超声检测技术在爆珠细支滤棒成型中线胶流量监控中的运用

邹 强，王 浩，王 芃，胡 炯，彭丽莉

（贵州中烟工业有限责任公司遵义卷烟厂，贵州 遵义 563000）

1 存在问题

目 前， 我 国 成 型 机 主 要 有ZL26B，ZL22D，ZL29B 等机型。这些标准机型没有中线胶在线检测系统。为保障中线胶供应的稳定性，一般会在成型机上增加辅助设备，以达到对中线胶供应实时情况的掌握。

近年来，细支卷烟逐渐成为热门产品。爆珠卷烟更是成为各大卷烟企业争相角逐的重点产品。爆珠细支滤棒的质量管控也成为各卷烟企业的管控重点。爆珠细支以它独特的物理特性，成为质量管控上的难题。

由于细支成形纸宽度为19 mm，只有一个中线胶喷嘴，较常规滤棒而言，减少了一根中线胶喷嘴，就增加了中线胶上胶不良的风险。由于原机型没有中线胶检测系统，当中线胶出现胶垢堵塞、胶内气泡、胶面过窄等情况时，与丝束粘贴不牢，生产过程中不易察觉。尤其是中线胶喷涂不连续时，加大了发现该缺陷的难度，为质量缺陷埋下隐患。当该缺陷被发现时，早已生产了大范围的缺陷滤棒，造成了一定的损失。因此及时准确地发现中线上胶过程中存在的质量问题，是减少原材料浪费、规避质量事故的重要手段。

为了研究成型机同一生产速度不同中线胶施加量滤棒丝束与成型纸粘贴的程度和成型机不同生产速度对中线胶施加量的需求，利用梯度测试对成型机进行研究测试。

由于爆珠细支成型安装有爆珠微波检测装置，以检测滤棒内爆珠是否正常。中线胶施加量，又会影响微波检测对爆珠滤棒质量的检验精度。所以，中线胶的施加量必须控制在合理的范围内。保证其既能准确控制中线胶施加量，又不影响微波检测的准确性。

综上所述，滤棒成型中线胶流量监控是保障爆珠细支滤棒质量的必要手段。故而成型机中线胶在线监测系统的运用就显得格外重要。

2 改进方法

目前，国内滤棒成型机中线胶检测技术种类较多，基于各种工作原理，都起到了一定的作用，也有各自的弊端。文章首先对几种常见的方法进行分析。

2.1 当前在线监控技术分析

激光传感器和电容传感器方式、阀门式流量计；其中阀门式流量计由于需要改造中线胶管道、存在堵塞隐患，施工成本高、加剧潜在质量风险，故不在文中进行赘述。

CCD 摄像头：

工作原理是在成型机盘纸尾引辊附近安装CCD摄像头和辅助光源，完成盘纸涂胶面的实时成像；然后利用图像处理技术实现涂胶区域分辨，在图像控制器中根据颜色和浓淡状态、边缘的明暗变化方向、边缘敏感度、边缘检测范围、边缘缺陷检测等检测工具检测分析纸带是否有中线胶。由于该技术直观、简便，得到广泛应用，但其固有的检测缺陷和弊端也很多，包括：①无法检测中线胶施加量；②检测性能受到中线胶和成型纸颜色、光密度的严重影响；③辅助光源寿命有限，且对检测性能有严重影响；④检测速度有限，在机台高速运行时容易造成漏检；⑤检测性能受环境光线、粉尘等严重影响。

交班定检：

在生产过程中交班定检方式，即：每次交班开机时手动取样一分钟的出胶量并称重，进而判断整个机台工作期间的平均施加量，如果达标则整个班次均不再调整。该方法由于只检测少量样本，无法实时发现生产过程中因为零部件磨损、出胶口堵塞等因素导致的中线胶施加量波动，存在少胶、漏胶、胶珠、出胶不均匀等潜在批次性质量问题。

激光传感器：

在成型机盘纸尾引辊附近安装激光传感器，通过向盘纸涂胶面发射激光束并接收散射光束，进而判断中线胶有无和断续。其主要缺点在于：①无法检测中线胶施加量；②检测性能受到中线胶和成型纸颜色、光密度的严重影响，当成形纸透气度较高、光密度较低时，检测效果不明显；③辅助光源寿命有限，且对检测性能有严重影响；④激光束光斑较小，无法完全覆盖涂覆区域。

电容传感器：

在成型机盘纸尾引辊附近安装电容传感器，通过电容感应来检查盘纸密度，从而判断中线胶有无、断续和施加量。其主要缺点在于：①性能受中线胶密度和成型纸密度的严重影响，当上述任一物质密度发生较大波动时，极易造成误判；②性能受成型纸抖动的严重影响，工程稳定性较差；③性能受成型纸含水量的严重影响；④性能受环境湿度、温度的严重影响。

综上所述，以上方法均存在一定程度的局限性，与当前的高质量高效率的质量要求不相符合。爆珠细支成型滤棒的中线胶在线监控系统亟需更高效、更精准的方法来保证生产过程中的中线胶施加监控技术。

2.2 超声监测技术在滤棒成型中线胶上运用的优势

超声检测技术是继声、光检测技术后发展起来的一门新兴学科，近年来由于器件水平的发展，检测优越性不断得到体现，检测精度也逐步提高；其检测原理是：向液体流动方向发送同向和反向超声波，液体流速越快、同向到达时间越短、反向到达时间越长，通过计算两者时间之差，即可实现流量的精确测量；并且，超声可穿透非金属材质，实现管道外无接触测量，不存在管道改造要求和堵塞隐患，施工成本低、安全方便。与上述技术相比，具有明显的优势：①精确检测中线胶流量；②检测速度快，最快响应时间50 ms；③夹钳式无损安装方式，无压损、无管道改造要求、无接触、无堵塞风险；④检测性能不受中线胶密度、颜色的影响；⑤检测性能不受环境温度、光线、粉尘、湿度的影响。

基于此，超声监测系统可在不破坏原有管线的基础上开展中线胶流量在线检测方法的深入研究，包括：微小流量的无接触检测、胶性液体的穿透性检测、随机干扰抑制、流量异常预警等，从而实现中线胶施加量的实时监测、显示和超门限报警，减少批次性质量风险；在此基础上，文章还将研究高梯度流量与实际出胶量的二维数学模型、原始数据记录及管理等技术，利用大数据分析来精细化工艺管理，达到滤棒中线胶上胶检测系统技术上的创新。

2.3 超声监测技术在中线胶施加上的监控验证

验证实验选择车间现有数量最多的ZL26 成型机，运用FD-XA1 型流量计进行数据收集，以及电子天平辅助验证。实验数据选用日常生产中涉及频率最高的流量数据，以此作为流量梯度开展验证工作。

首先将流量计以及数据控制采集装置安装到位，开启成型机进行设备调试。

梯度出胶量试验：①按照梯度参数，修改成型机出胶量参数；②分别在上述出胶量下，采用 DAM-3000M 测试软件，以“次/100ms”的采样率持续进行数据采集（期间保证出胶持续时间≥1 min）；③重复①②步骤，连续采集63 组数据；④数据分析及建模评价。

2.4 数据分析

2.4.1 原始采样数据分析

图 1、图 2 分别为不同出胶量梯度下的采样数据，图中上升平缓段为出胶期间的采样值，持续时间为1 min，数据采样点数为600。图 1 中平缓段出现较大的波动，表明在相同度下，流量计传感器响应值波动较大，从侧面反映出胶量可能存在不稳定的状态。随着出胶量梯度增加，采样值标准偏差呈增大趋势。

图1 采集数据

图2 采集数据

2.4.2 数学建模及评价

将上述采样数据整理，采用K-S 分类方法按照7 ∶3 比例将数据样本划分校正集和预测集，分别进行数学建模和模型预测。其中，校正集数据个数为48，预测集数据个数为24。图 3、图 4 分别为校正集和预测集交叉验证图。由图可知，模型预测得到的出胶量与实测出胶量相关性较好，其R2 达到0.99。预测集出胶量最大偏差为0.44 g/min，最小为0.02 g/min，平均偏差为0.18 g/min。图3 为20211013-2采样数据，图4 为20211015-4 采样数据。

图3 校正集交叉验证图

图4 校正集交叉验证图

另外，将采样率降低为“次/500ms”，采用上述模型进行验证，得到图5 所示的误差分布曲线，共计2 批次12 个样品，分别为15、18、20、22、25、28、30（g/600m）梯度下的样品。由图可知，其平均误差为0.35 g/min，标准偏差为0.34 g/min，表明该模型预测结果较好。但在高梯度下（30g/600m），模型表现较差，预测偏差出现0.92 g/min。

图5 低采样率预测值偏差分布

通过上述数据分析及模型评价可知，采用流量计检测成型机中线胶出胶量的方式对于滤棒成型中线胶的在线监测是有效的。另外，通过持续测量发现，同一梯度下的出胶量具有一定的波动性，表明该方式可以反映出胶量的均匀性。能有效规避胶垢堵塞、胶中气泡、供胶不连续等问题。及时发现中线胶供胶异常，同时为中线胶异常追溯提供数据支撑。

另一方面，对设备运行中的实时监控，可以直观看出中线胶的施加量与爆珠微波检测是否有影响，当中线胶施加量达到某个值时，爆珠微波检测剔除量增大，说明中线胶施加量过大，爆珠滤棒水分含量超出工艺标准。在杜绝成形纸与丝束粘连不良而引起的滤棒缩头，和爆珠检测精准度两个方面达到平衡。

3 改进效果

通过对改进后的成型机进行持续3 个月的跟踪，每天对成型机生产的滤棒抽样200 支进行检查，均符合质量要求，未发现丝束与成型纸粘贴不良缺陷。同时跟踪卷烟机使用改造后的成型机生产的滤棒，连续3 个月，均未发现丝束与成型纸粘贴不良质量缺陷。在跟踪的3 个月中，该系统累计报警12 次，及时提醒操作工中线胶施加量偏大，通过及时调整，减少了滤棒剔除数量，同时也保障了滤棒产品质量。

在细支爆珠卷烟大受欢迎的市场环境下，细支爆珠滤棒的工艺管控是保证细支爆珠卷烟的产品质量的重中之重。超声监测技术在中线胶施加过程监控上的优势有助于提高产品质量，大大降低了因中线胶上胶不良而引起的质量问题。且该检测系统安装简便，不存在管道改造，施工成本低，有利于在各种机型上使用。