专利名称：一种辐射测量烟丝填充值的方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种烟草加工技术与设备，尤其涉及一种测量烟丝填充值的方法及系统。
目前我国各烟厂测量烟丝填充值绝大多数采用定时取样、静态测量的方法，这远不能及时准确地反映出烟丝在实际生产中烟丝的填充值。因而卷制的香烟质量得不到保证。在我国已专门制定了行业标准《卷烟、烟丝填充值的测定行业标准》YC/T152-2001。
目前世界上只有德国生产在线烟丝填充值测量仪，它是采用50mm宽的三个压辊测量皮带机上烟丝的厚度，用电子皮带秤计量皮带上烟丝的重量。由于测量被三个压辊压过的烟丝厚度不能准确地代表整个皮带上烟丝的厚度，其次，电子秤称过的整个皮带上烟丝的重量不是三个压辊压过的烟丝重量。因此，用该测量仪测得的烟丝填充值误差较大。
用辐射法测量烟丝的重量如用核子秤，它是将放射源和辐射探测器横跨安装在皮带机上皮带上、下，它所测量的重量是皮带上的烟丝重量，如用辐射方法测量烟丝的填充值时，则要求测量压辊压过的烟丝重量，如何测得压辊压过的这些烟丝重量，是辐射法测量烟丝填充值的一大难题。其次，核子秤计量，采用的计量公式为F＝KlnUi/Uo；式中F—皮带上单位面积上物料重量(kg/M2)Uo—无物料时γ探测器输出电压Ui—有物料时γ探测器输出电压K—标定系数该系数K是用总重量法确定的。所谓总重量法，就是将假定的系数K1输入到计算机，核子秤将连续地对一定量的烟丝称重，得Wh；再将收集起来的这些烟丝用标准秤称量，得重量W标，此后用Wh和W标对系数K1进行修正，K修＝(W标/Wh)×K1，再将K修输入到计算机，重复上述步骤，直到误差δ＝(W标-Wh)/W标×100％≤要求允许误差为止。
在此，由于皮带上的烟丝与压辊压过的烟丝混扰在一起，难以分开，因而无法称量经压辊压过的烟丝重量，也就是无法用总重量法确定系数K。显然，确定系数K是辐射法测量烟丝填充值的又一难题。在专利号为ZL 00 2 35663.5专利中虽然提出了用辐射法称重，但未公开如何具体解决上述两个问题的方法。
为了实现上述目的，本发明提供了一种辐射测量烟丝填充值的方法，包括如下步骤步骤1，在传输带的上下方相对设置γ射线放射源和γ射线探测器，在γ射线放射源的前方传输带上方设置压辊式测厚装置，通过所述γ射线探测器的输出信号获得无烟丝通过时γ射线探测器输出电压U0；步骤2，将待测烟丝置于输送带上，先后依次通过所述γ射线放射源和γ射线探测器以及压辊测厚装置，通过所述γ射线探测器的输出信号获得被压辊压过的烟丝通过γ射线探测器时的输出电压Ui，以及通过所述测厚装置的输出信号获得所述烟丝的厚度h，将所述输出信号输入到与所述探测器和所述测厚装置连接的控制处理器进行运算处理；步骤3，所述控制处理器按如下数据处理模型进行运算，获得烟丝填充值d
d＝h/Kln(U0/Ui)其中，系数K按已知烟丝填充值的烟丝进行标定、修正，并进一步根据所述测厚装置测得的烟丝厚度按Ki＝f(hi)变化关系动态修正，得到修正后的动态标定系数k；步骤4，所述控制处理器根据所述动态标定系数k，并利用d＝h/kln(U0/Ui)进行运算从而实现在线自动测量烟丝填充值d。
上述的辐射测量烟丝填充值的方法，其特点在于，在步骤3中，所述已知烟丝填充值是指将用静态测量方法测出的烟丝填充值。
上述的辐射测量烟丝填充值的方法，其特点在于，在步骤3中，先将设定好的系数K1输入控制处理器，再将具有一定量的、同一填充值的T的烟丝喂入输送机，通过所述压辊测量装置和所述探测器，得到相应填充值d1，再用d和d1对K1进行修正，利用得到K2＝(d1/d)·K1，重复多次，直至Ki满足δ＝{(d-di)/d}·100％≤所要求的误差为止。
上述的辐射测量烟丝填充值的方法，其特点在于，在步骤3中，所述标定系数与烟丝厚度按Ki＝f(hi)变化关系是通过如下步骤获得的用已知相同T值的烟丝，在不同厚度h1、h2……hi情况下对系数K进行标定，相应得到K1、K2……Ki，进一步得到Ki＝f(hi)变化关系曲线，再用曲线拟合法得到Ki＝f(hi)变化关系，并将所述Ki＝f(hi)变化关系存入控制处理器。
上述的辐射测量烟丝填充值的方法，其特点在于，将所述放射源和探测器的中心线相互平行且在一个平面内，所述平面垂直于所述传输带，所述平面与所述传输带交接线与所述压辊压过的烟丝流的中心线相重合。
上述的辐射测量烟丝填充值的方法，其特点在于，在所述探测器上方设置一中间开有通孔的屏蔽板，所述γ射线可通过所述通孔照射到所述探测器的射线灵敏区；所述通孔的宽度D≤压辊宽度D1，所述通孔的长度L≤所述射线灵敏区的长度。
上述的辐射测量烟丝填充值的方法，其特点在于，所述通孔的长度或/和宽度是可调整的。
上述的辐射测量烟丝填充值的方法，其特点在于，所述烟丝进入压辊前经过整形步骤。
为了更好地实现上述目的，本发明还提供了一种实现上述方法的系统，包括安装在支架上的γ放射源、γ放射源探测器、压辊式测厚装置、传输带、控制处理器，所述控制处理器分别连接所述放射源探测器和压辊式测厚装置，所述压辊式测厚装置的压辊设置在所述传输带上方和所述γ放射源的前方；其特点在于，所述控制处理器，用于根据如下数据处理模型进行运算，获得烟丝填充值dd＝h/kln(U0/Ui)其中，U0为无烟丝通过时γ射线探测器输出电压；Ui为被压辊压过的烟丝通过γ射线探测器时的输出电压；h为被压辊压过的烟丝的厚度；k是按动态标定系数。
上述的系统，其特点在于，所述放射源和探测器的中心线相互平行且在一个平面内，所述平面垂直于所述传输带，所述平面与所述传输带交接线与所述压辊压过的烟丝流的中心线相重合。
上述的系统，其特点在于，在所述探测器上方设置一中间开有通孔的屏蔽板，所述γ射线可通过所述通孔照射到所述探测器的射线灵敏区内。
上述的系统，其特点在于，所述通孔的宽度D≤压辊宽度D1，所述通孔的长度L≤所述射线灵敏区的长度。
上述的系统，其特点在于，所述通孔的面积是可调的。
上述的系统，其特点在于，所述压辊为按直线排列的多个，最后的压辊连接直线光栅位移传感器。
上述的系统，其特点在于，压辊式测位装置包括压辊、滑块、导轨、直线光栅位移传感器，所述压辊安装在所述滑块上，所述导轨连接到所述直线光栅位移传感器，所述滑块和直线光栅位移传感器安装在所述导轨内。
上述的系统，其特点在于，所述压辊为自旋转压辊，所述压辊在接触烟丝时的切线运动方向与传输带移动方向相一致。
上述的系统，其特点在于，在所述压辊式测位装置前还设置有一烟丝装形料仓。
下面结合附图进一步说明本发明的具体实施例

图1是本发明所示的第一种辐射自动测量烟丝填充值的系统图1a是图1中A-A视2是本发明所示的第二种辐射自动测量烟丝填充值的系统图2a是图2中I处的放大3是图1和图2中屏蔽板的主视3a是图3的侧视4是图1中测量装置的示意4a是图4中A-A处的剖视5是本发明所示的第三种辐射自动测量烟丝填充值的系统图5a是图5中测量装置的示意5b是图5a中B-B处的剖视6是本发明的控制系统根据测得的hi对k进行修正的框图。
其中，附图标注说明1-控制处理器，2-γ射线探测器，21-电离室收集极，22-电离室高压极，3-屏蔽板，4-压辊，5-连杆，51-支承轴，5’-滑块，6-导轨，7-角位移传感器，7’-直线位移传感器，8-烟丝，9-放射源，10-支架，11-上皮带，12-螺杆，12a-调整螺母，20-外壳。
其次，在γ射线探测器2上方置有γ射线屏蔽板3，其上开有宽为D，长为L的长方孔，这里D和L分别与压辊4的宽度和γ射线探测器2的γ射线灵敏区的长度相适应，以保证准确地测出压辊4压过的烟丝8重量。
本发明提出了一种测量烟丝填充值的数学模型填充值的定义卷烟烟丝在一定时间、一定压力的持续作用下，单位质量所占的容积。
静态测量填充值的方法是用一个圆柱型直径为60mm的量筒，将被测烟丝填充值的20g烟丝(含水分约12.5％)均匀地散落在量筒内，上压3公斤的施压测块，持续30秒后，读出烟丝的高度，便可求出烟丝的填充值d＝πr2.h/m……①式中d——烟丝填充值，cm3/g；r——测筒的半径，cm；h—受压后烟丝的高度，cm；m——烟丝的质量，g。
用辐射测量方法测量烟丝填充值，假设V—烟丝占有的体积W—丝的重量皮带速度为υi，压辊宽度D，在ti秒内测厚仪测量的烟丝平均厚度为hi，则通过压辊的烟丝体积为Vi＝D·υi·ti..·hi在t秒内，辐射探测器给出的烟丝重量Wi＝F·υi·ti·D，因F＝Kln(Ui/Uo)，所以Wi＝Kln(Ui/Uo)·υi·ti·D根据公式①d＝V/W＝(D·υi·ti·hi)/(Kln(Ui/Uo)·υi·ti·D)＝hi/Kln(Ui/Uo)---②式中hi—测厚仪测出的烟丝厚度Uo—无物料时γ探测器输出电压Ui—有物料时γ探测器输出电压K—标定系数公式②就是本发明用辐射法测量烟丝填充值的数学模型。
上述公式中的系数K是用已知烟丝填充值(用静态测量方法测出)经实物标定、修正而确定的。填充值标定方法就是先将设定好的系数K1输入到计算机，再将具有一定量的、同一填充值d的烟丝喂入输送机，通过多个压辊4和γ射线探测器2，此时计算机按公式d＝h/KlnUi/Uo，对烟丝填充值进行测量，得d1，接着再用d和d1对K1进行修正得K2，K2＝(d1/d)·K1，以此类推，反复多次，直至Ki满足δ＝(d-di)/d·100％≤所要求的误差为止。
由于皮带11上烟丝厚度不同，所以散射因子影响也不同，因而不能将K视为常数，所以必须求出烟丝厚度hi与系数Ki之间的变化关系，其方法是用已知相同d值的烟丝，在不同厚度h1、h2……hi情况下对系数K进行标定，相应的得到K1、K2……Ki，得到hi与Ki的变化关系曲线，再用曲线拟合法得到hi和Ki之间的变化关系，并存入计算机控制系统1。在对烟丝填充值进行测量时，根据测得的烟丝厚度hi对Ki进行修正。
具体操作步骤如下步骤一、用已知填充值d0的烟丝对系数k进行修正假设空带运行了3分钟，测得U0＝4.35V；用静态方法测得烟丝的平均填充值d0为4.5cm3/g；先设标定系数k1＝20，并输入计算机，再将烟丝填充值为d0＝4.5cm3/g的烟丝喂入输送机，并使其通过压辊和探测器，此时计算机进行采集来自测厚仪信号和探测器信号，并在t秒内，测出烟丝平均高度为h1＝4.88cm，探测器的输出电压信号平均值为U1＝4.1V，最后，计算机测得的烟丝填充值d1=h1k1LnU1U0=4.8820Ln4.14.35=4.8820×0.05919=4.126]]>而后，用d0＝4.5cm3/g，d1＝4.126cm3/g和k1＝20对k进行修正，得k2=d1d0k1=4.1264.5×20=18.342;]]>将k2再输入计算机，再将d0＝4.5的烟丝喂入输送机，并使其通过压辊和探测器，此时计算机进行采集信号，在t秒内得出烟丝平均高度h2为4.83cm，探测器输出电压平均值为U2＝4.102V，最后，计算机测得烟丝填充值d2=h2k2LnU2U0=4.8318.342Ln4.1024.35=4.8318.342×0.05871=4.485]]>δ=d0-d2d0100%=4.5-4.4854.5100%=0.3%]]>≤要求误差时，标定完毕。如δ满足不了要求，按上述方法，继续对k进行修正，直至满足要求为止。
步骤二，求h1，……，hi与k1，……，ki的变化关系在上面(1)中已找到第一点h1＝4.83时，k1＝18.342，仍用已知d0＝4.5的烟丝，在h2≤h1，某一稳定高度时喂料，通过压辊和探测器，此时计算机进行信号采集，在t秒时间内，测得平均h2＝6.32cm，探测器输出电压U2＝4.02V，计算机计算出d2=h2k1LnU2U0=6.3218.342Ln4.024.35=6.3218.342×0.07889=4.367,]]>而后用d0＝4.5和d2＝4.367和k1＝18.342对k进行修正，求出k2=d2d0k1=4.3674.5×18.342=17.79,]]>由此得到hi和ki之间的第二点，h2＝6.32cm，k2＝17.79；以此类推，用同样的方法求出第三点h3＝7.8，k3＝17.13，Ui的平均值为3.931；第四点h4＝9.4，k4＝16.21，Ui的平均值为3.824等等。由此可得hi和ki之间的变化关系。将上述数据列表如下 以ki为纵坐标，hi为横坐标画出点1，2，3，4，连接1-2，2-3，3-4各线便求出了hi和ki的关系曲线。
从关系曲线中不难得出，在h2和hi之间k值的变化方程式为ki=k1-k1-k2k2-hi×(hi-h1)=18.342-18.342-17.796.32-4.83×(hi-4.83)---(a)]]>在h2和h3之间，k值变化方程式为ki=k2-k2-k3h3-h2(hi-h2)=17.79-17.79-17.137.8-6.32×(hi-6.32)--(b)]]>在h3和h4之间k值变化方程式为ki=k3-k3-k4h4-h3(hi-h3)=17.13-17.13-16.219.4-7.8(hi-7.8)---(c)]]>在计量时，要求所喂入的烟丝高度保持在h1-h4之间变化。控制系统根据测得的hi按图6所示步骤对k进行修正。
最后按公式di=hikiLnUiU0]]>求出烟丝填充值。
由于烟丝填充值的大小与烟丝的温度、含水量有关，本系统可与红外测温仪和红外水分测量仪联用，做出温度、水分对填充值影响的关系曲线，在测量填充值时，根据测得的烟丝温度、水分对烟丝的影响量，对填充值进行修正。
在图1、图1a、图3、图4、图4a中，本发明用该方法制成的烟丝填充值测量系统。该系统主要有辐射称重装置(含放射源9、γ射线探测器2、屏蔽板3)、多辊式烟丝测厚装置(含多个压辊4、连杆5、支撑轴51、角位移传感器7)、计算机控制系统1及支架10和外壳20等组成。γ射线探测器2和角位移传感器7的输出信号通过电缆与计算机控制系统1相连接。放射源9安装在外壳20顶板上，γ射线探测器2固定在外壳20的底版上，屏蔽板3安装在γ射线探测器2的上方，测厚装置安装在γ射线探测器2的前方，并使测厚装置的多个压辊4与上皮带11相接触。
该系统主要特点(1)γ射线放射源9和γ射线探测器2分别安装在输送机上皮带11的上、下，且两者的中心线与上皮带11运行方向一致；屏蔽板3安装在γ射线探测器9的上方；测厚装置的多个压辊4安装在辐射称重装置前方并与上皮带11相接触，又要求γ射线放射源9和γ射线探测器2的中心线相互平行，且在一个平面内，该平面与皮带相交线与多个压辊4压过的烟丝流的中心线相重合。
(2)γ射线放射源9采用241Am点源或线状放射源，γ射线探测器2采用电离室或正比计数管或GM计数管或闪烁晶体(塑料或碘化钠晶体)。
(3)测厚装置采用多辊式测厚装置，它是由多个压辊4、连杆5、支撑轴51、角位移传感器7和固定支架10组成。压辊4的连杆5与角位移传感器7相连，采用多个压辊5的目的是使烟丝8受到一定持续时间的压力。
(4)屏蔽板3开有长方孔，开孔尺寸与压辊4宽度和γ射线探测器3的γ射线灵敏区长度相适应，可保证准确测出被压烟丝的重量。用双螺母12a将屏蔽板3安装在已固定在外壳20顶板上或底板上的四根螺杆12上，并可调节屏蔽板到放射源或探测器之间的距离。
(5)位移传感器可选用光栅或磁栅。
(6)控制系统可选用PLC或工业控制PC机。
在图5、图5a和图5b中，本发明的另一实施例放射源9采用241Am线源，长度为300mm，强度100-150毫居，γ射线探测器2采用薄壁电离室，其灵敏区长度为600mm；屏蔽板3采用厚度为6mm，长为1000mm，宽为200mm的铁板，在其中间开有长方孔(55mm×600mm)；测厚装置的压辊4为不锈钢φ100mm，宽50mm，其重量应满足静态测量填充值的压力要求；位移测量装置包括压辊4、滑块5’，导轨6，直线位移传感器7’，其中直线位移传感器7’采用直线光栅式位移传感器或角度位移传感器7；控制处理系统采用PLC。
本发明的另一实施例采用241Am点源，强度100-150毫居，γ射线探测器2采用φ55mm NaI闪烁晶体；屏蔽板3采用100mm×100mm、中间开Φ50mm的圆孔的铁板，其他方案相同。
此外，为了使上述方案更好地实施，在压辊4上还可以设置有自旋转机构，让压辊在皮带移动的同时自转，以防止烟丝因压辊4受阻而在皮带上起堆，影响测量。自旋转机构可通过设置一微型马达驱动压辊。
同进，为了尽可能减少烟丝在皮带上起堆，本实施例中，还可在料仓料门处设置一整形压使烟丝喂入皮带时经过一整形压辊，烟丝被压形成比较平整的形状，这有助于测量压辊工作，保护烟丝在遇到测量压辊时不起堆。
本发明的有益效果(1)测厚仪可准确地测出烟丝的厚度；辐射称重装置可准确地测出经压辊压过的烟丝重量，固而本系统的测量准确度高。
(2)本系统实时地对烟丝填充值进行测量与控制，确保烟丝的质量。
(3)本系统采用辐射称重法，该法为非接触式称重，它具有稳定性好、可靠性高、维修量小等优点。
权利要求
1.一种辐射测量烟丝填充值的方法，包括如下步骤步骤1，在传输带的上下方相对设置γ射线放射源和γ射线探测器，在γ射线放射源的前方传输带上方设置压辊式测厚装置，通过所述γ射线探测器的输出信号获得无烟丝通过时γ射线探测器输出电压U0；步骤2，将待测烟丝置于输送带上，先后依次通过所述γ射线放射源和γ射线探测器以及压辊测厚装置，通过所述γ射线探测器的输出信号获得被压辊压过的烟丝通过γ射线探测器时的输出电压Ui，以及通过所述测厚装置的输出信号获得所述烟丝的厚度h，将所述输出信号输入到与所述探测器和所述测厚装置连接的控制处理器进行运算处理；步骤3，所述控制处理器按如下数据处理模型进行运算，获得烟丝填充值dd＝h/Kln(U0/Ui)其中，系数K按已知烟丝填充值的烟丝进行标定、修正，并进一步根据所述测厚装置测得的烟丝厚度按Ki＝f(hi)变化关系动态修正，得到修正后的动态标定系数k；步骤4，所述控制处理器根据所述动态标定系数k，并利用d＝h/kln(U0/Ui)进行运算从而实现在线自动测量烟丝填充值d。
2.根据权利要求1所述的辐射测量烟丝填充值的方法，其特征在于，在步骤3中，所述已知烟丝填充值是指将用静态测量方法测出的烟丝填充值。
3.根据权利要求2所述的辐射测量烟丝填充值的方法，其特征在于，在步骤3中，先将设定好的系数K1输入控制处理器，再将具有一定量的、同一填充值的T的烟丝喂入输送机，通过所述压辊测量装置和所述探测器，得到相应填充值d1，再用d和d1对K1进行修正，利用得到K2＝(d1/d)·K1，重复多次，直至Ki满足δ＝{(d-di)/d}·100％≤所要求的误差为止。
4.根据权利要求2所述的辐射测量烟丝填充值的方法，其特征在于，在步骤3中，所述标定系数与烟丝厚度按Ki＝f(hi)变化关系是通过如下步骤获得的用已知相同T值的烟丝，在不同厚度h1、h2……hi情况下对系数K进行标定，相应得到K1、K2……Ki，进一步得到Ki＝f(hi)变化关系曲线，再用曲线拟合法得到Ki＝f(hi)变化关系，并将所述Ki＝f(hi)变化关系存入控制处理器。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的辐射测量烟丝填充值的方法，其特征在于，将所述放射源和探测器的中心线相互平行且在一个平面内，所述平面垂直于所述传输带，所述平面与所述传输带交接线与所述压辊压过的烟丝流的中心线相重合。
6.根据权利要求5所述的辐射测量烟丝填充值的方法，其特征在于，在所述探测器上方设置一中间开有通孔的屏蔽板，所述γ射线可通过所述通孔照射到所述探测器的射线灵敏区；所述通孔的宽度D≤压辊宽度D1，所述通孔的长度L≤所述射线灵敏区的长度。
7.根据权利要求6所述的辐射测量烟丝填充值的方法，其特征在于，所述通孔的长度或/和宽度是可调整的。
8.根据权利要求1所述的辐射测量烟丝填充值的方法，其特征在于，所述烟丝进入压辊前经过整形步骤。
9.一种实现权利要求1所述方法的系统，包括安装在支架上的γ放射源、γ放射源探测器、压辊式测厚装置、传输带、控制处理器，所述控制处理器分别连接所述放射源探测器和压辊式测厚装置，所述压辊式测厚装置的压辊设置在所述传输带上方和所述γ放射源的前方；其特征在于，所述控制处理器，用于根据如下数据处理模型进行运算，获得烟丝填充值dd＝h/kln(U0/Ui)其中，U0为无烟丝通过时γ射线探测器输出电压；Ui为被压辊压过的烟丝通过γ射线探测器时的输出电压；h为被压辊压过的烟丝的厚度；k是按动态标定系数。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述放射源和探测器的中心线相互平行且在一个平面内，所述平面垂直于所述传输带，所述平面与所述传输带交接线与所述压辊压过的烟丝流的中心线相重合。
11.根据权利要求9或10所述的系统，其特征在于，在所述探测器上方设置一中间开有通孔的屏蔽板，所述γ射线可通过所述通孔照射到所述探测器的射线灵敏区内。
12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述通孔的宽度D≤压辊宽度D1，所述通孔的长度L≤所述射线灵敏区的长度。
13.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述通孔的面积是可调的。
14.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述压辊为按直线排列的多个，最后的压辊连接直线光栅位移传感器。
15.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，压辊式测位装置包括压辊、滑块、导轨、直线光栅位移传感器，所述压辊安装在所述滑块上，所述导轨连接到所述直线光栅位移传感器，所述滑块和直线光栅位移传感器安装在所述导轨内。
16.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述压辊为自旋转压辊，所述压辊在接触烟丝时的切线运动方向与传输带移动方向相一致。
17.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，在所述压辊式测位装置前还设置有一烟丝装形料仓。
全文摘要
本发明公开了一种辐射测量烟丝填充值的方法及系统，在传输带的上下方相对设置γ射线放射源和γ射线探测器，在γ射线放射源的前方传输带上方设置压辊式测厚装置，通过所述γ射线探测器的输出信号获得无烟丝通过时γ射线探测器输出电压U
文档编号G01N9/00GK1458518SQ0313767
公开日2003年11月26日 申请日期2003年6月19日 优先权日2003年6月19日
发明者邸生才 申请人:邸生才