DE60112763T2

DE60112763T2 - Verfahren zur charakterisierung der kompakheit von gegenständen sowie zigaretten oder filtern

Info

Publication number: DE60112763T2
Application number: DE60112763T
Authority: DE
Inventors: Stephane Colard
Original assignee: Societe Nationale dExploitation Industrielle des Tabacs et Allumettes SAS
Current assignee: Societe Nationale dExploitation Industrielle des Tabacs et Allumettes SAS
Priority date: 2000-07-13
Filing date: 2001-06-28
Publication date: 2006-06-08
Anticipated expiration: 2021-06-29
Also published as: EP1304932A1; EP1304932B1; ATE301940T1; US20040039557A1; JP2004512024A; WO2002005668A1; AU2001270705A1; DE60112763D1; FR2811766A1; FR2811766B1

Description

Vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Charakterisierung der Kompaktheit von Gegenständen wie Zigaretten oder Filter sowie des Füllvermögens einer Menge von Produkten wie Tabak.
Allgemein ist bekannt, dass die aktuellen Methoden zur Charakterisierung der Kompaktheit von Zigaretten, Filtern und des Füllvermögens auf demselben physikalischen Prinzip beruhen: das zu charakterisierende Produkt liegt zwischen zwei Klemmbacken, die es einer Kraft aussetzen, womit ein Zerdrücken hervorgerufen wird. Die Stärke der sich ergebenden Verformung wird nun nach einer bestimmten Zeit gemessen und ist direkt mit den Eigenschaften verbunden, die allgemein als Kompaktheit und Füllvermögen bezeichnet werden. Die derzeitigen Methoden entsprechen somit diesen Eigenschaften einer Zerdrückungs-Amplitude.
Die Form der Klemmbacken, der Wert der aufgebrachten Kraft und die Zeit, bei deren Ablauf die Zerdrückungs-Amplitude gemessen wird, sind stark veränderlich von einem Gerätelieferanten zum anderen, doch das Prinzip bleibt immer dasselbe.
Die Charakterisierung der Kompaktheit oder des Füllvermögens durch eine Zerdrückungs-Amplitude stellt ein einfaches Mittel dar, das aber weit von einer Abgabe einer detaillierten Beschreibung des Verhaltens des Produkts entfernt ist, wenn es einer Kraft untersetzt wurde. Das Zerdrücken hängt tatsächlich von den plastischen und elastischen Verformungen und von der Kräfteentspannung im Inneren des Produkts ab. Aber die Zerdrückungs-Amplitude gibt nach einer gegebenen Zeit keine Information über diese drei physikalischen Erscheinungen ab. Die derzeitigen Methoden wirken sowohl wenig diskriminierend als auch wenig beschreibend auf die mechanischen Eigenschaften des Produkts.
Die Erfindung hat somit ein genaueres Ziel, diese Nachteile zu unterdrücken.
Sie schlägt zu diesem Zweck ein Charakterisierungsverfahren vor, das sich auf eine physikalische Modellierung der Erscheinungen und die Anpassung dieses Modells an experimentelle Daten zur Charakterisierung des Produktes oder des Füllvermögens in Bezug auf die Dichtheit beruht.
In einer genaueren Art umfasst dieses Verfahren folgende Schritte:

• Da die physikalische Modellierung der Erscheinungen in den Zerdrückungsprozess fällt, zieht diese Modellierung die elastische Verformung, die plastische Verformung und die Entspannung in Betracht.
• Anpassung des erhaltenen Modells zur Zeit der Modellierungsphase an die experimentellen Daten, und Charakterisierung des Produkts aus dem angepassten Modell mit anderen Parametern als der Wert der Zerdrückungs-Amplitude, bezogen auf den Energieverlust bei der Verformung, die Kräfteentspannung oder die Energiespeicherung bei der Verformung.

Vorteilhaft kann die besagte Anpassungsphase folgendes umfassen:

• Das Aufbringen einer bekannten Zerdrückungskraft auf das Produkt, mit Hilfe einer mit Klemmbacken versehenen Vorrichtung, ein Mittel zur Aufbringung einer Kraft auf diese Klemmbacken und ein System zur Aufzeichnung der relativen Verschiebung der besagten Klemmbacken,
• Eine Datenerfassungsphase, in welcher die Verschiebung im Laufe der Zeit registriert wird,
• Eine physikalische Charakterisierungsphase durch Anpassung des Modells an die experimentellen Daten, mit Hilfe von einem Multiregressions-Werkzeug,
• Eine Beschreibungsphase des Produkts mit Hilfe von mindestens drei Parametercharakteristiken der plastischen und elastischen Verformung und des Entspannungsphänomens.

Man stellt fest, dass dieses Verfahren, das Informationen bezüglich der elastischen Verformung, der plastischen Verformung und der Entspannung beim Zerdrückungsprozess abgibt, mehr diskriminierend als die bis jetzt benutzten Methoden ist.
Außerdem ist die Information gemäß diesem Verfahren von den ersten Zerdrückungssekunden an ermittelt und somit viel schneller erhalten worden als bei den auf der derzeitigen Zerdrückungs-Amplitude basierenden Vorgängen.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird besser beim Lesen der folgenden gegebenen Beschreibung als ein nicht einschränkendes Beispiel angesehen, mit Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen, in denen:
1 ist ein Schema eines elektrischen Stromkreises, welcher ein Modell des Verhaltens einer Zigarette bildet, oder eines Tabakmusters, welche einer Zerdrückungskraft unterzogen wird;
2 ist ein Diagramm, das die Modellierungskurven von zeitgemäßen Verschiebungen der Zerdrückungsbacke der Zigarette oder des Tabakmusters zeigt, auf welche die Zerdrückungskraft aufgebracht wird;
3 zeigt eine zeitgemäße Zerdrückungskurve und veranschaulicht die Anpassung des Modells an die experimentell registrierten Zerdrückungsmaßnahmen.
Wie vorher erwähnt, umfasst das erfindungsgemäße Verfahren die Modellierung des Verhaltens des zu studierenden, einer Zerdrückungskraft ausgesetzten Gegenstandes.
Zu diesem Zweck hat die Anmelderin nach Analogien geforscht, die zwischen den verwendeten physikalischen Phänomenen beim Zerdrückungsvorgang und den elektrischen Phänomenen bestehen können, deren Gesetze besser bekannt und die somit leichter nutzbar sind.
Hierzu hat sie sich auf folgende Feststellungen basiert:

• die plastische Verformung, die einen Verlust der gelieferten Energie induziert, kann von einem elektrischen Widerstand R₁ dargestellt werden, der Energie verbraucht, wenn dieser von Strom durchströmt wird,
• Die elastische Verformung, die eine Energiespeicherung darstellt, kann von einer Kapazität C dargestellt werden, die belastet oder entlastet wird, nachdem sie Spannungsänderungen unterzogen wurde,
• Die Entspannung, die ein gespeicherter Energieverlust darstellt, kann durch einen parallel zur Kapazität geschalteten Widerstand R₂ dargestellt werden, wobei ein Streustrom induziert wird.

Die Tabelle I stellt im folgenden die Analogien zwischen den vorher erwähnten mechanischen und elektrischen Phänomenen dar.
Tabelle I
Das einem solchen Gegenstand wie eine Zigarette, einem Filter oder einem Tabakmuster entsprechende elektrische Modell, das einer Zerdrückungskraft unterzogen wurde, ist in 1 dargestellt.
Dieses Modell wird in Form von einem elektrischen Stromkreis dargestellt, der zwischen zwei Klemmen montiert wurde, auf welche eine Spannung u(t) angelegt wird und, in Reihe geschaltet, einerseits einen Widerstand R₁ umfasst und, andererseits eine Kapazität C, auf welche parallel ein Widerstand R₂ montiert wird.
Die Berechnung des Ansprechens einer Zigarette oder des Tabaks auf eine Kraft F(t) geht darauf hinaus, die Reaktion des Stromkreises auf eine Spannung u(t) zu berechnen. Im allgemeinen kann diese Berechnung mit Hilfe der Umwandlung gemäß Laplace durchgeführt werden.
Unter der Annahme, dass die Amplitudenstärke F sofort angelegt wird, das heißt, dass die Spannung u(t) eine Spannungsstufe sei, so ist der Strom i(t) der im Widerstand R₁ fließt folgender Form:
entweder durch Analogie, für die Verschiebungs-Geschwindigkeit:
und für die Verschiebung:
mit

p₁:: charakteristischer Parameter des Energieverlusts nach der Verformung
p₂:: charakteristischer Parameter der Kraftentspannung
p₃:: charakteristischer Parameter der Energiespeicherung nach der Verformung

Das oben vorgeschlagene elektrische Modell erlaubt es, die Verschiebung zu berechnen, wie auch immer die angelegte Kraft sei.
Hier ein weiteres Beispiel: wenn wir annehmen, dass die Kraft F(t) nicht sofort angelegt wird, sondern dass diese linear zunimmt vor Erreichen ihres maximalen Wertes F nach Ablauf einer Zeit t_o, erhält man ein komplizierteres Verhältnis:
Mit:

a:: Spannungserhöhungs-Geschwindigkeit zwischen t = 0 und t = t_o, (a = F/t_o)
H(t):: Heaviside- oder Stufenfunktion

Die Modellierung der Verschiebung für die zwei Fälle der vorangehenden Figuren ist für F = 355, p₁= 4, p₂= 400, p₃= 0.4 und t_o= 3s, in 2 eingezeichnet, in welcher die Kurve C₁ der Anwendung einer Kraftstufe entspricht, wobei die Kurve C₂ die Reaktion auf eine progressive Kraftanwendung ist.
Man bemerkt in dieser 2, dass nach einer größeren Verformung das Entspannungsphänomen eine lineare Verschiebung veranlasst.
Wenn das Modell erstellt ist, geht es jetzt darum, es zu nutzen, um das Produkt zu charakterisieren.
Die verwendete experimentelle Vorrichtung bleibt dieselbe wie die bereits durch die aktuellen Messmethoden der Kompaktheit oder des Füllvermögens benutzte. Andererseits ist es bei dem vorgeschlagenen Verfahren unentbehrlich, die aufgebrachte Kraft und die Verschiebung im Laufe des Zerdrückungsprozesses zu kennen oder zu registrieren. Wenn die im Laufe der Zeit aufgebrachte Kraft bekannt ist, wird nun mit Hilfe des Modells die theoretische Verschiebung simuliert, die an die gemessene Verschiebung anpasst wird. Man muss jedoch genauer angeben, dass ein einfaches Kraftanwendungsgesetz, wie zum Beispiel eine Kraftstufe, beträchtlich die Modellierung der Verschiebung und somit die Etappe der Anpassung vereinfacht.
Die Nutzung der Daten erfolgt somit, indem das theoretische Modell an die experimentellen Daten angepasst wird. Die Anpassung des theoretischen Modells an die experimentellen Daten wird mit Hilfe von einem EDV-Multiregressions-Werkzeug nicht linear verwirklicht. Dieses Werkzeug kann auf verschiedenartigen Minimierungs-Algorhythmen wie jene von Newton Raphson, nämlich der größten Steilheit, oder jenem von Levenberg-Marquardt basieren. In letzterem Fall ist es möglich, die Unbestimmtheit auf den drei Parametern p₁, p₂ und p₃ des Modells auszudrücken. Ein Beispiel ist in 3 gegeben, im Falle einer Anwendung einer Kraftstufe und wofür die registrierten Messungen auf der folgenden Tabelle II angegeben sind.
Tabelle II
In 3 entspricht die Kurve C₃ dem Modell, wobei die Punkte P den experimentell erhaltenen Werten entsprechen.
Die Parameterwerte des Modells, die es ermöglichen, die experimentellen Daten anzupassen, bei 95%, sind folgende: p1 = 4.4 ± 0.2 P2 = 48 ± 5 p3 = 0.40 ± 0.01mit F = 300.
Diese drei Parameter charakterisieren das Verhalten des Produkts, nachdem dieses dem Zerdrückungsprozess unterzogen wurde.
p₁ ist ein auf die plastische Verformung bezogener Parameter. Je größer er ist, desto bedeutender ist die plastische Verformung. p₂ ist ein auf die Entspannung bezogener Parameter.
Je größer er ist, desto schwächer ist dieses Phänomen. Schließlich ist p₃ ein auf die elastische Verformung bezogener Parameter. Je größer er ist, desto bedeutender ist die elastische Verformung.
Diese drei mit diesem neuen Messverfahren erhaltenen Parameter gestatten es, das Produkt viel vollständiger zu charakterisieren als einen Zerdrückungs-Amplitudenwert nach einer gegebenen Zeit. Außerdem kann angemerkt werden, dass es das neue Verfahren gestattet, a posteriori das Resultat zu berechnen, das die aktuellen Methoden ergeben würden. Das gegenseitige ist falsch. Dies beweist gut den beschreibenden Charakter des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Man kann genauer angeben, dass die Unbestimmtheit auf den Parametern verringert werden kann, indem die Anzahl von Messungen erhöht werden.

Claims

Charakterisierungsverfahren der Kompaktheit von Gegenständen wie Zigaretten oder Filter sowie des Füllvermögens einer Menge von Produkten wie Tabak, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Phasen umfasst: – Die physikalische Modellierung von Erscheinungen, die in den Zerdrückungsvorgang des Gegenstandes oder des Produktes fallen, wobei diese Modellierung die elastische Verformung, die plastische Verformung und die Relaxation mit einbezieht. – die Anpassung des aus der Modellierungsphase anhand von experimentellen Daten erhaltenen Modells, und – Die Charakterisierung des Gegenstandes oder des Produktes aus dem angepassten Modell dank keiner anderen Parametern als der Wert der Zerdrückungs-Amplitude bezüglich der Energiedissipation bei der Verformung, der Kräfteentspannung oder selbst der Energiespeicherung bei der Verformung.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das benutzte Modell jenes einer elektrischen Schaltung ist, die zwischen zwei Klemmen montiert ist, an welche eine Spannung u(t) angelegt ist und, in Reihe geschaltet, einerseits einen Widerstand R₁ umfasst und, andererseits, eine Kapazität, auf welche parallel ein Widerstand R₂ montiert ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die besagten Anpassungs- und Charakterisierungsphasen folgendes umfassen: – die Aufbringung einer bekannten Zerdrückungskraft auf das Produkt, mit Hilfe einer Vorrichtung, die mit Backen versehen ist, eine Maßnahme zur Aufbringung einer Kraft auf diese Backen und ein Aufzeichnungssystem der relativen Verschiebung der besagten Backen, – Eine Datenerfassungsphase, in welcher man die Zeitverschiebung aufzeichnet, – Eine physikalische Charakterisierungsphase durch Anpassung des Modells an die experimentellen Daten, mit Hilfe von einem Multiregressionsinstrument, – Eine Produktbeschreibungsphase anhand von mindestens drei charakteristischen Parametern der plastischen und elastischen Verformung und des Relaxationsphänomens.
Verfahren gemäß den vorangehenden Patentansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das besagte Modell, im Fall der Anwendung einer Kraft-Amplituden-Stufe F, folgender Formel entspricht:
mit: p₁: typischer Parameter der Verlustleistung bei der Verformung P₂: typischer Parameter der Kräfteentspannung p₃: typischer Parameter der Energiespeicherung bei der Verformung F: maximaler Wert der aufgebrachten Kraft F(t)
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung des besagten Modells an die experimentellen Daten mit Hilfe von einem nicht linearen EDV-Multiregressions-Instrument verwirklicht wird, und zwar auf Basis von einem Multiregressions-Algorhythmus wie jener von Newton Raphson, der größten Steilheit, oder jener von Levenberg-Marquardt, wodurch es möglich wird, die Unbestimmtheit auf den drei Parametern p₁, p₂, p₃ des Modells auszudrücken.