透氣度流量盤測量方法的改進(jìn)

楊榮超，趙 航，張 勍，蔣錦鋒，趙繼俊，范 黎，曾 波，張鵬飛，苗 芊

中國煙草總公司鄭州煙草研究院 中國煙草標(biāo)準(zhǔn)化研究中心，鄭州市高新區(qū)楓楊街2號 450001

煙用紙張透氣度的變化直接影響到卷煙的煙氣特征和感官質(zhì)量，因此需要對煙用紙張的透氣度進(jìn)行嚴(yán)格的檢測控制［1-8］。紙張透氣度測定儀是煙草行業(yè)用于檢測控制紙張透氣度的關(guān)鍵儀器。煙草專用透氣度流量盤（簡稱流量盤）是用于校準(zhǔn)紙張透氣度測定儀的標(biāo)準(zhǔn)器具。因此流量盤的測量結(jié)果對透氣度測定儀測量紙張的透氣度會產(chǎn)生直接影響。國內(nèi)現(xiàn)行的流量盤測量方法［9］存在一些不足：流量盤在測量氣路中的位置與實際使用狀態(tài)不一致，且沒有計算大氣壓力對流量盤測量結(jié)果的影響，從而導(dǎo)致流量盤測量結(jié)果與國外廠家提供的測量結(jié)果存在較大差異。而2009版國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 2965提出了流量盤的分類方法，并提供了流量盤測量結(jié)果修正到標(biāo)準(zhǔn)條件的方法［10］。國內(nèi)煙草研究人員曾對ISO 2965中流量盤測量結(jié)果的修正方法進(jìn)行過驗證［11］，為改進(jìn)國內(nèi)現(xiàn)行流量盤測量方法提供了相應(yīng)的基礎(chǔ)。因此，采用改變流量盤在測量氣路中的位置及對流量盤分類測量等方法對原方法進(jìn)行了改進(jìn)，旨在提高流量盤測量結(jié)果的準(zhǔn)確性、可靠性以及與國外廠家測量結(jié)果的可比性。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

18個流量盤（表1）；FCO510氣體流量計（英國Furness公司）；DPI-141大氣壓計（英國Druck公司）；Optic精密露點(diǎn)儀（美國GE公司）；RCY-1A鉑電阻溫度計（河北興華電子儀器廠）；RPM4壓差計（美國Fluke公司）。

表1 不同標(biāo)稱值的18個流量盤①

1.2 方法

1.2.1 改進(jìn)前流量盤測量方法

改進(jìn)測量方法前流量盤的測量裝置如圖1所示。將流量盤置于專用夾具中，打開氣源開關(guān)，使用壓力調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)流量盤兩端的氣體壓力差，使壓差計的讀數(shù)滿足（1.000±0.005）kPa的要求［12］。流量盤兩端的氣體壓力穩(wěn)定后，記錄流量計讀數(shù)。重復(fù)測量10次，將10次測量的平均值作為流量盤的測量結(jié)果。

圖1 改進(jìn)前流量盤的測量裝置示意圖

1.2.2 改進(jìn)后流量盤測量方法

以前國內(nèi)對流量盤進(jìn)行測量均采用文獻(xiàn)［9］中的方法，該方法直接用氣體流量計對流量盤的流量進(jìn)行測量，并未考慮流量盤在氣路中的位置差異和大氣壓力變化對流量盤測量結(jié)果的影響。然而在流量盤的實際測量中發(fā)現(xiàn)，流量盤在測量氣路中的位置變化以及大氣壓力均影響到流量盤的測量結(jié)果。因此，對文獻(xiàn)［9］中的方法進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)后的流量盤測量裝置如圖2所示。改變了流量盤在測量氣路中的位置，使流量盤的氣流出口端與大氣相連通，即與紙張透氣度測定儀上流量盤的使用狀態(tài)保持一致，并增加對環(huán)境大氣壓力和溫度的測量。對流量盤進(jìn)行測量前，首先判定流量盤的壓力流量特性，然后根據(jù)流量盤的壓力流量特性對流量盤進(jìn)行測量。

圖2 改進(jìn)后流量盤的測量裝置示意圖

1.2.2.1 流量盤壓力流量特性的判定

在流量盤兩端分別為（0.750±0.005）kPa和（1.250±0.005）kPa的不同壓差條件下，測量透過流量盤的空氣流量，用公式（1）計算得出流量盤壓力流量特性因子。

式中：k—流量盤壓力流量特性因子，取值在0.5～1.0之間；Q1—流量盤兩端壓差為P1時的空氣流量，L/min；Q2—流量盤兩端壓差為P2時的空氣流量，L/min；P1—流量盤兩端壓差在（0.750±0.005）kPa范圍內(nèi)的壓差值，Pa；P2—流量盤兩端壓差在（1.250±0.005）kPa范圍內(nèi)的壓差值，Pa。

當(dāng)k大于0.95時，則可以認(rèn)為流量盤是線性流量盤；當(dāng)k小于等于0.95時，則可以認(rèn)為流量盤是非線性流量盤［10］。

1.2.2.2 線性流量盤的測量方法

將流量盤置于專用夾具中，打開氣源開關(guān)，使用壓力調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)流量盤兩端的氣體壓力差，使壓差計的讀數(shù)滿足（1.000±0.005）kPa的要求。流量盤兩端的氣體壓力穩(wěn)定后，記錄流量計讀數(shù)。重復(fù)測量10次，將10次測量的平均值作為線性流量盤的測量結(jié)果。

1.2.2.3 非線性流量盤的測量方法

將流量盤置于專用夾具中，打開氣源開關(guān)，使用壓力調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)流量盤兩邊的氣體壓力差，分 別 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個不同壓差下測量透過流量盤的氣體流量，每個壓差下重復(fù)測量10次，取平均值。然后利用文獻(xiàn)［10］中的公式（2）計算出非線性流量盤的測量結(jié)果，具體計算過程如下：

式中：Qs—修正到標(biāo)準(zhǔn)條件下的體積流量，L/min；α，β—常量，與流量盤的結(jié)構(gòu)有關(guān)；ηs—標(biāo)準(zhǔn)條件下的空氣黏度，Pa·s；ρs—標(biāo)準(zhǔn)條件下的空氣密度，kg/m3；ΔP—流量盤兩端的壓差，Pa。

首先根據(jù) ISO 2965—2009［10］，非線性流量盤的壓力流量特性可由公式（3）表述。其中，空氣黏度η和空氣密度ρ可分別由公式（4）和公式（5）計算得出［13］。在公式（4）中，由于 T的取值范圍是（296.15±1.00）K，RH的取值范圍是（50±2）%，并結(jié)合T和RH的系數(shù)分析可知，RH對空氣黏度η的影響遠(yuǎn)小于T，因此可忽略相對濕度對空氣黏度η的影響。然后將非線性流量盤兩端5個不同壓差值和相應(yīng)流量值、空氣黏度及空氣密度分別代入公式（3）中，通過線性回歸計算得到α和β。另外，ηs和ρs可由公式（4）和公式（5）計算得出。

式中：T—流量盤測量環(huán)境溫度，K；RH—流量盤測量環(huán)境相對濕度，%；P—流量盤測量環(huán)境大氣壓力，Pa。

最后將計算得到的流量盤特征常量α和β、空氣黏度ηs、空氣密度ρs以及流量盤兩端的壓差ΔP代入公式（2），計算出非線性流量盤的測量結(jié)果。

1.2.3 流量盤測量結(jié)果的重復(fù)性和穩(wěn)定性考察

用改進(jìn)前后兩種測量方法分別對流量盤進(jìn)行短時間內(nèi)10次重復(fù)測量，用標(biāo)準(zhǔn)偏差和變異系數(shù)兩個指標(biāo)比較兩種測量方法下流量盤測量結(jié)果的重復(fù)性。

用改進(jìn)前后兩種方法分別對流量盤進(jìn)行連續(xù)5個月測量，每月1組，每組10次，以10次測量的平均值為測量結(jié)果。用測量結(jié)果的極差比較兩種方法流量盤測量結(jié)果的穩(wěn)定性。

1.2.4 改進(jìn)后流量盤測量方法共同實驗

采用改進(jìn)后測量方法參加了CORESTA組織的流量盤共同實驗，該實驗由德國Borgwaldt-KC公司（簡稱BKC）、英國Cerulean公司、法國Sodim公司和中國煙草總公司鄭州煙草研究院（簡稱ZTRI）共4家單位參與，測量對象是12個流量盤，每家實驗室在文獻(xiàn)［10］的要求下對流量盤測量兩天，每天測量3次。計算6次測量結(jié)果的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差，比較國內(nèi)外4個實驗室流量盤測量結(jié)果的差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 流量盤測量結(jié)果的重復(fù)性

改進(jìn)前后兩種測量方法下流量盤測量結(jié)果的重復(fù)性數(shù)據(jù)（表2）顯示，改進(jìn)測量方法后18個流量盤的流量平均值均有不同程度的增大；12～18號流量盤即非線性流量盤的流量標(biāo)準(zhǔn)偏差和變異系數(shù)均減小了一半左右，而1～11號流量盤即線性流量盤的流量標(biāo)準(zhǔn)偏差和變異系數(shù)的差異不顯著。改進(jìn)前后兩種測量方法的主要區(qū)別有兩點(diǎn)：①流量盤在測量氣路中的位置不同，改進(jìn)后氣體流量計位于流量盤專用夾具的前端，因此氣體流量計可以反映流量盤專用夾具對流量盤測量的影響，而改進(jìn)前由于氣體流量計位于流量盤專用夾具的后端，無法反映流量盤專用夾具對流量盤測量的影響，這是改進(jìn)測量方法后流量盤流量均值增大的主要原因。②非線性流量盤的測量方法不同，這是改進(jìn)測量方法后非線性流量盤的流量標(biāo)準(zhǔn)偏差和變異系數(shù)減小的主要因素?？傊倪M(jìn)測量方法后流量盤測量結(jié)果的重復(fù)性優(yōu)于改進(jìn)前。

表2 改進(jìn)前后兩種測量方法下流量盤測量結(jié)果的重復(fù)性數(shù)據(jù)

2.2 流量盤測量結(jié)果的穩(wěn)定性

改進(jìn)前后兩種測量方法下流量盤測量結(jié)果的穩(wěn)定性數(shù)據(jù)見表3。由表3可知，改進(jìn)測量方法后12～18號流量盤即非線性流量盤5個月內(nèi)測量結(jié)果的極差均減小了一半左右；而1～11號流量盤即線性流量盤5個月內(nèi)測量結(jié)果的極差變化不明顯。由此可見，改進(jìn)測量方法后流量盤測量結(jié)果的穩(wěn)定性優(yōu)于改進(jìn)前。

2.3 與國外實驗室流量盤測量結(jié)果的比較

CORESTA共同實驗中國內(nèi)外4家實驗室測量每個流量盤的流量均值見表4。由表4可見，ZTRI實驗室與國外3家實驗室流量盤的流量均值都比較接近。將國外3家實驗室流量盤的流量均值再取平均，分析ZTRI實驗室流量盤的流量均值與另外3家實驗室流量盤的流量均值的極差和相對極差，由表4可知，ZTRI實驗室流量盤的流量均值與另外3家實驗室流量盤的流量均值的相對極差都在2%以下。

CORESTA共同實驗中國內(nèi)外4個實驗室測量每個流量盤的流量標(biāo)準(zhǔn)偏差見表5。由表5可知，ZTRI實驗室與國外3家實驗室流量盤的流量標(biāo)準(zhǔn)偏差相差都不大。進(jìn)一步計算國內(nèi)外4家實驗室測量每個流量盤流量的變異系數(shù)，由表5可知，4家實驗室各有且只有一個流量盤的流量變異系數(shù)大于或等于0.20%，但小于0.50%。4家實驗室測量其余11個流量盤流量的變異系數(shù)均小于0.20%。

表3 改進(jìn)前后兩種測量方法下流量盤測量結(jié)果的穩(wěn)定性數(shù)據(jù)① （mL·min-1）

表4 CORESTA共同實驗中各實驗室的流量盤測量結(jié)果

表5 CORESTA共同實驗中各實驗室測量的流量盤標(biāo)準(zhǔn)偏差和變異系數(shù)

表5 （續(xù)）

綜上所述，改進(jìn)測量方法后國內(nèi)實驗室與國外3家實驗室測量流量盤的結(jié)果差異不大。

3 結(jié)論

通過分析改進(jìn)前后兩種方法下流量盤測量結(jié)果的重復(fù)性和穩(wěn)定性情況發(fā)現(xiàn)：改進(jìn)測量方法后非線性流量盤測量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差和變異系數(shù)以及5個月內(nèi)測量結(jié)果的極差均減小了一半左右。采用改進(jìn)后的測量方法參加CORESTA組織的流量盤共同實驗，實驗結(jié)果表明：ZTRI實驗室測量的流量盤流量均值與國外3家實驗室測量的流量盤流量均值的相對極差都在2%以下；國內(nèi)外4家實驗室測量每個流量盤的流量變異系數(shù)均小于0.50%。由此可見，改進(jìn)后的流量盤測量方法克服了原方法的不足，可替代原方法用于流量盤流量的測量。

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