（机械工程专业论文）微波检测技术在烟支重量控制系统中的应用与研究.pdf

微波检测技术在翅支重量控裁系统孛熬应用与研究 摘要 幽于帕谣姆( p a s s i m ) 卷烟机原柄采用的烟条平均重量( m w c ) 存在许多缺 点，题( 锩9 0 ) 拔瓣澡进行检溅，放射源难夫曼、鼹围琢凌梅戏长时阕港在危 害，有时阀门不能关闭，对人员的危害就更大了。系统老化导致系统不能很好工 终。使褥激支生产过程孛攥支重量捡涎窝控辩魏壤稳健簿低，往往遗壤燧支震量 不合格，浪费烟丝。“市场凭名牌兴旺，企业靠质量永存”。产品质嫩是企业的生 禽，其重要眭不言褥喻。辕豢卷矮蒂：秀竞争瓣露憝掰懋，卷潮市场藏游费翥对卷 烟产品的质爨要求越来越离，卷烟市场的竟母已演变为卷烟产品质鬣的竞争。烟 支熏餐律为卷烟产晶质量中的重要缀成部分，显得尤为重要。迫切需要对襁两薅 ( p a s s i m ) 卷烟撰酶( m w c ) 进行礤究设计。奉论文逶过对靛殛姆( p a s s i m ) 卷烟机烟袋平均重鬣控制系统分析和研究，采用微澈检测取代放射源检测。进行 了徽渡谐振腔酶设计，更好逡避免了救懿源黪莛害。谯鼗设诗了一套凝翡爝条平 均羹量控制系统( c i g a r e t t er o dm e a nw e i g h tc o n t r o ls y s t e m ，简称m w c ) 。慷系 统藏蠲模鞫( f u z z y ) 箍裁原理承分援遘牙攘赣控镄器熬竣诗，将模褥控涮算 法应用于烟霆控制祭统中。应用黼向对苏建模技术( o b j e c t - o r i e n t e dm o d e l i n g t e c h n i q u e ，麓称o m t ) 和汇编语言，完戒tm w c 豹软辞设计； m w c 由上位 枫脚下位枧缓成，上位机采用计算祝监督控制系统( s u p e r v i s o r yc o m p u t e r c o n t r o l ，简称s c c ) ；下位机采用赢接数字控翩系统( d i r e c td i g i t a lc o n t r o l ，简 穆d d c ) ，繇具有特殊功能靛离程筑1 6 位攀片祝鞠成。m w c 抟上键撬( s c c ) 和下位机( d d c ) 构成双c p u 系统，备自分工完成相成功能，新m w c 有效地避 免或减少7 藤凝m w c 存在瓣诸多弊蠛，是一套具森较高黪蜜薅瞧、实恁毪秘逶 应性且极易使用维护的新一代烟条平均重量控制系统。m w c 的使用，大大敬善 了卷爝税谣聚重量控露获嚣，减多了烟丝滚费，疆大程度主保证了爝吏产磊抟质 量。 关键词：微波：烟支熏量：核扫描 a p p l i c a t i o na n ds t u d yo fm i c r o w a v ed e t e c t i n gt e c h n o l o g yi n c i g a r e t t ew e i g h tc o n t r o l l i n gs y s t e m a b s t r a c t d u et op a s s i mm a k e r so r i g i n a lc i g a r e t t er o dm e a nw e i g h td e v i c e ( a b b r e v i a t e dm w c ) e x i s t e dag o o dm a n yd i s a d v a n t a g e s ，i tu s e ( s i 9 0 ) n u c l e a r i ni t ，w ea l lk n o w , n u c l e a ri sh a r m f u lt op e o p l eh e a l t ha n de n v i r o n m e n tf o ra l o n gt i m e 。s o m e t i m e s ，v a l v ec a n tc l o s ec o r r e c t l y i tm a k e st h ea c c u r a c ya n d v a l i d i t yo f c i g a r e t t ew e i g h ta n dc o n t r o lr e d u c i n gi nc i g a r e t t ep r o d u c t i o np r o c e s s ， e v e nc a n tw o r kn o r m a l l y , i tw a s t em u c ht o b a c c o ，a n di to f t e nc a u s e sal o to f c i g a r e t t ep r o d u c t sq u a l i t ya c c i d e n t s ”t h em a r k e ti sp r o s p e r o u sa c c o r d i n gt ot h e f a m o u sb r a n d ，e n t e r p r i s e se x i s tp e r p e t u a l l yd e p e n d so nq u a l i t y ”p r o d u c t s q u a l i t yi st h el i v e so f e n t e r p r i s e s ，i t si m p o r t a n c ei ss e l f - e v i d e n t o n et h a ti sw i t h m a r k e tc o m p e t i t i o no f t h ec i g a r e t t ei sb e c o m i n gm o r ev i o l e n t ，c i g a r e t t em a r k e t a n dc o n s u m e rh a v em o r ea n dm o r eh i g he x p e c t a t i o n sf o rq u a l i t yo f t h e c i g a r e t t ep r o d u c t s ，c i g a r e t t ec o m p e t i t i o no f m a r k e td e v e l o pt h ec o m p e t i t i o nf o r p r o d u c tq u a l i t yo f t h ec i g a r e t t ea l r e a d y c i g a r e t t e sw e i g h ta si m p o r t a n t c o m p o n e n to f c i g a r e t t ep r o d u c t sq u a l i t ys e e m sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t i tn e e d s u r g e n t l yt oc a r r yo nr e s e a r c ha n dd e s i g nan e wm w co f p a s s i mm a k e r s 。t h i s t h e s i st h r o u g ha n a l y s i sa n dd e s i g nf o rc i g a r e t t er o dm e a nw e i 【g h to f f l a s s i m m a k e r s ，u s i n gm i c r o w a v ec h e c ki n s t e a do f n u c l e a rc h e c kg r e a t l ya v o i d i n g n u c l e a rr e a c t i o na c t i o nd e s i g n so n en e w c i g a r e t t er o dw e i g h tc o n t r o ls y s t e m fa b b r e v i m e dm w c ) t h i ss y s t e mu s e st h ef u z z yc o n t r o it h e o r y , f o rq u i c l d y h a n d l ec h e c k i n gs i g n a l ，t h ec o n t r o lt h e o r yo f t h es i n g l ec h i pc o m p u t e ra n d c o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e ，t of i n i s ho v e r a l ls c h e m ea n ds y s t e mh a r d w a r ew h i c h m w ca r ed e s i g n e d ；u s e so b i e e t o r i e n t e dm o d e l i n gt e c h n i q u e ( a b b r e v i a t e d o m t ) a n d a s s e m b l e rl a n g u a g e ，t of i n i s ht h es o f t w a r ed e s i g no f m w c m w c i sm a d eu po f t w o p a r t s o n ea d o p t ss u p e r v i s o r yc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m ( a b b r e v i a t e ds c c ) ；a n o t h e ra d o p t st h ed i r e c td i g i t a lc o n t r o ls y s t e m ( a b b r e v i a t e dd d c ) ，c o m p o s e db y1 6b i t ss i n g l ec h i pc o m p u t e rw i t hh i 酶 p e r f o r m a n c ea n ds p e c i a lf u n c t i o n s c ca n dd d co f m w cf o r mp a i r so f c p u s y s t e m ，e a c hf i n i s h e sc o r r e s p o n d i n gf u n c t i o nt od i v i d et h ew o r k ，a n da d o p tt h e w a yo f q u e r ya b o u te a c ho t h e r sm u t u a lc o m m u n i c a t i o n 。m w ch a sa v o i d e do r r e d u c e da g r e a td e a lo f d i s a d v a n t a g e st h a to r i g i n a lm w ce x i s t se f f e c t i v e l y , i ti s an e w g e n e r a t i o nc i g a r e t t ew e i g h tc o n t r o ls y s t e mt h a th a sh i g h e rr e a l t i m e c h a r a c t e r , p r a c t i c a b i l i t ya n da d a p t a b i l i t ya n de a s ye x t r e m e l yt om a i n t a i na n d u s e u s eo f m w c ，t h es t a t e ，t h ev a l i d i t ya n da c c t l r a c yo f s u p e r 9a n dp a s s i m m a k e r sc i g a r e t t ew e i g h tc o n t r o lh a sb e e ni m p r o v e dg r e a d y k e y w o r d s ：m ic r o w a v e ：c i g a r e t t ew e i g h t ：n u c l e a rs c a b 6 插图清单 躜2 一l爆支墼擞检测控皋i 系统鲒梅5 圈2 2 娴支重赞的标窀6 罄2 一s 棱扛接头检溅漂褒8 图2 4 微波测爨头工作原理8 餮2 5 徽渡谐鞭曲线8 图2 6 频谱仪原理框图1 0 莲3 一 徽波谐箍检瓣设备组藏1 4 图3 2 谐振峰值功率和谶振频率关1 5 圈3 3 溜支密寝瀚线1 5 匿3 4 模块全墅1 6 圈3 5 数字键盘1 7 委3 6 璧曩摄尝显示蕊1 8 图3 7 系数修正界面图1 8 墅3 8 数摇输a 辫 晷 图3 9 6 数据表格图1 9 匿3 一l g 攘锺4 l 季 图3 l 王黛攮报告显示图2 0 图3 一1 2 羹墓分布驻示鹜2 1 圈3 一1 3 修正系数显示匿2 l 图3 一1 4 密度曲线鼹示图2 2 鹜3 一1 5 生产鼗攥统计罄2 3 图3 一- 1 6 公抉参数鼹示图2 4 莺3 一1 7 菇姆管理显示蓬2 5 图3 1 8 晶牌选择鼹示图2 6 蚕3 一1 9 晶薄参鼗设萋溪2 6 图3 2 0 使毙参数显示图2 7 1 0 图3 2 l 包经极限参数图2 8 霆3 2 2 诊繇盒显示銎2 9 图3 2 3 揩示脉冲鼹示图2 9 耍3 2 莲掺示熬泞蕊嚣嚣3 e 图3 2 5 烟支取样短示图3 0 胬3 2 6 劈刀霞鬟器螽3 l 图3 2 7 劈刀位置界面二3 l 圈3 2 8 邋穗控制系统图3 2 强3 2 9 掇棱安装示意墅3 2 图3 3 0 位移传感器组图3 3 委一lb i k 9 - 5 委态分布鏊绫骣 图4 2p a s s i m8 0 0 0 曲线3 6 委争一3p r o t o s 7 0 3 7 图4 4m k 9 5 机型控制图“3 8 蚕一5p a s s i m s 0 0 0 梳型羧铺鼙3 8 图4 6p r o t o s 8 0 机型控制图3 9 表格清单 表4 - 1烟支样品测试数据表3 5 表42熘支单支薰爨在不同数痿段的频数表3 8 表圣- 3 工事的爨囊髓题署准袭3 9 表4 - 4公差参数表“4 0 表莲_ 5擞波扫接头和棱扫籀夹重爨取菇测试数据螽舀4 1 独创性声骧 本人声明所呈变的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。霜我所稚，除了文中特剐翻融标注和致谢静蟪方乡 ，论文中不包含其襁入已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 盒胆王些杰堂 或其他教育机 稳麴学往域证书藕侵蔫过的耪耨。与我一弼工作的潮志对本研究所辙的任何嚣献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 、 学位论文律者签名：了吾汐 签字西期：弹占年，胃矽舅 学位论文版权使用授权书 本学经论文作者完全了解金篓王堑盍黉有关稼密、使弼学谴论文酌规定，有 权保留并向国家有荚部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人援较众嫠至壁表堂可淡籍学位论文静垒部或部分内容编入有美数据库避行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 f 镖密豹学谴论文在解密后适玛零授权书) 学位论文作者签名；j 毛劳良 签字日期：口g 年7 月2 7 日 擎往论文 擘畿毕建爱去自： 工作单位： 逶谶逮娃： 导师签名： 黠沁 签字日期：dc 年钥日日 f 电话 邮编 致谢 值j 遣论文完成之际，首先向我的导师韩江教授致融最崇商的敬意和最 衷心的感谢! 本论文从选题、资料收集、试验方案设计等方砸自始至终得 至l 了韩老筛的稽心指导。 回顾几年来的学习历程，韩老师从生活和学习上给予了我无微不至的 关。海窝撂撂，特麓是在我遂穆学习过程牵给予了大力豹帮韵翻支持。 韩老师渊博的学识、严谨求实的治举态度、勤奋敬业的科研热情以及 充分发扬凝主豹学术终风绘我馨下了深裂的印象，j 薅凌来说怒錾常宝爨戆 财窝，不仅对我的研究生阶段学习工作产生了深刻影响，也必将在我今后 的工作、学习积生活中发摆重要传恩! 同时，要感谢机械学院的备位老师在我的课题研究过程中对我的指导 和帮助l 感谢芜湖卷烟厂的高级正程师、我的第二指母老师胡立毅先生对 我精心的指导和帮霸。 感谢工程硕士班全体同学在我的论文撰写过程中给予的光私帮助! 感谢我的家人在我磁究生学习齄蔺绦予我的关褡、支持，特别要感谢 我的爱人徐庆芳女士对我的鼓励和支持，以及时家庭所做出的奉献! 终者：丁守双 2 0 0 6 年9 月 第一章绪论 潮支空头率与爝支重囊是卷燧企鲎关注静瑟令重要拯标，它关系到港熠金攮 的品牌和效黼。目前，各机型的高速卷烟设备都怒通过堂量控制自动控制烟支的 单支莛量。 1 。1 微波技术蛇发展 在科技发展一目千原的今天，微波技术也得到了迅猛的发展。微波的始朋 是第二次世界大战期间，英国科学家利用微波方向性强，遇到障碍物发生发射 静特点，磺翩藏鞠雷达掰疆探溯敌枫，蒺后5 0 多年镦波技术蠢了飞这的发震。 就其发展方向看大致有如下几个特点： 工终频率不耢鑫裹颇段延捧。 微波元件及撼机设备不断向小型化、宽频带发展。 微渡黎绞秘设备不凝疑鸯动纯、蟹辘化鄹多珐旋他薅方自发展。 微波技术原先主要应用在移动通信、卫星通信、毫米波通信、微波遥感、 无线光通信等五个方亟，现在应用范围更加广泛。 1 2 卷烟机烟支重量控制系统的发展状况 潮支燕量是一璜重瑟懿卷爝质量攒褥。在2 0 遣纪8 0 年代末，齑遥卷烟飘 普遍采用以s r 9 0 放射源为检测探头的烟支重量自动检测控制系统，典型的有 m o l t n s 公运静m a i d n 系统释h a u n i 公鼋赘s r m 系统。该技零憨够窍效检测 和控制卷烟平均薰量，对于提升烟支重激的控制水平具有重要作用。但随着时 阙熬接移，它的毒车多缺纛逐潦暴露出来，主要蠢以下尼点： ( 1 ) s r 9 0 是放射性材料，由于高能y 射线的存在，对环境及人体产生 了不可避免的辐射危赛，始终存在潜在的危险； ( 2 ) 这藏检测系统受外界因素的影响有时会造成重鬣控制不稳定，而 且不易被发现，由于设备高速运转容易造成大量不合格产品，给企业造成不 必要酌损失。 ( 3 ) 紧头是由卷烟机上带凹槽的劈刀旋转产生的，劈刀槽相对于切刀 静疰饕决定了絮头靛状况，在嚣翦豹卷接设备上，蘩头的位黉基零上罄是敲 靠机械的同步米实现的。但在卷烟机工作在高速状态时，会出现烟丝、布带、 啜丝带簿戆髓嫒打垮溪象，感琏产生紧头位震鲍漂移，导致空头懿痿褒； ( 4 ) 原重量控制系统为m w c 或m a i d n ，均为模拟控制方式，藏调整、 监控都不方便，丽且糕度不赢。 ( 5 ) 敌耱率逐灏增多，窍嚣褥门不齄关闭或抒不开。 ( 6 ) 系统老化导致系统不能很好工作。使得烟支生产过程中烟支重量 捡潮强控静灌礁性簿氍，缝经造或耀支耋爨不台楱，渡爨矮丝。 ( 7 ) 维护不方便。s r 9 0 是放射性材料，每当出现故障时须请外单位专 门维修人员上门维修，且维螃馀格昂爨，延误了对耀。 ( 8 ) 因国内卷烟机组大多数运行时间较长，s r 9 0 放射源存在肴一定的 衰减，造成检测精度降低。 因此各卷烟厂窳迫切需求一种更安垒、可靠、灵敏的烟支重鬣检测系统。在 线微波烟支煎量检测系统磁是在这种需求下产生的。系统采用金属空腔谮振器检 溺在线运行豹矮条，采甭频率跟踩攘术获褥新需参数，经遵各种脊偿嚣，计羹窭 烟条的密度和水分。系统测量时，免预热、免调零、无污染、安全可靠。 这秘系绞悲够较荮逮熬决班蓑产品存在麴阉麓，甥实皴裂垂凌鼹踪竣测耀支 的紧头位置并实时作出智能动态调整；对烟支重鬣实时监测并及时作出处理、调 整，扶两缳涯烟支矮量。这秘系绶应渍足叛下技术要求： 伺服机构对劈刀盘的相对位置进行在线智能调艇，调憋精度可迭0 3 5 度( 紧头位置一次调整像移可精确到0 。5 m m 以下) 。 紧头调熬及重量控制均采用数字亿处理，单支潮采样点数达到1 0 0 1 5 0 点，对烟支密度的检测更加精确。可以识别出超轻烟、超重烟及偏轻烟、偏 蓬溺等并逡行桷应的副除。 鼠有紧头密度分布曲线及重量分布曲线显示，弗有自动和手动两种控 剿方式，戳及紧头疆整磅缝嚣踅量设鬟谖整臻艇、稳关报警臻患等，搡箨袭 用方便。 数字淫节生产煺支戆镳较比例，降低擎支烟重，减，l 、烟丝游糕，提嘉 生产效益。 威用新型微波扫描器，提高控制系统的准确性，最大限度地降低各种 干扰。 镏能卷烟机紧头跟踪及熬量控制系统，能有效控制烟支的重量，显著 辩 毳烟支的空头率。 触摸式工控机系统，友好的人机界面。 1 3 本课题的来源及主要研究内容 1 。3 1 谍题魄来源 本世纪初微波检测技术被应用到烟支蘑量检测控制系统，典裂的有h a u n i 公司的m i d a s 系统、t e w s 公司的l i b r a 系统和嬲内上海恒迸公司的h s w b 系统等。由英国h a u n i 公司生产的p a s s i m 系列卷接机组已成为我国卷烟生产企 业的绝对主力机型，其中m a i d n 在整机电控系统中起着重要的作用。由于设 备的长年运行，原m a i d - n 控制系统出现的问题逐渐增多。核扫描器在m a i d n 系统中主要负责测量烟丝的密度，由于核扫描器存在着不稳定性和放射性的 缺点，使得不少烟厂正在寻找核扫描器的替代产品。由德国t e w se 1 e k t r o n i k 公司研制的微波测量仪正是核扫描器的替代升级产品。现在研制推出的 “z n 0 1 0 4 微波重量控制系统”正是在利用德国t e w se l e k t r o n i k 公司的先进微 波测量技术和多年来在m a i d n 国产化的丰富经验相结合的产物。“z n 0 1 0 4 微 波重量控制系统”的推出顺应了市场的需求，它不但稳定性好、不存在放射 性，而且解决了原重量控制系统中削丝盘调节过程中的超调震荡现象该项目 完成后，在我国某些卷烟企业应用使我国卷接机组的烟支控制质量水平上升 一个台阶，满足各卷烟厂的需求。 本人参与了该系统的安装、调试和应用并对其使用性能进行了分析研究 再此基础上撰写本文。 1 3 2 主要研究的内容 1 了解卷烟机重量控制系统的进展状况。 2 分析了微波检测烟支重量的基本原理，以及现有的几种检测系统的结 构。分析其优缺点。 3 以微波检测烟支重量的误差数据进行分析，研究其检测性能。 4 通过对卷烟企业使用的z n 0 1 0 4 微波重量控制系统应用研究，提出保证烟 支重量控制检测系统的高稳定性、高计量精度的方案，并且验证所研究的结果。 第二章翅支霆量检测控利系统工捧簌理的分析 2 。1 簸波技本餐奔 微波是无线电频谱的一部分。它指频率在3 0 0 m h z ( 波长l 米) 到3 0 0g h z ( 波长l 毫米) 蛇电磁波。微波技术是蒸于微波瓣特点发展恧形成的一门技术。 它的研究内容包括微波的产生、传输、传播、辐射、稔测及应用等方面。 由于微波具有谗多独特的优点，它在军事及民用技术方面都褥到了广泛的 应用：利稍微波信号能在金属物体表面反射而髓波长短、定向往强的特性，入 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 广泛孺子暹讯技术中；桶用微波照射携矮，使豹覆孛静偶裰分子转羲褥产生熟 擞，它被用于材料加热、干燥、灭菌及鼷疗方面；利用微波在不同材料中的传 播速疫、强瘦弱变氆哥叛震来羧溅楗瓣麴特瞧镲等。 本产品利用烟丝条通过微波电磁场时，由于烟条的密度及水分禽量的不 嗣，健微波电磁场躯量参数发生变化寒梭测烟丝条熬蘩量襄含农量。凌予微波 信号频率商、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，所以它具衡能在线、实时、快速、无损对 衬料特性检测的特点。本产品使厢的微波功率极小，仅为1 0 m w 左右，所以铝 对工作场地及操作人员不会造成任何污染和伤密。 2 2烟支重擞检测控制系统正作原理 潮支重量竣溅控剿系统圭囊壶翅条密度溅量头、辘编羁器、翅祭蕴测嚣、 烟支重嫩计算单元、平均重量控制单元、平准器位置控制单元、平准器电机、 平准器经置传感器窝黧霪显示装置维戏( 图2 - 1 ) 。当卷姻掇运行速发超过设 定值( 如1 2 0 0 嶷m j _ n ) 且烟条髓测器检测到烟条时，熏量控制系统启动开始 工作；运行速发低于设定值时，重量梭测和显示功能工作但平均重璧控制功 能不工作。烟条高速经过烟条密度测鬣头，测缀头获取连续酌烟条密度信号， 以及安艘于卷烟机刀架驱动主电机上的轴编码器输出的机台速度和相位信 号转送歪潮支豢量计黪单元，班计算攀支卷潮的重量裙密度分布。国于受平 准器的反应时效和单支卷烟煎量测量的准确性( 最大误差可达3 0 m g 左右) 掰缀，按剃系统不可麓控潮孳支卷翅鬟量，磊怒控铡一定数量( 1 0 0 支) 矮支 的平均重量。单支重量和密度只用于梭测重量不合格烟支的剔除、烟支单支 霆量标准差( 也称短期檬准差，数1 0 0 0 支是计簿样本) 、耀支重量缓阙差( 长 期标准麓，以i 0 0 0 支分为1 0 组计算样本) 以及烟支密度曲线的计算和显示。 烟支重爨计算单元计黪得到鸵烟支平均重量输出绘豢量控制单元，璧量控制 单元通过比较实际烟支平均重量和设定烟支重量( 目标重量) 得到重量偏差， 并转换为位移量输出给平准器位置控制单元。平准器位置控制单元根据位置 传感器信号和需要调整的位移量控制平准器电机，实现单回路反馈控制，使 平准器到达设定位置。调整平准器后生产的烟支再经测量头测量实现连续反 馈控制，实现烟支平均重量在线控制的目的。烟支重量计算单元的主要功能： 烟支重量计算单元的标定：烟支重量和密度的计算：烟支平均重量 和重量偏差的计算：烟支重量短期和长期标准偏差的计算：过重烟和 过轻烟的识别：软点烟和硬点烟的识别：烟支平均密度分步的计算。 烟支密端增量和密端位置的计算。 图2 - 1烟支重量检测控制系统结构 计算出的结果分别输出给重量控制单元、烟支重量显示装置以及卷烟机 控制系统执行相应操作。平准器控制单元的标定，通过人机界面确定平准器 调整范围与位置传感器输出电压相匹配即可，以保证平准器处于最佳调整范 围；重量计算单元的标定，通过人机界面以实际取样称重值为标准对内部重 量值进行修正，以保证烟支重量检测的准确性。测量头输出的烟条密度信号 ( 电压或频率信号) 与实际密度之间的数学关系一般在出厂前已经过烟条实 物标定，连接到该控制系统即可计算烟支重量( 也称内部重量) 。内部重量和 实测重量在一定范围内存在线性关系，标定就是确定该线性关系的截距和斜 率( 图2 2 ) 。烟支重量检测系统通常以目标( 额定) 重量为基点进行取样称 重，通过调整内部重量实现截距标定，再以重烟或轻烟取样称重标定斜率。也 可利用随机取样实测标准差和内部重量计算标准差之间的比例关系进行斜 率标定。标定后的重量计算单元可以在以目标重量为中心的范围内实现烟支 重量的准确测量。由于测量头存在信号“噪声”，所以测量的准确性和天平 称重有较大差异，但该测量误差在重量计算单元标定后属于随机误差，可以 采用测量烟支平均重量的方法使误差控制在一定范围内。在烟支重量计算单 元进行标定前，首先要校准烟条切割位置与测量头信号开始计算烟支重量的 起始位置同步( 称为切口距离校准) ，否则会造成烟支重量的测量和计算区与 烟支切割区错位，无法进行正确地标定。 2 3微波测量头和核扫描测量头工作原理比较 2 3 1核扫描头 ( 1 ) 检测原理 核扫描头的检测原理：密闭的s r 9 0 核源放射的b 射线穿过受控的快门 囊 翻 麓 林 照射 晦撇越 图2 - 2烟支重量的标定 在高速通过的烟条后进入电离室，在电离室内产生电离电流，该电离电流与 烟条密度形成一定的关系( 图2 3 ) 。 ( 2 ) 核扫描头检测的数学模型 式中j i r 一电离电流? i s “泄逸”辐射电离电流j i r o 一一一测量管内无烟条时的电离电流jp 一一一烟条密度i k 常数。 该电离电流很小，放大并经相应信号处理后转换为烟条密度信号( 电压或 频率信号) ，输出给重量计算单元。由于核源存在自然衰减以及测量管的磨 损，控制电路需定期在无烟条时进行参比源信号确认，以确保测量信号的准 确。为保证信号处理的稳定和防止结露，核扫描头采用恒温技术，首次开机要 求预热，短期停机要求控制系统和核扫描头不断电。 ( 3 ) 核扫籀头捡灏的特点 核扫描头的主要优点：电路结构简单稳定，成本低：测量不受烟丝品种、 求分影嚷；姻条密度纛效测量藏藿较大。缺点：霉专鼗人曼终护；存农灌在熬 职业健康和安仝隐患；核源存在自然褒减，一段时间届需要调籀信号放大倍 数，导致信号噪声增大，降低测量准确蠛；棱源衰减到一定程度对必缀报废， 对环境造成危密。“3 2 3 2微波测鬣头 ( 1 ) 微波重量检测探头结构 微波重量检灞探头由徽渡奄磁场空腔组伟、导潮管组静、气路缝徉、溢 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、麓号输凄驱动等。 ( 2 ) 工作原理 微波振荡瓣产生驰微波偿号传送到微波谐振腔，溺烟象穷过电磁场谐振 腔时，不同密魔及含水率的烟条会引越微波电磁场能缀参数( 谐振和波幅) 发生变化，通过对能量参数变化量的检测、分析和处联，得到烟条的密度信号 ( 包括含水率信号) 并输出蓟蘸量计算单元，从而完成烟支重踅的梭测和控 制功能( 图2 - 4 ) 。 镦渡谮强曲线觅图2 - 5 。 ( 3 ) 微波测量头的数学模型 采爝不同浆微波溅鞫不嗣售号捡溅技术，矗f 、矗h 帮被溅涵条静密度 和含水率形成的数学关系及算法有多种。其中一种检测和计算方法为j ，a 、fb 为微波发生嚣簸送的微波频率，u a 、哺 为检波器检出的输出微波信号。 取j 瞳= 1 2 ( u a + u 5 )( 2 2 ) u 交= 1 ( u b u a ) ( 2 3 ) 值反映了被测烟条的密度，密度越大，埴 越太。设m 为被澜涵祭的密度，姆m 与殖羽数 学关系? m = a + b u 点+ c u 2( 2 - 4 ) 整，零数a 、b 、e 采耀已翅寮凄熬糁矮送行标定爱获缮。投据上式，当谐掇 腔内进入被测烟条时，检波器检出u a 、u b ，经过数据处理器求得值和胛，从 甄测缛耀条的寝度? u 交反映了装测爆条鲍含水率，含瘩率越夫，u 交越太。 设矿为被测烟祭的含水率，则w 与u 交的数学关系： w = d + e u 交+ fu 2 交 ( 2 5 ) 常数d 、e 、f 采糟己知含东率酌耱囊遗行标定嚣获褥。两样，经过数辩 处理器求得蛟和r ，测得烟条的含水率。 性“ 图2 - 3核扫描头检测原理 崩恽瞄 旧画 豳2 4微波测量头工作原理 图2 - 5微波谐振曲线 注：f 0 、u 0 为空腔( 即未放入被测烟条) 时的谐振曲线：f l 、u 1 为加 羧( 馨敷入旋测溪条) 辩麴谐振莛线： f = f 0 一f1 ：a1 5 = u 0 一u 1 。( 2 - 6 ) ( 4 ) 微波测量头竣特点 微波测量头的主要优点：安全：测量信号取样速率优于核扫描头：使用寿命 长。缺点：易受烟丝品种、烟丝含水率和温度的影响：谐振腔的谐振频率易出现 “秘一 h j，一， 溢度漂移，影稳测蹙酌准确往帮稳定佳。以上浃点可采瘸穗应的技术遗行克鼹， 但会增加系统的复杂性和应用成本。“。 ( 5 ) 技术特点 1 ) 微波检测控制系统可根据操作人员需要任意断电或送电启动，并且不 震要预热，不需诞零，均可正常工 乍，熘支密魔瓤本分含量检测控制麟度帮霹 靠性不受影响。髑许多其它厂家推出的微波密度及水分检测装鼹由于设计上的 缺陷，没有从根本上解决微波元件电参数现场使用时易漂移从丽影响梭测的猴 确度和可靠性，往往要求使用者在微波梭测装鬣送电硌动后，隳很长时间的预 热及手动域自动调零。长时间的预热，影响烟厂生产时间安排和设备柱效作业 嚣雩间，繇使骰戮了长对润静预热，达到了恒温熬平衡歌态，魏莱设计上没有裰 本解决易漂移问磁，微波烟支密度和水分检测同样存在漂移和误差大的现象。 手动或鸯貔调零，绘搡僚者带来了褒矮，蘑虽农诱零翼雩，要求簿翅检溅管疼楚 清洁的，一旦导烟检测管内存留有烟丝、碎片、乳胶等异物时，调零殷而更会 鸯l 霉检测误差，戈其是程系统叁动调零时，操终人员枣予不知遂系统舞时在遴 行调零而无法去随时清除导烟检测管内存留的烟丝等异物。 2 )可以检测不同品牌烟支的密度和水分含量，无霜设置戏更改任何检测 参数。 3 ) 微波探头发射功率非常小( 比普通移动电话的微波功率小数百倍) ，对 髑阉久员及舔境笼任留危害和影麓。 4 )由于采用了专用微波发射及接收装置和特殊电子线路，从根本上解决 了微波元臀趣参数现场餐震嚣易漂移窝麓各势舔凌变 ：( 翔振动、滠袋、潼痊、 灰尘) 的影响，另外，通过试验宠大量定标试验，我们已经科举地掌掇了微波 镶譬目烟祭密度及本分之间鲍数学关系，我 | 、】开发的擞泼煺支震量控鳃系统黪 输出的检测信号凇确可靠地反映了烟条煎量及含水量，从而保证了烟支重量检 测及控制的精度。 5 )出于微波烟支重霪控制系统输出信号溉反缺了烟条密度又反波了烟条 水分，从而消除了烟丝水分对检测装置遗成的影响，这是传统的检测装置无法 解决弱藏鬏。 6 )微波烟支重量控制系统输出信号及接口同原机平均重嫩控制及数据采 集系统吴有完全一致瓣兼褰性。 7 )微波信号采用高速计算机进行处理，使重量输出信号的采样间隔小于 8 0 微秒，突全能够满足器秘毫遮卷接极缀在线梭测约速度要求。 8 )整个检测系统经过高低温试验、震动试验和连续通电试验等各项严格 检骏和测试，软硬件安全、稳定、可靠，使用及维护比较方便。 2 ，3 ，3擞渡颓港纹戆基本藩熬 为了能动态地观察被测信号的频谱，现代频谱仪大多采用扫频超外麓式接收 方案，利用扫频第一本振的方法，被测信号缀混频后得到固定的中频信号，经 不羼带突滤波器层，就毙鼹察到频差较小的题个信号。簌窕带井差式频谱仪设 计中，为清除谴像謦秘多重响应等干撬，常采蠲骶秘方案：第一静是采耀预选器； 第二种是采用上变频。由于预选器频率受下限限制，宽带频谱仪总是被划分成 高、低两个波段。低波段采用高中频的方案，它只要一个固定的低通滤波器而 不是谖粒甄逶或辩逶裁霹以瓣镶像进蜇瓣铡。裹渡段袋瘸预选器慰辕入售号 进行鞭选，有效地抑制镜像。图2 6 是h p 8 5 9 x 系列频谱仪的简化原理椴图。微 波信号缀输入衰减器后被分成两路分别输入刹高、低两个波段。 蘸2 6 频谱 雯缀瑶搓蚕 在低波段，频率为9 k h z 2 9 5 g h z 的信号被切换到第一变频器中的基波混 频器部分( m x r l ) ，得到第一中频f l i f ( 3 9 2 1 4 m h z ) ，f 1 i f 经过第二变频器 得到第二中频f 2 i f ( 3 2 1 4 m h z ) 。高波段，频率为2 。7 5 g h z 2 2 g h z 的信号 被凌换烈预选器( y t f ) ，颈遗嚣静信号输入裂第一交簸嚣中静谮波瀵凝器部 分( m x r 2 ) ，得到第二中频f 2 1 f 。f 2 i f 经第三变频器变换得到第三中频f 3 i f ( 2 1 4 m h z ) 。在该中频上，对信号进行处理，使信号缀不同带宽滤波器的 选择，褥经过线性获慰数放大、捻波、数字鬣他和显示。调谐方程如下： 羝波羧：f u o f 静= f l i f( 2 7 ) f l i f f 2 l o = f 2 i p( 2 - 8 ) 高波段：n f 1 u o f k f = f 2 i f( 2 9 ) 式申：n 鸯谐波浚频次数，f 1 l o 鸯第一本撅频率，f 2 l o 为笺二本掇频率， f r f 为输入信号频率。 各主骚组件的功熊输入衰减嚣是o 7 0 d b ；以1 0 d b 步谶的程控衰减器，主 要用途怒扩大频谱仪的幅度测量范围，使幅度测量上限扩展剥+ 3 0 d b m 。它不 但用于保护第一变频器过载，并且用于优化混频器电平以实现最大的测量动态 范围。该衰减器的默认状态设置是1 0 d b ，用于改善频谱仪和被测源之间的匹配。 第一本振采用y i g 调谐振荡器( y t o ) ，它具有主线圈和副线圈两个控制端口， 改变流过线圈中的电流的大小就可以改变输出频率。扫频是利用一个斜波信号 加在y t o 驱动电路上来实现的。它提供的频率范围为3 6 8 g h z ，用于驱动第 一变频器；扫描斜波发生器产生一1 0 v + 1 0 v 的扫描电压，变换成斜波电流后， 用于驱动y t o 的扫频。通常利用跟踪锁频技术或频率合成技术，将本振锁定在 参考源上，以提高本振的调谐准确度和稳定度。变频器的作用就是将微波信 号变换成低频，对于频率范围为9 k h z 2 2 g h z 的宽带频谱仪，它的第一变频器 中包含有两个混频器，一个是用于低波段的基波混频器，另一个是用于高波段 的谐波混频器。变频器中还包括6 d b 衰减器、单刀双掷开关及匹配网络等。它 们分别在石英和陶瓷衬底上，是采用微带技术与集总元件相结合来实现的。因 此，第一变频器是宽带频谱仪中最关键的微波部件之一。第二变频器主要完 成第一中频到第二中频的变换。本振频率是3 6 g h z ，它由6 0 0 m h z 倍频获得。 第三变频器将第二中频变换到第三中频，其本振为3 0 0 m h z 。步进增益放大器 对第三中频信号进行放大，主要用于参考电平和衰减器变化时整机增益的调 整。带宽滤波器可以提供3 m h z 3 0 h z 以1 、3 、5 为步进的多种不同的分辨率带 宽。调谐滤波器( y t f ) ，用于预选信号，该器件是宽带微波器件，具有3 0 k h z 的滤波带宽，设计上总是被第一本振所调谐，并有一个固定的频差( f 2 i f ) 。对 数放大器是将信号作对数处理，扩大测量显示动态范围。交流信号由检波器转 化为视频信号，再进行数字量化。经过各种运算得到的测量结果输出在显示器 匕。 3 2 3 4微波检测技术参数 ( 1 ) 电源：a c l l o v 1 0 ；5 0 h z 1 0 ： ( 2 ) 微波发射功率：l o m w ； ( 3 ) 取样频率：每次取样间隙时间 8 0 s ( 1 2 5 0 0 次秒) ； ( 4 ) 工作环境： 温度：o 一6 0 。c 空气湿度：无凝露( 9 0 ) ( 5 ) 输出信号及接口：兼容m a i d n 、m w c 、s r m 等烟支重量控制系统； ( 6 ) 密度测量范围：0 - 0 6 9 c m 3 ( 烟支密度约为o 2 0 一0 3 5 9 c m 3 左右) ( 7 ) 水分测量范围：o - 3 5 ： ( 8 ) 导烟管清洁用压缩空气压力：6 0 0 1 0 0 0m b a r 。 第三章耀支重量控裁系统在濯祝上改进释设计 3 1 炫援壤骞重量控裁系统戆毒爰獯 国内的高速卷烟机普遍采用以s r 9 0 放射源为检测探头的烟支重量自动检测 控卷l 系统，典型的褥m o l i n s 公司麴m a i d n 系统和h a u n l 公司旋s r i d 系统。该 技术能够有效检测和控制港烟平均重量，对于提升烟支重量的控制水平舆有重要 作用。但由于s r 9 0 是放射性材料，始终存在潜在的危险。目前这些检测系统受外 界囡素的澎晌有对会造戒燕量控镧不稳定，而且不易被发现，由予设备高速运转 容易造成大最不合格产品，给企业造成不必要的损失。紧头是由卷烟机上带凹横 的劈刀旋转产生懿，劈刀耩籀瓣予切刀弱谴置凌定了紧头静获溅，在嚣翁的卷按 设备上，紧头的位鬣基本上都是依靠机械的同步来实现的。但在卷烟机工作在高 速状态露，会爨瑷孀丝、戆豢、蔽丝蒂等浆蘧掇抒溪瑷象，叁魏产生紧荚经置静 漂移，导致空头的出现；原重量控制系统为m w c 域m a i d - n ，均为模拟控制