應用透射式微波水分儀在線檢測煙包整體含水率

焦芃然 劉玉斌 寇建波 陳景正 李紅京 劉柏松 段海濤 鐘良 趙彬 胡立朝 張彥偉 解民 鄭松錦

摘 要：片煙煙包含水率是一個直接影響松散回潮工序出口煙葉含水率的重要工藝參數。傳統的紅外水分儀與微波水分儀因工作原理的限制難以用于煙包含水率的實時檢測。為解決此問題，引入了一種透射式微波水分儀OMA-100，并建立了檢測煙包內部整體含水率的取制樣方法。試驗數據表明透射式微波水分儀能夠準確地跟蹤煙包整體含水率的波動，預測值與烘箱法檢測值二者之間Pearson相關系數為0.92，擬合優度系數R2=0.843，標準偏差0.45，含水率預測值不受牌號、等級等因素的影響。

關鍵詞：煙包 含水率 透射式微波水分儀 松散回潮

中圖分類號：TS43 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）03（c）-0075-02

松散回潮[1]工序是卷煙生產過程中的關鍵工序，按照國家煙草總局頒發的卷煙工藝規范[2]的要求，該工序出口葉片含水率應保持在±1.5%的允差范圍內。目前，企業普遍存在松散回潮工序出口葉片含水率波動大，難于控制的問題。王劉勝等人的研究[3]表明，回潮機加水量與加料后和烘前水分平均值呈現顯著正相關。該工序的水分控制對后續工序尤其是葉絲干燥的影響作用明顯。造成松散回潮出口葉片含水率波動大的主要原因是來料煙包產地多樣，各等級水分偏差大，并缺乏有效的煙包含水率檢測手段[4-5]。

目前煙草生產企業大部分采用紅外水分儀[6]與基于諧振腔原理的微波水分儀[7]。蘭濱杰[8]對兩種水分儀的性能進行了比較性研究。紅外水分儀檢測的是物料表面水分，且測量結果受物料表面顏色與環境變換因素的影響較大?；谥C振腔原理的微波水分儀雖不受物料顏色的影響，但屬于接觸式測量，安裝與日常維護困難，對含水率超過20%的物料測量精度低。還有一種透射式微波水分儀，采用非接觸測量方式且檢測物料內部整體含水率，已經在打葉復烤原煙煙包含水率檢測[9]與庫房煙包霉變檢測[10]等環節取得了良好的應用效果，然而在松散回潮工序來料煙包含水率的在線檢測方面尚未有相關報道。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

2013年某公司生產的三個不同卷煙牌號的來料煙包。

FED240型烘箱（德國BINDER公司）；AR223CN型電子天平（美國OHAUS公司）；OMA-100透射式微波水分分析儀（湖南合立拓普科技有限公司）。

1.2 標定方法

1.2.1 子樣本數量的確定

從統計學的角度而言，不同的抽樣方式所需要的子樣數量是不同的。對重復抽樣（子樣取出檢驗后重新放回總樣），子樣數量的計算公式如下

n=U2ɑ/2/Δ2 （1）

其中n為子樣數量，U2ɑ/2為置信區間ɑ所決定的可靠性系數，σ2為樣本的總體標偏，Δ2為采樣的允許誤差。若抽樣方式為不重復抽樣，子樣數量的計算公式為

n=U2ɑ/2σ2N/（Δ2N+U2ɑ/2σ2） （2）

其中N為樣品數量。

由于總體煙葉樣本為200kg公斤的煙包煙葉，其數量遠遠大于幾克至幾十克的子樣樣本。因此，盡管我們的抽樣方式為不重復抽樣，在實際中仍可利用公式（1）計算需要的子樣數量。取置信度1-ɑ=99.73%，可靠性系數經查表后確定為9，σ確定為0.5，Δ也考慮為0.5。由公式（1）可以得到子樣數量需為9。

1.2.2 子樣本的取樣與化驗方法

由于200kg煙包通過切片機后被切分成大小一致的5片，分別在第2、3、4片的中部左、中、右位置9個獨立子樣，每個子樣約50g左右，裝入密封袋中后予以密封。檢驗場地環境溫度22±2?C，環境濕度60±5%。按煙草行業標準YC/T 31-1996[11]中要求將每個子樣制樣后分成兩個平行樣品，每個樣品在4～6g之間，進行烘箱法檢測。

2 結果與討論

獲取某煙廠三個牌號產品松散回潮入口煙包116組樣本，進行單因素方差分析。首先利用Bartlett檢驗驗證兩個變量是否滿足方差齊次性。計算結果為檢驗Bartlett統計量為15.25，P=0.292>0.05。因此兩變量方差齊，即兩變量離散程度接近。單因素方差分析結果如表1所示。由于F值遠小于F臨界值，說明烘箱法與OMA-100顯示值之間的差異無統計學意義，即可利用OMA-100顯示值均值替代烘箱法均值。

建立烘箱法（y）與OMA-100顯示值（x）之間的一元線性回歸模型y=b1x+a1。取95%的置信區間，利用最小二乘法確定線性回歸模型為y=（1.0001±3·0.0405）·x+0.0843。為檢驗該回歸模型系數是否顯著，建立原假設H0：回歸模型系數b=0。引入統計量β1= b1/Sb ，其中Sb1為回歸方程系數b1的標準誤差，計算該統計量為24.750，其值應該滿足學生t分布。由于以上回歸模型中自由度為1，經查表可知t0.05（1）臨界值為6.316。由于24.750大于6.316，因此有超過95%的信心水平認為該變量應該被引入回歸方程，即烘箱法數值（y）與OMA-100預測值（x）確實存在線性相關性。計算二者之間Pearson相關系數為0.92，回歸方程擬合優度系數R2=0.843。

本次檢驗結果顯示OMA-100顯示值與烘箱法檢測值之間的標準偏差為0.45。對烘箱法與OMA-100顯示值之間的偏差進行Anderson-Darling正態分布性檢驗，可以得出結論偏差符合正態分布（P=0.438>0.05），即偏差是獨立隨機分布的，不依賴于任何可控的外部因素。

3 結論

穿透式微波水分儀OMA-100的標定周期較長，應用OMA-100預測煙包含水率不受牌號、等級等因素的影響。檢測煙包含水率與烘箱法檢測對比結果顯示，二者之間Pearson相關系數為0.92，擬合優度系數R2=0.843，標準偏差0.45。

采用穿透式微波水分儀能夠能夠實時檢測制絲線松散回潮工序來料煙包含水率的波動。在此基礎上，構造有效的前饋-反饋水分控制系統可進一步解決因無法預測來料煙包含水率而造成的松散回潮工序過程控制能力低、出口含水率波動大的問題。

參考文獻

[1] 陳良元.卷煙加工工藝[M].鄭州：河南科學技術出版社，1996.

[2] 國家煙草專賣局.卷煙工藝規范[M]. 北京：中央文獻出版社，2003.

[3] 王劉勝，馮文寧，齊紅光，等.穩定烘前水分實現水分儀連線標定的方法[J].中國西部科技，2010，9（32）：29-30，39.

[4] 董偉，李坤，王健，等，HAUNI松散回潮滾筒含水率控制系統的改進[J].煙草科技，2012（11）：21-22，25.

[5] 曹正良.片煙松散回潮含水率控制方式的改進[C]//中國煙草學會工業專業委員會煙草工藝學術研討會論文集.2010：65-67.

[6] 王建騰，李松，董小衛.用于煙草水分檢測的兩種紅外水分儀[J].計測技術，2006（S1）：17-19.

[7] 邱 曄，彭金輝，黃銘，等，微波諧振腔微擾技術快速檢測煙絲含水率[J].煙草科技，2008（6）：38-40.

[8] 蘭濱杰.在線水分儀在煙草行業中的應用[J].計算與測量技術，2011（12）：39-40.

[9 黃振軍，張其龍，崔焰，等.微波水分檢測儀在原煙煙包含水率快速檢測中的應用[J].煙草科技，2014（1）：45-48.

[10] 蘭濱杰.整包在線微波水分儀在煙草行業中的應用[J].計算與測量技術，2011 （12）：27-28，30.

[11] YCT 31-1996.煙草及煙草制品試樣的制備和水分測定-烘箱法[S].