卷煙廠紅外水分儀測量誤差分析及改進(jìn)方法探討

摘要：卷煙廠紅外水分儀測量誤差對卷煙加工起著非常關(guān)鍵的作用。本文針對水分儀波長的不同、光源能量的變化等對紅外水分儀測量結(jié)果的影響進(jìn)行了深刻的剖析，并提出通過定期清潔保養(yǎng)、動(dòng)態(tài)標(biāo)定等改進(jìn)方式等夠有效提高紅外水分儀的測量精度。

關(guān)鍵詞：波長；光源能量；動(dòng)態(tài)標(biāo)定

在卷煙加工過程中，影響紅外水分儀測量誤差的因素有來自設(shè)備本身，也有來自外部安裝使用方面。我們通過對水分儀波長、光源能量等因素對紅外水分儀測量結(jié)果的影響進(jìn)行的剖析，來探索在日常使用中降低測量誤差的改進(jìn)方法，為紅外水分儀在卷煙廠的正確使用提供參考。

1 測量誤差分析

1.1 波長變化對紅外水分儀的影響

目前在卷煙廠使用的主要是二波長紅外水分儀，該儀器采用了2個(gè)近紅外光譜，1.45μm或1.94μm和1.8μm；1.45μm或1.94μm都能被水份吸收；而1.8μm不被水份吸收。145μm或1.94μm雖然都能被水份吸收，但它們對水份的敏感程度是不同的，在高水份時(shí)用1.45μm，在低水份時(shí)用194μm。有了這個(gè)特點(diǎn)我們就可以用以下公式算出樣品的含水率：

W=R×K/M+a（1）

W——樣品的含水率

R——參考波長射到樣品后的理論反射率

M——測量波長射到樣品后的理論反射率

K——測量曲線斜率

a——測量曲線零位

參考波長的理論反射率R人們希望它不要受到被測物體的成份和晶體結(jié)構(gòu)變化的影響，永遠(yuǎn)是一個(gè)相對常數(shù)。但實(shí)際上它是不穩(wěn)定的，往往要受到各種因素的影響，如下圖。

二波長紅外水分儀工作原理圖

從上圖中可以看出參考波長反射率的不可預(yù)測的變化會(huì)造成測量誤差r1。

r1=RR1（2）

R1——參考波長射到樣品后的實(shí)際反射率

為了解決這個(gè)問題，就必須再增加一個(gè)參考波長，引入一個(gè)參考波長λ3=2.1μm，通過這個(gè)波長的互補(bǔ)，使一個(gè)過去認(rèn)為較難的測量成為可能。這時(shí)我們可以用一個(gè)新的公式來計(jì)算被測物的水分：

W=[（R1+r1）+ （R3r3）]/M+a（3）

從上式可以看出當(dāng)r1= r3時(shí)，這時(shí)被測物的水份得到了精確的測量。但實(shí)際上r1和r3不可能在同一數(shù)量級(jí)上變化，它們之間的變化是有差異的，這時(shí)我們可以用以下公式計(jì)算被測物水分。

W=R×K/M+a（4）

=[ R1×n/ M+ R3（1n）/ M] ×（K+a）

n——小于1的比例系數(shù)

n取不同的數(shù)值R1和R3所取的比例不同，測量結(jié)果將得到不同的補(bǔ)償，因此n的取值數(shù)將直接影響到儀器測量的準(zhǔn)確度。在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)被測物的成份和晶體結(jié)構(gòu)的變化的影響對λ3較小，λ3的反射率很穩(wěn)定。因此λ3的實(shí)際反射率R3取的比例要比R1大，通常n應(yīng)在0.20.3左右。通過這種補(bǔ)償，使得三波長的測量精度在原來二波長基礎(chǔ)上得到了的改善。

1.2 光源能量變化對紅外水分儀的影響

當(dāng)某些原因造成光源能量發(fā)生變化時(shí)，R和M都發(fā)生變化，它們變化的大小是不一樣的，而由此產(chǎn)生的影響會(huì)造成測量誤差。引起光能變化的因素有燈絲老化，電源電壓波動(dòng)等。

1.3 其他誤差

由于煙絲或煙葉不能很好的松散及本身水分不均勻，紅外水分儀的讀數(shù)和烘箱法得出的結(jié)果沒有規(guī)律，離散性大，這樣使標(biāo)定人員對水分儀的校正無從下手，造成測量誤差增大。

2 改進(jìn)方法

2.1 定期進(jìn)行紅外水分儀的清潔和保養(yǎng)

定期要對紅外水分儀的光學(xué)窗口進(jìn)行清潔和保養(yǎng)，對有氣路清潔的，還要對過濾器進(jìn)行清潔，以免二次污染；紅外水分儀盡管密封性很好，但里面的透鏡時(shí)間長了也不可避免會(huì)沾上灰塵，因此要定期對紅外水分儀進(jìn)行清潔和保養(yǎng)。

2.2 動(dòng)態(tài)標(biāo)定

在生產(chǎn)線正常運(yùn)行時(shí)，直接從紅外水分儀探頭下取樣，并同時(shí)讀取水分儀當(dāng)時(shí)的讀數(shù)，再用烘箱法作出的標(biāo)準(zhǔn)水分去校準(zhǔn)紅外水分儀。動(dòng)態(tài)標(biāo)定應(yīng)盡量降低校準(zhǔn)用烘箱和取樣環(huán)節(jié)帶來的誤差。

動(dòng)態(tài)標(biāo)定和靜態(tài)標(biāo)定的區(qū)別在于考慮了整個(gè)環(huán)境條件物料的動(dòng)態(tài)特性，因此動(dòng)態(tài)標(biāo)定更接近實(shí)際情況。

2.3 建立紅外水分儀的測量曲線

對于不同的煙葉或煙絲，紅外水分儀會(huì)產(chǎn)生不同的測量曲線，這是因?yàn)闊熑~或煙絲的顏色、成份、晶體結(jié)構(gòu)的不同造成的。不同的測量曲線它的零位和斜率是有變化的。

2.4 增強(qiáng)光源能量

加大燈泡的功率，通過調(diào)制電壓來控制燈泡的通斷，調(diào)制電壓和調(diào)制盤上的光孔同步，使燈泡的平均功耗不變沒，這樣既解決了燈泡壽命，又解決了信噪比的問題。另外對燈泡的調(diào)換，不是要等到燈泡壞了后才更換，發(fā)現(xiàn)老化，就應(yīng)該及時(shí)更換。

3 結(jié)語

通過以上分析可以看出，卷煙廠紅外水分儀測量誤差有來自儀器設(shè)計(jì)本身，也有使用維護(hù)方面的原因。對于儀器設(shè)計(jì)缺陷帶來的誤差，我們可以通過應(yīng)用選型來有效避免；對于使用維護(hù)原因造成的誤差，可以通過本文提出的動(dòng)態(tài)標(biāo)定、建立測量曲線等改進(jìn)方法，有效提高紅外水分儀的測量精度。

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作者簡介：楊守臣（1973），男，大學(xué)，工程師，計(jì)量管理員，主要研究方向：企業(yè)計(jì)量管理。