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    （郑州烟草研究院，河南 郑州 450001）王锦平

    （中国烟草总公司职工进修学院，河南 郑州 450001）王鸿旻
                         
    王锦平（1971-）女，河南新郑人，本科，助理工程师，现就职于中国烟草总公司郑州烟草研究院国家烟草质检中心，主要研究方向为烟草物理检测。

    摘要：本文首先介绍了微波原理及其在卷接机组烟支重量检测的应用，然后给出系统的设计方案，最后试验表明，微波测量头的测量准确性完全达到核扫描的水平，而且还略优于核扫描头。

    关键词：微波；烟支重量；检测

    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

    烟支重量是指单支烟支的重量或某单位数量烟支的重量，通常用烟支单重或烟支组重来表示。不同的烟支重量表示方法有各自不同的意义，烟支单重反映烟支重量的离散度，烟支组重反映烟支重量的稳定性。烟支重量是烟草行业在卷烟生产加工过程中的一个重要技术参数和质量指标，从烟支重量可以反映出一个卷烟企业设备的精良程度、产品的技术含量、工艺管理水平、职工的产品质量意识等。

    目前，各种高速卷烟机组烟条平均重量控制系统中，主要都是使用锶90放射源作为探头，卷制成型的烟条在经过放射源装置时，β粒子射线一部分被烟条吸收，另一部分进入电离室，由此产生的电流经电路处理后变成电压信号，该电压信号反映了烟丝的密度，电压越高，密度越小，说明烟条越轻，反之越重。众所周知，锶90放射源属于放射性物质，无论卷接机组是否有电，放射性始终存在，对周围人员构成长时间潜在危害，同时，按照国家放射性污染物质保护法，放射源探头的检修和维护需要由专门的机构和人员来进行，检修、维护费用昂贵，给烟厂带来了极大的不便。同时，放射源探头工作不正常时有发生，如：电离室恒温检测控制电路出现异常；放射源头随时间延长产生衰变等各种原因，都会影响放射源探头输出电压信号的正确性，从而影响了烟支重量计算的精度和控制精度，由于维护要求太高，出现上述问题时，烟厂往往不能及时处理，这始终是烟厂最头痛的事情。

    为此，人们一直在寻求利用安全型的新技术来取代具有放射性危害的放射源技术，如德国豪尼公司推出的微波重量检测探头就是利用微波技术取代具有放射源技术，已在烟机上使用。但其价格昂贵，每套约为合人民币40~50万元[1]。本文提出自主创新的高速在线微波烟支重量检测探头。

    2 微波重量检测探头结构及工作原理

    微波是无线电频谱的一部分。它指频率在300MHz（波长1米）到300GHz（波长1毫米）的电磁波。微波技术是基于微波的特点发展而形成的一门技术。它的研究内容包括微波的产生、传输、传播、辐射、检测及应用等方面。由于微波具有许多独特的优点，它在军事及民用技术方面都得到了广泛的应用：利用微波信号能在金属物体表面反射而且波长短、定向性强的特性，人们做成了各种雷达；利用微波作为载波，它能携带更多信息进行传输，所以被广泛用于通讯技术中；利用微波照射物质，使物质中的偶极分子转动而产生热量，它被用于材料加热、干燥、灭菌及医疗方面；利用微波在不同材料中的传播速度、强度的变化可以用来检测材料的特性等等。利用烟丝条通过微波电磁场时，由于烟条的密度及水分含量的不同，使微波电磁场能量参数发生变化来检测烟丝条的重量和含水量。由于微波信号频率高、变化速度快，对材料密度及湿度的变化反应极其敏感，而且它对被检测材料本身不会产生任何损害，所以它具有能在线、实时、快速、无损对材料特性检测的特点。

    （1）结构

    微波重量检测探头由微波电磁场空腔组件、导烟管组件、气路组件、温控组件、壳体组件、专用微波源及控制电路、检波放大电路、温度补偿及信号处理系统、信号输出驱动等组成。

    （2）工作原理

    微波信号由微波振荡器产生，通过传输线将信号送到电磁场空腔组件，当烟条穿过电磁场空腔时，不同密度及含水量的烟条将会引起微波电磁场能量参数的不同变化，通过对能量参数检测，并通过信号分析软件的分析、处理，最终得到烟条的实时密度值及含水量，并由信号驱动板送到烟支平均重量控制系统而完成烟支重量检测及控制功能[2]。检测原理如图1所示。
                   
                                   图1   检测原理图
    1为微波发生器；2、5为隔离环；3为谐振腔；4为被测烟条；6为检波放大器；7为数据处理器；8为微波发生器的控制线路；9为输出信号。

    微波发生器1向谐振腔输送两种不同频率的微波，通过谐振腔未受烟条影响（空腔）与受烟条影响（加载）的谐振曲线的变化来测定烟条的密度和水分，隔离环的作用是避免信号的互相干扰。谐振腔输出的微波谐振曲线如图2所示。
                       
                                 图2  微波谐振曲线图
    其中：f0、u0为空腔（即未放入被测烟条）时的谐振曲线。f1、u1为加载（即放入被测烟条）时的谐振曲线。fa、fb为微波发生器输送的两个微波频率，ua、ub为检波器检出的输出微波信号。取：

    u直=1/2（ua+ub） （1）

    u交=1/（ub-ua） （2）

    u直反映了被测烟条的密度，密度越大，u直越大，设m为被测烟条的密度，则m与u直之间的数学关系如下：

    m=a+bu直+c（u直）2 （3）

    式中常数a、b、c采用已知密度的物质进行标定后获得。根据上式，当谐振腔内加入被测烟条时，检波器检出ua、ub后，在数据处理器中可以求得u直和m，从而测出烟条的密度。u交反映了被测烟条的水分，水分含量越大，u交越大，设w为被测烟条的水分含量，则w与u交之间的数学关系如下：

    w=d+eu交+f（u交）2 （4）

    式中常数d、e、f采用已知水分的物质进行标定后获得。同样，在数据处理器中可以求得u交和w，从而测出烟条的水分。检波器6的微波信号还取决于检测装置的温度，为此，可以进行温度补偿。

    3 系统组成

    为适应PROTOS卷接机组重量控制系统国产化的要求，对原有的PROTOS SRM 重量控制系统进行了改造，设计实现了新型的重量控制系统。通过对原有重量控制系统的功能分析，新型重量控制系统要完成数据采集、数据计算处理、输出驱动控制、数据通信、参数设置、人机界面显示等功能。同时，考虑到系统与原有SRM 重量控制系统的兼容性，新系统还要保证可靠地向外围设备提供工作所需电源。因此，新型重量控制系统主要由以下几部分组成：机架部分、电源部分、输入处理板、信号处理板、通信处理板、输出处理板、人机界面、通信线路、系统控制及通信软件部分等[3]。

    （1） 机架部分

    机架部分保持与原有SRM90 机箱安装尺寸一致。和外部信号连接的插座保持与原有SRM系统一致，数量有缩减。

    （2） 电源部分

    电源部分采用美国VICOR 公司高性能电源模块构成。分别提供+24V(Ui)，+15V，-15V，+24V(Uo)等电源。控制部分需要的双+5V 电源由DC-DC 转换模块提供。

    （3）输入处理板

    输入处理板主要完成增量脉冲、指示脉冲、烟条监测器、密度脉冲、位置信号等输入量的预处理。经过处理的信号通过机架上的总线送往信号处理板。

    （4） 信号处理板

    信号处理板主要完成上述输入量的计算处理，结果一方面送通信处理板，另一方面通过输出处理板进行输出控制。信号处理板由一片TI 公司生产的高性能DSP 数字处理器为核心构成，处理器主频达到50MHZ，完全可以满足烟机电控系统对处理速度、可靠性等要求。

    （5）通信处理板

    通信处理板是进行PROFIBUS_DP总线通信的接口。此板由一块嵌入式微控制器为核心，配以西门子公司专用集成电路芯片SPC3。数据通信由SPC3自动完成。通信处理板与信号处理板之间通过双端口RAM进行通信，收发数据。SPC3通过总线与触摸屏工控机相连，发送系统计算结果，接收设置参数。

    （6） 输出处理板

    输出处理板主要完成输出控制驱动等功能。具体包括控制劈刀的上下行信号、取样剔除信号、输出使能、停机控制信号等。

    （7） 人机界面部分

    人机界面部分用于取代原来的中文IT80显示器。它采用西门子PC670工控机，12寸液晶触摸屏，采用 Windows2000操作系统，软件部分采用INTOUCH组态软件进行设计，界面友好，参数设置简单，系统更加可靠。

    （8） 系统控制及通信软件部分

    控制系统软件主要完成系统计算控制工作，通信软件主要完成PROFIBUS_DP总线通信。

    4 实验

    在卷烟机生产过程中，控制系统通过移位寄存器将等于目标重量的烟支在取样口取出，由于存在测量误差，实际取出的烟支重量不可能正好等于目标重量，而是围绕着目标重量波动，因此要采用多次取样的平均值对目标重量进行修正。通常以100支烟平均重量3次求平均的方法对目标重量进行修正，可以使目标重量取样实测平均重量的误差修正在1～3mg的范围。将微波测量头和核扫描头分别试用于SRM90HR控制系统的PROTOS70卷烟机上进行多次目标重量取样测试，经过近一年的比较观察，测试结果显示好于核扫描头，如表1所示。

              

    由表1可见，以目标重量取样标准差为标准微波测量头的测量重复性误差为5.9mg左右，核扫描头为8.2mg左右。平均值的波动微波也好于核扫描头。进一步测试表明，较新的核扫描头标准偏差能达到5～6mg，使用年限较长的核扫描头标准偏差在10mg以内，偏差大于10mg的核扫描头必须进行调整或报废。对微波扫描头的内部标定参数进行优化校准后，微波测量头的测量重复性误差标准差在5mg以下。因此，在测量准确性上微波略好于核扫描头。

    5 结语

    微波密度湿度检测仪避免了核辐射的污染，检测精度更高，是目前烟支密度湿度检测的最理想的设备。做为卷接机组在线烟支密度湿度检测设备，该系统具有以下特点：高稳定度和可靠性；采样速率高达每秒10000次；更安全，更低的辐射，只有移动电话辐射的几百分之一；可以检测不同品牌的烟支，并且不需要改变检测参数设置；同时检测密度和湿度参数；一体化的设计减少了信号传递的误差和干扰；密度测量精度高，能准确的反映烟支密度，便于重量控制；微波发射功率微小，对操作人员无伤害；安装、操作简单，便于使用。

    其他作者：王鸿旻（1973-），女，湖北老河口人，本科，现就职于中国烟草总公司职工进修学院。

    参考文献：

    [1] 崔敬花，孙立红. 湿度传感器及其变送器[J]. 沈阳化工学院学报，2001，(03).

    [2] 韦萌，张鹏. 基于DSP的烟支重量控制系统研究[J]. 计算机与数字工程，2009，(08).

    [3] 李德法，廉洁，吴志刚. 微波烟支重量控制系统的设计与应用[J]. 烟草科技，2005，(08).

     摘自《自动化博览》2010年第六期