滑动变阻气阻，从而间接补偿滤嘴通风段的进气流量损失，并采用数据同化法减小滑动变阻气阻带来的补偿误差。

最后应说明的是，以上实施例仅用以描述本发明的技术方案而不是对本技术方法进行限制，本发明在应用上可以延伸为其他的修改、变化、应用和实施例，并且因此认为所有这样的修改、变化、应用、实施例都在本发明的范围内。

Claims (8)

1.一种分段吸阻检测系统，包括滑动变阻器(141)、进气壳体(142)、顶针(143)、步进电机(144)和数据采集模块(145)，其特征在于，所述分段吸阻检测系统顶部设置进气壳体(142)，滑动变阻器(141)上设置步进电机(144)，步进电机(144)连接顶针(143)，所述顶针(143)伸入进气壳体(142)内部。

2.根据权利要求1所述的分段吸阻检测系统，其特征在于，所述分段吸阻检测系统内部中空测量通道内设置烟支(10)，第一密封橡胶圈(101)设置于烟支(10)顶端；第二密封橡胶圈(102)设置于烟支烟丝与过滤嘴连接处；第三密封橡胶圈(103)设置于过滤嘴末端，所述第一密封橡胶圈(101)、第二密封橡胶圈(102)和第三密封橡胶圈(103)将分段吸阻检测系统内部中空测量通道分割为第一腔体(11)、第二腔体(12)和第三腔体(13)。

3.根据权利要求2所述的分段吸阻检测系统，其特征在于，所述第一腔体(11)连通第一测量通道(111)，第一测量通道(111)上设置第一电磁阀(112)和第一数字流量计(113)；第二腔体(12)连通第二测量通道(121)，第二测量通道(121)上设置第二电磁阀(122)和第二数字流量计(123)。

4.根据权利要求2所述的分段吸阻检测系统，其特征在于，所述第三腔体(13)分别连通质量流量计(131)和压力传感器(132)，其中，质量流量计(131)依次连接流量控制器(133)和负压发生器(134)，流量控制器(133)和压力传感器(132)联通计算机(135)。

5.根据权利要求1所述的一种分段吸阻检测系统的检测方法，其特征在于，基于改进后的卷烟吸阻线性网络模型，在恒定的抽吸流量设定下，补偿滤嘴通风段的进气流量损失，并通过数据同化方法减小补偿误差，通过分段吸阻检测装置测得卷烟完整烟支的相关数据后计算卷烟分段吸阻，所述数据同化过程为两个步骤的循环，第一步通过实际系统的观测量与模型产生的预报值相比较/融合，得到系统状态的最佳估计；第二步，根据观测数据和模型两者包含的不确定度信息，平衡二者得到关于未来系统状态的预报值。

6.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于，通过步进电机(144)驱动顶针(143)调节进气壳体(142)的进气量u，在设定的恒定抽吸流量下，调整进气量u可以间接调整第二测量通道(121)中卷烟样品的滤嘴通风流量；步进电机(144)推动滑动变阻器(141)变化引起滑动变阻器(141)的阻值发生变化，数据采集模块(145)记录顶针(143)位置并依据顶针位置-滑动变阻气阻标定表将顶针(143)位置转换为滑动变阻气阻值R_x，

所述顶针位置-滑动变阻气阻标定表为，设定顶针位置区间，顶针位置以等间隔改变，并测得每个位置对应的压降值，从而计算得到顶针位置-滑动变阻气阻标定表。

7.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于，分段吸阻检测系统测量卷烟吸阻的过程为，将烟支(10)放入测量通道，控制密封橡胶圈(101、102、103)开合以开放或封闭侧面通风，电磁阀动作以打开进气通路，并通过数字流量计测得对应气路流量，质量流量计(131)、流量控制器(133)保证滤嘴段的出气流量满足测试标准，开始模拟抽吸时负压发生器(134)打开，压力传感器(132)实时监控，测试过程中流量控制器(133)和压力传感器(132)的数据传送至计算机(135)显示，测得烟支的开放吸阻ΔP_open、滤嘴段封闭吸阻ΔP_cf、封闭吸阻ΔP_close及滤嘴通风率η_filter。

8.根据权利要求6所述的检测方法，其特征在于，所述滑动变阻气阻值R_x：

首先，选取实验烟支，利用现有综合测试台分别测得烟丝段和滤嘴段的吸阻值，计算得到烟丝段、滤嘴段的平均气阻值(R₁+R₃)’、(R₄+R₅)’作为真值，测得烟支滤嘴前段与滤嘴段后段的长度之比为k，即其气阻之比R₄/R₅；

其次，设定分段吸阻检测仪抽吸流量，设定顶针位置为全部推出，即相当于针形阀全开，步进电机(144)驱动顶针(143)和滑动变阻器(141)的滑片运动至对应位置；将实验烟支放入测量通道，测得烟支的开放吸阻ΔP_open、滤嘴段封闭吸阻ΔP_cf、封闭吸阻ΔP_close、滤嘴通风率η_filter，根据卷烟气流结构及各部分吸阻的关系，通过公式(1)-(2)计算得到烟丝段气阻(R₁+R₃)、滤嘴段气阻(R₄+R₅)：

最后，基于数据同化法和系统误差分析，代入真值(R₄+R₅)’，

通过公式(3)-(4)计算得到对应的滑动变阻气阻R_x：

得到R_x后，根据顶针位置-滑动变阻气阻标定表，将顶针调整到对应位置，重新测试得到烟丝段、滤嘴段的气阻值(R₁+R₃)”、(R₄+R₅)”,若其与真值(R₁+R₃)’、(R₄+R₅)’基本一致，则验证了本检测方法的有效性。

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