掃描成像式煙絲快速測量儀的取樣及應用研究

劉 洋 劉民昌 溫若愚 趙維一 曾 建 周學政（川渝中煙工業有限責任公司技術研發中心，四川 成都 610066）

煙絲寬度是一項重要的卷煙工藝指標，對卷煙的感官質量及物理指標有明顯的影響［1］。傳統用的膠棒法測量煙絲寬度，是將膠棒放在切絲機入口處，然后通過切絲機將膠棒切成片狀，再用千分位游標卡尺測片狀膠片寬度來模擬煙絲寬度。因其人工參與度較高、精度較低等缺點，而不能準確反映出煙絲的寬度［2］。掃描成像式煙絲寬度快速測量儀是一種快速、精確的煙絲寬度檢測儀器，該儀器對平鋪在煙絲盒中的若干煙絲進行CCD線陣掃描成像，根據投影算法，將二維灰度數據轉變為一維灰度和序列，利用自適應閾值分割，獲得單根煙絲所在的圖像區域［3］。對所獲得的圖像區域采用圖像二值化、高通濾波、sobel邊緣算子方法進行處理，獲得單根煙絲輪廓邊緣圖像［4］。計算圖像灰度發生突變時兩個位置間的像素數，根據單個像素點對應的實際面積，結合CCD成像系統倍率和像元尺寸，計算出被測煙絲的寬度［5］。煙絲快速測量儀測量結果誤差≤0.5%，變異系數＜0.2%，能夠滿足標準規定的切絲寬度允差（±0.1mm）［6］。

然而，前人［5，6］并未確定快速測量儀取樣方法，也未將快速測量儀應用到對切絲質量和切絲機運行狀況進行評價中，因此，本研究擬根據煙絲快速測量儀的功能屬性，確定煙絲樣本取樣方法，將煙絲快速測量儀與膠棒測量煙絲寬度的方法進行對比研究，并采用傳統煙絲、膨脹絲、薄片絲3種煙絲物料及TOBSPIN和YS14兩種切絲機對掃描成像式煙絲寬度快速測量儀進行應用研究。

1 材料與方法

1.1 原料與儀器

川渝中煙所生產的嬌子（藍）切后煙絲：川渝中煙有限責任公司成都分廠；

CO2膨脹煙絲：川渝中煙有限責任公司成都分廠多寶寺廠區；

造紙法薄片煙絲：成都市西河薄片廠；

煙絲快速測量儀：Tm－i型，川渝中煙技術中心；

切絲機專用膠棒：JCT型，振華機械有限公司；

千分位游標卡尺：500－196型，日本 Mitutoyo公司；

切絲機：TOBSPIN型，德國Hauni公司；

切絲機：YS14型，昆明煙機集團二機有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 煙絲快速測量儀的測量方式 將所取樣品煙絲放入煙絲工件盒中（圖1），然后通過煙絲工件臺系統（圖2）將煙絲盒送至CCD掃描鏡頭下待掃描成像（圖3），通過控制界面控制（圖4），能夠完成煙絲自動進樣、圖像采集、圖像分析、數據計算及輸出等功能。

1.2.2 膠棒法測量煙絲寬度的測量方式 膠棒法是目前校驗切絲機切絲寬度符合性的常用方法，即在切絲機片煙內放置一根切絲機專用膠棒，隨切絲機內的煙片同步運行，經切刀切割后膠棒被切成薄片，利用千分位游標卡尺測量膠片的厚度，以此代表煙絲的寬度。

圖1 煙絲盒示意圖Figure 1 Cut tobacco box system

圖2 工件臺系統Figure 2 Workpiece table system

2 結果與討論

2.1 擺放數量對煙絲寬度測量儀測量結果的影響

為了考察煙絲擺放數量對測量結果的影響，在煙絲盒上擺放一根寬度為0.90mm的標準樣品，再分別擺放1，5，10，15，20，25根煙絲，每次擺放不同數量煙絲后重復測量標準樣品6次，考察擺放數量對0.90mm標準寬度樣品測量結果的影響。由表1可知，在相同擺放數量下，不同試驗測量結果的標準偏差較小，說明測量結果的重復性較好；在不同擺放數量下，各測量結果平均值的平均值呈無規律變化，且相對誤差均小于0.1%，說明煙絲的擺放數量對測量結果無影響。測量時，在保證煙絲無交叉重疊的前提下，對擺放數量沒有要求。

圖3 掃描成像系統Figure 3 Scanning imaging system

圖4 計算機軟件操作頁面Figure 4 Software operating system

表1 不同擺放數量的寬度測量結果Table 1 Tobacco width measured results of different tobacco amout

2.2 煙絲取樣重量對煙絲寬度測量儀測量結果的影響

為了確定影響測量結果的最小取樣量，在切絲機出口分別取煙絲10，30，50，100g，從每批煙絲中隨機選取25根煙絲進行寬度測量，考察取樣重量對測量結果的影響。由表2可知，不同取樣重量下測量結果呈無規律性變化。對平均值差別最大的30g和100g測量結果進行Z檢驗（雙樣本均值分析），其P值為0.345 6，大于0.05，平均值無顯著性差異，說明取樣重量對煙絲寬度測量結果無顯著性影響。取樣時煙絲重量滿足測量要求的煙絲數量即可。

2.3 煙絲取樣數量對煙絲寬度測量儀測量結果的影響

2.3.1 利用統計學確定樣本量 在抽樣測量時，樣本量的大小直接影響抽樣樣本的代表性，足夠的樣本量是保證測量誤差在規定范圍內的重要因素，在統計學中，樣本量的大小應考慮樣本的變異程度、絕對誤差限和置信水平［7］。即樣本的離散性越大，樣本量越大；抽樣誤差越小，樣本量越大；置信水平越高，樣本量越大，一般置信水平取95%。樣本量的計算公式見式（1）：

式中：

n——樣本量，根；

U1－α/2——統計量，置信水平為95%時，U1－α/2＝1.96；

σ——標準偏差，mm；

E——絕對誤差限，mm。

取300根煙絲，測量其寬度，煙絲寬度的平均值為1.128mm，標準偏差σ＝0.130mm，當置信水平為95%時，統計量U1－α/2＝1.96，絕對誤差限取煙絲寬度平均值的5%，E≈0.056mm，經計算，樣本量n≈21。

2.3.2 驗證實驗 按照不同樣本量進行煙絲寬度測量，每個樣本量重復測量6次，考察不同樣本量測量結果的標準偏差，結果見表3。由表3可知，隨著樣本量的增大，測量結果的標準偏差呈逐漸減小的趨勢，且當樣本量大于25時，其減小幅度不明顯。考慮到實際測量時的煙絲盒的大小以及上述統計學計算結果，最終確定測量煙絲寬度的樣本量為25根。

表2 不同取樣重量煙絲寬度測量結果Table 2 Tobacco width measured results of different sampling weight mm

表3 不同樣本量煙絲寬度測量結果Table 3 Tobacco width measured results of different sampling amount mm

2.4 測量時間對煙絲寬度測量儀測量結果的影響

現場抽取樣品后，對7根煙絲分別在0，5，10，20，30，60，120，180min時進行寬度測量，考察測量時間對煙絲寬度測量結果的影響，結果見表4。由表4可知，隨著測量時間的增加，煙絲寬度總體呈減小的趨勢，且前期減小較快，后期趨于平緩，以零時刻的測量結果為真值，相對誤差隨測量時間的增加而增加，當測量時間大于20min時，相對誤差超過1%。這是因為煙絲寬度與煙絲含水率在一定范圍內呈正相關：y＝0.004x＋1.082，如圖5和圖6所示，煙絲含水率隨著放置時間的增加導致煙絲細胞收縮，從而造成煙絲寬度降低，且前期減小較快，后期趨于平緩。因此，對煙絲進行寬度測量時，取樣后應密封樣品并立即測量，不宜長時間放置，測量時調節環境應符合GB/T 16447—2004要求。

2.5 煙絲快速測量儀測量不同類型煙絲的寬度

分別取25根相同切絲參數下的傳統煙絲、膨脹絲、薄片絲進行寬度測量。由表5可知，對于平均寬度，傳統煙絲和薄片絲的寬度差別不大，膨脹煙絲寬度明顯增大；對于標準偏差，膨脹煙絲標準偏差最大，薄片絲標準偏差最小。這是由于膨脹煙絲是經液體CO2浸泡后，通過200℃左右的熱風快速加熱膨脹工序生產的，其煙絲寬度的不規則性要大于傳統煙絲［8］；而造紙法薄片是通過煙末等原料經過造紙過程而制造的，相對于傳統片煙，它的煙片結構更加均勻，因此薄片煙絲比傳統煙絲要均勻［9］。可以看出測量儀對3種常用煙絲寬度的測量結果能夠反映其真實性。

表4 不同測量時間下的煙絲寬度Table 4 Tobacco width measured results of different

圖5 煙絲含水率隨測量時間的變化Figure 5 Relationship between moisture content of tobacco and measuring time

圖6 煙絲寬度與含水率的關系Figure 6 Relationship between tobacco width and moisture content

表5 3種煙絲的寬度測量結果Table 5 Tobacco width measured results of three kinds of cut tobacco

2.6 煙絲快速測量儀測量不同切絲機類型切后煙絲寬度

對TOBSPIN和YS14兩種切絲機日常工作中的煙絲進行寬度測量，考察其符合性和穩定性，樣品數量為25。由表6可知，對于符合性，TOBSPIN切絲機實際測量值明顯大于設定寬度，相對誤差較大，YS14型切絲機實際測量值和設定值較為接近，相對誤差較小；對于穩定性，兩種切絲機所切煙絲的標準偏差均較大，相對而言，YS14切絲機較TOBSPIN切絲機更為穩定。YS14切絲機的符合性和穩定性優于TOBSPIN切絲機，因此煙絲快速測量儀也可用于對不同切絲機的穩定性評價。

表6 不同切絲機的煙絲寬度測量結果Table 6 Tobacco width measured results of different tobacco cutters

2.7 煙絲快速測量儀測量不同切絲機參數下的煙絲寬度

為了考察切絲參數對煙絲寬度的影響，在相同刀門壓力（37kN）下設定不同切絲寬度（0.85，0.90，0.95mm），測量煙絲寬度，樣品數量為25。由表7可知，對于不同切絲寬度，實際測量值均大于設定寬度，相對誤差隨設定值的增大而增大。

表7 不同切絲參數的寬度測量結果Table 7 Tobacco width measured results of different tobacco cutters’parameters

2.8 煙絲快速測量儀與膠棒法對比

對切絲機設定不同切絲寬度，分別用膠棒法和煙絲寬度快速測量儀進行寬度測量，樣品數量為25。由圖7可知，膠棒法和煙絲寬度快速測量儀的實際測量值整體均大于設定值，說明切絲機切絲寬度的符合性存在不足；由于膠棒與煙絲在彈性系數和塑性系數等物理特性方面存在差異，導致膠棒法的測量結果比煙絲寬度測量儀平均小0.062mm；在一定范圍內，測量儀與膠棒法的測量結果呈正相關，其關系方程為：y＝0.930 9x＋0.127 5。

圖7 膠棒法與測量儀測量結果的關系Figure 7 Width results by the rapid measuring instrument and using plastic rod

寬度測量儀更能夠對煙絲寬度進行直接測量，對切絲工作進行正確指導；利用煙絲寬度測量儀對煙絲進行寬度測量，可隨時對生產過程進行監測，省去停機放置膠棒和人工挑選膠片的工作，避免由于膠片挑選不干凈而造成生產事故。通過對膠棒法和煙絲快速測量儀測試同種樣品進行計時，發現膠棒法用1h左右才能完成膠棒切片、游標卡尺測量讀數、數據整理工作；而煙絲快速測量儀總計用時只有12min左右，煙絲快速測量儀測試用時為膠棒法的1/5。

3 結論

綜上所述，本試驗基于煙絲快速測量儀的設備性能，通過對取樣重量、每次煙絲擺放數量、取樣根數的研究，確立了測量煙絲寬度所需的樣品量為25根；并以此取樣方法為基礎進行了煙絲快速測量儀的應用研究。結果表明：① 煙絲寬度快速測量儀所測批次樣品時間為膠棒法測量時間的1/5，不僅能縮短測試時間避免煙絲水分散失對測量結果真實性的影響，還能夠簡化人工操作避免煙用膠棒混入切后煙絲而造成的生產事故；② 煙絲快速測量儀對于傳統煙絲、膨脹煙絲、薄片煙絲的煙絲寬度測量具有較高的準確性，能夠滿足日常卷煙工業生成所用煙絲類型的測量；③ 煙絲寬度快速測量儀測量結果可以對不同切絲機不同切絲參數進行穩定性評價，進而指導日常制絲工藝生產。

1 王建民.煙堿/焦油比與卷煙吸味品質之間的關系［J］.煙草科技，2002（5）：8～10.

2 趙國慶.膠棒檢測法在梗絲厚度測試中的應用［C］//2010年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.青島：中國煙草學會工業專業委員會，2010：139～141.

3 王淑蓉.一種基于自適應技術的二維平面采樣方法：中國，CN201310231667.8［P］.2011—11—02.

4 胡松.一種基于邊緣檢測的生物芯片樣點識別方法：中國，CN201110006888.6［P］.2011—01—10.

5 鐘玲娜.一種用于高精度數據采集系統的數據校正方法：中國，CN201310095459.X［P］.2013—03—22.

6 趙維一.基于線陣CCD數字圖像處理技術的葉絲寬度測量裝置［J］.煙草科技，2013（10）：12～16.

7 國家質檢總局.GB/T 4891—2008 為估計批（或過程）平均質量選擇樣本量的方法［S］.北京：中國標準出版社，2008.

8 韓卿.造紙法煙草薄片制造工藝的研究［J］.西北輕工業學院學報，2002，20（1）：19～21.

9 唐金嶺.干冰膨脹工藝參數對膨脹煙絲整絲率的影響［J］.食品與機械，2013，29（3）：246～249.