CN1368634A - 一种生产材料的检验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于检验主要含有一种生产材料的一定材料量中是否存在异物的方法。为此,产生了一个微波场,并让该材料量通过该微波场的有效范围。确定该微波场的两个特征值的实际值,然后检验这些实际值是否在一个允许值范围。如果不在允许值范围,则产生一个信号,这个信号表示该材料量内存在异物。

Description

一种生产材料的检验方法

技术领域

本发明涉及一种用于检验主要含有一种生产材料的一定材料量中是否存在异物的方法。该方法产生一个微波场，该材料量被输入该微场的有效范围，并分析该微波场的影响。

技术背景

在烟草加工业中，大量烟草进行自动处理。其中，烟草一般要依次进行多道工序的处理并为此例如用传送带在不同的设备之间进行传送。偶尔观察到在烟草加工的最终产品例如香烟中存在异物，在最不利的情况下，这类异物可能对产品性能例如外观、味觉和烟值产生负面影响。所以烟草加工业一直在寻找各种方法来避免在其产品中出现这类异物。在先有技术中，主要采用光学方法，在这类方法中，首先将烟草沿着一定的运输区段扩展成单层，然后用摄像和图像处理设备寻找并挑出异物。相关设备昂贵而且只能用于烟草加工的范围。直接在香烟卷制之前或在其卷制的过程中进入烟草中的异物不可能发现。在香烟卷制过程中，采用筛分装置来筛掉太重的烟草粒子(梗)，通过这类装置可以清除一些异物；以及用金属探寻器来识别业已包封的烟条中的金属。但在这里对全部可能存在的异物的绝大部分都不复可能识别出来。

从先有技术中已知许多有关用微波来测量烟条中的烟草密度和湿度的方法。这些方法中，有一部分是很精确的，并基于烟草是一种良好的电介质和作为很吸湿的物质具有10至20重量百分比的相当高的含水量。水本身也是一种很好的电介质并在微波频率时由于分子偶极子的高度活动性而具有高的损耗因数。这些特点的结果是，烟草的存在严重影响了微波场且可很好区分由于干的烟草含量和含水量引起的影响。US 4 707 652公开了一种方法来测量烟草试样上的微波场的空间散射的反常性，以便由此识别异物。但这种方法很慢，因而特别不适用于快速运转的卷烟机。

发明内容

本发明的目的是提出一种方法来在香烟制造业的生产材料中尤其是包封成烟条的烟草中快速探测并由此剔除尽可能多的不同杂质材料组成的异物。

根据本发明，这个目的是通过这样一种方法来实现的，在这种方法中产生一个微波场，材料被引入该微波场的有效范围并分析微波场影响，其特征为：同时测量微波场的第一和第二特征值的实际值；预先给定这些实际值的允许值范围；检验这些实际值是否在允许值范围；如果这些实际值不在允许值范围，则产生一个信号。

按照本发明的规定，作为微波场的值在这里既指产生的微波场的实值，例如振幅和相位，又指控制微波场的元件的值，例如传播该微波场的谐振器的谐振频率和带宽。

根据本发明的方法，允许值范围最好包括上述两种值的这样一些，即它们是在微波场通过只含有生产材料的一定材料量的影响时产生的。

最好信号显示材料量中异物的存在。

材料量以物流形式通过微波场的有效范围是特别简单的。其中，如果物流通过一种包裹材料进行包裹则是有利的。

这种方法特别适用于烟草加工业的生产材料，例如烟丝或过滤嘴丝。

物流最好在通过微波场的有效范围之前或之后进行分段，并随即将那些在通过时产生信号的段排除出去。

在这个方法的特别有利的一种方案中，生产材料在通过该有效范围之前首先成型为连续的烟丝条并随即用卷烟纸包裹。在通过之前或之后，将该烟条分成细长的段序列，这些细长段被进一步加工成香烟。凡是在通过时产生信号的段都在下一步加工之前从段序列中排除出去。

按下述方式确定允许值范围是特别有利的，即把没有含异物的生产材料的一定的标准量引入微波场的有效范围，并在标准量通过的过程中测出实际值，这些实际值构成允许值范围。其中，该标准量最好用卷烟纸包裹。

本发明的方法可特别简单地与一种方法进行组合，在该方法中，同时和独立地从微波场的相同特征值的实际值中至少确定该生产材料的一种特性。该特性尤其是作为生产材料用的烟草的密度和/或湿度。

本发明的方法基于这样的原理，即烟草的上述电介质特性明显地不同于许多其他材料的特性。按照本发明的目的，所谓其他材料主要是指大工业中常用的一些材料，因为正是这些材料在加工过程中有可能进入烟草内。这类材料尤指金属和塑料。

金属对微波的影响完全不同于其他的电介质材料，因为金属的高的导电率会导致电磁场的电元件短路。这样就会导致微波的强烈反射和散射。

工程上用的塑料一般是最理想的不吸水的材料，因为水会导致材料的机械和电性能产生不希望有的气候相关性。所以塑料具有的介电常数和损耗因数明显不同于含水量高的烟草。

本发明方法可同时很快速和很可靠地识别一种生产材料中的多种异物，因而特别适用于烟草加工业的快速运转的生产机器，尤其是卷烟机。

附图简要说明

下面结合附图来详细说明本发明方法的一些使用例子：

图1表示原理上由DE 197 05 260 A1提出的关于烟条中烟丝密度和湿度的一种测定装置的示意图；

图2表示一个用来测量例如卷好的烟条中的烟丝密度和烟丝湿度的谐振器的谐振曲线；

图3、4和5表示用来测量图2所示谐振曲线的一种优选方法；

图6表示确定微波场的两个特征值的另一种方法，该微波场被一种被测物料影响；

图7表示一个通过微波场的两个特征值的值展开的理论平面的图示，图中画出了一条识别异物的边界线。

具体实施方式

图1所示的装置由一个微波发生器3和一个频率控制装置24组成，该频率控制装置可保证发生器3产生具有这样一个频率的微波，即该频率周期性地一个紧接着一个地在两个值f1和f2之间交换。微波通过一个退耦元件18输入一个谐振装置1中，微波用天线4输入该谐振装置。退耦元件18阻止发生器3被谐振装置1上反射的微波干扰。微波用另一根天线6从谐振装置1输出并通过另一个退耦元件19输入一个整流二极管22中。整流二极管22输出一个输出信号，该信号基本上与其输入的微波功率成比例。这个输出信号与频率控制装置24的控制信号一起被输入一个检波装置23中。检波装置23通过控制信号25分离整流二极管22的输出信号，当微波发生器3发生频率f1和频率f2的微波时，由整流二极管22分别输出该输出信号，且检波装置23分别向计算电路11提供两个输出信号。上述方法在图3至5中详细示出。在计算电路11中，这两个输出信号的平均值和差值作为在谐振装置1中形成的微波场的特征值来确定，且该平均值的相应实际值26和该差值的实际值27被传送到第一计算级28和第二计算级31。在第一计算级28中，从这两个值的实际值26、27算出烟条12的烟丝12b中所含的烟丝湿度29和烟丝密度30，并将它们传送到一个未示出的控制装置中，该控制装置控制烟条12的卷制过程。在第二计算级31中，检验这两个值的实际值26、27是否在允许值范围内，该允许值范围存储在存储装置33中。如果实际值26、27不在这个允许值范围，则发生一个信号32，该信号表示在烟条12中存在一种异物34。信号32被传送到一个未示出的废料站，在该处，从未示出的烟条12分成的单个烟段中，在下一步加工之前排除那个含有异物34的烟条。相应的废料站例如已在本申请人的DE 198 06 125A1中进行了描述。

检测异物34与测定烟丝密度30和烟丝湿度29同时进行，并无需测定烟丝密度和烟丝温度也可检测异物34。

谐振装置1由一个具有一入孔7和出孔9的金属外壳2组成。在这两个孔7和9中有一根导管13，通过该导管对封闭的烟条12进行导向，该烟条由卷烟纸12a和一种填充物12b例如烟丝组成。该外壳在烟条方向15有延伸部14a和14b，以阻止微波从谐振装置1中射出。实际的谐振器21和调谐圆盘21a围绕导管13布置，该谐振器和调谐圆盘例如用一种具有高介电常数的陶瓷或塑料制成并具有一个中心孔20，以便夹持导管13。外壳2本身也可起空腔谐振器作用来代替介电的谐振器21，这种空腔谐振器的一个最佳结构可参见本申请人的DE 198 54 550 A1。

在上述装置运行时，由于通过天线4的激励而在谐振装置1中构成一个具有激励频率的静止微波场。在用一个介电谐振器21的情况下，这个微波场主要集中在该谐振器的内部；而在用一个例如按上述文献DE 198 54 550 A1提出的空腔谐振器时，则微波场充满整个谐振器内部。在两种情况中，微波场的一部分都通过导管13伸入烟条12中。在谐振装置1中构成的静止微波场在天线6内激发一个微波振荡，该微波振荡通过退耦元件19传递到整流二极管22。在谐振装置1中构成的静止微波场的振幅和通过天线6输出的微波振荡的振幅取决于微波场的频率相对于谐振装置1的谐振频率的位置和谐振装置1的带宽。这些值在对图2的说明中进行详细说明。这两个值受到烟条12和微波场之间的相互作用的影响。所以在依次输入频率f1和f2时，在谐振装置1中构成的静止微波场的是不同的并受烟条12的影响也是不同的，这样，两个振幅或由计算电路11确定出的它们的平均值26和差值27既可表示烟条12中存在异物34，又可表示烟条12中的烟丝12b所含的烟丝密度30和烟丝湿度29。

图2所示的谐振曲线51至54是在上述谐振装置中输入相同功率的不同频率f的微波得出的，并绘出了从该谐振器中退耦到传输功率U与频率f的关系。在空谐振器时，得出一条只由该谐振器的特性决定的谐振曲线51。在填充例如不同密度和湿度的烟丝时，得出不同的曲线52、53或54，这三条曲线除了取决于谐振器的性能外，还取决于填充物的材料性能。谐振曲线51至54可通过两个特性值即其谐振频率和带宽来清楚地进行描述，其中在曲线52时，在用55标出的谐振频率处测出最大传输功率U，而其带宽即这个最大值两侧的频率间隔，在曲线52用56标出的位置，传输功率U下降到最大值的0.7倍。为了测量这两个特征值，一般在谐振装置中连续输入例如一百个不同频率f的恒定功率的微波、在这些频率f下确定传输功率U并从这些数据中用数学方法确定这两个特征值。然后从这两个值的实际值中或这两个值相对于空谐振装置的变化中按先有技术计算材料密度和材料湿度。利用这些值的实际值按本发明方法推断是否在一定的材料量中存在异物。

图3、4和5表示一种例如通过图1装置进行的图2所示谐振曲线特征值的快速确定方法。如图3所示，在谐振装置中一个紧跟着一个地交替输入具有恒定功率的频率f1和f2的微波，它们对称于平均频率fm排列并相差一个频率间隔Δf。在图4中示出了空谐振装置或填充了被测物料的谐振装置的两根谐振曲线U1和U2，它们在谐振频率和带宽方面是不同的。谐振曲线U1和U2只是为了便于理解绘出的并在所述方法中没有完全求出。如图5所示，现在在谐振装置的输出端一个紧跟着一个地测量频率f1和f2的传输功率。在谐振曲线U1时，测出值为U1(f1)和U1(f2)，而在谐振曲线U2时，测出值为U2(f1)和U2(f2)。与谐振曲线U1和U2的带宽比较，频率f1和f2的间隔Δf是很小的。为清楚起见，图中示出了比例。所以测出的传输功率的平均值相当于在平均频率fm时谐振曲线的边沿高度，而传输功率的差值则相当于在平均频率fm时谐振曲线的边沿陡度。就谐振曲线的边沿高度的边沿陡度来说，两个特征值是相同的。这两个特征值的实际值在先有技术中作为起始值用来确定被测物料的材料密度和材料湿度，并用这些值的实际值按本发明方法推断在生产材料例如烟丝中是否存在异物。

也可例如用正弦形的频率调制来代替图3和5所示的输入频率f1、f2的数字转换，而基本上不改变该方法。

图6所示确定微波场的两个特征值的方法使用两个谐振装置，这两个谐振装置依次受到被测物料的影响。一个相应的方法例如可从本申请人的DE 196 25 944 A1中得知。两个谐振装置具有空状态下的谐振曲线U1或U1’。它们的谐振频率fo或fo’相互偏移。具有频率fm的相同功率的微波被输入这两个谐振装置中，该频率位于频率fo或fo’之间。由于谐振曲线相对于其谐振频率fo或fo’的基本对称的变化，在空的谐振装置后面测出的传输功率U1(fm)和U1’(fm)是相同的。当被测材料对谐振装置产生影响时，得出谐振曲线U2或U2’，它们相对于曲线U1或U1’衰减一个系数D或D’并产生了频率偏移  Δfo或Δfo’。在填充材料状态下测出的传输功率U2(fm)和U2’(fm)不再相同并相对于传输功率U1(fm)和U1’(fm)减小。得出的传输功率的平均值和传输功率的差值又是表示微波场的两个特征值，它们的实际值按先有技术用来确定被测材料的材料密度和/或材料湿度。用特征值的实际值按本发明方法检验在生产材料例如烟丝中是否存在异物。上述方法可轻易地进行如下修改：两个谐振装置的谐振频率fo或fo’的间隔比这里图示的大得多，并用另一个频率来代替任一谐振器的测量频率fm，该频率位于相应谐振装置的谐振频率fo、fo’的附近。在图示中没有考虑被测材料在时间上与两个谐振装置相互作用的实际情况，而是示出了在两个谐振装置受到被测材料的一个恒等的区段影响时所出现的情况，这符合该方法的实际应用。在实施该方法的一种装置中是这样进行的，即首先与被测材料相互作用的那个谐振装置的测量信号用电子方式予以延迟。

图7表示一个通过微波场的特征值的可能的值A和B展开的理论平面。例如按上述一种方法求出的每一值偶(A；B)都在这个平面内形成一个点。在实施本发明方法的装置投入运行时，首先启动一个所谓的学习过程，在这个学习过程中，没有异物的一定的标准材料量通过该装置。在该方法用于例如本申请人的样机90型卷烟机(TypPROTOS 90)时，在烟条速度约为10米/秒的情况下，烟条例如一分钟时间通过该装置。由于在上述方法中一般每毫米的烟条进给就要记录特征值的一个值偶，所以在这个学习过程中大约要记录600000个值偶。为清楚起见，在图7中除了举例标出的点P₁至P₅对应的值偶(A1；B1)至(A5；B5)外，其余的值偶都没有在图中示出。计算这两个用Ao或Bo标出的值的相应平均值，对应于这个值偶(Ao；Bo)的点Po形成一个取值范围T的中心。在上述学习过程中记录的所有值偶都在这个取值范围内。示出的平面通过这两个值的最大值A_max，B_max界定。

在这个学习过程中求出的这两个值的值偶允许的取值范围T。围绕这个范围画一条封闭的界线G。在最简单的情况中，这条界线是一个围绕这个范围T的中心Po的圆，该圆的半径选择成正好能使全部的点都位于它的里面。

确定一条更匹配的边界曲线G例如可通过下述的数学方法来进行。

数S通过一个数学函数S(A，B)对应每一值偶(A；B)。一个适合的函数例如为： $S=S(A,B)=\underset{i,j}{\mathrm{\Σ}}{a}_{i,j}\·{(A-A_0)}^i\·{(B-B_0)}^j$

上式中的a_i，j是参数，通过它们可使该函数与范围T的轮廓匹配。为了实现这种匹配，首先求出全部值偶(A；B)的平方函数值S²之和QS，即：

                        QS＝∑S²(A，B)

并通过参数a_i，j的变化这样最佳化，即和QS达到最小值。在下一步界定函数S的极限值S_G，该极限值是这样选择的，即在学习过程中确定的全部值偶(A；B)的函数S(A，B)得出一个小于S_G的值。界限曲线G是全部点P_G的组合，其相应的值偶(A_G；B_G)适用下式：

                         S(A_G，B_G)＝S_G

例如在极限值S_G＝5时，可用下列参数得图7所示的界限曲线G： $a_{i,j}=\left[\begin{array}{ccc}0& 0& 0.5\\ 0& 0.3& 0.2\\ 0.5& 0.2& 0.04\end{array}\right]$

为了例如对一个通过值A₃和B₃确定的点P₃进行检验，看它是否位于允许的取值范围T，可按如下的步骤进行。

首先在取值范围T内确定最小值A_s1和最大A_s2并作为值A₃的极限值用。如果被检验的值A₃如图所示位于这两个极限值之间，则点P₃可能位于取值范围T内。否则就被排除在外并产生信号。然后确定最小值B_U3和最大值B₀₃，它们位于范围T内的值A₃的高度上并作为值B₃的极限值用。如果被检验的值B₃如图所示位于这两个极限值之间，则点P₃也位于范围T内，否则发生信号。

附加示出的点P₆明显位于范围T以外。

所以这两个值的相应值的出现导致信号产生。

上述的实施例只用于说明本发明。本发明方法也可与用微波来确定材料性能的其他测量方法结合，其中，微波场的被确定的特征值例如也可以是通过一个谐振装置时或在通过一个定向的辐射场的透射时的微波场的相移，同样可在谐振装置上或在透射的被测材料上反射的微波的相位和振幅。

Claims (12)

1.一种用于检验主要含有一种生产材料的一定的材料量中是否存在异物的方法，其中产生一个微波场，该材料量被输入该微波场的有效范围并分析微波场的影响，其特征为：同时测量微波场的第一和第二特征值的实际值；预先给定这些实际值的允许值范围；检验这些实际值是否在允许值范围；如果这些实际值不在允许值范围，则产生一个信号。

2.按权利要求1的方法，其特征为，允许值范围包括在只含有生产材料的一定材料量通过微波场的影响时所产生的这两个值的相应值。

3.按权利要求1或2的方法，其特征为，上述的信号表示在该材料量中存在异物。

4.按权利要求1或3任一项的方法，该材料量由一股物流构成，该物流通过该有效范围。

5.按权利要求5的方法，其特征为，该物流用一种包裹材料包裹起来。

6.按权利要求1至5任一项的方法，其特征为，作为生产材料用烟草加工业的一种生产材料，特别是烟丝或过滤嘴丝。

7.按权利要求4至6任一项的方法，其特征为，该物流在通过该有效范围之前或之后被分成段，凡是在通过时产生信号的段都从该物流中排除出去。

8.按权利要求6或7的方法，其特征为，该生产材料在通过该有效范围之前被成型为一个连续的烟条；该烟条用卷烟纸包裹；包裹好的烟条在通过该有效范围之前或之后被分成细长段，这些细长段被进一步加工成香烟；凡是在通过该有效范围的过程中产生信号的细长段都在进一步加工之前被排除出去。

9.按权利要求4至8任一项的方法，其特征为，确定允许值范围，即让只含生产材料的标准量通过该有效范围，并在该标准量通过的过程中测量实际值，这些实际值构成允许值范围。

10.按权利要求9的方法，其特征为，该标准量用卷烟纸包裹。

11.按前述权利要求任一项的方法，其特征为，在同时独立地从该微波场的相同特征值的实际值中确定生产材料的至少一种性能的过程中实施该方法。

12.按权利要求12的方法，其特征为，作为生产材料乃是用烟丝，而作为性能则是确定该烟丝的密度和或湿度。

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