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案例頻道 （鄭州煙草研究院，河南 鄭州 450001）王錦平
（中國煙草總公司職工進修學(xué)院，河南 鄭州 450001）王鴻旻
王錦平（1971-）女，河南新鄭人，本科，助理工程師，現(xiàn)就職于中國煙草總公司鄭州煙草研究院國家煙草質(zhì)檢中心，主要研究方向為煙草物理檢測。
摘要：本文首先介紹了微波原理及其在卷接機組煙支重量檢測的應(yīng)用，然后給出系統(tǒng)的設(shè)計方案，最后試驗表明，微波測量頭的測量準(zhǔn)確性完全達到核掃描的水平，而且還略優(yōu)于核掃描頭。
關(guān)鍵詞：微波；煙支重量；檢測
Abstract: The basic principle of microwave measuring and its application in cigarette weight measuring are first introduced. Then we give the design scheme of the measuring system based on microwave principle. The experiments show that the accuracy of the microwave-based measuring probe is comparable or slightly superior to that of nuclear scanning.
Key words: Microwave; Cigarette weight; Measuring
1 概述
煙支重量是指單支煙支的重量或某單位數(shù)量煙支的重量，通常用煙支單重或煙支組重來表示。不同的煙支重量表示方法有各自不同的意義，煙支單重反映煙支重量的離散度，煙支組重反映煙支重量的穩(wěn)定性。煙支重量是煙草行業(yè)在卷煙生產(chǎn)加工過程中的一個重要技術(shù)參數(shù)和質(zhì)量指標(biāo)，從煙支重量可以反映出一個卷煙企業(yè)設(shè)備的精良程度、產(chǎn)品的技術(shù)含量、工藝管理水平、職工的產(chǎn)品質(zhì)量意識等。
目前，各種高速卷煙機組煙條平均重量控制系統(tǒng)中，主要都是使用鍶90放射源作為探頭，卷制成型的煙條在經(jīng)過放射源裝置時，β粒子射線一部分被煙條吸收，另一部分進入電離室，由此產(chǎn)生的電流經(jīng)電路處理后變成電壓信號，該電壓信號反映了煙絲的密度，電壓越高，密度越小，說明煙條越輕，反之越重。眾所周知，鍶90放射源屬于放射性物質(zhì)，無論卷接機組是否有電，放射性始終存在，對周圍人員構(gòu)成長時間潛在危害，同時，按照國家放射性污染物質(zhì)保護法，放射源探頭的檢修和維護需要由專門的機構(gòu)和人員來進行，檢修、維護費用昂貴，給煙廠帶來了極大的不便。同時，放射源探頭工作不正常時有發(fā)生，如：電離室恒溫檢測控制電路出現(xiàn)異常；放射源頭隨時間延長產(chǎn)生衰變等各種原因，都會影響放射源探頭輸出電壓信號的正確性，從而影響了煙支重量計算的精度和控制精度，由于維護要求太高，出現(xiàn)上述問題時，煙廠往往不能及時處理，這始終是煙廠最頭痛的事情。
為此，人們一直在尋求利用安全型的新技術(shù)來取代具有放射性危害的放射源技術(shù)，如德國豪尼公司推出的微波重量檢測探頭就是利用微波技術(shù)取代具有放射源技術(shù)，已在煙機上使用。但其價格昂貴，每套約為合人民幣40~50萬元[1]。本文提出自主創(chuàng)新的高速在線微波煙支重量檢測探頭。
2 微波重量檢測探頭結(jié)構(gòu)及工作原理
微波是無線電頻譜的一部分。它指頻率在300MHz（波長1米）到300GHz（波長1毫米）的電磁波。微波技術(shù)是基于微波的特點發(fā)展而形成的一門技術(shù)。它的研究內(nèi)容包括微波的產(chǎn)生、傳輸、傳播、輻射、檢測及應(yīng)用等方面。由于微波具有許多獨特的優(yōu)點，它在軍事及民用技術(shù)方面都得到了廣泛的應(yīng)用：利用微波信號能在金屬物體表面反射而且波長短、定向性強的特性，人們做成了各種雷達；利用微波作為載波，它能攜帶更多信息進行傳輸，所以被廣泛用于通訊技術(shù)中；利用微波照射物質(zhì)，使物質(zhì)中的偶極分子轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生熱量，它被用于材料加熱、干燥、滅菌及醫(yī)療方面；利用微波在不同材料中的傳播速度、強度的變化可以用來檢測材料的特性等等。利用煙絲條通過微波電磁場時，由于煙條的密度及水分含量的不同，使微波電磁場能量參數(shù)發(fā)生變化來檢測煙絲條的重量和含水量。由于微波信號頻率高、變化速度快，對材料密度及濕度的變化反應(yīng)極其敏感，而且它對被檢測材料本身不會產(chǎn)生任何損害，所以它具有能在線、實時、快速、無損對材料特性檢測的特點。
（1）結(jié)構(gòu)
微波重量檢測探頭由微波電磁場空腔組件、導(dǎo)煙管組件、氣路組件、溫控組件、殼體組件、專用微波源及控制電路、檢波放大電路、溫度補償及信號處理系統(tǒng)、信號輸出驅(qū)動等組成。
（2）工作原理
微波信號由微波振蕩器產(chǎn)生，通過傳輸線將信號送到電磁場空腔組件，當(dāng)煙條穿過電磁場空腔時，不同密度及含水量的煙條將會引起微波電磁場能量參數(shù)的不同變化，通過對能量參數(shù)檢測，并通過信號分析軟件的分析、處理，最終得到煙條的實時密度值及含水量，并由信號驅(qū)動板送到煙支平均重量控制系統(tǒng)而完成煙支重量檢測及控制功能[2]。檢測原理如圖1所示。
圖1 檢測原理圖
1為微波發(fā)生器；2、5為隔離環(huán)；3為諧振腔；4為被測煙條；6為檢波放大器；7為數(shù)據(jù)處理器；8為微波發(fā)生器的控制線路；9為輸出信號。
微波發(fā)生器1向諧振腔輸送兩種不同頻率的微波，通過諧振腔未受煙條影響（空腔）與受煙條影響（加載）的諧振曲線的變化來測定煙條的密度和水分，隔離環(huán)的作用是避免信號的互相干擾。諧振腔輸出的微波諧振曲線如圖2所示。
圖2 微波諧振曲線圖
其中：f0、u0為空腔（即未放入被測煙條）時的諧振曲線。f1、u1為加載（即放入被測煙條）時的諧振曲線。fa、fb為微波發(fā)生器輸送的兩個微波頻率，ua、ub為檢波器檢出的輸出微波信號。取：
u直=1/2（ua+ub） （1）
u交=1/（ub-ua） （2）
u直反映了被測煙條的密度，密度越大，u直越大，設(shè)m為被測煙條的密度，則m與u直之間的數(shù)學(xué)關(guān)系如下：
m=a+bu直+c（u直）2 （3）
式中常數(shù)a、b、c采用已知密度的物質(zhì)進行標(biāo)定后獲得。根據(jù)上式，當(dāng)諧振腔內(nèi)加入被測煙條時，檢波器檢出ua、ub后，在數(shù)據(jù)處理器中可以求得u直和m，從而測出煙條的密度。u交反映了被測煙條的水分，水分含量越大，u交越大，設(shè)w為被測煙條的水分含量，則w與u交之間的數(shù)學(xué)關(guān)系如下：
w=d+eu交+f（u交）2 （4）
式中常數(shù)d、e、f采用已知水分的物質(zhì)進行標(biāo)定后獲得。同樣，在數(shù)據(jù)處理器中可以求得u交和w，從而測出煙條的水分。檢波器6的微波信號還取決于檢測裝置的溫度，為此，可以進行溫度補償。
3 系統(tǒng)組成
為適應(yīng)PROTOS卷接機組重量控制系統(tǒng)國產(chǎn)化的要求，對原有的PROTOS SRM 重量控制系統(tǒng)進行了改造，設(shè)計實現(xiàn)了新型的重量控制系統(tǒng)。通過對原有重量控制系統(tǒng)的功能分析，新型重量控制系統(tǒng)要完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)計算處理、輸出驅(qū)動控制、數(shù)據(jù)通信、參數(shù)設(shè)置、人機界面顯示等功能。同時，考慮到系統(tǒng)與原有SRM 重量控制系統(tǒng)的兼容性，新系統(tǒng)還要保證可靠地向外圍設(shè)備提供工作所需電源。因此，新型重量控制系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：機架部分、電源部分、輸入處理板、信號處理板、通信處理板、輸出處理板、人機界面、通信線路、系統(tǒng)控制及通信軟件部分等[3]。
（1） 機架部分
機架部分保持與原有SRM90 機箱安裝尺寸一致。和外部信號連接的插座保持與原有SRM系統(tǒng)一致，數(shù)量有縮減。
（2） 電源部分
電源部分采用美國VICOR 公司高性能電源模塊構(gòu)成。分別提供+24V(Ui)，+15V，-15V，+24V(Uo)等電源。控制部分需要的雙+5V 電源由DC-DC 轉(zhuǎn)換模塊提供。
（3）輸入處理板
輸入處理板主要完成增量脈沖、指示脈沖、煙條監(jiān)測器、密度脈沖、位置信號等輸入量的預(yù)處理。經(jīng)過處理的信號通過機架上的總線送往信號處理板。
（4） 信號處理板
信號處理板主要完成上述輸入量的計算處理，結(jié)果一方面送通信處理板，另一方面通過輸出處理板進行輸出控制。信號處理板由一片TI 公司生產(chǎn)的高性能DSP 數(shù)字處理器為核心構(gòu)成，處理器主頻達到50MHZ，完全可以滿足煙機電控系統(tǒng)對處理速度、可靠性等要求。
（5）通信處理板
通信處理板是進行PROFIBUS_DP總線通信的接口。此板由一塊嵌入式微控制器為核心，配以西門子公司專用集成電路芯片SPC3。數(shù)據(jù)通信由SPC3自動完成。通信處理板與信號處理板之間通過雙端口RAM進行通信，收發(fā)數(shù)據(jù)。SPC3通過總線與觸摸屏工控機相連，發(fā)送系統(tǒng)計算結(jié)果，接收設(shè)置參數(shù)。
（6） 輸出處理板
輸出處理板主要完成輸出控制驅(qū)動等功能。具體包括控制劈刀的上下行信號、取樣剔除信號、輸出使能、停機控制信號等。
（7） 人機界面部分
人機界面部分用于取代原來的中文IT80顯示器。它采用西門子PC670工控機，12寸液晶觸摸屏，采用 Windows2000操作系統(tǒng)，軟件部分采用INTOUCH組態(tài)軟件進行設(shè)計，界面友好，參數(shù)設(shè)置簡單，系統(tǒng)更加可靠。
（8） 系統(tǒng)控制及通信軟件部分
控制系統(tǒng)軟件主要完成系統(tǒng)計算控制工作，通信軟件主要完成PROFIBUS_DP總線通信。
4 實驗
在卷煙機生產(chǎn)過程中，控制系統(tǒng)通過移位寄存器將等于目標(biāo)重量的煙支在取樣口取出，由于存在測量誤差，實際取出的煙支重量不可能正好等于目標(biāo)重量，而是圍繞著目標(biāo)重量波動，因此要采用多次取樣的平均值對目標(biāo)重量進行修正。通常以100支煙平均重量3次求平均的方法對目標(biāo)重量進行修正，可以使目標(biāo)重量取樣實測平均重量的誤差修正在1～3mg的范圍。將微波測量頭和核掃描頭分別試用于SRM90HR控制系統(tǒng)的PROTOS70卷煙機上進行多次目標(biāo)重量取樣測試，經(jīng)過近一年的比較觀察，測試結(jié)果顯示好于核掃描頭，如表1所示。
由表1可見，以目標(biāo)重量取樣標(biāo)準(zhǔn)差為標(biāo)準(zhǔn)微波測量頭的測量重復(fù)性誤差為5.9mg左右，核掃描頭為8.2mg左右。平均值的波動微波也好于核掃描頭。進一步測試表明，較新的核掃描頭標(biāo)準(zhǔn)偏差能達到5～6mg，使用年限較長的核掃描頭標(biāo)準(zhǔn)偏差在10mg以內(nèi)，偏差大于10mg的核掃描頭必須進行調(diào)整或報廢。對微波掃描頭的內(nèi)部標(biāo)定參數(shù)進行優(yōu)化校準(zhǔn)后，微波測量頭的測量重復(fù)性誤差標(biāo)準(zhǔn)差在5mg以下。因此，在測量準(zhǔn)確性上微波略好于核掃描頭。
5 結(jié)語
微波密度濕度檢測儀避免了核輻射的污染，檢測精度更高，是目前煙支密度濕度檢測的最理想的設(shè)備。做為卷接機組在線煙支密度濕度檢測設(shè)備，該系統(tǒng)具有以下特點：高穩(wěn)定度和可靠性；采樣速率高達每秒10000次；更安全，更低的輻射，只有移動電話輻射的幾百分之一；可以檢測不同品牌的煙支，并且不需要改變檢測參數(shù)設(shè)置；同時檢測密度和濕度參數(shù)；一體化的設(shè)計減少了信號傳遞的誤差和干擾；密度測量精度高，能準(zhǔn)確的反映煙支密度，便于重量控制；微波發(fā)射功率微小，對操作人員無傷害；安裝、操作簡單，便于使用。
其他作者：王鴻旻（1973-），女，湖北老河口人，本科，現(xiàn)就職于中國煙草總公司職工進修學(xué)院。
參考文獻：
[1] 崔敬花，孫立紅. 濕度傳感器及其變送器[J]. 沈陽化工學(xué)院學(xué)報，2001，(03).
[2] 韋萌，張鵬. 基于DSP的煙支重量控制系統(tǒng)研究[J]. 計算機與數(shù)字工程，2009，(08).
[3] 李德法，廉潔，吳志剛. 微波煙支重量控制系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用[J]. 煙草科技，2005，(08).
摘自《自動化博覽》2010年第六期
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號