红外水分仪在卷烟制丝生产中测量误差分析及改进方法

杨守臣　吕　健　李成富　陈建军　盛志艺

(山东中烟工业有限责任公司，济南 250100)

0　引言

烟丝水分是卷烟生产中的一个重要控制指标，合适的烟丝水分对提高烟丝填充值，降低烟丝造碎率，提高卷接包质量以及对卷烟的储存都有非常重要的意义，为此，许多卷烟厂在制丝生产线配备了大量的水分仪。近年来，红外水分仪因其非接触、反应快等特点得到了广泛的应用。

影响红外水分仪测量误差的因素有来自设备本身，也有来自外部安装使用方面。我们通过水分仪波长、光源能量、校准用烘箱和设备安装方式等因素，对红外水分仪测量结果的影响进行的剖析，探索了在日常使用中降低测量误差的改进方法，为红外水分仪在卷烟厂的正确使用提供参考。

1　内部原因分析

1.1　波长变化对红外水分仪的影响

目前，在卷烟厂使用的红外水分仪从技术特点上分有二波长，三波长等，基本测量原理都是红外反射式，所不同的是光路结构，补偿形式的变化。

二波长水分仪采用了2个近红外光谱，1.45μm或1.94μm和1.8μm；1.45μm或1.94μm都能被水分吸收；而1.8μm不被水分吸收，如图1所示。

图1　水的近红外吸收光谱特性

1.45μm或1.94μm虽然都能被水分吸收，但它们对水分的敏感程度是不同的。在高水分时用1.45μm，在低水分时用1.94μm。有了这个特点，可以用以下公式算出样品的含水率：

W=R×K/M+a

(1)

式中，W为样品的含水率；R为参考波长射到样品后的理论反射率；M为测量波长射到样品后的理论反射能率；K为测量曲线斜率；a为测量曲线零位。

对于参考波长的理论反射率R，都希望它不要受到被测物体的成分和晶体结构变化的影响，永远是一个相对常数；但实际上它是不稳定的，往往要受到各种因素的影响。见图2。

图2　二波长红外水分仪工作原理

从图2中可以看出参考波长反射率的不可预测的变化会造成测量误差r1。

r1=R-R1

(2)

式中，R1为参考波长射到样品后的实际反射率。

为了解决这个问题，就必须再增加一个参考波长，引入一个参考波长l3=2.1μm，通过这个波长的互补，使一个过去认为较难的测量成为可能。这就是三波长测量，它的基本原理如图3。

图3　三波长红外水分仪工作原理

从图3中可以看到当l1的实际反射率R1发生变化时，l3的实际反射率R3也发生了变化，这时，可以用一个新的公式来计算被测物的水分：

W=[(R1+r1)+ (R3-r3)]/M+a

(3)

从式(3)可以看出，当r1=r3时，被测物的水分得到了精确的测量。但实际上r1和r3不可能在同一数量级上变化，它们之间的变化是有差异的，这时可用式(4)计算被测物水分：

W=R×K/M+a=[R1×n/M+

R3(1-n)/M]×(K+a)

(4)

式中，n为小于1的比例系数。n取不同的数值R1和R3所取的比例不同，测量结果将得到不同的补偿，因此，n的取值数将直接影响到仪器测量的准确度。在实际应用中发现，被测物的成分和晶体结构的变化对l3的影响较小，l3的反射率很稳定。因此，l3的实际反射率R3取的比例要比R1大，通常n应在0.2～0.3左右；通过这种补偿，使得三波长的测量精度在原来二波长基础上得到了的改善。

1.2　光源能量变化对红外水分仪的影响

当某些原因造成光源能量发生变化时，R和M反射率也发生变化，它们变化的大小是不一样的，而由此产生的影响会造成测量误差，引起光能变化的因素有灯丝老化、电源电压波动等。

1.3　红外滤光片中心波长和透过率对水分仪影响

一个好的滤光片镀膜技术应该使同一个波长的每一个滤光片的中心波长非常接近，它们之间的误差很小。当2台水分仪在同一个工位互换时，测量曲线K值可以复制过去，而只需做一个简单的零位调整，而不需重新定标。

红外滤光片的光能透过率不均也是影响水分仪互换的因素，当红外涂层不均匀时，在硫化铅传感器上得到的波峰是一个变化的峰值，它对水分仪互换性产生了影响。

1.4　滤光片轮的转速对水分仪的影响

滤光片轮的转速对水分仪测量准确度会带来一定的影响。我们用以下计算来说明：

当滤光片轮的转速V1=1500r/min，6000kg/h物料传送带的速度V2=0.5m/s，当滤光片轮转了3/4转后用去的时间为：

T=60/1500×3/4=0.03s

(5)

此时传送带走的直线距离L是

L=0.5×0.03=0.015m=15mm

(6)

从计算中可以看出，当一个滤光片轮转了3/4转后，传送带走了15mm，反射光能R1，M，R3已不是从同一个物料点上来的了；如果把电机扫描速度提高一倍，从1500r/min提高到3000r/min，在同样条件下，传送带行走距离为7.5 mm，其扫描实时性提高了一倍。因此，往往希望传送带的速度慢一些，滤光片轮的转速快一些，但如果处理不好也会带来一些问题。滤光片轮转速过快，硫化铅探测器的电荷来不及释放，波峰间隔太短，会把测量波长的峰值淹没掉。所以，对高速物料运输带上的物料进行水分检测时，就要考虑红外水分仪的扫描速度匹配，或者降低运输带的速度来求得与水分仪扫描速度的匹配。

2　外部原因分析

2.1　校准用烘箱的误差

安装在卷烟生产线上的红外水分仪在使用中需用烘箱法进行经常性校准。当烘箱设置了不同的干燥温度和干燥时间，会使同一个样品测出的水分结果不同。这是因为样品在烘干时，它所含的水分和样品中的挥发物同时被带走，不同的时间和温度所带走的水分和挥发物的量是不同的。就是同一台烘箱内的不同的位置，其温度和排风量也存在差异，一台检定合格的烘箱，各测试点之间的温差应在2%以内。

2.2　取样的误差

取样是水分仪标定的重要一环，取样人员的技术素质、取样时间、取样位置、取样量和取样用的样品袋等都会影响到标定的精度。由于红外线的照射范围和穿透能力有限，取样点应位于物料行进方向水分仪探头光斑下游表层位置，取样范围与光斑大小保持一致。如果偏离了探头光斑，则无法保证水分仪实测样品和校准用样品的一致性，极易出现误差。另外取样时保持手法连续和间隔均匀，取样时间应在取样工位有物料后10min后开始进行，避开料头料尾，并且取样过程中不能出现断料露底。

2.3　红外水分仪安装不当造成的测量误差

红外水分仪的安装有严格的规定，一定要仔细阅读随机说明书。从镜头到物料的直线距离应该是180mm，这样即使物料有±50 mm的波动，也能进行准确的测量；由于180mm是红外水分仪的测量光束的聚焦距离，装得太高或太低都会影响到红外的能量的聚焦，从而产生测量误差。

2.4　其它误差

由于烟丝或烟叶不能很好的松散及物料水分本身不均匀，红外水分仪的读数和烘箱法得出的结果没有规律，离散性大，这样使定标人员对水分仪的校正无从下手，造成测量误差增大。

3　改进方法

3.1　静态标定

用烟丝或烟叶预先做好若干个不同的水分样品，经48小时平衡后，作为校正红外水分仪的标准。

水分仪标定的目的就是计算出一条适合的测量曲线。在水分测量范围内，一条测量曲线的建立，必须要有三个以上不同的标准水分样品，这三个不同标准样品的含水率应该是满量程的0%，50%，100%，而每个点可供校准的标准样品应不少于5个。

3.2　动态标定

在生产线正常运行时，直接从红外水分仪探头下取样，并同时读取水分仪当时的读数，再用烘箱法做出的标准水分去校准红外水分仪。动态标定和静态标定的区别在于考虑了整个环境条件物料的动态特性，因此，动态标定更接近实际情况。

3.3　建立红外水分仪的测量曲线

对于不同的烟叶或烟丝，红外水分仪会产生不同的测量曲线，这是因为烟叶或烟丝的颜色、成份和晶体结构的不同造成的。不同的测量曲线，它的零位和斜率是有变化的。

3.4　增强光源能量

增加光能量有利于提高信噪比。提高光束能量首先需要加大灯泡的功率，加大灯泡的功率对灯泡的寿命不利。一般12V的卤素灯泡往往降到5V使用，这样光能降低，再加上有时物料上的背景光较大，这必然导致水分仪的信噪比降低。要解决这个问题，可以提高灯泡的瞬时能量，就是调制电压来控制灯泡的通断，调制电压和调制盘上的光孔同步，使灯泡的平均功耗不变，这样既解决了灯泡寿命，又解决了信噪比的问题。另外对灯泡的调换，发现老化，就应该及时更换。

3.5　定期进行红外水分仪的清洁和保养

定期要对红外水分仪的光学窗口进行清洁和保养，对有气路清洁的，还要对过滤器进行清洁，以免二次污染；红外水分仪尽管密封性很好，但里面的透镜时间长了也不可避免会沾上灰尘，因此，要定期对红外水分仪进行清洁和保养。

3.6　动态跟踪

随着环境温度、湿度和配方的变化会使红外水分仪的测量准确度发生变化，因此，要经常跟踪红外水分仪的工作情况和测量误差，如果发现异常要仔细分析问题，是取样问题还是辅助设备问题或是水分仪本身问题，不要轻易对测量曲线作调整。

4　结语

通过以上分析可以看出，红外水分仪测量误差有来自仪器设计本身，也有使用维护方面的原因。对于仪器设计缺陷带来的误差，我们可以通过应用选型来有效避免；对于使用维护原因造成的误差，可以通过本文提出的六种改进方法，有效提高红外水分仪的测量精度，这些方法具有较强的实用性。

[1]章习.在线水分仪探测精度评定方法探讨.烟草科技，2006(5)

[2]章习.在线红外水分仪的定标技术.烟草科技，2006(10)

[3]王建腾，李松，董小卫，等.用于烟草水分检测的两种红外水分仪.计测技术，2006，26(zl)

[4]方有贵，吴涛，李果，等.红外水分仪网络动态标定技术在打叶复烤中的应用.烟草科技，2007(9)

[5]王森.在线分析仪器手册.北京：化学工业出版社，2008

[6]程林峰，刘虎.水分仪在烟草制丝过程的应用.中国仪器仪表，2004(10)