卷煙吸阻與通風(fēng)度儀器的測量原理和使用維護(hù)

戴 昕

(湖南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司長沙卷煙廠，長沙 410007)

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卷煙吸阻與通風(fēng)度儀器的測量原理和使用維護(hù)

戴 昕

(湖南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司長沙卷煙廠，長沙 410007)

吸阻和通風(fēng)度是卷煙最重要的兩個質(zhì)量指標(biāo)，文章針對卷煙吸阻與通風(fēng)度儀器的測量原理、儀器維護(hù)和常見故障的排除方法進(jìn)行了論述。

卷煙；吸阻；通風(fēng)度；恒定流量；校準(zhǔn)；維護(hù)保養(yǎng)；故障排除

0 引言

在煙草行業(yè)，吸阻(也稱為壓降)和通風(fēng)度是卷煙最重要的兩個質(zhì)量指標(biāo)，它們直接影響卷煙的抽吸口感和煙氣成份的含量(包括一氧化碳、煙堿、尼古丁等)，因此，檢測吸阻和通風(fēng)度對保證卷煙質(zhì)量非常重要。

目前煙草行業(yè)檢測卷煙吸阻和通風(fēng)度的儀器有國內(nèi)外生產(chǎn)的各種型號的綜合測試臺及吸阻通風(fēng)度儀，這些儀器的測量原理基本相同、結(jié)構(gòu)組成相似，都符合IS06565(煙草及煙草制品-卷煙吸阻和濾棒壓降的標(biāo)準(zhǔn)條件及測量)和ISO9512(卷煙通風(fēng)的測定-定義及測量原理)的要求，其中，使用最廣泛的儀器就是英國斯茹林公司的QTM5U吸阻通風(fēng)度儀和C2綜合測試臺。本文以英國斯茹林公司的C2為例，闡述卷煙吸阻與通風(fēng)度儀器的測量原理、儀器使用維護(hù)注意事項和常見故障的排除方法。

1 卷煙吸阻和通風(fēng)度儀器的測量原理

儀器的基本測量過程：如圖1所示，在進(jìn)行卷煙吸阻和通風(fēng)度測量時，卷煙要密封于樣品測量設(shè)備(即樣品測量頭)中，卷煙濾嘴端插入深度為9mm的乳膠管中，讓負(fù)壓環(huán)境空氣流先后經(jīng)過卷煙樣品和流量控制器(CFO)，由于CFO的恒流作用，保證卷煙樣品的濾嘴輸出端的氣流體積流量為恒定值17.5ml/s，然后測量與卷煙樣品的吸阻和通風(fēng)度分別相關(guān)的不同壓力傳感器信號，經(jīng)過計算處理后得出卷煙樣品的吸阻和通風(fēng)度。其中，吸阻包括開吸阻和閉吸阻，通風(fēng)度包括濾嘴通風(fēng)度、煙紙通風(fēng)度、總通風(fēng)度。

圖1 吸阻和通風(fēng)度測量整體示意圖

1.1 開吸阻的測量原理

在圖1中,當(dāng)只有固定乳膠管緊緊包裹住樣品的濾嘴端的一部分，樣品(樣品即是卷煙樣品)的其他部分與大氣相通時，負(fù)壓環(huán)境空氣流同時從樣品的煙絲端、煙紙部分及濾嘴部分進(jìn)入卷煙樣品，從濾嘴端流出，由傳感器2的測量信號得出樣品的開吸阻PDO，PDO=P1-P2。式中，P1是大氣壓力；P2是樣品出口端的氣流壓力；壓力及吸阻的單位均為kPa。

1.2 閉吸阻的測量原理

在圖1中，當(dāng)樣品的濾嘴部分被封閉與大氣環(huán)境完全隔絕，樣品的煙紙部分和煙絲端與大氣環(huán)境相通，負(fù)壓環(huán)境空氣流同時從樣品的煙絲端及煙紙部分進(jìn)入樣品，從濾嘴端流出，由傳感器2的測量信號得出樣品的閉吸阻PDC，PDC=P1-P2。

1.3 煙紙通風(fēng)度測量原理

在圖1中，當(dāng)樣品被三個乳膠管緊緊包裹住，且樣品的濾嘴部分被封閉與大氣環(huán)境完全隔絕，樣品的煙紙部分通過層流元件1(laminar flow element)與大氣環(huán)境相通，負(fù)壓環(huán)境空氣流通過層流元件1后進(jìn)入樣品的煙紙部分，從濾嘴端流出，根據(jù)層流元件的特性可知：

ΔP1=K×Q1

則樣品的實際煙紙通風(fēng)度：

式中，Q為樣品輸出端的流量，是一個恒量17.5ml/s。

1.4 濾嘴通風(fēng)度測量原理

在圖1中，當(dāng)樣品被三個乳膠管緊緊包裹住，且樣品的煙紙部分被封閉與大氣環(huán)境隔絕，樣品的濾嘴部分通過層流元件2與大氣環(huán)境相通，負(fù)壓環(huán)境空氣流通過層流元件2后進(jìn)入樣品的濾嘴部分(此時的層流元件2兩端的壓降為ΔP2)，從濾嘴端流出，參照上述1.3，得出樣品的實際濾嘴通風(fēng)度：

1.5 總通風(fēng)度測量原理

在圖1中，當(dāng)樣品的上下兩端被乳膠管緊緊包裹住，中間的可調(diào)位置乳膠管2張開，樣品的濾嘴部分和煙紙部分一起通過層流元件2與大氣環(huán)境相通，負(fù)壓環(huán)境空氣流通過層流元件2后進(jìn)入樣品的煙紙部分和濾嘴部分(此時的層流元件2兩端的壓降為ΔP3)，從濾嘴端流出，參照上述1.3，得出樣品的實際總通風(fēng)度：

2 吸阻通風(fēng)度儀器的使用維護(hù)、故障排除

2.1 儀器在使用過程中的注意事項

2.1.1 儀器校準(zhǔn)

由于不同的環(huán)境溫濕度及大氣壓會影響測量時進(jìn)入樣品的空氣氣流的體積流量、粘度和密度，所以，同一樣品在不同的環(huán)境溫濕度和大氣壓下測量出的吸阻是不一樣的。一般情況下，環(huán)境溫度每變化1℃，樣品的吸阻變化約0.23%；環(huán)境相對濕度每變化10%，樣品的吸阻變化約0.03%；環(huán)境大氣壓每變化5kPa，樣品吸阻就大約變化0.34%，其中影響最大的是環(huán)境溫度，因為在同一地區(qū)，大氣壓的變化是很小的。

為保證儀器的測量精度，必須要用標(biāo)準(zhǔn)吸阻棒和通風(fēng)度棒對儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，但是要注意，標(biāo)準(zhǔn)吸阻棒和通風(fēng)度棒的校準(zhǔn)值是在溫度(22±2)℃、相對濕度(60±5)%和1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下測得的，所以在用標(biāo)準(zhǔn)棒校準(zhǔn)儀器時，如果所處環(huán)境不是標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境，就要先把標(biāo)準(zhǔn)棒在該環(huán)境下充分平衡2小時以上，然后跟標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境相比，環(huán)境溫度每增加1℃，標(biāo)準(zhǔn)棒的吸阻校準(zhǔn)值就增加0.23%，環(huán)境相對濕度每增加10%，標(biāo)準(zhǔn)棒的吸阻校準(zhǔn)值就增加0.03%，反之類推，然后再用修正了校準(zhǔn)值的標(biāo)準(zhǔn)棒來校準(zhǔn)儀器。

對于帶有吸阻自動校準(zhǔn)功能的儀器，可以選擇自動校準(zhǔn)或手動校準(zhǔn)，如果儀器的使用環(huán)境是恒溫恒濕實驗室，實驗室空氣環(huán)境能夠滿足溫度(22±2)℃，相對濕度(60±5)%，建議選擇手動校準(zhǔn)，每天校準(zhǔn)一次，且手動校準(zhǔn)所用標(biāo)準(zhǔn)吸阻棒必須一直暴露在實驗室空氣環(huán)境中，使得標(biāo)準(zhǔn)吸阻棒與環(huán)境之間充分平衡，保證標(biāo)準(zhǔn)吸阻棒的吸阻值穩(wěn)定；如果儀器的使用環(huán)境是生產(chǎn)現(xiàn)場，因為生產(chǎn)現(xiàn)場的環(huán)境溫濕度一般不是很穩(wěn)定，所以建議選擇自動校準(zhǔn)，這時要調(diào)整好儀器內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)吸阻棒的的修正參數(shù)，保證儀器在對外置標(biāo)準(zhǔn)吸阻棒做校準(zhǔn)檢查時的儀器示值與該外置標(biāo)準(zhǔn)吸阻棒在該生產(chǎn)環(huán)境下的修正后校準(zhǔn)值之間的誤差在1%以下。

2.1.2 流量檢查

根據(jù)IS06565和ISO9512的要求，測量時從樣品出口端流出的空氣體積流量必須滿足(17.5±0.3)ml/s，否則會造成吸阻和通風(fēng)度的檢測不穩(wěn)定，因此，定期(一般是半年)檢查流量的準(zhǔn)確性是很有必要的，檢查的方法就是把精度為0.5%的氣體流量計的測量桿插入測量頭中模擬樣品，然后開始測量流量。

如果流量計的測量示值超出允差范圍的下限，即流量小于17.2ml/s，原因可能有兩個，一是流量控制器(CFO)的流量孔臟污或損壞，解決辦法就是先用電子清洗劑噴灑到流量孔上進(jìn)行清洗，然后再測量流量，如果清洗無效就更換CFO；二是經(jīng)過CFO兩端的負(fù)壓氣流的壓力差過小，因為只有當(dāng)CFO兩端的氣壓差大于一定值后，流經(jīng)CFO的流量才會保持在(17.5±0.3)ml/s內(nèi)的某個恒定值，解決辦法就是檢查CFO入口端的空氣過濾芯是否臟污、負(fù)壓發(fā)生器產(chǎn)生的負(fù)壓值是否在-70kPa以上、壓縮空氣的壓力是否在400～450kPa之間、壓縮空氣的過濾芯是否有臟污。

如果流量計的測量示值超出允差范圍的上限，即流量大于17.8ml/s，原因很可能就是流量控制器(CFO)損壞，更換CFO即可。

2.2 儀器的維護(hù)保養(yǎng)和故障排除

2.2.1 易損件的檢查和更換

儀器的易損件主要包括測量頭里面的三個乳膠管和測量頭底部的密封圈，如果乳膠管有細(xì)微破損或密封圈有裂紋，就會導(dǎo)致測量卷煙樣品時吸阻值和通風(fēng)度值明顯異常，雖然有些儀器帶有乳膠管的泄漏檢測功能，但是，每月檢查乳膠管和每半年檢查密封圈還是很有必要的，這能較早地發(fā)現(xiàn)和預(yù)防吸阻和通風(fēng)度的檢測問題。

2.2.2 常見故障的排除方法

吸阻通風(fēng)度儀器的故障主要有兩類，一類是軟件故障，一類是硬件故障。軟件故障主要是操作程序和儀器控制程序的問題，只需要按照儀器說明操作儀器和安裝控制程序即可，下面主要講講硬件故障。

硬件故障主要包括電磁閥、壓力傳感器和負(fù)壓發(fā)生器等問題，其中，電磁閥的問題居多。解決電磁閥的問題，一般根據(jù)儀器氣路圖上三類氣流的作用及通過路徑就可以找到故障電磁閥，這三類氣流分別是正壓氣流、負(fù)壓氣流、恒定流量氣流。正壓氣流用于驅(qū)動氣缸、清潔碎屑、驅(qū)動負(fù)壓發(fā)生器形成負(fù)壓。負(fù)壓氣流用于張開測量頭里面的乳膠管以及驅(qū)動流量控制器(CFO)形成17.5ml/s的恒定流量氣流。恒定流量氣流用于通過被測樣品，保證通過樣品出口端的氣流的流量恒定為17.5ml/s。

壓力傳感器的輸出端信號是一個直流模擬電壓信號，在儀器準(zhǔn)備狀態(tài)下用數(shù)字萬用表測量該輸出端信號，應(yīng)該是一個mV級的直流模擬電壓信號(即零位信號)，如果達(dá)不到要求就調(diào)整壓力傳感器的零位電位器，如果調(diào)整無效就說明該壓力傳感器損壞。另外，在校準(zhǔn)過程中壓力傳感器的輸出端信號的大小應(yīng)該與校準(zhǔn)用的標(biāo)準(zhǔn)棒的吸阻值成正比，在測量樣品過程中該信號的大小應(yīng)該與被測樣品的吸阻值成正比，否則說明該壓力傳感器損壞。

判斷負(fù)壓發(fā)生器是否有問題，只要用數(shù)字壓力表測量負(fù)壓發(fā)生器的輸出負(fù)壓值是否大于-70kPa，在進(jìn)入負(fù)壓發(fā)生器的壓縮空氣壓力足夠大(在400～450kPa之間)的情況下，負(fù)壓發(fā)生器的輸出負(fù)壓必須大于-70kPa，否則必須更換負(fù)壓發(fā)生器。

3 結(jié)語

本文比較全面地闡述了卷煙吸阻與通風(fēng)度儀器的各個指標(biāo)的測量原理，根據(jù)本人的實際經(jīng)驗，提煉和總結(jié)了儀器使用過程中的校準(zhǔn)、檢查，維護(hù)保養(yǎng)的注意事項以及排除常見故障的方法，希望對煙草行業(yè)的相關(guān)人員有較大的幫助。

[1] 周德成,等.GB/T 22838.5—2009/ISO6565卷煙吸阻和濾棒壓降,2002

[2] 馮茜,等.GB/T 22838.15—2009/ISO9512卷煙通風(fēng)的測定定義和測量原理，2002

[3] C2綜合測試臺操作手冊.英國斯茹林公司，2013

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.11.22