滤棒组合缝隙检测设计运用

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本文作者：赵宝生 单位：许昌烟草机械有限责任公司

随着中式卷烟工艺和技术研究的进一步深入，具有减害降焦、增香补香和突出产品差异化功能等特征的复合滤棒，已逐渐成为各滤棒材料企业研究的重点之一［1］。复合滤棒滤嘴的使用目前已从高档品牌向中档品牌普及，基础棒的材料也从传统的活性炭棒向加香棒、茶叶末棒、生物棒等方向发展［2-3］，滤棒段的组合缝隙及对称度偏差是复合滤棒的重要质量指标［4］。早期生产的复合滤棒成型机组没有此项检测功能，近年来生产的机组采用光电检测系统对缝隙和对称度进行检测，但只能检测棒体材料、颜色差异较大的复合滤棒，当棒体材料、颜色相近时，需要使用有色棒纸并改用色标传感器才能进行检测，否则就无法有效检测各项复合滤棒质量指标［5］。微波检测技术是继超声波、激光、红外和射线等方法之后的一种新型无损检测技术，近年来在卷接机组上广泛用于烟支质量、烟支密度检测、烟支异物检测剔除等方面［6-7］。为此，根据微波信号对物料穿透力强、频率高，对不同材料固有谐振频率及振幅的变化反应极其敏感等特点［8］，研究设计了复合滤棒微波检测系统，通过检测复合滤棒段的密度来区分不同复合段的材料，以达到检测复合滤棒的组合缝隙及对称度偏差的目的。

1系统结构

微波检测系统主要由微波信号发生器、谐振腔、探针耦合器、微波信号检测器、数字信号处理器等组成，见图1。谐振腔是具有储能与选频特性的微波谐振元件［9］，当谐振腔体与被检测样品发生相互作用时，如将样品引入腔内，将会引起谐振腔的谐振频率f0和Q值发生相应变化，通过测量谐振频率的偏移和谐振腔值的改变可以确定材料的物理、化学和生物特性。当被测滤棒的材料改变时，微波参量随之改变［10］。谐振腔采用恒温设计，可以为频率、带宽的温度修正提供信息，滤棒材料的温度为最终密度的计算提供修正信息。谐振腔和空气腔的温度由铂电阻PT100检测，而滤棒材料温度由非接触红外温度传感器检测，其温度信号以0～20mA电流方式传送。由微波信号检测器检测谐振腔的频幅特性，经A/D转换为数字量，数字信号处理器（DSP）采集存储数据并进行计算，同时运用PID方式进行加热控制和恒温保持，以保证各腔体参数的稳定。检测系统通过RS232串口与监控计算机通讯，通过监控程序设定检测系统的工作方式及谐振腔的恒温温度。同时，通过调节耦合探针的深度，改变谐振腔的品质因素Q值，即改变腔体谐振曲线的半功率带宽。

2技术实现

2.1复合滤棒的质量缺陷在生产过程中，复合滤棒经常出现以下几种产品质量缺陷（以实际生产长度144mm，规格为14mm+10mm二元复合滤棒为例）。（1）组合缝隙，即滤棒Ⅰ与滤棒Ⅱ之间组合不严密而形成的间隙。如图2所示，理论上L1=20mm，L2=28mm，L3=L1/2=10mm，总长度为144mm。假设滤棒Ⅰ的长度为L1，滤棒Ⅱ的长度为L2，若组合后任意相邻两段滤棒的理论长度之和不等于测量长度（L2+L3≠L），且误差大于设定值时，则判定该复合滤棒中间有间隙，输出剔除信号。剔除条件：│L-（L2+L3）│≥0.5mm。（2）复合结构不合格，即应该放入滤棒Ⅰ的位置，错放入滤棒Ⅱ，反之亦然。错位滤棒将被剔除。（3）对称度偏差。由于滤棒Ⅰ或滤棒Ⅱ的原始棒长度不符合工艺质量要求，经分切组合后使成品复合滤棒两端的一段长度不相等，其误差称为对称度偏差。如图3所示，当A段长度La不等于G段长度Lg，且误差大于设定值时，则判定该复合滤棒为不合格，输出剔除信号。剔除条件：│La-Lg│≥1.0mm。

2.2检测系统设计原理微波作为一种特定频率的电磁波，通过电磁场与介质内部的微观粒子相互作用，以及调节激励源的振荡频率使谐振腔与激励源信号达到谐振，从而获取表征介质材料的物理、生物特性的检测量（如密度、湿度、温度等参数）［11］。利用微波谐振原理，不同物质在经过微波谐振腔时，会产生不同的微波信号［12］，因复合滤棒中滤棒Ⅰ与滤棒Ⅱ的材料不同，经过微波谐振腔时产生的微波信号也不同。对微波信号进行分析对比研究，可以从中明显分辨出滤棒Ⅰ与滤棒Ⅱ。如图4所示，U表示微波谐振曲线振幅，F表示微波谐振曲线频率，红色区域表示滤棒Ⅰ产生的微波信号，蓝色区域表示滤棒Ⅱ产生的微波信号。当复合滤棒通过微波谐振腔检测时，利用微波穿透滤棒时衰减常数、相移常数、相移量、谐振频率等参数的变化间接测量滤棒的材料。微波检测系统根据复合滤棒的材料变化输出不同密度的材料信号，通过数字信号处理器DSP电路实现对复合滤棒材料信息的计算与分析，并输出缝隙信号与材料信号，经过处理可计算出每支滤棒的切割位置偏差与缝隙大小。

2.3检测系统工作原理检测系统先以扫频法检测谐振腔空腔状态下的幅频特性，获得谐振频率f0、峰值功率p（f0）及半功率带宽ω03个参量。当腔体谐振时，腔内的电场储能最大值等于磁场储能最大值，电能和磁能交替变化，电能为最大时，磁能为零，反之亦然。但在任一时间，电能和磁能之和为一常数，定义为常数因子S，根据S＝p（f0）×ω0计算出S值。当放入不同材料滤棒后，由于对电场的影响（电场、磁场力线的弯曲）等使品质因素Q值变化，f0发生偏移，谐振曲线变得不尖锐。由于是微扰，插入的介质对电磁场的损耗可以忽略，腔内的总能量应与无介质时的能量几乎一致。当有不同材料滤棒进入谐振腔时，以谐振频率自动跟踪实时测量不同滤棒介入后的各自谐振频率f1和峰值功率p（f1）2个参量，并根据公式S＝p（f0）×ω0=p（f1）×ω1及ω1=p（f0）×ω0p（f1），计算出半功率带宽值ω1。这样，便得到不同滤棒加入前后谐振曲线的Δf及Δω值。其中，Δf=f0－fs，Δω=│f1－f2│s－│f1－f2│0=ω1－ω0。当不同材料滤棒连续快速地穿过谐振腔中间的开孔时，会引起腔体谐振频率f0发生偏移，谐振腔的品质因素Q值改变（与半功率带宽的变化量Δω相对应），通过测量谐振频率的偏移和Q值的改变确定滤棒材料的物理、化学和生物特性，检测此时的频率偏差Δf及Δω［13］，见图5。通过对频率偏差Δf和半功率带宽变化量Δω的测量，发现它们与不同材料滤棒的密度之间具有统计相关关系，利用这2个测量的腔参量表示滤棒的密度，通过最小二乘法对测量值进行拟合可获得密度近似表达式：从滤棒生产厂获取不同材料的滤棒段作为实验样品，采用上述微波谐振腔测量法选取相对湿度相同、总质量不同的滤棒段20支。用电子天平称其质量，记录总质量（mw+mD），根据式（1）可计算出每支不同材料滤棒段的密度。在室温23℃下，将该组不同材料滤棒段分别放入谐振腔中，记录谐振频率的偏移量Δf。在每次测量过程中，微波谐振腔都由恒温电路恒温在50℃，室温保持在23℃，以消除温度对测量的影响。根据实验数据，以谐振频率的偏移量Δf作为X轴，以滤棒密度ρ作为Y轴，得到图6。可见，在相对湿度相同的条件下，不同材料的滤棒在微波谐振腔中谐振频率的偏移量Δf、半功率带宽变化量Δω与滤棒密度ρ呈函数关系。式（2）即为滤棒段密度的数学表达式，在不同材料滤棒之间，直线斜率和节距发生变化，其变化量与滤棒段材料的密度呈函数关系。通过测定放入不同材料滤棒前后的谐振频率和谐振曲线半功率频宽，数据处理电路依据式（2）可计算出不同材料滤棒段的密度。不同材料滤棒段介质密度信号传递给控制系统，控制系统经过运算分析，计算出复合滤棒的缝隙、对称度偏差值，并与程序设定的缝隙、对称度偏差范围值进行对比，判断复合滤棒测量值是否符合设定要求，并使剔除系统剔除不合格滤棒，保证复合滤棒成品质量符合要求。

3应用效果

复合滤棒微波检测剔除系统目前已应用于YL43复合滤棒成型机组，系统性能良好，工作稳定，实现了复合滤棒组合缝隙及对称度偏差的实时在线检测，解决了光电检测系统因复合滤棒材料接近、棒体颜色差别不大引起的检测误差较大问题。实际应用中对超出范围（对称度＞1mm，缝隙＞0.3mm）的不同材料复合滤棒均能准确剔除，剔除误差范围在0.03%以内，较好地满足了各种材料复合滤棒的质量检测需求。而且，微波检测系统的微波输出功率非常小（仅10mW），经检测微波漏能辐射远远小于GB12638—1990［14］和GB10436—1989［15］等规定，安全性较高，不会对人体造成伤害，且适用于多元化复合材料的检测。