烟支水分与密度分布测量技术

烟支水分与密度分布测量技术
张济民;钦华
【摘要】介绍了烟支水分与密度分布测量的方法，详细分析了微波测量、自动控
制以及人机界面技术在仪器中的应用。

%This thesis introduces the measuring method for moisture and density distributing of the cigarette, analyses carefully the application of microwave measuring, automatic control and human ma-chine interface technology in the instrument.
【期刊名称】《工业仪表与自动化装置》
【年(卷),期】2014(000)004
【总页数】3页(P90-91,95)
【关键词】水分与密度;微波谐振腔;人机界面
【作者】张济民;钦华
【作者单位】中国电子科技集团公司第41研究所，安徽蚌埠233010;常德卷烟厂，湖南常德415000
【正文语种】中文
【中图分类】TS452
0 引言
当前，国内各烟厂开始逐步重视卷烟产品的质量细节问题，烟支中水分与密度的分布是衡量烟支质量的一项主要指标，因此各烟厂都需要测量烟支的水分与密度分布
情况，并为控制烟支水分与密度的合理分布和一致性提供依据。

1 水分与密度的测量方法
烟草行业对烟支水分与密度测量方法一般有两种方式:烘箱法和仪器测量法。

烘箱法是一种传统的测量方法，主要依靠人工检验，其过程是先人工快速将烟支中的烟丝剥出来放入洁净的称量皿中，在电子天平上称量后迅速放入烘箱中，然后在(100±1)℃的温度下烘干2 h，放入硅胶干燥器中冷却至室温后再称重，最后通过
2次称重值算出烟支的平均水分与密度。

该方法工作量大，速度慢，人为因素较多，检测结果也只能反映出烟支的平均水分与密度，不能反映出烟丝在烟支中各个部位的分布情况。

仪器测量法是通过专用的微波测量仪器来进行检测，过程比较简单，只需将烟支放入设置好的测量仪中，其余都由仪器自动完成。

通过这种方法不仅可以快速测量烟支在每个剖面的水分及密度，而且还可以按照操作人员的需要逐段对烟支进行分析。

2 水分与密度分布测量技术
要完成自动对烟支水分与密度的分布测量，需要三方面的技术:首先微波测量技术，负责对烟支每个剖面的水分及密度的测量，构成测量系统;其次自动控制技术，负
责烟支的拾取、传送和排出，构成烟支传送系统;三是人机界面技术，负责参数的
设定以及将测量的结果通过图形和表格的方式显示出来，构成人机交互系统。

2.1 微波测量
微波测量原理是谐振腔的谐振频率随腔内介质的介电常数变化发生偏移，幅度也发生改变。

当烟支通过微波谐振腔时，腔内介质由空气变为烟支，由于不同烟支段的密度及含水量不同，其介电常数也有差异，从而引起谐振腔的谐振频率和幅度发生相应变化。

这种变化与烟支的水分与密度存在对应关系，配合计算机软件算法，实现烟支水分与密度的测量。

为了完成对烟支中的水分与密度测量，需要设计一个适合于烟支通过的圆柱式谐振
腔体，它是测量的核心部件。

在结构上，根据被测对象的特点，设置一个可通过烟支的圆孔。

在谐振腔介质选定的情况下，结构尺寸由其谐振频率决定，频率越大则结构尺寸越大;另一方面，工作频率的增加将增加测量系统的复杂度，造价也随之上升，谐振频率和品质因数的准确测量也较困难，因此将谐振腔的谐振频率设计为2.5 GHz左右较为合适。

微波射频信号经过腔体产生变化后的检波，由射频检测电路完成。

要求信号幅度、频率稳定，检波可靠。

射频检测电路包含DDS电路、PLL电路、调幅电路以及检波电路等几个部分，其功能是在CPU的控制下产生一定的射频信号并输入到微波谐振腔中，产生谐振的电磁场。

当烟支通过此电磁场时，其中所含的水分使微波电磁场的能量参数发生变化。

通过检波电路检测该能量参数的变化并将检波结果传送给CPU进行相应的数据处理，即可得出烟支的湿度和密度。

DDS电路部分由直接数字频率合成器(DDS)产生特定的数字频率信号，通过高速数模转换(D/A)后生成模拟频率信号，再经低通滤波器(LPF)滤除其中的高频分量后输入到锁相环(PLL)，作为其外部参考频率。

其组成框图如图1所示。

调幅电路部分由锁相环(PLL)、环路滤波器(LF)、压控振荡器(VCO)和分频器组成闭环反馈系统，在CPU的控制下产生合成频率信号。

由CPU控制压控衰减器(VCA)的衰减量，以实现对PLL电路的输出信号进行幅度调节。

调幅电路如图2所示。

检波电路部分由检波二极管对经过微波谐振腔后的微波信号进行检波，并将检波结果经放大、ADC处理后输入到CPU中进行数据处理。

2.2 自动控制
为了实现烟支的测量过程，需要设计一个烟支传送系统。

该系统主要由料斗、烟支
拾取机构、线性驱动装置、卸料机构等组成，主要作用是在烟支不受损的情况下通过烟支拾取机构将单支烟传送到线性驱动装置，然后匀速的导入谐振腔体进行测量。

测量完成后经卸料机构将烟支排出。

其工艺流程如图3所示。

烟支的传送部分包括各种驱动电机及其驱动控制电路，各种光电、位置传感器等。

为了实现烟支平稳、匀速的通过谐振腔体，设计了线性驱动装置，为使烟支的平稳运行，采用步进电机驱动推烟杆运动。

步进电机将电脉冲信号转变为角位移或线位移，电机的转速、停止的位置取决于脉冲信号的频率和脉冲数，是一种用于位置精确控制的特种电机;为了实现烟支的自动喂料以及检测完成后烟支的自动排出，设
计了烟支拾取机构和卸料机构，这两个机构的运行与线性驱动装置比较要求相对较低，可以使用带有减速装置的直流微电机来完成。

烟支的有无和各运行机构的位置检测，可以通过光电传感器和位置传感器来实现。

2.3 人机界面
合理的人机界面可以提高用户的工作效率。

构造友善的人机界面应具备以下特点:
图形化的界面组织，简单的操作方法，符合实际需要的管理能力以及实用的数据处理功能等。

为了完成烟支水分与密度分布的测量以及数据分析功能，人机界面最少应包括设定页面、测量页面和统计页面。

用户在设定页面可以对系统参数、被测对象的特性进行设置;在测量页面可以启动、停止测量并查看测量信息;在统计页面可以查看测量
结果，进行初步的数据分析并向外部设备输出。

硬件上，人机界面需要满足以下要求:1)性能优良的工业控制计算机和触摸屏显示器;2)集成一块CF卡，用于安装操作系统;3)集成一块硬盘，保存参数设定、测量
数据和运算结果;4)RS232通信接口，与测量系统进行通信;5)USB接口，用于连接触摸屏、数据输出设备等;6)以太网接口，用于日后扩展功能以及连接到其他计算
机网络上。

软件上，人机界面可以选择Windows XP Embedded操作系统，开发环境采用Microsoft Visual Studio 2005平台，使用C++语言开发。

3 应用
和传统的烘箱法相比，采用微波测量技术具有测量精度高、重现性好、速度快、对物料无损伤的优点，并且可以通过友善的人机界面进行数据分析，为控制烟支水分与密度分布的均匀性，指导优化卷烟工艺，提高卷烟质量提供准确的可支持性数据。

参考文献:
［1］姚德淼，毛均杰.微波技术基础［M］.北京:电子工业出版社，1989.
［2］董树义.近代微波测量技术［M］.北京:电子工业出版社，1995.
［3］黄坚.自动控制原理及其应用［M］.北京:高等教育出版社，2004.
［4］刘宝廷，程树康.步进电动机及其驱动控制系统［M］.哈尔滨:哈尔滨工业大
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［5］Microsoft Visual Studio 2005 with Platform Builder 6.0 Documentation［Z］.Microsoft Corporation，2004.。