刘民昌 刘　洋 温若愚 曾　建 赵维一

(四川中烟工业有限责任公司技术研发中心，四川 成都　610066)



微波烟支密度分布检测仪测量特性分析

刘民昌 刘洋 温若愚 曾建 赵维一

(四川中烟工业有限责任公司技术研发中心，四川 成都610066)

为了分析微波烟支密度分布检测仪的测量特性，研究接装纸类型、宽度、位置以及滤棒填充长度对检测结果的影响，提出一种能够有效降低测量误差的样品制作方法，建立密度测量值与填充长度关系模型，并指出减小微波谐振腔的厚度理论上能够提高检测精度，为烟支密度分布检测设备的进一步优化提供了参考依据。

微波谐振腔；密度分布；金属环；部分填充

烟支密度是衡量烟支卷制质量的一项重要指标[1]，其分布状况对紧头位置、端部落丝量、掉火头等有重要影响[2-4]。早期人们通过称量烟支中烟丝的质量计算得到烟支密度，该方法效率低且不能反映烟支内密度分布情况。目前检测烟支密度分布的主流方法是利用微波技术[5-8]，其原理是不同密度烟支段的介电常数存在一定差异，从而引起微波谐振腔的谐振频率和幅度发生变化，利用这种变化和烟支密度存在对应关系，实现烟支密度分布的测量，检测速度快且不损害烟支。

但在实际工作中发现，烟支密度的测量结果在点燃端存在异常偏低的情况，而在滤嘴端尤其当接装纸有金属环时，存在异常偏高的情况。目前相关的研究主要集中在烟支密度分布的测量方法[9-10]，以及烟支密度对卷烟质量的影响上[11-12]，未见对微波法烟支密度分布测量特性的相关报道，本研究拟通过对三种类型的烟支样品进行检测，分析微波法烟支密度检测技术的测量特性，以期为烟支密度分布测量设备或检测方法的优化提供参考。

1　材料与方法

1.1材料及设备

1.1.1材料及样品

娇子(精品)烫金接装纸，空白接装纸，娇子(蓝)烟丝、卷烟纸及滤棒：成都卷烟厂；

样品A：在相同卷烟机参数下卷制A1、A2两种规格卷烟，A1使用空白接装纸，A2使用烫金接装纸，其他辅材相同；

样品B：将A2卷烟利用压缩空气吹出烟丝，在空筒中植入不同长度、数量的滤棒，制作成B1、B2、B3、B4四种样品，见图1；样品C：在长度为84 mm的滤棒上以距点燃端40 mm为中心粘贴一圈接装纸制作成C1和C2两种样品，样品C1用烫金接装纸，样品C2用空白接装纸，长度均为26.5 mm，宽度分别为0.5，1.0，1.5，2.0，3.5，5.0 mm。

图1　卷烟空筒植入滤棒示意图

1.1.2主要仪器设备

烟支水分与密度分布测量仪(简称密度测量仪)：MW4420型，德国TEWS Elektronik公司；

分析天平：MS204S型，瑞士Mettler Toledo公司；

数显鼓风干燥箱：GZX-9240 MBE型，上海博迅实业有限公司医疗设备厂。

1.2方法

1.2.1样品检测对三种样品在温度(22±1) ℃、相对湿度(60±2)%环境下平衡48 h以上[13]。样品A需对A1、A2两种规格卷烟分别校准，样品B利用样品B2进行校准，样品C利用纯滤棒进行校准，以样品A1为例，在密度测量仪中按卷烟规格进行参数设定，校准时选取20支无空头卷烟进行密度检测，测试完成后剥开烟支，称量烟丝质量，计算并重新设定密度系数。对样品进行密度分布检测。

1.2.2分段误差取A1、A2两种规格卷烟各100支并编号。方法1：利用密度测量仪进行检测，并计算各段烟支的平均密度；方法2：将利用方法1测量过后的卷烟按照编号顺序依次分切为四段，以点燃端为起始点，A段0～15 mm，B段15～35 mm，C段35～50 mm，D段50～54 mm，切剥并称量烟丝质量，计算各段的平均密度[14]：

(1)

式中：

ρ——烟支密度，mg/cm3；

M——各段烟丝质量，mg；

r——烟支圆周，cm；

l——各段烟支长度，cm。

2　结果与分析

2.1烟支分段密度误差

对A1、A2两种规格卷烟分别利用两种方法进行检测，密度检测结果见表1。由表1可知，两种检测方法整段烟支的检测结果较为接近，说明密度测量仪能够反映烟支整体平均密度大小；A段烟支利用方法1检测得到的密度值偏小，说明密度测量仪在卷烟起始位置检测误差较大；D段有金属环烟支利用方法1检测得到的密度偏大，D段无金属环烟支两种方法检测结果较为接近，说明接装纸有金属环时，密度测量仪在卷烟金属环位置检测误差较大。

2.2含滤棒空筒的密度分布

为了利于对测量结果进行分析，排除烟丝密度变化造成的干扰，制作了如图1所示的四种含滤棒空筒样品B，对样品B进行密度分布检测，结果见图2。由图1可知：① 烟支内部密度突然变化时测量值以密度突变位置为中心缓慢连续变化；② 金属环位置密度测量值明显高出其他位置。验证了卷烟密度突变位置及金属环位置测量误差较大的现象。

表1　样品A1、A2密度检测结果

图2　样品B密度分布曲线

2.3介质部分填充对测量结果的影响

(2)

式中：

y——密度测量值 mg/cm3；

A1——空筒密度，mg/cm3；

A2——滤棒密度，mg/cm3；

x——滤棒进入谐振腔的长度，mm；

x0——谐振腔厚度的一半，mm；

a——x0处斜率参数，值越大，曲线越陡。

由于样品B3在距点燃端16 mm处的密度测量值是由5.5 mm的空筒和5.5 mm的滤棒共同作用的结果，此时x的值应为5.5 mm，将横坐标进行变换，对距点燃端16 mm位置为中心得前后各10 mm的测量值进行拟合，结果见图4。由图4可知，参数A1、A2、x0的拟合值与实际情况较为接近，模型的可决系数R2接近1，平均相对误差δ小于1%，说明该模型适用于预测介质未完全填充时密度测量值的变化情况。单独改变x0的值，利用该模型预测微波谐振腔不同厚度时的测量值，结果见图5。由图5可知，在其他参数不变的情况下，微波谐振腔的厚度越小，测量值对密度变化越敏感，说明减小微波谐振腔厚度在理论上能够提高密度测量仪的检测精度。

图3　微波谐振腔与烟支相对位置示意图

A1=15.7 mg/cm3，A2=95.85 mg/cm3,x0=5.89 mm,a=0.77,

图5　不同微波谐振腔厚度的理论测量值曲线

2.4接装纸对测量结果的影响

为了进一步分析接装纸对密度检测的影响，分别对黏贴有烫金接装纸的样品C1和空白接装纸的样品C2进行密度分布检测，结果见图6、7。由图6、7可知，① 接装纸会导致密度检测结果偏高；② 烫金接装纸比空白接装纸对密度检测结果影响大；③ 接装纸宽度越大，对密度检测结果影响越大。

图6　样品C1密度分布曲线

图7　样品C2密度分布曲线

2.5介质位置对测量结果的影响

为了直观分析介质在微波谐振腔内部不同位置时对密度检测的影响，以黏贴有2 mm烫金接装纸的滤棒为例，接装纸中线在滤棒距点燃端40 mm处，微波谐振腔厚度为11 mm，由此可将横坐标转化为接装纸中线到谐振腔中心的距离，见图8。由图8可知，当介质处于微波谐振腔中心时比在两侧时检测结果大，也可以理解为虽然x处的密度测量值由x±5.5 mm段烟支共同作用得到，但x处介质比两侧介质对检测结果的贡献大。

a区间是接装纸还未完全进入谐振腔时的密度变化情况，b区间是接装纸完全进入谐振腔后到达不同位置的密度变化情况，c区间是接装纸还未完全退出谐振腔时的密度变化情况

图8接装纸处于不同位置时的密度分布曲线

Figure 8Density distribution curve of tipping paper at different position

3　结论

通过对接装纸类型、宽度、位置以及滤棒填充长度对检测结果的影响的研究，提出了一种能够有效降低测量误差的样品制作方法，建立了密度测量值与填充长度关系模型，并

为微波烟支密度分布检测仪的进一步优化提供了一定的理论参考，相关结论如下：① 微波烟支密度分布检测仪能够很好地反映烟支整体平均密度情况，但对于烟支内部密度分布尤其是起始位置和接装纸位置检测结果误差较大；② 建立了密度测量值与填充长度关系模型，该模型适用于预测介质未完全填充时密度测量值的变化情况，减小微波腔厚度在理论上能够提高设备的检测精度；③ 接装纸尤其是含金属接装纸会造成检测结果偏大，金属环越宽影响越大，使用空白接装纸能够有效降低测量误差。

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Measurement characteristics analysis of microwave cigarette density distribution detector

LIU Min-changLIUYangWENRuo-yuZENGJianZHAOWei-yi

(ChinaTobaccoSichuanIndustrialCorporationTechnicalResearchCenter,Chengdu,Sichuan610066,China)

In order to analyze the measurement characteristics of microwave cigarette density distribution detector, the effects of types, width and position of tipping paper, and filling length of filter rod were studied. In this paper, the sample making method that can effectively reduce the measurement error is proposed, and the relationship model between measurement value and filling length of filter rod is also established. Our results showed that the detection accuracy can be theoretically improved by reducing the thickness of the microwave cavity, and this provides a new clue for further optimizing the detector of microwave cigarette density distribution.

microwave cavity; density distribution; metal ring; partially filled

刘民昌(1985—)，男，四川中烟工业有限责任公司工程师，硕士。E-mail：lmc129@126.com

2016-04-16

10.13652/j.issn.1003-5788.2016.08.009