基于紅外傳感器的卷煙紙陰燃速率測量儀設(shè)計

李文偉 牛芳芳 顏秋男 朱 震

(1. 河南中煙有限責任公司安陽卷煙廠，河南安陽，455000;2. 中科院合肥物質(zhì)科學研究院，安徽合肥，230031)

在卷煙的生產(chǎn)中，卷煙紙的陰燃速率對于煙支熄火等現(xiàn)象有很大影響，同時影響著煙支的焦油含量和煙氣煙堿含量。卷煙紙陰燃速率的測定對于卷煙生產(chǎn)中的質(zhì)量控制以及對卷煙質(zhì)量的檢驗具有很大的意義［1］。

本文介紹了一種新型的卷煙紙陰燃速率測量儀(簡稱陰燃儀)的設(shè)計，與傳統(tǒng)陰燃儀相比，采用紅外傳感器通過溫度直接探測紙張燃燒位置，避免了傳統(tǒng)方法中采用普通LED 發(fā)射管和接收管來探測紙張燃燒的位置時，紙張燃燒后的灰燼會擋住發(fā)射管的光線而引起誤判造成測量誤差。該陰燃儀具有高可靠性、高精度的優(yōu)點，即使紙張燃燒后的灰燼不脫落，也不會影響系統(tǒng)正常的測量和判斷。同時，煙支水平放置，避免了垂直放置時陰燃速率不均勻的現(xiàn)象［2］。

1 陰燃速率測試原理

根據(jù)YC/T 197—2005 煙草行業(yè)標準的規(guī)定，卷煙紙的陰燃速率定義為:測量陰燃150 mm 長、全寬的卷煙紙所需的時間，以秒(s)計，并計算出其燃燒速率，單位為s/150 mm［3］。

1.1 紅外輻射的基本原理

凡溫度高于絕對零度的物體均會向外輻射紅外線，物體的溫度越高，其輻射出來的紅外線越多，紅外輻射的能量就越強。

由斯蒂芬-波爾茲曼定律可知，物體發(fā)射的全部能量M (W/m2)由物體的溫度決定，兩者之間的關(guān)系可以表示為式(1)。

式中，ε 為被測物體能量的表面發(fā)射率，σ 為斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)，W/m2·K4，T 為物體的絕對溫度，K［4］。

1.2 陰燃儀的測量原理

根據(jù)紅外輻射原理，卷煙紙燃燒過程中會輻射大量紅外線，利用紅外傳感器探測紅外線的強度，感應(yīng)距離不同，傳遞到紅外傳感器的紅外線強度也會不同。

在陰燃儀的測量中，卷煙紙在燃燒過程中，其燃燒線與紅外傳感器達到一定距離時，紅外傳感器測得的紅外線輻射就會達到一定的強度，此時即可作為測量的計時點。利用起始與終止兩處計時的時間差即可得到陰燃速率。

2 系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)計陰燃儀的工作過程為:將卷煙紙置于支撐桿上，通過電阻絲引燃卷煙紙，控制系統(tǒng)根據(jù)紅外探測裝置探測卷煙紙燃燒的位置，控制步進電機運轉(zhuǎn)，使每個卷煙紙支撐桿依次離開，完成卷煙紙陰燃速率的測試。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)主要包括紅外探頭、電阻絲、步進電機、卷煙紙紙樣的支撐裝置及人機界面等部分。

為了保證測試精度和測試準確度，本設(shè)計使用了多組紅外傳感器作為測試探頭來跟蹤探測卷煙紙的燃燒位置。

紙樣支撐裝置包括多個支撐桿，用以使卷煙紙在燃燒過程中保持平穩(wěn)。同時，為了不妨礙卷煙紙的正常燃燒，支撐桿在接近陰燃線時需離開。于是本設(shè)計利用控制步進電機的運動來使支撐桿隨著陰燃速率依次下落。

測試過程中，將卷煙紙置于支撐桿上，利用人機界面輸入開始測試信號，控制器控制電阻絲加熱卷煙紙使之開始陰燃，當探測裝置的第一個探頭探測到卷煙紙陰燃線時開始計時，同時步進電機轉(zhuǎn)動推進斜塊前進，使每個支撐桿依次離開，當探測裝置最后一個探頭探測到陰燃線時，測試結(jié)束，控制器計算出被測卷煙紙的陰燃速率，并顯示在人機界面上。

3 測量誤差分析

本設(shè)計陰燃儀的測量誤差主要由以下幾方面組成。

3.1 紅外傳感器的精度

紅外傳感器可以分為熱傳感器與光子傳感器兩種。

熱傳感器利用探測元件吸收入射的紅外輻射能量而引起溫升，在此基礎(chǔ)上借助各種物理效應(yīng)把溫升轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏俊?/p>

而光子傳感器是利用半導體材料的光電效應(yīng)，使材料的電學性質(zhì)發(fā)生變化，通過測量電學性質(zhì)的變化，從而確定紅外輻射的強弱［5］。

采用光子傳感器作為系統(tǒng)的紅外傳感器，與熱傳感器相比，其靈敏度高，響應(yīng)速度快，響應(yīng)頻率高等。能夠很好地減小系統(tǒng)的測試誤差。

3.2 卷煙紙包灰現(xiàn)象的影響

卷煙紙在燃燒過程中，有時會出現(xiàn)燃燒后的灰燼附著在正在燃燒的卷煙紙上，導致紅外傳感器不動作，直到灰燼脫落后，紅外傳感器才發(fā)出信號。這樣就會造成燃燒計時的延遲，影響測量結(jié)果的準確性。

為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，陰燃儀上下均設(shè)置了紅外光電傳感器，能夠同時測試卷煙紙燃燒時上側(cè)和下側(cè)的紅外線強度，避免了卷煙紙燃燒灰燼上卷或下卷造成的探測延遲。

3.3 測量長度的誤差

由于卷煙紙的陰燃速率是由陰燃時間除以陰燃長度得到的，因此陰燃長度的準確性對最終測得陰燃速率的精度影響很大。

煙草行業(yè)標準規(guī)定，用于樣品陰燃長度的測試裝置，其量程需為150 mm，精度為±1mm。

為了使陰燃儀陰燃長度的量程符合要求，需對其測試量程進行標定。

3.4 環(huán)境影響

在卷煙紙的燃燒過程中，環(huán)境條件對其燃燒性能有著一定的影響。如空氣的流通會加快卷煙紙的燃燒，而空氣濕度較大時，卷煙紙的燃燒速率較低等［6］。

本設(shè)計采用了密閉的燃燒空間，避免了空氣流動對燃燒的影響。但另一方面，密閉空間可能會造成煙霧遮擋，影響紅外探頭的探測，由于紅外探頭的精度較高，使得這種影響微乎其微，可以忽略不計。

此外，紅外探頭的位置、計時器的精度、陰燃線的整齊與否等都會對測試結(jié)果造成影響。

4 陰燃儀測量距離的標定

為了減小陰燃儀量程誤差對測試精度的影響，設(shè)計了一種標定裝置來標定陰燃儀的量程。利用通電發(fā)熱的電阻絲來模擬燃燒線，并通過步進電機驅(qū)動電阻絲的移動來模擬卷煙紙的燃燒過程，同時采用分辨率為0.01 mm 的數(shù)字深度尺來測量電阻絲在測試起始和結(jié)束時的位置信息，以計算出陰燃儀的實測陰燃長度，從而實現(xiàn)標定功能。

標定裝置的工作原理如圖2 所示，由圖2 可以看出，該標定裝置主要包括主電路和控制電路兩部分。其中，主電路部分包括數(shù)字深度尺、步進電機、限位開關(guān)以及電阻絲等，是測量過程的主要實現(xiàn)單元。而控制電路部分主要實現(xiàn)對步進電機的控制、讀取數(shù)字深度尺的數(shù)據(jù)、與陰燃儀之間數(shù)據(jù)交換等功能。

圖2 標定裝置的工作原理

若設(shè)LS為測試起始點位置，LE為測試終止點位置，則可得出陰燃儀的測試長度Y，見式(2)。

5 實驗分析

為了檢測上述陰燃儀的可實現(xiàn)性與準確性，利用所設(shè)計的陰燃儀對卷煙紙進行陰燃速率測試。

對兩種定量的卷煙紙分別進行多次測試，測試結(jié)果見表1 和表2。

表1 定量為28.5 g/m2 的卷煙紙陰燃速率的測試結(jié)果

由表1 和表2 可以看出，在對同一種類卷煙紙進行多次重復測試時，得出的結(jié)果具有較高的穩(wěn)定性。同時，在測試不同種類卷煙紙時，測試結(jié)果的標準偏差的穩(wěn)定性同樣較高。

由此可見，本設(shè)計的卷煙紙陰燃儀符合實際測試需要。

表2 定量為32 g/m2 的卷煙紙陰燃速率的測試結(jié)果

6 結(jié) 語

為了檢測卷煙紙的陰燃速率，設(shè)計了一種新型的卷煙紙陰燃速率測量儀，利用紅外傳感器測定卷煙紙陰燃線的位置，來判斷測試的起止位置。同時分析了陰燃儀測量誤差的來源，并采取了相應(yīng)的措施來減小誤差。

通過實驗測試表明，本設(shè)計的卷煙紙陰燃儀完全符合實際需要，且與傳統(tǒng)陰燃儀相比，測試精度與穩(wěn)定性大大提高。

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