透气度流量盘测量方法的改进

杨荣超，赵 航，张 勍，蒋锦锋，赵继俊，范 黎，曾 波，张鹏飞，苗 芊

中国烟草总公司郑州烟草研究院 中国烟草标准化研究中心，郑州市高新区枫杨街2号 450001

烟用纸张透气度的变化直接影响到卷烟的烟气特征和感官质量，因此需要对烟用纸张的透气度进行严格的检测控制［1-8］。纸张透气度测定仪是烟草行业用于检测控制纸张透气度的关键仪器。烟草专用透气度流量盘（简称流量盘）是用于校准纸张透气度测定仪的标准器具。因此流量盘的测量结果对透气度测定仪测量纸张的透气度会产生直接影响。国内现行的流量盘测量方法［9］存在一些不足：流量盘在测量气路中的位置与实际使用状态不一致，且没有计算大气压力对流量盘测量结果的影响，从而导致流量盘测量结果与国外厂家提供的测量结果存在较大差异。而2009版国际标准ISO 2965提出了流量盘的分类方法，并提供了流量盘测量结果修正到标准条件的方法［10］。国内烟草研究人员曾对ISO 2965中流量盘测量结果的修正方法进行过验证［11］，为改进国内现行流量盘测量方法提供了相应的基础。因此，采用改变流量盘在测量气路中的位置及对流量盘分类测量等方法对原方法进行了改进，旨在提高流量盘测量结果的准确性、可靠性以及与国外厂家测量结果的可比性。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

18个流量盘（表1）；FCO510气体流量计（英国Furness公司）；DPI-141大气压计（英国Druck公司）；Optic精密露点仪（美国GE公司）；RCY-1A铂电阻温度计（河北兴华电子仪器厂）；RPM4压差计（美国Fluke公司）。

表1 不同标称值的18个流量盘①

1.2 方法

1.2.1 改进前流量盘测量方法

改进测量方法前流量盘的测量装置如图1所示。将流量盘置于专用夹具中，打开气源开关，使用压力调节装置调节流量盘两端的气体压力差，使压差计的读数满足（1.000±0.005）kPa的要求［12］。流量盘两端的气体压力稳定后，记录流量计读数。重复测量10次，将10次测量的平均值作为流量盘的测量结果。

图1 改进前流量盘的测量装置示意图

1.2.2 改进后流量盘测量方法

以前国内对流量盘进行测量均采用文献［9］中的方法，该方法直接用气体流量计对流量盘的流量进行测量，并未考虑流量盘在气路中的位置差异和大气压力变化对流量盘测量结果的影响。然而在流量盘的实际测量中发现，流量盘在测量气路中的位置变化以及大气压力均影响到流量盘的测量结果。因此，对文献［9］中的方法进行了改进。改进后的流量盘测量装置如图2所示。改变了流量盘在测量气路中的位置，使流量盘的气流出口端与大气相连通，即与纸张透气度测定仪上流量盘的使用状态保持一致，并增加对环境大气压力和温度的测量。对流量盘进行测量前，首先判定流量盘的压力流量特性，然后根据流量盘的压力流量特性对流量盘进行测量。

图2 改进后流量盘的测量装置示意图

1.2.2.1 流量盘压力流量特性的判定

在流量盘两端分别为（0.750±0.005）kPa和（1.250±0.005）kPa的不同压差条件下，测量透过流量盘的空气流量，用公式（1）计算得出流量盘压力流量特性因子。

式中：k—流量盘压力流量特性因子，取值在0.5～1.0之间；Q1—流量盘两端压差为P1时的空气流量，L/min；Q2—流量盘两端压差为P2时的空气流量，L/min；P1—流量盘两端压差在（0.750±0.005）kPa范围内的压差值，Pa；P2—流量盘两端压差在（1.250±0.005）kPa范围内的压差值，Pa。

当k大于0.95时，则可以认为流量盘是线性流量盘；当k小于等于0.95时，则可以认为流量盘是非线性流量盘［10］。

1.2.2.2 线性流量盘的测量方法

将流量盘置于专用夹具中，打开气源开关，使用压力调节装置调节流量盘两端的气体压力差，使压差计的读数满足（1.000±0.005）kPa的要求。流量盘两端的气体压力稳定后，记录流量计读数。重复测量10次，将10次测量的平均值作为线性流量盘的测量结果。

1.2.2.3 非线性流量盘的测量方法

将流量盘置于专用夹具中，打开气源开关，使用压力调节装置调节流量盘两边的气体压力差，分 别 在（0.800±0.005）kPa、（0.900±0.005）kPa、（0.950±0.005）kPa、（1.000±0.005）kPa 和（1.010±0.005）kPa 5个不同压差下测量透过流量盘的气体流量，每个压差下重复测量10次，取平均值。然后利用文献［10］中的公式（2）计算出非线性流量盘的测量结果，具体计算过程如下：

式中：Qs—修正到标准条件下的体积流量，L/min；α，β—常量，与流量盘的结构有关；ηs—标准条件下的空气黏度，Pa·s；ρs—标准条件下的空气密度，kg/m3；ΔP—流量盘两端的压差，Pa。

首先根据 ISO 2965—2009［10］，非线性流量盘的压力流量特性可由公式（3）表述。其中，空气黏度η和空气密度ρ可分别由公式（4）和公式（5）计算得出［13］。在公式（4）中，由于 T的取值范围是（296.15±1.00）K，RH的取值范围是（50±2）%，并结合T和RH的系数分析可知，RH对空气黏度η的影响远小于T，因此可忽略相对湿度对空气黏度η的影响。然后将非线性流量盘两端5个不同压差值和相应流量值、空气黏度及空气密度分别代入公式（3）中，通过线性回归计算得到α和β。另外，ηs和ρs可由公式（4）和公式（5）计算得出。

式中：T—流量盘测量环境温度，K；RH—流量盘测量环境相对湿度，%；P—流量盘测量环境大气压力，Pa。

最后将计算得到的流量盘特征常量α和β、空气黏度ηs、空气密度ρs以及流量盘两端的压差ΔP代入公式（2），计算出非线性流量盘的测量结果。

1.2.3 流量盘测量结果的重复性和稳定性考察

用改进前后两种测量方法分别对流量盘进行短时间内10次重复测量，用标准偏差和变异系数两个指标比较两种测量方法下流量盘测量结果的重复性。

用改进前后两种方法分别对流量盘进行连续5个月测量，每月1组，每组10次，以10次测量的平均值为测量结果。用测量结果的极差比较两种方法流量盘测量结果的稳定性。

1.2.4 改进后流量盘测量方法共同实验

采用改进后测量方法参加了CORESTA组织的流量盘共同实验，该实验由德国Borgwaldt-KC公司（简称BKC）、英国Cerulean公司、法国Sodim公司和中国烟草总公司郑州烟草研究院（简称ZTRI）共4家单位参与，测量对象是12个流量盘，每家实验室在文献［10］的要求下对流量盘测量两天，每天测量3次。计算6次测量结果的平均值和标准偏差，比较国内外4个实验室流量盘测量结果的差异。

2 结果与分析

2.1 流量盘测量结果的重复性

改进前后两种测量方法下流量盘测量结果的重复性数据（表2）显示，改进测量方法后18个流量盘的流量平均值均有不同程度的增大；12～18号流量盘即非线性流量盘的流量标准偏差和变异系数均减小了一半左右，而1～11号流量盘即线性流量盘的流量标准偏差和变异系数的差异不显著。改进前后两种测量方法的主要区别有两点：①流量盘在测量气路中的位置不同，改进后气体流量计位于流量盘专用夹具的前端，因此气体流量计可以反映流量盘专用夹具对流量盘测量的影响，而改进前由于气体流量计位于流量盘专用夹具的后端，无法反映流量盘专用夹具对流量盘测量的影响，这是改进测量方法后流量盘流量均值增大的主要原因。②非线性流量盘的测量方法不同，这是改进测量方法后非线性流量盘的流量标准偏差和变异系数减小的主要因素。总之，改进测量方法后流量盘测量结果的重复性优于改进前。

表2 改进前后两种测量方法下流量盘测量结果的重复性数据

2.2 流量盘测量结果的稳定性

改进前后两种测量方法下流量盘测量结果的稳定性数据见表3。由表3可知，改进测量方法后12～18号流量盘即非线性流量盘5个月内测量结果的极差均减小了一半左右；而1～11号流量盘即线性流量盘5个月内测量结果的极差变化不明显。由此可见，改进测量方法后流量盘测量结果的稳定性优于改进前。

2.3 与国外实验室流量盘测量结果的比较

CORESTA共同实验中国内外4家实验室测量每个流量盘的流量均值见表4。由表4可见，ZTRI实验室与国外3家实验室流量盘的流量均值都比较接近。将国外3家实验室流量盘的流量均值再取平均，分析ZTRI实验室流量盘的流量均值与另外3家实验室流量盘的流量均值的极差和相对极差，由表4可知，ZTRI实验室流量盘的流量均值与另外3家实验室流量盘的流量均值的相对极差都在2%以下。

CORESTA共同实验中国内外4个实验室测量每个流量盘的流量标准偏差见表5。由表5可知，ZTRI实验室与国外3家实验室流量盘的流量标准偏差相差都不大。进一步计算国内外4家实验室测量每个流量盘流量的变异系数，由表5可知，4家实验室各有且只有一个流量盘的流量变异系数大于或等于0.20%，但小于0.50%。4家实验室测量其余11个流量盘流量的变异系数均小于0.20%。

表3 改进前后两种测量方法下流量盘测量结果的稳定性数据① （mL·min-1）

表4 CORESTA共同实验中各实验室的流量盘测量结果

表5 CORESTA共同实验中各实验室测量的流量盘标准偏差和变异系数

表5 （续）

综上所述，改进测量方法后国内实验室与国外3家实验室测量流量盘的结果差异不大。

3 结论

通过分析改进前后两种方法下流量盘测量结果的重复性和稳定性情况发现：改进测量方法后非线性流量盘测量结果的标准偏差和变异系数以及5个月内测量结果的极差均减小了一半左右。采用改进后的测量方法参加CORESTA组织的流量盘共同实验，实验结果表明：ZTRI实验室测量的流量盘流量均值与国外3家实验室测量的流量盘流量均值的相对极差都在2%以下；国内外4家实验室测量每个流量盘的流量变异系数均小于0.50%。由此可见，改进后的流量盘测量方法克服了原方法的不足，可替代原方法用于流量盘流量的测量。

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［9］JJG（烟草）18—2002烟草专用透气度流量盘检定规程［S］.

［10］ISO 2965：2009 Materials used as cigarette papers，filter plug wrap and filter joining paper，including materials having a discrete ororiented permeable zone and materials with bands of differing permeability—Determination of air permeability［S］.

［11］杨荣超，苗芊，张勍，等.透气度流量盘测量结果的修正［J］.烟草科技，2014（1）：16-20.

［12］GB/T 23227—2008 卷烟纸、成形纸、接装纸及具有定向透气带的材料——透气度的测定［S］.

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