用于通風(fēng)率標(biāo)準(zhǔn)棒期間核查的標(biāo)準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)

崔 廷，蘇東贏*，王娟娟，張鵬飛，李浩亮，楊榮超*，苗 芊，胡佳成，楊靜靜

1. 河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，鄭州經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)第三大街8 號 450000

2. 中國煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)楓楊街2 號 450001

3. 中國計(jì)量大學(xué)計(jì)量測試工程學(xué)院，杭州市下沙學(xué)源街258 號 310016

通風(fēng)率標(biāo)準(zhǔn)棒是煙草行業(yè)通風(fēng)率量值傳遞系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)器件，主要用于卷煙物理性能綜合測試臺通風(fēng)率測試單元的校準(zhǔn)。根據(jù)《煙草專用通風(fēng)率標(biāo)準(zhǔn)棒檢定規(guī)程》的規(guī)定［1］，通風(fēng)率標(biāo)準(zhǔn)棒檢定周期為1 年，每個(gè)檢定周期內(nèi)量值變化不得超過1%。為確保通風(fēng)率標(biāo)準(zhǔn)棒量值傳遞準(zhǔn)確可靠，使用部門需定期將其送至中國煙草標(biāo)準(zhǔn)化研究中心進(jìn)行檢定以保證通風(fēng)率量值的可靠性。在檢定周期內(nèi)，由于通風(fēng)率標(biāo)準(zhǔn)棒使用頻繁、保存或使用環(huán)境復(fù)雜等原因，容易造成標(biāo)準(zhǔn)棒表面破損污染、端面和側(cè)面通風(fēng)孔堵塞、材質(zhì)老化等問題，導(dǎo)致通風(fēng)率標(biāo)準(zhǔn)棒計(jì)量性能發(fā)生改變，影響測量準(zhǔn)確度，進(jìn)而影響卷煙的感官質(zhì)量［2-6］。目前煙草行業(yè)通常采用傳統(tǒng)皂膜流量計(jì)對通風(fēng)率標(biāo)準(zhǔn)棒總氣流量和通風(fēng)流量進(jìn)行測量，測量過程中采用人工計(jì)量數(shù)值，存在一定的人為誤差。針對此，苗芊等［7］對影響通風(fēng)率標(biāo)準(zhǔn)棒測量結(jié)果的環(huán)境因素進(jìn)行仿真分析，結(jié)果顯示氣壓對通風(fēng)率測量影響最大，溫度對通風(fēng)率有一定影響，濕度幾乎無影響；Zhou 等［8］分析了不同流量CFO（Critical Flow Orifice）對通風(fēng)率標(biāo)準(zhǔn)棒測量的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)通風(fēng)率與抽吸流量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；黃曉飛等［9］研究了各工藝參數(shù)對煙支通風(fēng)率的影響，發(fā)現(xiàn)煙支質(zhì)量、接裝紙動(dòng)摩擦系數(shù)、接裝紙無膠區(qū)面積對煙支通風(fēng)率影響顯著；吳志英等［10］分析了卷煙單支質(zhì)量、吸阻、通風(fēng)率與感官質(zhì)量的相互關(guān)系，發(fā)現(xiàn)濾嘴通風(fēng)率、總通風(fēng)率對感官質(zhì)量有明顯影響。但對于通風(fēng)率標(biāo)準(zhǔn)棒期間核查的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道較少。為此，基于電子皂膜流量計(jì)設(shè)計(jì)了一種用于通風(fēng)率標(biāo)準(zhǔn)棒期間核查的標(biāo)準(zhǔn)裝置，通過分別測量通風(fēng)率標(biāo)準(zhǔn)棒的總氣流量和通風(fēng)流量，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)率自動(dòng)檢測，以期滿足卷煙工業(yè)企業(yè)對通風(fēng)率標(biāo)準(zhǔn)棒的期間核查需求。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 標(biāo)準(zhǔn)棒結(jié)構(gòu)

通風(fēng)率標(biāo)準(zhǔn)棒為圓柱體結(jié)構(gòu)，包括進(jìn)氣端面、出氣端面和側(cè)面，見圖1。標(biāo)準(zhǔn)棒內(nèi)部有10 根總毛細(xì)管貫穿于出氣端面與進(jìn)氣端面之間，側(cè)面靠近出氣端面處設(shè)有不同數(shù)量的通風(fēng)毛細(xì)管與總毛細(xì)管相通，通風(fēng)毛細(xì)管的數(shù)量不同，通風(fēng)率量值也不同。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

通風(fēng)率標(biāo)準(zhǔn)棒期間核查用標(biāo)準(zhǔn)裝置主要由專用夾具、電子皂膜流量計(jì)、負(fù)壓發(fā)生器、煙草專用標(biāo)準(zhǔn)恒流孔等部分構(gòu)成，見圖2。由氣體壓力調(diào)節(jié)裝置提供大于600 kPa 的氣壓源，利用負(fù)壓發(fā)生器7 形成負(fù)壓［11］，并由負(fù)壓表2 實(shí)時(shí)監(jiān)測負(fù)壓大?。焕脽煵輰Ｓ脴?biāo)準(zhǔn)恒流孔10 產(chǎn)生恒定流量［12］；專用夾具5 內(nèi)部利用醫(yī)用乳膠管對通風(fēng)率標(biāo)準(zhǔn)棒3進(jìn)行密封，并通過專用夾具開關(guān)旋鈕1 和電磁閥12 進(jìn)行控制；采用電子皂膜流量計(jì)6 作為流量測量標(biāo)準(zhǔn)器件，壓差計(jì)11 測量通風(fēng)率標(biāo)準(zhǔn)棒進(jìn)氣端面與出氣端面間的壓差值，大氣壓計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測環(huán)境氣壓；管路大多采用插拔方式及螺紋連接，操作方便。

1.3 工作原理

通風(fēng)率是通風(fēng)率標(biāo)準(zhǔn)棒通風(fēng)流量與總氣流量的比率，以百分比表示［13］。通風(fēng)率V的理論計(jì)算公式為：

式中：Q總是總氣流量，即從通風(fēng)率標(biāo)準(zhǔn)棒側(cè)面以及進(jìn)氣端面進(jìn)入的氣體總流量，mL/s；Q側(cè)是通風(fēng)流量，即從通風(fēng)率標(biāo)準(zhǔn)棒側(cè)面進(jìn)入的氣體流量，mL/s。

電子皂膜流量計(jì)對煙草專用標(biāo)準(zhǔn)恒流孔進(jìn)行測量可得到流量QC。當(dāng)通風(fēng)率標(biāo)準(zhǔn)棒置于專用夾具中，外接電子皂膜流量計(jì)時(shí)可得到通風(fēng)流量Q側(cè)。根據(jù)公式（2）對煙草專用標(biāo)準(zhǔn)恒流孔流量QC進(jìn)行修正，得到總氣流量Q總：

式中：P是實(shí)驗(yàn)環(huán)境的大氣壓值，Pa；PD是壓差計(jì)示數(shù)，即通風(fēng)率標(biāo)準(zhǔn)棒出氣端面與進(jìn)氣端面之間的壓差，Pa。

由此得到通風(fēng)率V的計(jì)算公式為：

系統(tǒng)中，壓差計(jì)用于測量通風(fēng)率標(biāo)準(zhǔn)棒工作時(shí)進(jìn)氣端面與出氣端面間的壓差值PD，大氣壓計(jì)實(shí)時(shí)測量通風(fēng)率標(biāo)準(zhǔn)棒周圍環(huán)境氣壓值P。為確保通風(fēng)率標(biāo)準(zhǔn)棒量值測量的精確性，電子皂膜流量計(jì)的準(zhǔn)確度滿足0.5 級，壓差計(jì)和大氣壓計(jì)的準(zhǔn)確度分別滿足0.1 級和0.3 級。

2 應(yīng)用效果

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

材料：型號分別為JV08475、JV08476、JV08433的3個(gè)低、中、高通風(fēng)率標(biāo)準(zhǔn)棒（由河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心提供），經(jīng)中國煙草標(biāo)準(zhǔn)化研究中心檢定后，檢定值分別為27.87%、58.83%和71.95%。

儀器：期間核查用標(biāo)準(zhǔn)裝置（河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心自制）。其中，電子皂膜流量計(jì)量程1～6 000 mL/min，最大允許誤差±0.5%；壓差計(jì)量程0～10 000 Pa，最大允許誤差±0.1%；煙草專用標(biāo)準(zhǔn)恒流孔最大允許誤差±2.0%；大氣壓計(jì)氣壓、溫度和相對濕度量程分別是0～110.00 kPa、-20～60 ℃和0～100%，最大允許誤差分別為±0.3%、±2.0%和±0.2%。

方法：在溫度22℃，相對濕度60%試驗(yàn)條件下，采用標(biāo)準(zhǔn)裝置對3 個(gè)通風(fēng)率標(biāo)準(zhǔn)棒進(jìn)行測量，依據(jù)《煙草專用通風(fēng)率標(biāo)準(zhǔn)棒檢定規(guī)程》［1］，對總氣流量和通風(fēng)流量分別測量，重復(fù)5 次，取平均值，計(jì)算通風(fēng)率。將測量值與檢定值相對比，驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)裝置的準(zhǔn)確性和可靠性。試驗(yàn)過程中記錄恒流孔流量QC，3 個(gè)通風(fēng)率標(biāo)準(zhǔn)棒的通風(fēng)流量分別為Q側(cè)1、Q側(cè)2、Q側(cè)3；實(shí)驗(yàn)環(huán)境氣壓為P，壓差計(jì)示數(shù)分別為PD1、PD2、PD3，見表1。

表1 低、中、高通風(fēng)率標(biāo)準(zhǔn)棒測量數(shù)據(jù)Tab.1 Measurement data of low, medium and high ventilation rate standard rods

將表1 中數(shù)據(jù)代入公式（3），得到3 個(gè)通風(fēng)率標(biāo)準(zhǔn)棒的通風(fēng)率測量值：

2.2 結(jié)果與分析

2.2.1 系統(tǒng)準(zhǔn)確性

標(biāo)準(zhǔn)裝置測量值與檢定值的對比結(jié)果見表2?？梢?，3 個(gè)通風(fēng)率標(biāo)準(zhǔn)棒測量值與檢定值的誤差均小于1%，表明標(biāo)準(zhǔn)裝置具有較好的準(zhǔn)確性與可靠性。

表2 標(biāo)準(zhǔn)裝置測量值與檢定值對比Tab.2 Comparison between measured values and certified values of standard device （%）

2.2.2 系統(tǒng)不確定度

影響標(biāo)準(zhǔn)裝置測量不確定度的來源主要包括QC測量重復(fù)性引起的不確定度分量u1、Q側(cè)測量重復(fù)性引起的不確定度分量u2、PD測量重復(fù)性引起的不確定度分量u3、大氣壓變化引起的不確定度分量u4。由表1 可知，恒流孔流量QC平均值為17.82 mL/s。以低通風(fēng)率標(biāo)準(zhǔn)棒為例，Q側(cè)平均值為4.78 mL/s，PD平均值為837 Pa，氣壓P為101.6 kPa。根據(jù)公式（3）所建立的標(biāo)準(zhǔn)裝置測量模型，對各輸入變量求偏導(dǎo)，得到各輸入變量引起的靈敏系數(shù)。

QC測量重復(fù)性引起的不確定度分量u1：

Q側(cè)測量重復(fù)性引起的不確定度分量u2：

PD測量重復(fù)性引起的不確定度分量u3：

大氣壓變化引起的不確定度分量u4：

各不確定度分量相互獨(dú)立，故合成不確定度為：

取k=2，擴(kuò)展不確定度為：

可見，標(biāo)準(zhǔn)裝置擴(kuò)展不確定度較小，能夠滿足卷煙工業(yè)企業(yè)通風(fēng)率標(biāo)準(zhǔn)棒日常期間核查需求。

3 結(jié)論

采用電子皂膜流量計(jì)作為測量標(biāo)準(zhǔn)器件，研制了一種通風(fēng)率標(biāo)準(zhǔn)棒期間核查標(biāo)準(zhǔn)裝置。以檢定值為27.87%、58.83%和71.95%這3 種通風(fēng)率標(biāo)準(zhǔn)棒為對象進(jìn)行測試，結(jié)果表明：標(biāo)準(zhǔn)裝置的測量值分別是27.03%、58.32%和71.37%，測量值與檢定值的誤差小于1%，擴(kuò)展不確定度為1.42%（k=2），測量準(zhǔn)確性和可靠性能夠滿足通風(fēng)率標(biāo)準(zhǔn)棒期間核查需求，有效提高了卷煙通風(fēng)率測量效率。