紅外水分儀在卷煙制絲生產(chǎn)中測量誤差分析及改進(jìn)方法

楊守臣　呂　健　李成富　陳建軍　盛志藝

(山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，濟(jì)南 250100)

0　引言

煙絲水分是卷煙生產(chǎn)中的一個(gè)重要控制指標(biāo)，合適的煙絲水分對(duì)提高煙絲填充值，降低煙絲造碎率，提高卷接包質(zhì)量以及對(duì)卷煙的儲(chǔ)存都有非常重要的意義，為此，許多卷煙廠在制絲生產(chǎn)線配備了大量的水分儀。近年來，紅外水分儀因其非接觸、反應(yīng)快等特點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。

影響紅外水分儀測量誤差的因素有來自設(shè)備本身，也有來自外部安裝使用方面。我們通過水分儀波長、光源能量、校準(zhǔn)用烘箱和設(shè)備安裝方式等因素，對(duì)紅外水分儀測量結(jié)果的影響進(jìn)行的剖析，探索了在日常使用中降低測量誤差的改進(jìn)方法，為紅外水分儀在卷煙廠的正確使用提供參考。

1　內(nèi)部原因分析

1.1　波長變化對(duì)紅外水分儀的影響

目前，在卷煙廠使用的紅外水分儀從技術(shù)特點(diǎn)上分有二波長，三波長等，基本測量原理都是紅外反射式，所不同的是光路結(jié)構(gòu)，補(bǔ)償形式的變化。

二波長水分儀采用了2個(gè)近紅外光譜，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，如圖1所示。

圖1　水的近紅外吸收光譜特性

1.45μm或1.94μm雖然都能被水分吸收，但它們對(duì)水分的敏感程度是不同的。在高水分時(shí)用1.45μm，在低水分時(shí)用1.94μm。有了這個(gè)特點(diǎn)，可以用以下公式算出樣品的含水率：

W=R×K/M+a

(1)

式中，W為樣品的含水率；R為參考波長射到樣品后的理論反射率；M為測量波長射到樣品后的理論反射能率；K為測量曲線斜率；a為測量曲線零位。

對(duì)于參考波長的理論反射率R，都希望它不要受到被測物體的成分和晶體結(jié)構(gòu)變化的影響，永遠(yuǎn)是一個(gè)相對(duì)常數(shù)；但實(shí)際上它是不穩(wěn)定的，往往要受到各種因素的影響。見圖2。

圖2　二波長紅外水分儀工作原理

從圖2中可以看出參考波長反射率的不可預(yù)測的變化會(huì)造成測量誤差r1。

r1=R-R1

(2)

式中，R1為參考波長射到樣品后的實(shí)際反射率。

為了解決這個(gè)問題，就必須再增加一個(gè)參考波長，引入一個(gè)參考波長l3=2.1μm，通過這個(gè)波長的互補(bǔ)，使一個(gè)過去認(rèn)為較難的測量成為可能。這就是三波長測量，它的基本原理如圖3。

圖3　三波長紅外水分儀工作原理

從圖3中可以看到當(dāng)l1的實(shí)際反射率R1發(fā)生變化時(shí)，l3的實(shí)際反射率R3也發(fā)生了變化，這時(shí)，可以用一個(gè)新的公式來計(jì)算被測物的水分：

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

(3)

從式(3)可以看出，當(dāng)r1=r3時(shí)，被測物的水分得到了精確的測量。但實(shí)際上r1和r3不可能在同一數(shù)量級(jí)上變化，它們之間的變化是有差異的，這時(shí)可用式(4)計(jì)算被測物水分：

W=R×K/M+a=[R1×n/M+

R3(1-n)/M]×(K+a)

(4)

式中，n為小于1的比例系數(shù)。n取不同的數(shù)值R1和R3所取的比例不同，測量結(jié)果將得到不同的補(bǔ)償，因此，n的取值數(shù)將直接影響到儀器測量的準(zhǔn)確度。在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，被測物的成分和晶體結(jié)構(gòu)的變化對(duì)l3的影響較小，l3的反射率很穩(wěn)定。因此，l3的實(shí)際反射率R3取的比例要比R1大，通常n應(yīng)在0.2～0.3左右；通過這種補(bǔ)償，使得三波長的測量精度在原來二波長基礎(chǔ)上得到了的改善。

1.2　光源能量變化對(duì)紅外水分儀的影響

當(dāng)某些原因造成光源能量發(fā)生變化時(shí)，R和M反射率也發(fā)生變化，它們變化的大小是不一樣的，而由此產(chǎn)生的影響會(huì)造成測量誤差，引起光能變化的因素有燈絲老化、電源電壓波動(dòng)等。

1.3　紅外濾光片中心波長和透過率對(duì)水分儀影響

一個(gè)好的濾光片鍍膜技術(shù)應(yīng)該使同一個(gè)波長的每一個(gè)濾光片的中心波長非常接近，它們之間的誤差很小。當(dāng)2臺(tái)水分儀在同一個(gè)工位互換時(shí)，測量曲線K值可以復(fù)制過去，而只需做一個(gè)簡單的零位調(diào)整，而不需重新定標(biāo)。

紅外濾光片的光能透過率不均也是影響水分儀互換的因素，當(dāng)紅外涂層不均勻時(shí)，在硫化鉛傳感器上得到的波峰是一個(gè)變化的峰值，它對(duì)水分儀互換性產(chǎn)生了影響。

1.4　濾光片輪的轉(zhuǎn)速對(duì)水分儀的影響

濾光片輪的轉(zhuǎn)速對(duì)水分儀測量準(zhǔn)確度會(huì)帶來一定的影響。我們用以下計(jì)算來說明：

當(dāng)濾光片輪的轉(zhuǎn)速V1=1500r/min，6000kg/h物料傳送帶的速度V2=0.5m/s，當(dāng)濾光片輪轉(zhuǎn)了3/4轉(zhuǎn)后用去的時(shí)間為：

T=60/1500×3/4=0.03s

(5)

此時(shí)傳送帶走的直線距離L是

L=0.5×0.03=0.015m=15mm

(6)

從計(jì)算中可以看出，當(dāng)一個(gè)濾光片輪轉(zhuǎn)了3/4轉(zhuǎn)后，傳送帶走了15mm，反射光能R1，M，R3已不是從同一個(gè)物料點(diǎn)上來的了；如果把電機(jī)掃描速度提高一倍，從1500r/min提高到3000r/min，在同樣條件下，傳送帶行走距離為7.5 mm，其掃描實(shí)時(shí)性提高了一倍。因此，往往希望傳送帶的速度慢一些，濾光片輪的轉(zhuǎn)速快一些，但如果處理不好也會(huì)帶來一些問題。濾光片輪轉(zhuǎn)速過快，硫化鉛探測器的電荷來不及釋放，波峰間隔太短，會(huì)把測量波長的峰值淹沒掉。所以，對(duì)高速物料運(yùn)輸帶上的物料進(jìn)行水分檢測時(shí)，就要考慮紅外水分儀的掃描速度匹配，或者降低運(yùn)輸帶的速度來求得與水分儀掃描速度的匹配。

2　外部原因分析

2.1　校準(zhǔn)用烘箱的誤差

安裝在卷煙生產(chǎn)線上的紅外水分儀在使用中需用烘箱法進(jìn)行經(jīng)常性校準(zhǔn)。當(dāng)烘箱設(shè)置了不同的干燥溫度和干燥時(shí)間，會(huì)使同一個(gè)樣品測出的水分結(jié)果不同。這是因?yàn)闃悠吩诤娓蓵r(shí)，它所含的水分和樣品中的揮發(fā)物同時(shí)被帶走，不同的時(shí)間和溫度所帶走的水分和揮發(fā)物的量是不同的。就是同一臺(tái)烘箱內(nèi)的不同的位置，其溫度和排風(fēng)量也存在差異，一臺(tái)檢定合格的烘箱，各測試點(diǎn)之間的溫差應(yīng)在2%以內(nèi)。

2.2　取樣的誤差

取樣是水分儀標(biāo)定的重要一環(huán)，取樣人員的技術(shù)素質(zhì)、取樣時(shí)間、取樣位置、取樣量和取樣用的樣品袋等都會(huì)影響到標(biāo)定的精度。由于紅外線的照射范圍和穿透能力有限，取樣點(diǎn)應(yīng)位于物料行進(jìn)方向水分儀探頭光斑下游表層位置，取樣范圍與光斑大小保持一致。如果偏離了探頭光斑，則無法保證水分儀實(shí)測樣品和校準(zhǔn)用樣品的一致性，極易出現(xiàn)誤差。另外取樣時(shí)保持手法連續(xù)和間隔均勻，取樣時(shí)間應(yīng)在取樣工位有物料后10min后開始進(jìn)行，避開料頭料尾，并且取樣過程中不能出現(xiàn)斷料露底。

2.3　紅外水分儀安裝不當(dāng)造成的測量誤差

紅外水分儀的安裝有嚴(yán)格的規(guī)定，一定要仔細(xì)閱讀隨機(jī)說明書。從鏡頭到物料的直線距離應(yīng)該是180mm，這樣即使物料有±50 mm的波動(dòng)，也能進(jìn)行準(zhǔn)確的測量；由于180mm是紅外水分儀的測量光束的聚焦距離，裝得太高或太低都會(huì)影響到紅外的能量的聚焦，從而產(chǎn)生測量誤差。

2.4　其它誤差

由于煙絲或煙葉不能很好的松散及物料水分本身不均勻，紅外水分儀的讀數(shù)和烘箱法得出的結(jié)果沒有規(guī)律，離散性大，這樣使定標(biāo)人員對(duì)水分儀的校正無從下手，造成測量誤差增大。

3　改進(jìn)方法

3.1　靜態(tài)標(biāo)定

用煙絲或煙葉預(yù)先做好若干個(gè)不同的水分樣品，經(jīng)48小時(shí)平衡后，作為校正紅外水分儀的標(biāo)準(zhǔn)。

水分儀標(biāo)定的目的就是計(jì)算出一條適合的測量曲線。在水分測量范圍內(nèi)，一條測量曲線的建立，必須要有三個(gè)以上不同的標(biāo)準(zhǔn)水分樣品，這三個(gè)不同標(biāo)準(zhǔn)樣品的含水率應(yīng)該是滿量程的0%，50%，100%，而每個(gè)點(diǎn)可供校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)樣品應(yīng)不少于5個(gè)。

3.2　動(dòng)態(tài)標(biāo)定

在生產(chǎn)線正常運(yùn)行時(shí)，直接從紅外水分儀探頭下取樣，并同時(shí)讀取水分儀當(dāng)時(shí)的讀數(shù)，再用烘箱法做出的標(biāo)準(zhǔn)水分去校準(zhǔn)紅外水分儀。動(dòng)態(tài)標(biāo)定和靜態(tài)標(biāo)定的區(qū)別在于考慮了整個(gè)環(huán)境條件物料的動(dòng)態(tài)特性，因此，動(dòng)態(tài)標(biāo)定更接近實(shí)際情況。

3.3　建立紅外水分儀的測量曲線

對(duì)于不同的煙葉或煙絲，紅外水分儀會(huì)產(chǎn)生不同的測量曲線，這是因?yàn)闊熑~或煙絲的顏色、成份和晶體結(jié)構(gòu)的不同造成的。不同的測量曲線，它的零位和斜率是有變化的。

3.4　增強(qiáng)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燈泡的功率，加大燈泡的功率對(duì)燈泡的壽命不利。一般12V的鹵素?zé)襞萃档?V使用，這樣光能降低，再加上有時(shí)物料上的背景光較大，這必然導(dǎo)致水分儀的信噪比降低。要解決這個(gè)問題，可以提高燈泡的瞬時(shí)能量，就是調(diào)制電壓來控制燈泡的通斷，調(diào)制電壓和調(diào)制盤上的光孔同步，使燈泡的平均功耗不變，這樣既解決了燈泡壽命，又解決了信噪比的問題。另外對(duì)燈泡的調(diào)換，發(fā)現(xiàn)老化，就應(yīng)該及時(shí)更換。

3.5　定期進(jìn)行紅外水分儀的清潔和保養(yǎng)

定期要對(duì)紅外水分儀的光學(xué)窗口進(jìn)行清潔和保養(yǎng)，對(duì)有氣路清潔的，還要對(duì)過濾器進(jìn)行清潔，以免二次污染；紅外水分儀盡管密封性很好，但里面的透鏡時(shí)間長了也不可避免會(huì)沾上灰塵，因此，要定期對(duì)紅外水分儀進(jìn)行清潔和保養(yǎng)。

3.6　動(dòng)態(tài)跟蹤

隨著環(huán)境溫度、濕度和配方的變化會(huì)使紅外水分儀的測量準(zhǔn)確度發(fā)生變化，因此，要經(jīng)常跟蹤紅外水分儀的工作情況和測量誤差，如果發(fā)現(xiàn)異常要仔細(xì)分析問題，是取樣問題還是輔助設(shè)備問題或是水分儀本身問題，不要輕易對(duì)測量曲線作調(diào)整。

4　結(jié)語

通過以上分析可以看出，紅外水分儀測量誤差有來自儀器設(shè)計(jì)本身，也有使用維護(hù)方面的原因。對(duì)于儀器設(shè)計(jì)缺陷帶來的誤差，我們可以通過應(yīng)用選型來有效避免；對(duì)于使用維護(hù)原因造成的誤差，可以通過本文提出的六種改進(jìn)方法，有效提高紅外水分儀的測量精度，這些方法具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

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