CN2676195Y - 一种辐射测量烟丝填充值的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种实现辐射测量烟丝填充值的装置，包括安装在支架上的γ放射源、γ射线探测器、压辊式测厚装置、传输带、控制处理系统，控制处理系统分别连接所述射线探测器和压辊式测厚装置，压辊式测厚装置的压辊设置在传输带上方和γ放射源的前方；控制处理系统至少包括一动态标定测量烟丝填充值的数据处理模块；传输带的下、上方或上、下方相对应的位置设置γ放射源和γ射线探测器；放射源和探测器沿传输带移动方向的中心线或中心点和中心线形成一个平面，所述平面基本垂直于所述传输带，且与传输带交接线与压辊压过的烟丝流的中心线基本重合而形成重合区；所述γ放射源发出的γ射线通过所述重合区照射到所述探测器的射线灵敏区内。

Description

一种辐射测量烟丝填充值的装置

技术领域

本实用新型涉及一种烟草加工设备，尤其涉及一种测量烟丝填充值的装置。

背景技术

烟丝填充值(determination of filling power)是指卷烟烟丝在一定时间、一定压力的持续作用下，单位质量所占的容积。其原理是将一定质量的烟丝置于测量桶中，测量烟丝在一定时间和一定压力作用下所保持的容积。填充值是影响卷制香烟质量的重要因素之一，当填充值大时，卷制的香烟用烟丝量少，香烟燃烧时透气性好，烟气中的焦油、尼古丁和一氧化碳含量也少，口感好；当填充值小时，卷制的香烟用烟丝量多，香烟燃烧时透气性差，烟气中的焦油、尼古丁和一氧化碳含量也多，口感差。因此及时测量出烟丝的填充值，并控制生产出填充值高的烟丝，对卷制出高质量的香烟有着重要意义。

目前我国各烟厂测量烟丝填充值绝大多数采用定时取样、静态测量的方法，这远不能及时准确地反映出烟丝在实际生产中烟丝的填充值。因而卷制的香烟质量得不到保证。在我国已专门制定了行业标准《卷烟、烟丝填充值的测定行业标准》YC/T152-2001。

目前世界上只有德国生产在线烟丝填充值测量仪，它是采用50mm宽的三个压辊测量皮带机上烟丝的厚度，用电子皮带秤计量皮带上烟丝的重量。由于测量被三个压辊压过的烟丝厚度不能准确地代表整个皮带上烟丝的厚度，其次，电子秤称过的整个皮带上烟丝的重量不是三个压辊压过的烟丝重量。因此，用该测量仪测得的烟丝填充值误差较大。

用辐射法测量烟丝的重量如用核子秤，它是将放射源和辐射探测器横跨安装在皮带机上皮带上、下，它所测量的重量是皮带上的烟丝重量，如用辐射方法测量烟丝的填充值时，则要求测量压辊压过的烟丝重量，如何测得压辊压过的这些烟丝重量，是辐射法测量烟丝填充值的一大难题。其次，核子秤计量，采用的计量公式为F＝KlnU_i/U_o；式中F-皮带上单位面积上物料重量(kg/M²)

U_o-无物料时γ探测器输出电压

U_i-有物料时γ探测器输出电压

K-标定系数

该系数K是用总重量法确定的。所谓总重量法，就是将假定的系数K₁输入到计算机，核子秤将连续地对一定量的烟丝称重，得W_h；再将收集起来的这些烟丝用标准秤称量，得重量W_标，此后用W_h和W_标对系数K₁进行修正，K_修＝(W_标/W_h)×K₁，再将K_修输入到计算机，重复上述步骤，直到误差δ＝(W_标-W_h)/W_标×100％≤要求允许误差为止。

在此，由于皮带上的烟丝与压辊压过的烟丝混扰在一起，难以分开，因而无法称量经压辊压过的烟丝重量，也就是无法用总重量法确定系数K。显然，确定系数K是辐射法测量烟丝填充值的又一难题在专利号为ZL00235663.5专利中虽然提出了用辐射法称重进行烟丝填充值的测量装置，但该专利并未详细公开该测量装置如何有效地解决上述两个问题。该测量装置是在参照德国生产在线烟丝填充值测量仪工作原理的基础上将电子秤测量改为核子秤测量，由于简单用核子秤替代电子秤并没有解决测量不准确的问题，甚至在一定程度上不能实现在线测量烟丝填充值。

本实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种辐射测量烟丝填充值的装置，其能够自动在线测量烟丝填充值，且测量准确度高，稳定性好、可靠性高、维修量小。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种实现辐射测量烟丝填充值的装置，包括安装在支架上的γ放射源、γ射线探测器、压辊式测厚装置、传输带、控制处理系统，所述控制处理系统分别连接所述射线探测器和压辊式测厚装置，所述压辊式测厚装置的压辊设置在所述传输带上方和所述γ放射源的前方；其特点在于，所述控制处理系统至少包括一动态标定测量烟丝填充值的数据处理模块；所述传输带的下、上方或上、下方相对应的位置设置γ放射源和γ射线探测器；所述放射源和探测器沿传输带移动方向的中心线或中心点和中心线形成一个平面，所述平面基本垂直于所述传输带，且与所述传输带交接线与所述压辊压过的烟丝流的中心线基本重合而形成重合区；所述γ放射源发出的γ射线通过所述重合区照射到所述探测器的射线灵敏区内。

上述的装置，其特点在于，在所述探测器上方还设置一中间开有通孔的屏蔽板，所述γ放射源的γ射线可通过所述通孔照射到所述探测器的射线灵敏区内。

上述的装置，其特点在于，所述通孔的宽度D≤压辊宽度D₁，所述通孔的长度L≤所述射线灵敏区的长度。

上述的装置，其特点在于，所述屏蔽板的通孔面积是可调的。

上述的装置，其特点在于，所述测厚装置的压辊为按直线排列的多个，最后的压辊连接直线位移传感器或角位移传感器。

上述的装置，其特点在于，压辊式测位装置包括安装在支架上的压辊、滑块、导轨、直线位移传感器，所述压辊安装在所述滑块上，所述导轨连接到所述直线位移传感器，所述滑块和直线位移传感器安装在所述导轨内；所述直线位移传感器与所述控制处理器电连接。

上述的装置，其特点在于，压辊式测厚装置包括压辊、连杆、支承轴、角位移传感器，所述压辊通过所述连杆和支承轴安装在支架上，所述连杆与所述角位移传感器连接，所述角位移传感器与所述控制处理器电连接。

上述的装置，其特点在于，所述压辊为自旋转压辊，所述压辊在接触烟丝时的切线运动方向与传输带移动方向相一致。

上述的装置，其特点在于，在所述压辊式测厚装置前，还设有一烟丝整形料仓。

上述的装置，其特点在于，所述压辊为自旋转压辊，所述压辊在接触烟丝时的切线运动方向与传输带移动方向相一致。

上述的装置，其特点在于，所述γ放射源采用线源或点源，γ射线探测器采用电离室、或正比计数管、或G-M管、或NaI闪烁计数器，或塑料闪烁体。

采用上述技术方案的辐射测量烟丝填充值的装置，其测厚装置可准确地测出烟丝厚度，γ放射源与探测器能准确地测出被压辊压过的烟丝重量因而填充值测重装置能够自动在线测量烟丝填充值，且测量准确度高，稳定性好、可靠性高、维修量小。

下面结合附图进一步说明本实用新型的具体实施例

附图说明

图1是本实用新型所示的第一种辐射自动测量烟丝填充值的装置

图1a是图1中A-A视图

图2是本实用新型所示的第二种辐射自动测量烟丝填充值的装置

图2a是图2中I处的放大图

图3是图1和图2中屏蔽板的主视图

图3a是图3的侧视图

图4是图1中测厚装置的示意图

图4a是图4中A-A处的剖视图

图5是本实用新型所示的第三种辐射自动测量烟丝填充值的装置

图5a是图5中测厚装置的示意图

图5b是图5a中B-B处的剖视图

图6是本实用新型的控制处理系统根据测得的h_i对k进行修正的框图。

其中，附图标注说明：

1-控制处理系统，2-γ射线探测器，21-电离室收集极，22-电离室高压极，3-屏蔽板，4-压辊，5-连杆，51-支承轴，5’-滑块，6-导轨，7-角位移传感器，7’-直线位移传感器，8-烟丝，9-放射源，10-支架，11-上皮带，12-螺杆，12a-调整螺母，20-外壳。

具体实施方式

在图1中，本实用新型为了使放射源9和γ射线探测器2仅仅给出压辊压过的烟丝重量，将放射源9和γ射线探测器2纵向安装在皮带机的上皮带11的上、下，并置于压辊4的后边，使放射源9和γ射线探测器2的中心线相互平行，且在一个平面内，该平面垂直于上皮带11，平面与上皮带11的交接线应与压辊4压过的烟丝流的中心线相重合，以便使压辊压过的烟丝，由输送带传送、穿过γ放射源到控测器间的γ射线区。

其次，在γ射线探测器2上方置有γ射线屏蔽板3，其上开有宽为D，长为L的长方孔，这里D和L分别与压辊4的宽度和γ射线探测器2的γ射线灵敏区的长度相适应，以保证准确地测出压辊4压过的烟丝8重量。

在控制处理系统1中本实用新型的实施例设计了一种测量烟丝填充值的数学模型计算模块：

填充值的定义：卷烟烟丝在一定时间、一定压力的持续作用下，单位质量所占的容积。

静态测量填充值的方法是用一个圆柱型直径为60mm的量筒，将被测烟丝填充值的20g烟丝(含水分约12.5％)均匀地散落在量筒内，上压3公斤的施压测块，持续30秒后，读出烟丝的高度，便可求出烟丝的填充值

d＝πr².h/m……①

式中：d——烟丝填充值，cm³/g；

      r——测筒的半径，cm；

      h-受压后烟丝的高度，cm；

      m——烟丝的质量，g。

用辐射测量方法测量烟丝填充值，假设：

V-烟丝占有的体积

W-烟丝的重量

皮带速度为υ_i，压辊宽度D，在t_i秒内测厚装置测量的烟丝平均厚度为h_i，则通过压辊的烟丝体积为

Vi＝D·υ _i·t_i..·h_i

在t秒内，辐射探测器2给出的烟丝重量W_i＝F·υ_i·t_i·D，因F＝Kln(U_i/U_o)，所以W_i＝Kln(U_i/U_o)·υ_i·t_i·D

根据公式①d＝V/W＝(D·υ_i·t_i.·h_i)/(Kln(U_i/U_o)·υ_i·t_i·D)＝h_i/Kln(U_i/U_o)---②

式中：h_i-测厚装置测出的烟丝厚度

      U_o-无物料时γ射线探测器输出电压

      U_i-有物料时γ射线探测器输出电压

       K-标定系数

公式②就是本实用新型用辐射法测量烟丝填充值的运算处理模块。

上述公式中的系数K是用已知烟丝填充值(用静态测量方法测出)经实物标定、修正而确定的。填充值标定方法就是：先将设定好的系数K_l输入到控制处理系统1的计算机，再将具有一定量的、同一填充值d的烟丝喂入输送机通过多个压辊4和γ射线探测器2，此时计算机按公式d＝h/KlnU_i/U_o，对烟丝填充值进行测量，得d₁，接着再用d和d₁对K₁进行修正得K₂，K₂＝(d₁/d)·K₁，以此类推，反复多次，直至K_i满足δ＝(d-d_i)/d·100％≤所要求的误差为止。

由于皮带11上烟丝厚度不同，所以散射因子影响也不同，因而不能将K视为常数，所以必须求出烟丝厚度h_i与系数K_i之间的变化关系，其方法是：用已知相同d值的烟丝，在不同厚度h₁、h₂……h_i情况下对系数K进行标定，相应的得到K₁、K₂……K_i，得到h_i与K_i的变化关系曲线，再用曲线拟合法得到h_i和K_i之间的变化关系，并存入控制处理系统1的计算机。在对烟丝填充值进行测量时，根据测得的烟丝厚度h_i对K_i进行修正。

具体操作步骤如下：

步骤一、用已知填充值d₀的烟丝对系数k进行修正

假设空带运行了3分钟，测得U₀＝4.35V；用静态方法测得烟丝的平均填充值d₀为4.5cm³/g；先设标定系数k₁＝20，并输入控制处理系统1的计算机，再将烟丝填充值为d₀＝4.cm³/g的烟丝喂入输送机，并使其通过压辊4和该探测器，此时该计算机进行采集来自测厚仪信号和探测器信号，并在t秒内，测出烟丝平均高度为h₁＝4.88cm，探测器的输出电压信号平均值为U₁＝4.1V，最后，该计算机测得的烟丝填充值 $d1=\frac{h1}{k1\mathrm{Ln}\frac{U1}{U0}}=\frac{4.88}{20\mathrm{Ln}\frac{4.1}{4.35}}=\frac{4.88}{20\×0.05919}=4.126$ 而后，用d₀＝4.5cm3/g，d₁＝4.126cm3/g和k₁＝20对k进行修正，得 $k2=\frac{d1}{d0}k1=\frac{4.126}{4.5}\×20=18.342;$ 将k2再输入该计算机，再将d₀＝4.5的烟丝喂入输送机，并使其通过压辊和探测器，此时该计算机进行采集信号，在t秒内得出烟丝平均高度h₂为4.83cm，探测器输出电压平均值为U₂＝4.102V，最后，计算机测得烟丝填充值 $d2=\frac{h2}{k2\mathrm{Ln}\frac{U2}{U0}}=\frac{4.83}{18.342\mathrm{Ln}\frac{4.102}{4.35}}=\frac{4.83}{18.342\×0.05871}=4.485$ $\mathrm{\δ}=\frac{d0-d2}{d0}100\%=\frac{4.5-4.485}{4.5}100\%=0.3\%\≤$ 要求误差时，标定完毕。如δ满足不了要求，按上述方法，继续对k进行修正，直至满足要求为止。

步骤二，求h₁，……，h_i与k₁，……，k_i的变化关系

在上面(1)中已找到第一点：h₁＝4.83时，k₁＝18.342，仍用已知d₀＝4.5的烟丝，在h₂≤h₁，某一稳定高度时喂料，通过压辊和探测器，此时计算机进行信号采集，在t秒时间内，测得平均h₂＝6.32cm，探测器输出电压U₂＝4.02V，计算机计算出 $d2=\frac{h2}{k1\mathrm{Ln}\frac{U2}{U0}}=\frac{6.32}{18.342\mathrm{Ln}\frac{4.02}{4.35}}=\frac{6.32}{18.342\×0.07889}=4.367,$ 而后用d₀＝4.5和d₂＝4.367和k₁＝18.342对k进行修正，求出 $k2=\frac{d2}{d0}k1=\frac{4.367}{4.5}\×18.342=17.79,$ 由此得到h_i和k_i之间的第二点，h₂＝6.32cm，k₂＝17.79；

以此类推，用同样的方法求出第三点：h₃＝7.8，k₃＝17.13，U_i的平均值为3.931；第四点：h₄＝9.4，k₄＝16.21，U_i的平均值为3.824等等。由此可得h_i和k_i之间的变化关系。将上述数据列表如下：

以k_i为纵坐标，h_i为横坐标画出点1，2，3，4，连接1-2，2-3，3-4各线便求出了h_i和k_i的关系曲线。

从关系曲线中不难得出，在h2和hi之间k值的变化方程式为

$\mathrm{ki}=k1-\frac{k1-k2}{h2-\mathrm{hi}}\×(\mathrm{hi}-h1)=18.342-\frac{18.342-17.79}{6.32-4.83}\×(\mathrm{hi}-4.83)\·\·\·\·\·\·\left(a\right)$

在h2和h3之间，k值变化方程式为：

$\mathrm{ki}=k2-\frac{k2-k3}{h3-h2}\×(\mathrm{hi}-h2)=17.79-\frac{17.79-17.13}{7.8-6.32}\×(\mathrm{hi}-6.32)\·\·\·\·\·\·\left(b\right)$

在h3和h4之间k值变化方程式为：

$\mathrm{ki}=k3-\frac{k3-k4}{h4-h3}\×(\mathrm{hi}-h3)=17.13-\frac{17.13-16.21}{9.4-7.8}\×(\mathrm{hi}-7.8)\·\·\·\·\·\·\left(c\right)$

在计量时，要求所喂入的烟丝高度保持在h₁-h₄之间变化。控制处理系统1根据测得的h_i按图6所示步骤对k进行修正。

     最后按公式 $\mathrm{di}=\frac{\mathrm{hi}}{\mathrm{kiLn}\frac{\mathrm{Ui}}{U0}}$ 求出烟丝填充值。

由于烟丝填充值的大小与烟丝的温度、含水量有关，本装置可与红外测温仪和红外水分测量仪联用，做出温度、水分对填充值影响的关系曲线，在测量填充值时，根据测得的烟丝温度、水分对烟丝的影响量，对填充值进行修正。

在图1、图1a、图3、图4、图4a中，本实用新型揭示了采用控制处理系统1进行烟丝填充值测量的装置。该装置主要有辐射称重装置(含放射源9、γ射线探测器2、屏蔽板3)、多辊式烟丝测厚装置(含多个压辊4、连杆5、支撑轴51、角位移传感器7)、控制处理系统1及支架10和外壳20等组成。γ射线探测器2和角位移传感器7的输出信号通过电缆与控制处理系统1相连接。放射源9安装在外壳20顶板上，γ射线探测器2固定在外壳20的底版上，屏蔽板3安装在γ射线探测器2的上方，测厚装置安装在γ射线探测器2的前方，并使测厚装置的多个压辊4与上皮带11相接触。

该装置主要特点：

(1)γ射线放射源9和γ射线探测器2分别安装在输送机上皮带11的上、下，且两者的中心线与上皮带11运行方向一致；屏蔽板3安装在γ射线探测器9的上方；测厚装置的多个压辊4安装在辐射称重装置前方并与上皮带11相接触，又要求γ射线放射源9和γ射线探测器2的中心线相互平行，且在一个平面内，该平面与皮带相交线与多个压辊4压过的烟丝流的中心线相重合，以便使压辊压过的烟丝，由输送带传送、穿过γ放射源到控测器间的γ射线区。

(2)γ射线放射源9采用²⁴¹Am线状放射源，γ射线探测器2采用薄壁正比计数管。

(3)测厚装置采用多辊式测厚装置，它是由多个压辊4、连杆5、支撑轴51、角位移传感器7和固定支架10组成。压辊4的连杆5与角位移传感器7相连，采用多个压辊5的目的是使烟丝8受到一定持续时间的压力。

(4)屏蔽板3开有长方孔，开孔尺寸与压辊4宽度和γ射线探测器3的γ射线灵敏区长度相适应，可保证准确测出被压烟丝的重量。用双螺母12a将屏蔽板3安装在已固定在外壳20顶板上或底板上的四根螺杆12上，并可调节屏蔽板到放射源或探测器之间的距离。

(5)位移传感器可选用光栅或磁栅。

(6)控制系统可选用PLC或工业控制PC机。

在图5、图5a和图5b中，本实用新型的另一实施例：放射源9采用²⁴¹Am线源，长度为300mm的两个源，强度100-150毫居，它安装在输送带的下方，γ射线探测器2采用薄壁电离室，它安装在输送带的上方，其灵敏区长度为600mm；屏蔽板3采用厚度为6mm，长为1000mm，宽为200mm的铁板，在其中间开有长方孔(55mm×600mm)，它安装在放射源的上方；测厚装置的压辊4为不锈钢φ100mm，宽50mm，其重量应满足静态测量填充值的压力要求；测量厚装置包括压辊4、滑块5’，导轨6，直线位移传感器7’，其中直线位移传感器7’采用直线光栅式位移传感器；控制处理系统采用PLC。

本实用新型的另一实施例：

采用²⁴¹Am点源，强度100-150毫居，γ射线探测器2采用φ55mm NaI闪烁晶体；屏蔽板3采用100mm×100mm、中间开Φ50mm的圆孔的铁板，其他与以上方案相同。

此外，为了调整屏蔽板3与该γ射线探测器2之间的距离，在屏蔽板上利用一调节螺杆12和螺母12a固定该屏蔽板3，当调节该螺杆12和螺母12a时可以调整调整屏蔽板3与该γ射线探测器2之间的距离，从而使γ射线通过屏蔽板通孔后照射到γ射线探测器2射线灵敏区内的范围发生变化，进而调整了照射面积，提高了测量精度。此外，该屏蔽板3的长方形通孔也可设计成通孔面积大小可调的形式，如通过插板、折板等均可调整通孔面积。

为了使上述方案更好地实施，在压辊4上还可以设置有自旋转机构，让压辊在皮带移动的同时自转，以防止烟丝因压辊4受阻而在皮带上起堆，影响测量。自旋转机构可通过设置一微型马达通过减速驱动压辊，当压辊4自转时，烟丝随皮带11在同一运动方向上移动很容易进入压辊4下方。

同进，为了尽可能减少烟丝在皮带上起堆，本实施例中，还可在烟丝料仓料门处设置一整形压辊使烟丝喂入皮带时经过一整形压辊，烟丝被压形成比较平整的形状，这有助于测量压辊工作，保护烟丝在遇到测量压辊时不起堆。

本实用新型的有益效果

(1)该装置可准确地测出烟丝的厚度；辐射称重装置可准确地测出经压辊压过的烟丝重量，固而该装置的测量准确度高。

(2)该装置实时地对烟丝填充值进行测量与控制，确保烟丝的质量。

(3)该装置采用辐射称重法，该法为非接触式称重，它具有稳定性好、可靠性高、维修量小等优点。

Claims (11)

1、一种实现辐射测量烟丝填充值的装置，包括安装在支架上的γ放射源、γ射线探测器、压辊式测厚装置、传输带、控制处理系统，所述控制处理系统分别连接所述射线探测器和压辊式测厚装置，所述压辊式测厚装置的压辊设置在所述传输带上方和所述γ放射源的前方；其特征在于，所述控制处理系统至少包括一动态标定测量烟丝填充值的数据处理模块；所述传输带的下、上方或上、下方相对应的位置设置γ放射源和γ射线探测器；所述放射源和探测器沿传输带移动方向的中心线或中心点和中心线形成一个平面，所述平面基本垂直于所述传输带，且与所述传输带交接线与所述压辊压过的烟丝流的中心线基本重合而形成重合区；所述γ放射源发出的γ射线通过所述重合区照射到所述探测器的射线灵敏区内。

2、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在所述探测器上方还设置一中间开有通孔的屏蔽板，所述γ放射源的γ射线可通过所述通孔照射到所述探测器的射线灵敏区内。

3、根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述通孔的宽度D≤压辊宽度D₁，所述通孔的长度L≤所述射线灵敏区的长度。

4、根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，所述屏蔽板的通孔面积是可调的。

5、根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述测厚装置的压辊为按直线排列的多个，最后的压辊连接直线位移传感器或角位移传感器。

6、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，压辊式测位装置包括安装在支架上的压辊、滑块、导轨、直线位移传感器，所述压辊安装在所述滑块上，所述导轨连接到所述直线位移传感器，所述滑块和直线位移传感器安装在所述导轨内；所述直线位移传感器与所述控制处理器电连接。

7、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，压辊式测厚装置包括压辊、连杆、支承轴、角位移传感器，所述压辊通过所述连杆和支承轴安装在支架上，所述连杆与所述角位移传感器连接，所述角位移传感器与所述控制处理器电连接。

8、根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述压辊为自旋转压辊，所述压辊在接触烟丝时的切线运动方向与传输带移动方向相一致。

9、根据权利要求1、2、3、4、6、7或8所述的装置，其特征在于，在所述压辊式测厚装置前，还设有一烟丝整形料仓。

10、根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述压辊为自旋转压辊，所述压辊在接触烟丝时的切线运动方向与传输带移动方向相一致。

11、根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述γ放射源采用线源或点源，γ射线探测器采用电离室、或正比计数管、或G-M管、或NaI闪烁计数器，或塑料闪烁体。

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