在生產(chǎn)過程中對NDC 水分儀精確度影響因素分析

詹 映，徐 杏 ，楊華強(qiáng)，易建定，黃秋岳 ，李建華，岳博文，趙 賢 ，石 超

（1.上海創(chuàng)和億電子科技發(fā)展有限公司，上海200092；2.湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司）

NDC 水分儀由于操作簡便，功能簡單且智能被廣泛應(yīng)用于煙草行業(yè)[1]，目前對水分儀研究集中在儀器本身性能評價和校準(zhǔn)改進(jìn)[2-3]、安裝調(diào)試[4]、或者水分儀設(shè)計(jì)與研制[5-6]方面，對影響水分儀測試結(jié)果和精度的因素研究較少,章習(xí)等[7]對其中某個影響因素進(jìn)行研究，沒有全面分析水分儀多個影響因素的影響。

因此，需要確定影響NDC 水分儀精度的因素，并及時采取相應(yīng)的措施使實(shí)時采集到的水分儀數(shù)據(jù)能夠真實(shí)地反映煙葉水分值。通過控制變量法設(shè)計(jì)試驗(yàn)，分別分析溫度、NDC 水分儀、煙葉的牌號與光照強(qiáng)度對煙葉水分的影響，進(jìn)一步提高NDC 水分儀的測量精度，確保產(chǎn)品質(zhì)量，提升生產(chǎn)加工過程的控制水平。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

采取湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司提供的常用的13 種牌號煙葉，硬銀紫、峽谷情中支、硬雪之景、硬如意、軟雪之景、硬金砂、硬珍品、軟藍(lán)、軟珍品、紅金龍硬新版、硬雅韻、硬紅、軟雅韻。主要設(shè)備：在線NDC 水分儀、烘箱、溫度傳感器、光強(qiáng)傳感器。

1.2 測定方法

溫度試驗(yàn)：密封鐵盒一個，鐵盒直徑尺寸大于NDC水分儀光斑尺寸，取煙絲裝滿鐵盒，密封加熱（烘箱加熱），每個牌號取樣10 個，將裝滿煙絲的鐵盒放在NDC水分儀探頭底下采集水分值和溫度值，讓煙絲逐步冷卻至常溫，整個過程中記錄水分值和溫度值，每個牌號試驗(yàn)一次。

不同NDC 水分儀靈敏度試驗(yàn)：密封鐵盒一個，鐵盒直徑尺寸大于NDC 水分儀光斑尺寸，取煙絲裝滿鐵盒，每個牌號取樣3 個，將裝滿煙絲的鐵盒放在NDC水分儀探頭底下采集水分值；同一樣品分別在7 臺NDC水分儀（7 個工藝段）上檢測一次（一次1 min，取平均值），整個過程中記錄水分值。

不同牌號試驗(yàn)：每個牌號取樣5 個，自封袋密封保存，當(dāng)所有牌號取樣完成后，解開密封袋放在實(shí)驗(yàn)室半天，讓所有樣品含水率達(dá)到一致，然后將每個樣品放在同一NDC 水分儀上檢測水分值；采集完DNC 水分?jǐn)?shù)據(jù)的樣品采用烘箱檢測標(biāo)準(zhǔn)水分值；收集NDC 水分檢測數(shù)據(jù)和烘箱檢測數(shù)據(jù)。

光強(qiáng)試驗(yàn)：密封鐵盒一個，鐵盒直徑尺寸大于NDC水分儀光斑尺寸；取煙絲裝滿鐵盒，每個牌號取樣10個；將裝滿煙絲的鐵盒放在NDC 水分儀探頭下采集水分值；根據(jù)實(shí)際環(huán)境一年光強(qiáng)變化情況，設(shè)置7 個梯度，從50 變化至1 000，依次選組梯度對煙葉進(jìn)行照射，將樣品放置在NDC 水分儀探頭下采集水分值；采用烘箱檢測每個樣品的真實(shí)水分值；每個牌號試驗(yàn)一次。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

對不同NDC 水分值測試的數(shù)據(jù)進(jìn)行tukey 法多重方差分析，是用來比較均值ug和ugh（g≠h）的所有可能的兩兩差異的一種聯(lián)立檢驗(yàn)，目標(biāo)是為所有兩兩比較構(gòu)建100（1-α）%的置信區(qū)間。計(jì)算公式如下：

令a為從均值為μ、方差為σ2的正態(tài)分布中得到的一些獨(dú)立觀察的極差(即最大值減最小值),令v為誤差的自由度數(shù)目(多重比較中為N-E)。則學(xué)生化的極差可以定義如下:

均值比較的置信區(qū)間：

其中cg是E 組中的任意比對，通常有約束條件為：

算法原本設(shè)計(jì)為比較兩個均值μ1和μ2，故在“±”號后的第一項(xiàng)就成為：

2 結(jié)果與分析

2.1 物料溫度對煙葉水分變化的影響

由于溫度的變化會改變樣品分子間的作用力,水分子中的O-H 的振動和轉(zhuǎn)動會發(fā)生變化，從而改變紅外光譜吸收帶的形狀或發(fā)生漂移。因此，需要研究溫度和紅外水分儀檢測值變化的規(guī)律。在線各個工序段溫度分布情況，如圖1。

圖1 各個工序段溫度分布情況

從圖中可以看出，在工藝參數(shù)控制下，各個工序位置的溫度變化幅度非常小，為了研究溫度變化對水分值的影響，采取離線試驗(yàn)方案對每個常用牌號使用最小二乘法，建立溫度與水分的回歸模型，每個牌號做4 次試驗(yàn)，結(jié)果如表1。

表1 不同牌號煙葉溫度與水分之間的關(guān)系

從表1 可以看出，煙葉水分值均與溫度為正相關(guān)，12 種牌號煙葉呈顯著正相關(guān)。

2.2 不同NDC 水分儀對煙葉水分變化的影響

如圖2，繪制不同NDC 水分儀測試水分值的箱型圖，可以看出存在顯著差異，烘絲前水分值為正，其他NDC 位置均為負(fù)值，烘絲后水分值最小。

對不同NDC 水分值測試的數(shù)據(jù)進(jìn)行tukey 法多重方差分析，結(jié)果與表2。累計(jì)共21 組對比數(shù)據(jù)，每個NDC 水分儀測試數(shù)據(jù)與其他6 臺水分儀數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，其中僅4 組數(shù)據(jù)差異不顯著，其他均差異顯著，說明不同NDC 水分儀之間差異顯著。

圖2 不同NDC 水分儀零位分布

表2 不同NDC 水分儀測試零值多重方差分析

2.3 不同牌號對煙葉水分變化的影響

數(shù)據(jù)分布如圖3，可以看出，不同牌號煙葉之間水分值存在差異。

圖3 不同牌號零位分布

取每個牌號水分值均值，如表3 所示?？梢钥闯觯煌铺柕臒熑~水分儀測試數(shù)據(jù)與烘箱測試的水分值存在明顯差異，烘箱水分測試值普遍偏高，差異最大的為峽谷情中支，硬雪之景的差異較小。

表3 不同煙葉NDC 水分儀與烘箱數(shù)據(jù)差異值

2.4 不同光照強(qiáng)度對煙葉水分變化的影響

每個牌號試驗(yàn)一次，光照梯度設(shè)置7 個梯度，從50變化至10 000，測試NDC 水分儀的變化情況，結(jié)果如圖4。

圖4 不同光照強(qiáng)度對煙葉水分的影響

可以看出，改變光照強(qiáng)度，NDC 水分儀的測試結(jié)果幾乎不變，可以說明，單純光照強(qiáng)度對煙葉水分幾乎沒有影響。

3 結(jié)論與討論

溫度試驗(yàn)表明，在加熱煙絲后，煙絲的水分值隨著溫度的降低而降低，但是該溫度試驗(yàn)是模擬將煙絲加熱之后，溫度與水分的關(guān)系，導(dǎo)致這個方程不可逆，即煙絲水分會隨著溫度降低而降低，但不會隨著溫度升高而提升。

不同NDC 水分儀試驗(yàn)說明，不同NDC 水分儀之間存在測量誤差，但是由于不同工序段的加工條件不同，每個NDC 水分儀的采樣點(diǎn)環(huán)境不同，不單存在溫度的影響，加熱、濕度與風(fēng)力也會對水分值產(chǎn)生影響，在工藝參數(shù)控制下，變化幅度較小，后續(xù)可以進(jìn)一步探討針對特定的工藝環(huán)境下研究NDC 水分儀與烘箱法標(biāo)準(zhǔn)水分值的差異。

不同牌號試驗(yàn)說明，不同牌號的煙葉水分儀測試數(shù)據(jù)與烘箱測試的水分值存在明顯差異，烘箱水分測試值普遍偏高，其中差異最大的為峽谷情中支，硬雪之景的差異較小。

光照強(qiáng)度試驗(yàn)說明，光照強(qiáng)度對煙葉水分沒有影響，在NDC 水分儀使用的10 個波長段近紅外鏡頭測定水分值，且NDC 水分儀本身可以抵抗周圍環(huán)境的光線影響，但是太陽光的照射具有豐富的紫外線能量，長期直射會對煙葉產(chǎn)生額外的影響，瞬時的照射不會對煙葉水分值產(chǎn)生影響，后續(xù)可以繼續(xù)探討長時間光照下煙葉水分的變化情況。