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    （鄭州煙草研究院，河南 鄭州 450001）王錦平

    （中國(guó)煙草總公司職工進(jìn)修學(xué)院，河南 鄭州 450001）王鴻旻
                         
    王錦平（1971-）女，河南新鄭人，本科，助理工程師，現(xiàn)就職于中國(guó)煙草總公司鄭州煙草研究院國(guó)家煙草質(zhì)檢中心，主要研究方向?yàn)闊煵菸锢頇z測(cè)。

    摘要：本文首先介紹了微波原理及其在卷接機(jī)組煙支重量檢測(cè)的應(yīng)用，然后給出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，最后試驗(yàn)表明，微波測(cè)量頭的測(cè)量準(zhǔn)確性完全達(dá)到核掃描的水平，而且還略優(yōu)于核掃描頭。

    關(guān)鍵詞：微波；煙支重量；檢測(cè)

    Abstract: The basic principle of microwave measuring and its application in cigarette weight measuring are first introduced. Then we give the design scheme of the measuring system based on microwave principle. The experiments show that the accuracy of the microwave-based measuring probe is comparable or slightly superior to that of nuclear scanning.

    Key words: Microwave; Cigarette weight; Measuring
   
    1 概述

    煙支重量是指單支煙支的重量或某單位數(shù)量煙支的重量，通常用煙支單重或煙支組重來(lái)表示。不同的煙支重量表示方法有各自不同的意義，煙支單重反映煙支重量的離散度，煙支組重反映煙支重量的穩(wěn)定性。煙支重量是煙草行業(yè)在卷煙生產(chǎn)加工過(guò)程中的一個(gè)重要技術(shù)參數(shù)和質(zhì)量指標(biāo)，從煙支重量可以反映出一個(gè)卷煙企業(yè)設(shè)備的精良程度、產(chǎn)品的技術(shù)含量、工藝管理水平、職工的產(chǎn)品質(zhì)量意識(shí)等。

    目前，各種高速卷煙機(jī)組煙條平均重量控制系統(tǒng)中，主要都是使用鍶90放射源作為探頭，卷制成型的煙條在經(jīng)過(guò)放射源裝置時(shí)，β粒子射線一部分被煙條吸收，另一部分進(jìn)入電離室，由此產(chǎn)生的電流經(jīng)電路處理后變成電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)反映了煙絲的密度，電壓越高，密度越小，說(shuō)明煙條越輕，反之越重。眾所周知，鍶90放射源屬于放射性物質(zhì)，無(wú)論卷接機(jī)組是否有電，放射性始終存在，對(duì)周圍人員構(gòu)成長(zhǎng)時(shí)間潛在危害，同時(shí)，按照國(guó)家放射性污染物質(zhì)保護(hù)法，放射源探頭的檢修和維護(hù)需要由專門(mén)的機(jī)構(gòu)和人員來(lái)進(jìn)行，檢修、維護(hù)費(fèi)用昂貴，給煙廠帶來(lái)了極大的不便。同時(shí)，放射源探頭工作不正常時(shí)有發(fā)生，如：電離室恒溫檢測(cè)控制電路出現(xiàn)異常；放射源頭隨時(shí)間延長(zhǎng)產(chǎn)生衰變等各種原因，都會(huì)影響放射源探頭輸出電壓信號(hào)的正確性，從而影響了煙支重量計(jì)算的精度和控制精度，由于維護(hù)要求太高，出現(xiàn)上述問(wèn)題時(shí)，煙廠往往不能及時(shí)處理，這始終是煙廠最頭痛的事情。

    為此，人們一直在尋求利用安全型的新技術(shù)來(lái)取代具有放射性危害的放射源技術(shù)，如德國(guó)豪尼公司推出的微波重量檢測(cè)探頭就是利用微波技術(shù)取代具有放射源技術(shù)，已在煙機(jī)上使用。但其價(jià)格昂貴，每套約為合人民幣40~50萬(wàn)元[1]。本文提出自主創(chuàng)新的高速在線微波煙支重量檢測(cè)探頭。

    2 微波重量檢測(cè)探頭結(jié)構(gòu)及工作原理

    微波是無(wú)線電頻譜的一部分。它指頻率在300MHz（波長(zhǎng)1米）到300GHz（波長(zhǎng)1毫米）的電磁波。微波技術(shù)是基于微波的特點(diǎn)發(fā)展而形成的一門(mén)技術(shù)。它的研究?jī)?nèi)容包括微波的產(chǎn)生、傳輸、傳播、輻射、檢測(cè)及應(yīng)用等方面。由于微波具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，它在軍事及民用技術(shù)方面都得到了廣泛的應(yīng)用：利用微波信號(hào)能在金屬物體表面反射而且波長(zhǎng)短、定向性強(qiáng)的特性，人們做成了各種雷達(dá)；利用微波作為載波，它能攜帶更多信息進(jìn)行傳輸，所以被廣泛用于通訊技術(shù)中；利用微波照射物質(zhì)，使物質(zhì)中的偶極分子轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生熱量，它被用于材料加熱、干燥、滅菌及醫(yī)療方面；利用微波在不同材料中的傳播速度、強(qiáng)度的變化可以用來(lái)檢測(cè)材料的特性等等。利用煙絲條通過(guò)微波電磁場(chǎng)時(shí)，由于煙條的密度及水分含量的不同，使微波電磁場(chǎng)能量參數(shù)發(fā)生變化來(lái)檢測(cè)煙絲條的重量和含水量。由于微波信號(hào)頻率高、變化速度快，對(duì)材料密度及濕度的變化反應(yīng)極其敏感，而且它對(duì)被檢測(cè)材料本身不會(huì)產(chǎn)生任何損害，所以它具有能在線、實(shí)時(shí)、快速、無(wú)損對(duì)材料特性檢測(cè)的特點(diǎn)。

    （1）結(jié)構(gòu)

    微波重量檢測(cè)探頭由微波電磁場(chǎng)空腔組件、導(dǎo)煙管組件、氣路組件、溫控組件、殼體組件、專用微波源及控制電路、檢波放大電路、溫度補(bǔ)償及信號(hào)處理系統(tǒng)、信號(hào)輸出驅(qū)動(dòng)等組成。

    （2）工作原理

    微波信號(hào)由微波振蕩器產(chǎn)生，通過(guò)傳輸線將信號(hào)送到電磁場(chǎng)空腔組件，當(dāng)煙條穿過(guò)電磁場(chǎng)空腔時(shí)，不同密度及含水量的煙條將會(huì)引起微波電磁場(chǎng)能量參數(shù)的不同變化，通過(guò)對(duì)能量參數(shù)檢測(cè)，并通過(guò)信號(hào)分析軟件的分析、處理，最終得到煙條的實(shí)時(shí)密度值及含水量，并由信號(hào)驅(qū)動(dòng)板送到煙支平均重量控制系統(tǒng)而完成煙支重量檢測(cè)及控制功能[2]。檢測(cè)原理如圖1所示。
                   
                                   圖1   檢測(cè)原理圖
    1為微波發(fā)生器；2、5為隔離環(huán)；3為諧振腔；4為被測(cè)煙條；6為檢波放大器；7為數(shù)據(jù)處理器；8為微波發(fā)生器的控制線路；9為輸出信號(hào)。

    微波發(fā)生器1向諧振腔輸送兩種不同頻率的微波，通過(guò)諧振腔未受煙條影響（空腔）與受煙條影響（加載）的諧振曲線的變化來(lái)測(cè)定煙條的密度和水分，隔離環(huán)的作用是避免信號(hào)的互相干擾。諧振腔輸出的微波諧振曲線如圖2所示。
                       
                                 圖2  微波諧振曲線圖
    其中：f0、u0為空腔（即未放入被測(cè)煙條）時(shí)的諧振曲線。f1、u1為加載（即放入被測(cè)煙條）時(shí)的諧振曲線。fa、fb為微波發(fā)生器輸送的兩個(gè)微波頻率，ua、ub為檢波器檢出的輸出微波信號(hào)。取：

    u直=1/2（ua+ub） （1）

    u交=1/（ub-ua） （2）

    u直反映了被測(cè)煙條的密度，密度越大，u直越大，設(shè)m為被測(cè)煙條的密度，則m與u直之間的數(shù)學(xué)關(guān)系如下：

    m=a+bu直+c（u直）2 （3）

    式中常數(shù)a、b、c采用已知密度的物質(zhì)進(jìn)行標(biāo)定后獲得。根據(jù)上式，當(dāng)諧振腔內(nèi)加入被測(cè)煙條時(shí)，檢波器檢出ua、ub后，在數(shù)據(jù)處理器中可以求得u直和m，從而測(cè)出煙條的密度。u交反映了被測(cè)煙條的水分，水分含量越大，u交越大，設(shè)w為被測(cè)煙條的水分含量，則w與u交之間的數(shù)學(xué)關(guān)系如下：

    w=d+eu交+f（u交）2 （4）

    式中常數(shù)d、e、f采用已知水分的物質(zhì)進(jìn)行標(biāo)定后獲得。同樣，在數(shù)據(jù)處理器中可以求得u交和w，從而測(cè)出煙條的水分。檢波器6的微波信號(hào)還取決于檢測(cè)裝置的溫度，為此，可以進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

    3 系統(tǒng)組成

    為適應(yīng)PROTOS卷接機(jī)組重量控制系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化的要求，對(duì)原有的PROTOS SRM 重量控制系統(tǒng)進(jìn)行了改造，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了新型的重量控制系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)原有重量控制系統(tǒng)的功能分析，新型重量控制系統(tǒng)要完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)計(jì)算處理、輸出驅(qū)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)通信、參數(shù)設(shè)置、人機(jī)界面顯示等功能。同時(shí)，考慮到系統(tǒng)與原有SRM 重量控制系統(tǒng)的兼容性，新系統(tǒng)還要保證可靠地向外圍設(shè)備提供工作所需電源。因此，新型重量控制系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：機(jī)架部分、電源部分、輸入處理板、信號(hào)處理板、通信處理板、輸出處理板、人機(jī)界面、通信線路、系統(tǒng)控制及通信軟件部分等[3]。

    （1） 機(jī)架部分

    機(jī)架部分保持與原有SRM90 機(jī)箱安裝尺寸一致。和外部信號(hào)連接的插座保持與原有SRM系統(tǒng)一致，數(shù)量有縮減。

    （2） 電源部分

    電源部分采用美國(guó)VICOR 公司高性能電源模塊構(gòu)成。分別提供+24V(Ui)，+15V，-15V，+24V(Uo)等電源。控制部分需要的雙+5V 電源由DC-DC 轉(zhuǎn)換模塊提供。

    （3）輸入處理板

    輸入處理板主要完成增量脈沖、指示脈沖、煙條監(jiān)測(cè)器、密度脈沖、位置信號(hào)等輸入量的預(yù)處理。經(jīng)過(guò)處理的信號(hào)通過(guò)機(jī)架上的總線送往信號(hào)處理板。

    （4） 信號(hào)處理板

    信號(hào)處理板主要完成上述輸入量的計(jì)算處理，結(jié)果一方面送通信處理板，另一方面通過(guò)輸出處理板進(jìn)行輸出控制。信號(hào)處理板由一片TI 公司生產(chǎn)的高性能DSP 數(shù)字處理器為核心構(gòu)成，處理器主頻達(dá)到50MHZ，完全可以滿足煙機(jī)電控系統(tǒng)對(duì)處理速度、可靠性等要求。

    （5）通信處理板

    通信處理板是進(jìn)行PROFIBUS_DP總線通信的接口。此板由一塊嵌入式微控制器為核心，配以西門(mén)子公司專用集成電路芯片SPC3。數(shù)據(jù)通信由SPC3自動(dòng)完成。通信處理板與信號(hào)處理板之間通過(guò)雙端口RAM進(jìn)行通信，收發(fā)數(shù)據(jù)。SPC3通過(guò)總線與觸摸屏工控機(jī)相連，發(fā)送系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果，接收設(shè)置參數(shù)。

    （6） 輸出處理板

    輸出處理板主要完成輸出控制驅(qū)動(dòng)等功能。具體包括控制劈刀的上下行信號(hào)、取樣剔除信號(hào)、輸出使能、停機(jī)控制信號(hào)等。

    （7） 人機(jī)界面部分

    人機(jī)界面部分用于取代原來(lái)的中文IT80顯示器。它采用西門(mén)子PC670工控機(jī)，12寸液晶觸摸屏，采用 Windows2000操作系統(tǒng)，軟件部分采用INTOUCH組態(tài)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，界面友好，參數(shù)設(shè)置簡(jiǎn)單，系統(tǒng)更加可靠。

    （8） 系統(tǒng)控制及通信軟件部分

    控制系統(tǒng)軟件主要完成系統(tǒng)計(jì)算控制工作，通信軟件主要完成PROFIBUS_DP總線通信。

    4 實(shí)驗(yàn)

    在卷煙機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中，控制系統(tǒng)通過(guò)移位寄存器將等于目標(biāo)重量的煙支在取樣口取出，由于存在測(cè)量誤差，實(shí)際取出的煙支重量不可能正好等于目標(biāo)重量，而是圍繞著目標(biāo)重量波動(dòng)，因此要采用多次取樣的平均值對(duì)目標(biāo)重量進(jìn)行修正。通常以100支煙平均重量3次求平均的方法對(duì)目標(biāo)重量進(jìn)行修正，可以使目標(biāo)重量取樣實(shí)測(cè)平均重量的誤差修正在1～3mg的范圍。將微波測(cè)量頭和核掃描頭分別試用于SRM90HR控制系統(tǒng)的PROTOS70卷煙機(jī)上進(jìn)行多次目標(biāo)重量取樣測(cè)試，經(jīng)過(guò)近一年的比較觀察，測(cè)試結(jié)果顯示好于核掃描頭，如表1所示。

              

    由表1可見(jiàn)，以目標(biāo)重量取樣標(biāo)準(zhǔn)差為標(biāo)準(zhǔn)微波測(cè)量頭的測(cè)量重復(fù)性誤差為5.9mg左右，核掃描頭為8.2mg左右。平均值的波動(dòng)微波也好于核掃描頭。進(jìn)一步測(cè)試表明，較新的核掃描頭標(biāo)準(zhǔn)偏差能達(dá)到5～6mg，使用年限較長(zhǎng)的核掃描頭標(biāo)準(zhǔn)偏差在10mg以內(nèi)，偏差大于10mg的核掃描頭必須進(jìn)行調(diào)整或報(bào)廢。對(duì)微波掃描頭的內(nèi)部標(biāo)定參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化校準(zhǔn)后，微波測(cè)量頭的測(cè)量重復(fù)性誤差標(biāo)準(zhǔn)差在5mg以下。因此，在測(cè)量準(zhǔn)確性上微波略好于核掃描頭。

    5 結(jié)語(yǔ)

    微波密度濕度檢測(cè)儀避免了核輻射的污染，檢測(cè)精度更高，是目前煙支密度濕度檢測(cè)的最理想的設(shè)備。做為卷接機(jī)組在線煙支密度濕度檢測(cè)設(shè)備，該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：高穩(wěn)定度和可靠性；采樣速率高達(dá)每秒10000次；更安全，更低的輻射，只有移動(dòng)電話輻射的幾百分之一；可以檢測(cè)不同品牌的煙支，并且不需要改變檢測(cè)參數(shù)設(shè)置；同時(shí)檢測(cè)密度和濕度參數(shù)；一體化的設(shè)計(jì)減少了信號(hào)傳遞的誤差和干擾；密度測(cè)量精度高，能準(zhǔn)確的反映煙支密度，便于重量控制；微波發(fā)射功率微小，對(duì)操作人員無(wú)傷害；安裝、操作簡(jiǎn)單，便于使用。

    其他作者：王鴻旻（1973-），女，湖北老河口人，本科，現(xiàn)就職于中國(guó)煙草總公司職工進(jìn)修學(xué)院。

    參考文獻(xiàn)：

    [1] 崔敬花，孫立紅. 濕度傳感器及其變送器[J]. 沈陽(yáng)化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2001，(03).

    [2] 韋萌，張鵬. 基于DSP的煙支重量控制系統(tǒng)研究[J]. 計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2009，(08).

    [3] 李德法，廉潔，吳志剛. 微波煙支重量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]. 煙草科技，2005，(08).

     摘自《自動(dòng)化博覽》2010年第六期