烟丝弹性在线检测装置及其方法

摘要

本发明公开了一种烟丝弹性在线检测装置及其方法，该在线检测装置包括安装支架、至少两个烟丝测厚装置、输送带、数据采集处理系统；烟丝测厚装置包括位于输送带上方的第一烟丝测厚装置、第二烟丝测厚装置，第一烟丝测厚装置、第二烟丝测厚装置沿输送带的运动方向以设定的间距依次设置于安装支架上，第一烟丝测厚装置、第二烟丝测厚装置的中心线与输送带的运动方向一致且相互平行；数据采集处理系统，连接第一烟丝测厚装置、第二烟丝测厚装置，用于当烟丝在输送带上输送时，采集第一烟丝测厚装置、第二烟丝测厚装置分别测量烟丝的厚度得到的第一信号、第二信号，并根据第一信号、第二信号获取烟丝的弹性值。本发明能够对烟丝的弹性实现在线检测。

说明书

技术领域

本发明涉及一种烟草加工检测设备，特别是涉及一种在烟丝生产过程中烟丝弹性进行测量的在线检测装置及其方法。

背景技术

烟丝弹性是指对烟丝施加一定压力，释压后在一定时间内的恢复能力。烟丝弹性是影响卷烟质量的重要因素之一，当烟丝弹性大时，卷制香烟所用的烟丝量少，香烟燃烧时透气性好，烟气中焦油，尼古丁和一氧化碳的含量也少，口感好，当烟丝弹性小时，卷制香烟所用的烟丝量多，香烟燃烧时透气性不好，烟气中焦油，尼古丁和一氧化碳含量多，口感差。因此能及时的测量出在生产烟丝过程中烟丝的弹性，并及时对其进行控制，达到稳定烟丝弹性波动范围、提高烟丝弹性值，这对提高卷烟的质量有重要意义。

目前我国各个卷烟厂，烟丝弹性多数采用随机取样离线静态测量方法，该方法一般的步骤是：首先是样品制备，从样品中每次取出70g，取5次；其次，检测仪器，所选用的烟丝弹性测定仪：样品容器内径95mm，高度240mm，测头压力为7.4kg，施压速度(30±3)mm/s，施压时间7s，间隔时间10s；电子天平，1/100g；再次，获取烟丝弹性的操作程序是：将取得的70g样品放入样品容器内，施加7.4kg的压力，施压时间7s，记录其样品高度，释压10s记录其烟丝高度，计算公式如下：

$R=\frac{H_2-H_1}{H_1}\times 100\%$

式中：

R-烟丝弹性(％)；

H₁-施压7s时样品高度(mm)；

H₂-释压10s后样品高度(mm)。

对样品采用上述方法测量5次，获取5个烟丝弹性值，计算5次的平均值作为最后的烟丝弹性值。

上述随机取样离线静态测量方法远不能及时准确地反映出烟丝在整个生产过程中烟丝弹性值及其变化情况，不能满足生产需要，烟丝弹性在线检测装置目前尚属空白。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种烟丝弹性在线检测装置及其方法，用于对烟丝的弹性实现在线检测。

为了实现上述目的，本发明提供了一种烟丝弹性在线检测装置，其特征在于，包括安装支架、至少两个烟丝测厚装置、输送带、数据采集处理系统；

所述烟丝测厚装置包括位于所述输送带上方的第一烟丝测厚装置、第二烟丝测厚装置，所述第一烟丝测厚装置、所述第二烟丝测厚装置沿所述输送带的运动方向以设定的间距依次设置于所述安装支架上，所述第一烟丝测厚装置、所述第二烟丝测厚装置的中心线与所述输送带的运动方向一致且相互平行；

所述数据采集处理系统，连接所述第一烟丝测厚装置、所述第二烟丝测厚装置，用于当烟丝在所述输送带上输送时，采集所述第一烟丝测厚装置、所述第二烟丝测厚装置分别测量所述烟丝的厚度得到的第一信号、第二信号，并根据所述第一信号、所述第二信号获取所述烟丝的弹性值。

所述的烟丝弹性在线检测装置，其中，所述数据采集处理系统又包括：

烟丝厚度系数修正单元，用于对烟丝厚度系数进行修正，获取烟丝测厚修正系数；

第一烟丝弹性处理单元，连接所述烟丝厚度系数修正单元，用于根据如下烟丝弹性数学模型计算所述弹性值；

R＝K_1修(H₁)*(H₂-H₁)/H₁*100％

式中：R为烟丝的弹性值(％)；

H₁为第一信号，第一烟丝测厚装置测量的烟丝厚度(mm)；

H₂为第二信号，第二烟丝测厚装置测量的烟丝厚度(mm)；

K_1修(H₁)为烟丝测厚修正系数。

所述的烟丝弹性在线检测装置，其中，所述第一烟丝测厚装置和/或所述第二烟丝测厚装置为压轮式测厚装置，该压轮式测厚装置包括压轮、连杆、支承轴、位移传感器、变送器；

所述支承轴通过所述连杆与所述压轮连接，所述位移传感器与所述支承轴连接，并将所述第一信号、所述第二信号通过所述变送器送至所述数据采集处理系统。

所述的烟丝弹性在线检测装置，其中，所述位移传感器为角位移传感器或线位移传感器。

所述的烟丝弹性在线检测装置，其中，所述在线检测装置还包括：压力调节器，用于调节所述压轮对所述烟丝的压力。

所述的烟丝弹性在线检测装置，其中，所述在线检测装置还包括：定料管，位于所述第一烟丝测厚装置、所述第二烟丝测厚装置前方，安装在所述输送带的烟丝上料口处，用于稳定所述烟丝在所述输送带上的厚度。

所述的烟丝弹性在线检测装置，其中，所述在线检测装置还包括：烟丝水分测量仪，安装在所述第一烟丝测厚装置的前方或所述第二烟丝测厚装置的后方，且位于所述第一烟丝测厚装置、所述第二烟丝测厚装置的中心线上方，用于当所述烟丝的水分变化较大时测量所述烟丝的水分。

所述的烟丝弹性在线检测装置，其中，所述数据采集处理还包括：

烟丝水分系数修正单元，用于对烟丝水分系数进行修正，获取烟丝水分修正系数；

第二烟丝弹性处理单元，连接所述烟丝厚度修正单元、所述烟丝水分系数修正单元，用于根据如下烟丝弹性数学模型计算所述弹性值；

R＝K_1修(H₁)*K_2修(H₂O)*(H₂-H₁)/H₁*100％

式中，K_2修(H₂O)为烟丝水分修正系数。

所述的烟丝弹性在线检测装置，其中，所述烟丝水分系数修正单元用已知含有不同水分烟丝的弹性值，通过标定得出不同的K_2修(H₂O)值，从而得到K_2修(H₂O)与烟丝的水分变化关系，再用最小二乘法进行直线拟合或进行折线法拟合求得K_2修(H₂O)与烟丝水分间的第一关系表达式，根据所述烟丝水分测量仪测量的水分值、所述第一关系表达式求出K_2修(H₂O)。

所述的烟丝弹性在线检测装置，其中，所述在线检测装置还包括：烟丝温度测量仪，安装在所述第一烟丝测厚装置的前方或所述第二烟丝测厚装置的后方，且位于所述第一烟丝测厚装置、所述第二烟丝测厚装置的中心线上方，用于当所述烟丝的温度变化较大时测量所述烟丝的温度。

所述的烟丝弹性在线检测装置，其中，所述数据采集处理还包括：

烟丝温度系数修正单元，用于对烟丝温度系数进行修正，获取烟丝温度修正系数；

第三烟丝弹性处理单元，连接所述烟丝厚度修正单元、所述烟丝水分系数修正单元、所述烟丝温度系数修正单元，用于根据如下烟丝弹性数学模型计算所述弹性值；

R＝K_1修(H₁)*K_2修(H₂O)*K_3修(T℃)*(H₂-H₁)/H₁*100％

式中，K_3修(T℃)为烟丝温度修正系数。

所述的烟丝弹性在线检测装置，其中，所述烟丝温度系数修正单元用已知不同温度烟丝的弹性值，通过标定得出不同的K_3修(T℃)值，从而得到K_3修(T℃)与烟丝的温度变化关系，再用最小二乘法进行直线拟合或进行折线法拟合求得K_3修(T℃)与烟丝温度间的第二关系表达式，根据所述烟丝温度测量仪测量的温度值、所述第二关系表达式求出K_3修(T℃)值。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种烟丝弹性在线检测方法，其特征在于，包括：

步骤一，通过第一烟丝测厚装置、第二烟丝测厚装置对输送带输送的烟丝进行厚度测量；

步骤二，由数据采集处理系统采集所述第一烟丝测厚装置、所述第二烟丝测厚装置分别测量所述烟丝得到的第一信号、第二信号；

步骤三，根据所述第一信号、所述第二信号计算所述烟丝的弹性值。

所述的烟丝弹性在线检测方法，其中，所述步骤三中，进一步包括：以如下烟丝弹性数学模型计算所述烟丝的弹性值的步骤；

R＝K_1修(H₁)*(H₂-H₁)/H₁*100％

式中：R为烟丝的弹性(％)；

H₁为第一信号，第一烟丝测厚装置测量的烟丝厚度(mm)；

H₂为第二信号，第二烟丝测厚装置测量的烟丝厚度(mm)；

K_1修(H₁)为烟丝测厚修正系数。

所述的烟丝弹性在线检测方法，其中，所述步骤三中，进一步包括：根据所述烟丝的工况情况选择是否对所述烟丝进行水分修正和/或温度修正的步骤。

所述的烟丝弹性在线检测方法，其中，所述步骤三中，进一步包括：当所述烟丝的水分变化较大时，采用水分测量仪测量所述烟丝的水分，并以如下烟丝弹性数学模型计算所述烟丝的弹性值的步骤：

R＝K_1修(H₁)*K_2修(H₂O)*(H₂-H₁)/H₁*100％

式中，K_2修(H₂O)为烟丝水分修正系数。

所述的烟丝弹性在线检测方法，其中，所述步骤三中，获取所述烟丝水分修正系数的步骤具体为：

用已知含有不同水分烟丝的弹性值，通过标定得出不同的K_2修(H₂O)值，从而得到K_2修(H₂O)与烟丝的水分变化关系，再用最小二乘法进行直线拟合或进行折线法拟合求得K_2修(H₂O)与烟丝水分之间的第一关系表达式，根据测量的水分值、所述第一关系表达式求出K_2修(H₂O)。

所述的烟丝弹性在线检测方法，其中，所述步骤三中，进一步包括：当所述烟丝的水分变化不大时，不对所述烟丝进行水分修正的步骤，此时K_2修(H₂O)＝1。

所述的烟丝弹性在线检测方法，其中，所述步骤三中，进一步包括：当所述烟丝的温度变化较大时，采用温度测量仪测量所述烟丝的温度，并以如下公式计算所述烟丝的弹性值的步骤：

R＝K_1修(H₁)*K_2修(H₂O)*K_3修(T℃)*(H₂-H₁)/H₁*100％

式中，K_3修(T℃)为烟丝温度修正系数。

所述的烟丝弹性在线检测方法，其中，所述步骤三中，获取所述烟丝温度修正系数的步骤具体为：

用已知不同温度烟丝的弹性值，通过标定得出不同的K_3修(T℃)值，从而得到K_3修(T℃)与烟丝的温度变化关系，再用最小二乘法进行直线拟合或进行折线法拟合求得K_3修(T℃)与烟丝温度间的第二关系表达式，根据测量的温度值、所述第二关系表达式求出K_3修(T℃)值。

所述的烟丝弹性在线检测方法，其中，所述步骤三中，进一步包括：当所述烟丝的温度变化不大时，不对所述烟丝进行温度修正的步骤，此时K_3修(T℃)＝1。

与现有技术相比，本发明的技术效果在于：

1)在线测量代替人工静态测量，可省时，省力。

2)在线测量可及时、准确、全流程的检测出烟丝生产过程中烟丝弹性值大小、分布、波动幅度、数值动态趋势，从而为生产决策者提供了新的监控手段。

3)烟丝弹性在线检测手段的实现，可进一步实现烟丝弹性在线过程控制、缩小烟丝弹性波动范围、提高烟丝弹性值、提高卷烟质量、节约烟丝用量，从而为企业带来较大的经济效益。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1a为本发明烟丝弹性在线检测装置主视图；

图1b为本发明烟丝弹性在线检测装置俯视图；

图2a为本发明烟丝测厚装置示意图；

图2b为数据采集处理系统的单元结构示意图；

图3a为本发明杠杆-重锤式压力调节器主视图；

图3b为本发明杠杆-重锤式压力调节器俯视图；

图4a为本发明带有烟丝水分测量仪的烟丝弹性在线检测装置主视图；

图4b为本发明带有烟丝水分测量仪的烟丝弹性在线检测装置俯视图；

图5为本发明带有定料管烟丝弹性在线检测装置工作示意图；

图6a为本发明预压轮示意图；

图6b为本发明维持压力压轮示意图；

图7为本发明K_2修(H₂O)水分修正流程图；

图8为本发明烟丝水分变化曲线示意图；

图9为本发明烟丝弹性在线检测流程图。

其中，附图标记：

1    安装支架            2    烟丝测厚装置A   3  烟丝测厚装置B

4    连杆                5    压轮            6  输送带

7    数据采集处理系统    8    支承轴          9  位移传感器

10  变送器          11  重锤    12  烟丝水分测量仪

13  烟丝            14  定料管  15  预压轮

16  维持压力压轮    100 烟丝弹性在线检测装置

71  烟丝厚度系数修正单元        72  烟丝水分系数修正单元

73  烟丝温度系数修正单元        74  第一烟丝弹性处理单元

75  第二烟丝弹性处理单元        76  第三烟丝弹性处理单元

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步更详细的描述。

如图1a所示，为本发明烟丝弹性在线检测装置主视图；图1b为本发明烟丝弹性在线检测装置俯视图。

本发明检测装置采用两个压轮，第一个压轮对烟丝施加压力使烟丝发生形变，第二个压轮检测出释压后烟丝的变形情况，由此可计算出烟丝的弹性大小。本发明提供了一种烟丝弹性在线检测装置100，包括安装支架1、至少两个烟丝测厚装置、输送带6以及数据采集处理系统7。烟丝测厚装置包括烟丝测厚装置A 2和烟丝测厚装置B 3。烟丝测厚装置A 2和烟丝测厚装置B 3与数据采集处理系统7相连，烟丝测厚装置A 2、烟丝测厚装置B 3设置在安装支架1上，位于输送带6的上方，沿输送带6的运动方向依次安装，烟丝测厚装置A 2的压轮5和烟丝测厚装置B 3的压轮5放置在输送带6上(相接触)两个压轮之间的间距为S，其中心线与输送带6的运动方向相一致且相平行。如图1a、图1b所示。

烟丝弹性在线检测装置100中，烟丝测厚装置A 2和/或烟丝测厚装置B 3采用的是压轮式测厚装置，该压轮式测厚装置包括连杆4、压轮5、支承轴8、位移传感器9及变送器10。其中，位移传感器9可以是角位移传感器或线位移传感器，位移传感器9的输出信号经过变送器10送至数据采集处理系统7。如图2a所示。

如图2b所示，为数据采集处理系统的单元结构示意图。数据采集处理系统7包括：烟丝厚度系数修正单元71、烟丝水分系数修正单元72、烟丝温度系数修正单元73、第一烟丝弹性处理单元74、第二烟丝弹性处理单元75、第三烟丝弹性处理单元76。

烟丝厚度系数修正单元71，用于对烟丝厚度系数进行修正，获取烟丝测厚修正系数K_1修(H₁)；

烟丝水分系数修正单元72，用于对烟丝水分系数进行修正，获取烟丝水分修正系数K_2修(H₂O)；

烟丝温度系数修正单元73，用于对烟丝温度系数进行修正，获取烟丝温度修正系数K_3修(T℃)；

第一烟丝弹性处理单元74，连接烟丝厚度系数修正单元71，用于根据如下烟丝弹性数学模型计算所述弹性值；

R＝K_1修(H₁)*(H₂-H₁)/H₁*100％        (1)

式中：R为烟丝的弹性值(％)；

H₁为第一信号，第一烟丝测厚装置测量的烟丝厚度(mm)；

H₂为第二信号，第二烟丝测厚装置测量的烟丝厚度(mm)；

K_1修(H₁)为烟丝测厚修正系数，即标定时所用烟丝测厚系数K₁(H₁)的修正值。

第二烟丝弹性处理单元75，连接烟丝厚度修正单元71、所述烟丝水分系数修正单元72，用于根据如下烟丝弹性数学模型计算所述弹性值；

R＝K_1修(H₁)*K_2修(H₂O)*(H₂-H₁)/H₁*100％        (2)

式中，K_2修(H₂O)为烟丝水分修正系数，即标定时所用烟丝水分系数K₂(H₂O)的修正值。

第三烟丝弹性处理单元76，连接烟丝厚度修正单元71、所述烟丝水分系数修正单元72、烟丝温度系数修正单元73，用于根据如下烟丝弹性数学模型计算所述弹性值；

R＝K_1修(H₁)*K_2修(H₂O)*K_3修(T℃)*(H₂-H₁)/H₁*100％        (3)

式中，K_3修(T℃)为烟丝温度修正系数，即标定时所用烟丝温度系数K₃(T℃)的修正值。

在烟丝测厚装置A 2、烟丝测厚装置B 3中，为了调节压轮5对烟丝13施加压力的大小，还设有压力调节器，该压力调节器采用杠杆一重锤式压力调节器，如图3a、图3b所示。为了减轻压轮5对烟丝13的压力可在A’处加上重锤11，为了增加压轮5对烟丝13的压力可在B’处加上重锤11，通过改变重锤11的重量可以改变施压的大小。

另外，该压力调节器还可采用其他形式的调节器，如弹簧压力调节器，以调节压轮5对烟丝13施加压力的大小。

烟丝弹性在线检测装置100中，还包括一个定料管14，安装在烟丝测厚装置A 2、烟丝测厚装置B 3的前方，输送带6的烟丝上料口处。如图5所示。

安装定料管14的目的是稳定输送带6上烟丝13的厚度，减小烟丝13的厚度变化。

烟丝弹性在线检测装置100中，数据采集处理系统7中的第一烟丝弹性处理单元74，根据如下烟丝弹性数学模型对烟丝的弹性值进行计算。

R＝K_1修(H₁)*(H₂-H₁)/H₁*100％        (1)

式中：R为烟丝的弹性(％)；

H₁为烟丝测厚装置A 2测量的烟丝厚度(mm)；

H₂为烟丝测厚装置B 3测量的烟丝厚度(mm)；

式中，K_1修(H₁)为烟丝测厚修正系数，即标定时所用烟丝测厚系数K₁(H₁)的修正值。

K_1修(H₁)是由烟丝厚度系数修正单元71用已知烟丝弹性值的烟丝通过实物标定确定。当H₁变化大时可在不同H₁情况下标定多个K_1修(H₁)值，求出K_1修(H₁)与H₁变化关系，在检测烟丝弹性时可根据H₁值按照K_1修(H₁)与H₁变化关系确定K_1修(H₁)值，从而可计算出烟丝弹性值。

由于烟丝13的弹性与烟丝13的水分有关，当烟丝13的水分变化比较大时，则需要对烟丝13进行水分修正。为此在烟丝弹性在线检测装置100中，还包括一个烟丝水分测量仪12，该烟丝水分测量仪12安装在烟丝测厚装置A2的前方或者烟丝测厚装置B 3的后方，且位于在烟丝测厚装置A 2和烟丝测厚装置B 3的中心线上方，如图4a、图4b所示。

此时，数据采集处理系统7的第二烟丝弹性处理单元75，按如下烟丝弹性数学模型计算烟丝的弹性值。

R＝K_1修(H₁)*K_2修(H₂O)*(H₂-H₁)/H₁*100％        (2)

式中，K_2修(H₂O)为烟丝水分修正系数，即标定时所用烟丝水分系数K₂(H₂O)的修正值。

K_2修(H₂O)是由烟丝水分系数修正单元72用已知含有不同水分烟丝的弹性值，通过标定得出不同的K_2修(H₂O)值，从而得到K_2修(H₂O)与烟丝的水分变化关系，再用最小二乘法进行直线拟合或进行折线法拟合求得K_2修(H₂O)与烟丝水分间的关系表达式。在线检测烟丝弹性时，根据烟丝水分测量仪12测量的水分值和上述K_2修(H₂O)与烟丝水分的关系表达式求出K_2修(H₂O)值，从而可计算出烟丝弹性值。

由于烟丝13的弹性与烟丝13的温度有关，当烟丝13的温度变化比较大时，则需要对烟丝13进行温度修正。为此在烟丝弹性在线检测装置100中，还包括一个烟丝温度测量仪，该烟丝温度测量仪安装在烟丝测厚装置A 2的前方或者烟丝测厚装置B 3的后方，且位于烟丝测厚装置A 2和烟丝测厚装置B3的中心线上方。

此时，数据采集处理系统7的第三烟丝弹性处理单元76按如下烟丝弹性数学模型计算烟丝的弹性值。

R＝K_1修(H₁)*K_2修(H₂O)*K_3修(T℃)*(H₂-H₁)/H₁*100％        (3)

式中，K_3修(T℃)为烟丝温度修正系数，即标定时所用烟丝温度系数K₃(T℃)的修正值。

K_3修(T℃)是由烟丝温度系数修正单元73用已知不同温度烟丝的弹性值，通过标定得出不同的K_3修(T℃)值，从而得到K_3修(T℃)与烟丝的温度变化关系，再用最小二乘法进行直线拟合或进行折线法拟合求得K_3修(T℃)与烟丝温度间的关系表达式，在线检测烟丝弹性时，根据烟丝温度测量仪测量的温度值和上述K_3修(T℃)与烟丝温度的关系表达式求出K_3修(T℃)值，从而可计算出烟丝弹性值。

在此应指出，在实际检测中，根据烟丝的工况情况选择是否进行上述烟丝水分修正、烟丝温度修正。

为了提高测量精度，正确测量出烟丝弹性值，必须解决好两个问题：

1、烟丝弹性在线检测装置100的工作状态应尽量接近静态烟丝弹性检测装置的工作状态，以满足烟丝弹性测量要求。

静态烟丝测量弹性检测装置的工作状况：样品容器内径为95mm、高度为240mm、测头压力为7.4kg、施压速度为(30±3)mm/s、施压时间为7s、间隔时间为10s。

测量步骤：取70g样品放入样品容器，施加7.4kg压力，施压7s记录样品高度H₁，释压10s后记录样品的烟丝高度H₂，烟丝弹性R的计算公式如下：

R＝(H₂-H₁)/H₁*100％

式中：R为烟丝的弹性(％)；

H₁为施压后烟丝厚度(mm)；

H₂为释压后烟丝厚度(mm)。

设计烟丝弹性在线检测装置100时，要选择合适的压轮参数，安装距离及皮带速度，使其接近静态测量时的工作状况。

2、建立烟丝弹性在线测量的数学模型。

现对上述问题分述如下：

A、烟丝弹性在线检测装置100的工作状态及压轮参数选择

假设烟丝弹性在线检测装置100的工作状态如图5所示。

压轮A参数为：直径＝d_A，宽度＝D_A，重量＝W_A

压轮B参数为：直径＝d_B，宽度＝D_B，重量＝W_B

a)压轮参数选择：

a1)压轮A的直径d_A

压轮A的直径d_A要大于被测烟丝的厚度，否则压轮A将被烟丝埋没；

压轮A的重量＞7.9kg。

a2)压轮A的宽度D_A

压轮宽度D_A≤静态烟丝弹性检测装置容器的直径＝95mm。

a3)压轮A的重量W_A

假设压轮A的材质密度为ρ；

压轮A的重量W_A＝π(d_A/2)²*D_A*ρ。

a4)压轮B的参数选择同压轮A相同

压轮A、B的压力要求可通过压力调节器调节确定。

b)工作状态确定：

b1)皮带速度V的选择

压轮A的直径d_A已确定，带速选择必须满足施压速度要求，静态测试已给出施压速度V_压＝(30±3)mm/s皮带速度V与压轮给予的施压速度V_压(圆周施压速度)有如下关系：

V＝(π/2)*V_压

带速V＝(π/2)*V_压＝47.1mm/s

b2)压轮A与压轮B的间距离S

S选择要满足释压时间要求：

∵S/V＝释压时间＝10s

∴S＝10s*V＝10*47.1＝471mm。

为了满足施压时间7s要求，可在压轮A的前方加预压轮15或在压轮A的后方加维持压力压轮16，如图6a、图6b所示。

B、烟丝弹性在线测量的数学模型

由于烟丝弹性与烟丝含水量、烟丝温度以及烟丝流量有关，所以采用设定修正系数方法，建立如下烟丝弹性数学模型：

R＝K_1修(H₁)*K_2修(H₂O)*K_3修(T℃)*(H₂-H₁)/H₁*100％        (3)

式中：R为烟丝弹性(％)；

K_1修(H₁)为烟丝厚度修正系数；

K_2修(H₂O)为烟丝水分修正系数；

K_3修(T℃)为烟丝温度修正系数；

H₁为烟丝测厚装置A 2测量的烟丝厚度(mm)；

H₂为烟丝测厚装置B 3测量的烟丝厚度(mm)；

式(1)中如果烟丝含水变化不大，则K_2修(H₂O)＝1。

式(1)中如果烟丝温度变化不大，则K_3修(T℃)＝1。

当K_2修(H₂O)＝1，K_3修(T℃)＝1时，对烟丝水分、烟丝温度不进行修正。采用上述方法，可以较好地解决烟丝弹性在线检测问题。

下面进一步通过具体的实施例来描述本发明的技术方案。

1、数学模型

在第一实施例中，建立数学模型时，假设烟丝水分及烟丝温度变化不大，则不需进行烟丝水分、烟丝温度修正，即K_2修(H₂O)＝1，K_3修(T℃)＝1。此时，采用的数学模型是：

R＝K_1修(H₁)*(H₂-H₁)/H₁*100％        (1)

2、工作状态及烟丝测厚装置的参数确定

a)工作状态参数

带速V＝47.1Vmm/s；

烟丝测厚装置A 2、烟丝测厚装置B 3的间距离S＝471mm。

b)烟丝测厚装置参数

b1)压轮A的参数

宽度D_A≤95mm选择D_A＝90mm；

直径d_A≥测试烟丝厚度；

假设测试烟丝厚度＝150mm

选定压轮直径＝250mm

重量W_A，假设压轮材质为食用塑料

其材质密度＝2.0g/cm³

则W_A＝π(25/2)²*9*2.0g/cm³

＝3.14*156.25*9*2

＝8.831kg

重量8.831kg＞7.4kg满足要求。

b2)压轮B的参数

压轮B的参数与压轮A的参数相同；

b3)位移传感器

选用FB-900C型角位移传感器，分辨率＝0.01度。

b4)变送器10采用高可靠性微处理器制成，变换精度为16位。

3、数据采集处理系统选择

数据采集处理系统7选择西门子PLC制成，CPU采用300型并备有烟丝弹性系数修正单元及烟丝弹性数据处理单元。

4、K_1修(H₁)确定

采用已知烟丝弹性标定确定K_1修(H₁)：

假设K₁(H₁)＝1，输送带6输送烟丝13通过烟丝弹性在线检测装置100，数据采集处理系统7采集烟丝测厚装置A 2的信号H_Ai与烟丝测厚装置B 3的信号H_Bi，如果采集周期为1秒，根据如下烟丝弹性数学模型：

R＝K₁(H₁)*(H_Bi-H_Ai)/H_Ai*100％

计算出每秒的烟丝弹性值，与此同时对压轮5压过的烟丝随机取样，假定测量时间t＝60秒，数据采集处理系统7给出60秒测量的烟丝弹性平均值为R_测＝3.8％，取样的烟丝经静态烟丝测量仪测得弹性R₀＝3.9％，则K₁(H₁)修正值为：

K_1修(H₁)＝(R₀/R_测)*K₁(H₁)＝(3.9％/3.8％)*1＝1.026

最终确定烟丝的弹性数学模型为：

R_i＝1.026*(H_2i-H_1i)/H_1i*100％

在线检测时，烟丝弹性在线检测装置100按上述数学模型计算烟丝弹性值。

下面再通过第二实施例进一步描述本申请的技术方案，在该第二实施例中，描述了带有水分修正的烟丝弹性在线检测装置。

烟丝水分测量仪12选择红外水分测量仪，安装在测厚装置A 2的前方。

1)采用的烟丝弹性数学模型为：

R＝K_1修(H₁)*K_2修(H₂O)*(H₂-H₁)/H₁*100％            (2)

K₁(H₁)在第一实施例中已确定K_1修(H₁)＝1.026，假设标定K₁(H₁)时烟丝的水分值＝11.5％，此时K_2修(H₂O)＝1。

如前所述，采用不同含水量烟丝通过烟丝弹性在线检测装置100进行标定可得如下数据，见表1：

表1

  序号  标定时所用  K₂(H₂O)值  标定时烟丝  水分值  在线检测装  置测量烟丝  弹性值  静态检测装  置测量烟丝  弹性值 修正后烟丝 水分修正系 数K_2修(H₂O)  1  1  11.5％  3.9％  3.9％  1  2  1  12％  3.80％  3.85％  1.013  3  1.013  12.5％  3.92％  4.01％  1.036  4  1.036  13％  3.85％  3.91％  1.052  5  1.052  13.5％  3.79％  3.88％  1.076  6  1.076  14％  3.81％  3.96％  1.118

根据标定数据找出烟丝水分与K_2修(H₂O)间关系，以K_2修(H₂O)为纵坐标以烟丝水分值为横坐标得K_2修(H₂O)与烟丝水分变化曲线，如图8所示。

根据K_2修(H₂O)与烟丝水分变化曲线的a，b，c，d，e，f各点坐标进行曲线拟合：

(a)用最小二乘法进行直线拟合可求出拟合直线的斜率＝K₀，截距＝b求得K_2修(H₂O)表达式：

K_2修(H₂O)＝K₀*(水分值)_i+b        (4)

根据红外水分测量仪12测得的烟丝水分值，代入式(4)中求得K_2修(H₂O)值，将K_2修(H₂O)再代入有烟丝水分修正的弹性数学模型(公式(2))计算烟丝的弹性值。

(b)可以采用折线法进行拟合：

连接a-b，b-c，c-d，d-e，e-f得到多个折线段。

a-b段

斜率K₁＝(1.013-1)/(12％-11.5％)

水分小于12％时，K_2修(H₂O)表达式为：

K_2修(H₂O)＝K₁*(测得水分值-11.5％)+1          (5)

b-c段

斜率K₂＝(1.036-1.013)/(12.5％-12％)

水分小于12.5％时，K_2修(H₂O)表达式为：

K_2修(H₂O)＝K₂*(测得水分值-12％)+1.013        (6)

c-d段

斜率K₃＝(1.052-1.036)/(13％-12.5％)

水分小于13％时，K_2修(H₂O)表达式为：

K_2修(H₂O)＝K₃*(测得水分值-12.5％)+1.036      (7)

d-e段

斜率K₄＝(1.076-1.052)/(13.5％-13％)

水分小于13.5％时，K_2修(H₂O)表达式为：

K_2修(H₂O)＝K₄*(测得水分值-13％)+1.052        (8)

e-f段

斜率K₅＝(1.118-1.076)/(14％-13.5％)

水分大于13.5％时，K_2修(H₂O)表达式为：

K_2修(H₂O)＝K₅*(测得水分值-13.5％)+1.076      (9)

综上，K_2修(H₂O)水分修正流程图如图7所示。

根据烟丝水分测量仪12测量的水分值，按K_2修(H₂O)水分修正流程图确定K_2修(H₂O)值，再根据弹性数学模型公式(2)计算烟丝的弹性值。

如图9所示，为本发明烟丝弹性在线检测流程图。结合图1-图8所示，该流程具体包括如下步骤：

步骤S901，通过烟丝测厚装置A 2、烟丝测厚装置B 3对输送带6输送的烟丝13进行厚度测量；

步骤S902，通过数据采集处理系统7采集烟丝测厚装置A 2测量得到的信号H₁与烟丝测厚装置B 3测量得到的信号H₂；

步骤S903，数据采集处理系统7根据烟丝弹性数学模型对烟丝13的弹性值进行计算。

进一步地，步骤S903中，数据采集处理系统7的第一烟丝弹性处理单元74根据烟丝弹性数学模型对烟丝的弹性值进行计算。

R＝K_1修(H₁)*(H₂-H₁)/H₁*100％            (1)

式中：R为烟丝的弹性(％)；

H₁为烟丝测厚装置A 2测量的烟丝厚度(mm)；

H₂为烟丝测厚装置B 3测量的烟丝厚度(mm)；

K_1修(H₁)为烟丝测厚修正系数，即标定时所用烟丝测厚系数K₁(H₁)的修正值。

其中，K_1修(H₁)是由烟丝厚度系数修正单元71用已知烟丝弹性值的烟丝通过实物标定确定。当H₁变化大时可在不同H₁情况下标定多个K_1修(H₁)值，求出K_1修(H₁)与H₁变化关系，在检测烟丝弹性时可根据H₁值按照K_1修(H₁)与H₁变化关系确定K_1修(H₁)值，从而可计算出烟丝弹性值。

由于烟丝13的弹性与烟丝13的水分有关，当烟丝13的水分变化比较大时，则需要对烟丝13进行水分修正。为此在烟丝弹性在线检测装置100中，还包括一个烟丝水分测量仪12，该烟丝水分测量仪12安装在烟丝测厚装置A2的前方或者烟丝测厚装置B 3的后方，且位于烟丝测厚装置A 2和烟丝测厚装置B 3的中心线上方。此时，数据采集处理系统7的第二烟丝弹性处理单元75按如下烟丝弹性数学模型计算烟丝的弹性值。

R＝K_1修(H₁)*K_2修(H₂O)*(H₂-H₁)/H₁*100％        (2)

式中，K_2修(H₂O)为烟丝水分修正系数，即标定时所用烟丝水分系数K₂(H₂O)的修正值。

K_2修(H₂O)是由烟丝水分系数修正单元72用已知含有不同水分烟丝的弹性值，通过标定得出不同的K_2修(H₂O)值，从而得到K_2修(H₂O)与烟丝的水分变化关系，再用最小二乘法进行直线拟合或进行折线法拟合求得K_2修(H₂O)与烟丝水分间的关系表达式。在线检测烟丝弹性时，根据烟丝水分测量仪12测量的水分值和上述K_2修(H₂O)与烟丝水分的关系表达式求出K_2修(H₂O)值，从而可计算出烟丝弹性值。

由于烟丝13的弹性与烟丝13的温度有关，当烟丝13的温度变化比较大时，则需要对烟丝13进行温度修正。为此在烟丝弹性在线检测装置100中，还包括一个烟丝温度测量仪，该烟丝温度测量仪安装在烟丝测厚装置A 2的前方或者烟丝测厚装置B 3的后方，且位于烟丝测厚装置A 2和烟丝测厚装置B3的中心线上方。此时，数据采集处理系统7的第三烟丝弹性处理单元76按如下烟丝弹性数学模型计算烟丝的弹性值。

R＝K_1修(H₁)*K_2修(H₂O)*K_3修(T℃)*(H₂-H₁)/H₁*100％            (3)

式中，K_3修(T℃)为烟丝温度修正系数，即标定时所用烟丝温度系数K₃(T℃)的修正值。

K_3修(T℃)是由烟丝温度系数修正单元73用已知不同温度烟丝的弹性值，通过标定得出不同的K_3修(T℃)值，从而得到K_3修(T℃)与烟丝的温度变化关系，再用最小二乘法进行直线拟合或进行折线法拟合求得K_3修(T℃)与烟丝温度间的关系表达式，在线检测烟丝弹性时，根据烟丝温度测量仪测量的温度值和上述K_3修(T℃)与烟丝温度的关系表达式求出K_3修(T℃)值，从而可计算出烟丝弹性值。

当然本发明还可以有多种实施例，如安装有烟丝温度测量仪，用不同温度的烟丝弹性值标定不同的烟丝温度K_3修(T℃)值求得其变化关系，在线检测时，根据测量的烟丝温度值，求出K_3修(T℃)值，再按照烟丝弹性数学模型计算烟丝弹性值，其做法与第二实施例相同。当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

采用本检测装置可实时检测出生产过程中烟丝弹性变化、烟丝弹性分布、波动范围等。本检测装置具有稳定、可靠、计量精度高等特点。