基于微波技术的滤棒三醋酸甘油酯含量检测系统设计

陈天丽，汪魁，沈伟，桂圆，陈恩博

湖北中烟工业有限责任公司武汉卷烟厂，武汉市东西湖区金银湖办事处环湖路51号 430040

滤棒硬度是影响卷烟质量的一项关键技术指标，该指标与增塑剂用量紧密相关[1-2]。在卷烟醋酸纤维滤棒生产过程中，需要将醋酸纤维拉平展开后喷涂三醋酸甘油酯，如果三醋酸甘油酯雾化后喷涂不均匀，影响滤棒硬度不达标，会出现滤棒“滴油”（胶孔）和“干棒”现象，严重影响卷烟滤棒质量。目前卷烟行业内滤棒三醋酸甘油酯施加量在生产现场工艺测试是通过干棒和湿棒，人工进行计量验证，再者利用气相色谱仪检测、近红外漫反射光谱法进行离线计量检测验证[3-4]。离线检测所需时间长，且抽检量少，无法真实反馈其动态变化。埃伯哈德·托伊费尔等[5]提出用微波传感器测定滤嘴内三醋酸甘油酯含量，第一个微波传感器安装在丝束位置，第二个微波传感器安装在刀头旁，该位置处滤棒已涂有中线胶和搭扣胶，中线胶和搭口胶涂的含量是变化的，对微波检测信号有较大影响，造成滤棒三醋酸甘油酯含量检测不准确，且此法未投入实际应用。在此背景下，本文提出利用微波检测原理设计一种滤棒三醋酸甘油酯含量均匀性检测装置，通过微波对滤棒生产过程中三醋酸甘油酯含量进行在线检测计算，将三醋酸甘油酯含量超标的滤棒准确自动剔除，杜绝滤棒硬度不够、弹性不足、出现胶孔等系列质量问题，避免不合格滤棒流入下一生产环节，以期将滤棒质量人工控制转化为在线自动过程受控。

1 检测原理

微波在一个金属制成的封闭容器（微波谐振腔）内具有谐振特性，当在该谐振腔内部分或全部填充有其它非金属物质（介质材料）时，其谐振频率和谐振带宽因填充介质材料的介电常数不同、介质材料多少和形状的不同而产生不同变化[6-7]。其中烟嘴滤棒固化剂的主要成分为三醋酸甘油酯，其介电常数为6.1，比空气介电常数1 大，可用微波谐振腔技术来测量滤棒材料的固化剂含量。

设微波谐振腔的空腔谐振频率为f (L)、空腔谐振带宽为b (L)，当滤棒通过微波谐振腔时，微波谐振腔的谐振频率变为f (0)，腔体谐振带宽变为b (0)。谐振曲线的谐振带宽差为b (0)—b (L)、谐振频率差为f (L)—f (0)，设ρ 表示位于微波谐振腔内部的滤棒密度，表示滤棒中的三醋酸甘油酯含量。谐振曲线的谐振带宽差及谐振频率差受ρ 和ψr的影响，设定滤棒密度ρ 恒定不变，则三醋酸甘油酯含量是谐振曲线的谐振带宽差及谐振频率差的函数，即：

通过公式（1）谐振带宽差b (0)—b (L)及谐振频率差f (L)—f (0)，求滤棒的三醋酸甘油酯含量。三醋酸甘油酯含量rψ 是线性函数，滤棒的三醋酸甘油酯含量按公式（2）确定，即：

公式（2）中A 和B 为定标常数，按同样密度不同三醋酸甘油酯含量的滤棒来定标确定。实际生产中不同丝束包形成滤棒的密度ρ 是变化的，本系统设计通过两个谐振腔来进行数据补偿。

实际工程应用中，两个微波探头检测计算滤棒的三醋酸甘油酯含量W，设W1为丝束原料的重量，W2为喷完三醋酸甘油酯丝束总重量，W=W2-W1为三醋酸甘油酯含量。微波谐振腔检测值计算公式为：

谐振频率差f = f (L) — f (0)；

谐振带宽差为b = b (0) — b (L)；

公式（3）中，Ku、Kp 为校准系数，通过调试盒校准得到。

2 系统结构设计

2.1 工艺检测流程设计

图1 滤棒三醋酸甘油酯微波检测装置系统结构图Fig. 1 Structural diagram of microwave detection system for glycerol triacetate content in filter rods

系统设计在滤棒成型机上安装了两个微波探头，分别为丝束微波检测头和滤棒微波检测头。工艺检测流程见图1，其中丝束微波检测头安装在丝束包上方，用来检测喷涂三醋酸甘油酯前丝束密度及水分含量。滤棒微波检测头安装在增塑剂喷雾室的后方，用来检测喷涂三醋酸甘油酯后滤棒的丝束密度和三醋酸甘油酯含量（含水分）。

丝束微波检测头为滤棒微波检测头检测的数据提供补偿，每个微波探头包括通过微波同轴电缆依次相连的输入探针、微波谐振腔和输出探针。丝束包出来的丝束通过导丝环和丝束微波检测头后依次经过空气开松器、导向板、制动辊、输入辊和伸展辊后进入增塑剂喷雾室，增塑剂喷雾室下设置有增塑剂箱，丝束在增塑剂喷雾室内喷涂上固化剂即三醋酸甘油酯，然后喷涂上三醋酸甘油酯的丝束依次经过导向辊、楔形槽辊和滤棒微波检测头，经过空气喷嘴喷出，系统检测流程完成，成型滤棒到下一道工序。

2.2 检测实现方式

系统检测主要设备：altera Cyclone IV 系列fpga 控制AD9912 数字频率合成芯片产生微波信号（ANALOG DEVICES 公司），两枚低噪声高精度运算检波放大器OP07（ANALOG DEVICES 公司），ARM Cortex M4 内核的STM32F4 系列数据处理器。

滤棒三醋酸甘油酯微波检测装置流程图如图2 所示，微波信号依次通过第一隔离器和微波同轴电缆输出至输入探针，输入探针将微波信号注入微波谐振腔，输出探针将被测滤棒的影响而变化的微波谐振信号引出，引出的微波谐振信号通过微波同轴电缆及第二隔离器进入检波放大器。检波放大器将接收的微波谐振信号检波后再进行直流放大，放大后输出直流电压信号，当微波谐振腔内被测滤棒的三醋酸甘油酯含量变化时，微波谐振腔的谐振频率及谐振带宽也将发生改变，数据采集处理计算机根据公式（2）确定滤棒固化剂含量与微波谐振腔的谐振频率及谐振带宽的关系，通过计算处理鉴别出滤棒密度ρ 和三醋酸甘油酯含量 的变化，并发送给显示器，相应的缺陷滤棒将被记录下来，至接装机的43槽时由计算机发出剔除信号，经接口板驱动电磁阀进行剔除。

滤棒微波检测装置在第一次投入使用前，三醋酸甘油酯含量值与微波信号、三醋酸甘油酯含量增减幅度与微波信号增减幅度进行系统校准，一次校准后，无需二次校准，使用方便。

图2 滤棒三醋酸甘油酯微波检测装置流程图Fig. 2 Microwave detection device flow for glycerol triacetate content in filter rods

2.3 系统功能实现

（1）计数功能。对检测滤棒支数进行计数，对废品剔除数量及缺陷百分比统计，支持分班统计。

（2）控制功能。在人机交互界面进行相应控制功能设置。

相位剔除阀值设置。设置相位剔除灵敏度，根据质检要求进行放大或缩小。

剔除支数设置。设备每次剔除信号触发后，一次剔除滤棒的支数。控制剔除支数以及对计算参数校准等操作。

3 应用效果

3.1 试验设计

试验设备：ZL29 设备（许昌烟草机械有限责任公司）安装三醋酸甘油酯微波滤棒检测装置，设备满速4700 支/min 运行30 min 不停机。

试验原辅料标准：醋酸纤维丝束3.9Y/31000，增塑剂：烟用三醋酸甘油酯。

试验工艺参数：增塑剂仪表显示值（60±2）mg，滤棒增塑剂施加比例：（8±1）%。

实测三醋酸甘油酯含量值计算方式为：增塑剂施加量%=（单支湿棒重量—单支干棒重量）/单支湿棒重量*100。

（1）试验一

验证滤棒三醋酸甘油酯检测装置检测滤棒三醋酸甘油酯含量的可行性和验证滤棒三醋酸甘油酯检测装置检测滤棒三醋酸甘油酯含量的准确性。设备正常带料运行下，调整增塑剂量额定值从0 mg 到160 mg，对应活门开度从15 到105 依次增大，到105 之后达极限位置，调整参数活门也不变化。以10 mg 为单位递增，共测试12 组数据。每组运行2 min，期间保留生产的各组样品滤棒100 支，每组100 支称重并记录重量平均值，根据实测三醋酸甘油酯含量计算公式计算100 支滤棒三醋酸甘油酯实测含量，记录2 分钟内每组滤棒生产中微波三醋酸甘油酯装置显示滤棒三醋酸甘油酯含量参数。

（2）试验二

设置增塑剂设定值为60 mg，每隔2 min 取样100 支滤棒，共取样5 组，每组100 支称重并记录重量平均值，根据实测三醋酸甘油酯含量计算公式计算100 支滤棒三醋酸甘油酯实测含量，记录2 分钟内每组滤棒生产中微波三醋酸甘油酯装置显示滤棒三醋酸甘油酯含量参数。

（3）试验三

验证滤棒三醋酸甘油酯检测装置控制系统废品剔除功能。控制系统废品剔除功能能够及时识别生产过程中产生的超出重量范围的滤棒，并通过跟踪移位在废品阀处剔除，以有效改善成品滤棒质量，检查和评价方法是测量剔除滤棒。设定滤棒三醋酸甘油酯含量检测装置的剔除上下限值为9%和7%，调整增塑剂量额定值15 mg、30 mg、45 mg、55 mg、60 mg、75 mg、85 mg 使三醋酸甘油酯含量超过上限或低于下限，检测应准确剔除超过上限或低于下限三醋酸甘油酯含量的缺陷滤棒。

3.2 数据分析

3.2.1 检测系统检测可行性评价

由表1 可见，不同增塑剂含量（即三醋酸甘油酯喷洒活门开度），三醋酸甘油酯喷洒量不同。活门越大，生产的滤棒三醋酸甘油酯含量越高，滤棒的重量越大。微波滤棒三醋酸甘油酯检测系统的在线检测三醋酸甘油酯含量趋势与干湿棒计算实测值趋势保持一致，滤棒三醋酸甘油酯微波检测系统能够正确显示三醋酸甘油酯含量的变化趋势。

表1 三醋酸甘油酯含量检测可行性结果Tab. 1 Feasibility results of glycerol triacetate content detection

3.2.2 检测系统检测准确性评价

由表2 可见，滤棒三醋酸甘油酯含量微波在线检测系统检测精度为0.01%，三醋酸甘油酯含量检测系统三醋酸甘油酯检测显示含量与实测滤棒计算三醋酸甘油酯含量最大误差0.18%，微波滤棒三醋酸甘油酯检测系统检测三醋酸甘油酯含量的数据准确性比较可靠。

表2 三醋酸甘油酯含量检测准确性结果Tab. 2 Detection accuracy of glycerol triacetate content results

3.2.3 检测系统废品剔除功能验证

由表3 可见，设定本检测系统三醋酸甘油酯含量剔除上下限分别为9%和7%，在机器正常运行时，收集剔除样品检测，其重量均为超轻或超重缺陷滤棒。实验结果表明缺陷滤棒剔除准确，且该系统计数及统计功能正常，各数据显示正常。

表3 废品剔除结果Tab. 3 Waste rejection results

4 结论

本文针对滤棒三醋酸甘油酯含量不能实时在线自动监测问题，采用全新的微波谐振幅频特性解析方法，研制出一套基于微波技术的滤棒三醋酸甘油酯含量在线监测装备，其中ZL29 成型机安装微波在线检测滤棒三醋酸甘油酯含量系统后，实现了对生产过程中滤棒的三醋酸甘油酯含量在线检测计算，在线检测系统检测精度为0.01%，系统中三醋酸甘油酯检测显示含量与实测滤棒计算三醋酸甘油酯含量最大误差0.18%，能准确剔除三醋酸甘油酯含量超标滤棒，缺陷剔除准确率为100%，杜绝滤棒硬度不够、弹性不足、出现胶孔等系列质量问题，避免不合格滤棒流入下一生产环节。将滤棒质量人工控制转化为在线自动过程受控，实现了滤棒三醋酸甘油酯含量的在线监测和超限剔除功能。