基于CFO器件的卷煙吸阻檢測裝置設計

鄒誠志 何愛民 牛小民 曹昌清 趙樹彌 朱震 吳曉松 王安

摘要 針對卷煙吸阻測量過程中臨界流量孔件（CFO器件）生成的高速微小氣體流量產生的壓差受到環境溫濕度影響，難以準確測量的問題，設計了由進樣模塊、標準包覆模塊、電路系統、氣路系統等組成的卷煙吸阻檢測裝置，用于精密檢測CFO器件生成的高速微小氣體流量產生的壓差。根據卷煙吸阻測量標準的流量要求（17.5±0.3）mL/s，采用CFO器件產生標準微小氣體流量17.5 mL/s作用于煙蒂端。基于STM32的核心控制板，采用壓差傳感器對測量管路壓降精密檢測，使用溫度傳感器和濕度傳感器對環境溫濕度進行實時監測。通過標準棒修正由差壓傳感器本身帶來的誤差以及試驗環境中溫濕度波動帶來的誤差。結果表明，卷煙吸阻檢測裝置實現了測量過程中管路壓降的精密測量和溫濕度影響的修正，測量精度達5 Pa，比現有測量標準要求提高了1倍。

關鍵詞 卷煙吸阻；壓降檢測；氣體微流量；CFO器件

中圖分類號 TS43文獻標識碼 A文章編號 0517-6611（2018）16-0200-05

Abstract In the measuring process of cigarette draw resistance， a pressure difference was produced by high speed gas microflow which was generated by a critical flow orifice device （Critical flow orifice device， CFO device） and was affected by the temperature and humidity of the environment， it was difficult to accurately measure. A cigarette draw detection device for high precision detecting the pressure difference of CFO device generated was designed. It included sampling module， standard coating module， circuit system， pneumatic system and gas path system. According to the flow measurement standard of cigarette draw resistance requirements （17.5 + 0.3） mL/s， the CFO device was used to generate the standard gas microflow 17.5 mL/s in cigarette end. Based on the core control panel of STM32， the pressure sensor was used to precisely detect the pressure drop of the measurement pipeline， and the temperature and humidity sensors were used to monitor the environmental temperature and humidity in real time. The error of the differential pressure sensor in itself and the fluctuation of temperature and humidity in the experimental environment were corrected by some standard rods. The cigarette draw resistance detection system was tested. The results showed that the detection device of cigarette draw resistance realized the precise measurement of pipeline pressure drop and the correction of temperature and humidity influence during the measurement process， and the measurement accuracy reached 5 Pa. Thats twice as much as the existing measurement standards.

Key words Cigarette draw resistance；Pressure drop test；Gas microflow；CFO device

卷煙對于吸煙者來說已是生活中的必需品，但為吸煙者的健康考慮，把控卷煙質量尤其重要，因此，研究卷煙檢測技術，提高卷煙質量有著重要意義[1]。卷煙吸阻是衡量卷煙質量的一項重要物理指標，其變化不僅影響卷煙的吸味，同時對焦油釋放量有著直接影響[2-3]。國標和ISO標準均規定了卷煙吸阻的測量原理：將樣品煙蒂端放在測量設備中9 mm，在標準條件下維持樣品輸出端氣體體積流量為（17.5±0.3）mL/s時樣品兩端的壓差[4-6]。

對卷煙吸阻等指標檢測通常使用綜合測試臺，但綜合測試臺的測量方式具有局限性。一些研究者通過對綜合測試臺進行分析改進，使其更好地滿足卷煙企業生產時對吸阻測量的要求。代秀迎等[7]在《綜合測試臺中吸阻/壓降測量單元的優化改進》中通過改進抽吸管路測試吸阻的影響規律以調整抽吸管路長度，有效提高了吸阻測量的穩定性及準確性。陳丞[8]在原設備的基礎上，重新設計加工了送料斗、圓周長度單元、吸阻通風度單元、硬度單元的部分零部件，改造后的綜合測試臺可滿足測量5.4 mm直徑細支卷煙及濾棒的檢測需求。張吉衛等[9]基于DSP的卷煙吸阻測量儀自動分揀裝置開發，降低檢測人員勞動強度，提高分揀準確度，提高了檢測效率。王雷等[10]計算2個部門吸阻檢測數據的平均值，通過比較差值是否超出規定值，來判定儀器的一致性，不能精確了解到儀器的符合性程度。朱青林[11]研究出一種通過抽出煙支濾嘴芯，檢測卷煙煙絲段吸阻用以分析卷煙吸阻分布的方法，為更好地降焦減害、產品開發、工藝改進等研究工作提供了數據支持。劉歡等[12]選取3R4F標準卷煙作為試驗樣品，應用建立的動態吸阻計算方法考察了煙支燃燒過程中動態吸阻隨燃燒線位置的變化規律。但上述研究均是基于已有裝置，缺乏對整個系統全面的分析。

國內外綜合測試臺中吸阻/壓降測量單元均采用臨界流量孔（CFO）作為恒流發生裝置，通過壓力傳感器檢測卷煙吸阻。任靜霞等[13]對CFO的氣體穩定流動特性、氣流速度與通道幾何形狀的關系以及氣流通過噴管的流速和流量進行了分析，同時還對標準恒流孔的材料選擇及流量測量進行了說明。程靜[14]采用計算流體動力學方法對CFO在非標準條件下出現的計量特性偏差進行數值模擬，模擬結果能夠較好地預見環境影響下所產生的結果。蔣志才等[15]基于計算流體動力學對煙草專用恒流孔進行研究，綜合分析后發現標準恒流孔能在其前端保持恒定的體積流量。通過CFO的氣流量準確性檢測將直接影響儀器性能的穩定和測量數值的準確度，其環境的溫濕度對CFO的流量特性有影響。因此，研究CFO前端的壓降檢測分析，有利于提高卷煙吸阻檢測系統的準確性。

為了實現卷煙吸阻的準確測量，降低外界環境的影響，筆者根據卷煙吸阻測量標準的流量要求（17.5±3.0）mL/s，基于CFO器件設計了一種集多傳感器測量的卷煙吸阻精密檢測裝置，能夠實現卷煙吸阻測量的全面分析。

1 檢測裝置設計

卷煙吸阻自動測量裝置由進樣模塊、測量模塊、電路系統、氣路系統等組成，其具體結構如圖1所示。進料模塊由進料漏斗和步進電機構成，進料漏斗包括步進電機連接的帶凹槽滾筒，工作時電機的轉動帶動滾筒達到進樣的功能。標準包覆模塊由煙蒂端9 mm包覆塊、氣缸、氣動滑塞、底座等組成。氣路系統由CFO器件、氣管和電磁閥組成。電路系統由電源、電路控制板、傳感器等組成。

裝置工作時，計算機給STM32核心控制板發送指令，讓其輸出信號控制直流電機轉動帶動滾筒，完成卷煙的單只分離。由于重力的作用，卷煙落到測量頭上方管道。吸阻測量時，STM32通過控制電磁閥的通斷控制氣路來控制測量頭的進樣、測量、出樣。進樣時，STM32控制真空發生器產生負壓打開測量頭內部乳膠管，煙支落下。然后切斷負壓，乳膠管收縮包住煙支，連通測量管路，壓力傳感器監測管路壓降的變化情況。待壓降值穩定時，讀取溫濕度傳感器值，計算出吸阻值。測量完畢后，氣路切換，再次打開乳膠管使濾棒落入出料口中。

2 測量原理

根據標準要求，吸阻儀及吸阻標準棒檢定設備均以產生（17.5±0.3）mL/s氣流的CFO作為其恒流發生裝置。CFO器件的設計采用漸縮噴嘴結構，其內部形狀如圖2所示。噴嘴入口端氣體狀態參數記為P0、ρ0、T0，出口端氣體狀態參數記為P1、ρ1、T1，假設流動為等熵流動。

根據噴嘴流量計原理，當出口壓力P1=0.528P0時，流過噴嘴的最大質量流量為[16]：

式中，A1是定值，由于K不變，在入口端溫度T0不變的情況下，最大質量流量mmax與入口端壓力P0成正比。

CFO入口端接入不同吸阻值的樣品（圖3），即在CFO入口端引入不可恢復的壓損P（由樣品和儀器本身壓降組成），滯止參數P0發生變化，由Patm降至Patm-P。

在溫濕度不變的情況下，由于K、A1、M為定值，CFO入口端的體積流量不受CFO入口端引入的壓降ΔP影響，樣品的出口端即CFO的入口端體積流量保持17.5 mL/s不變。但溫濕度改變時，K、A1、M不為定值，則測量壓降值將受到影響。

但在實際應用時，由于儀器管路中會串聯電磁閥、過濾器等阻尼元件，氣流流過該元件時會產生一定的壓降，將從測頭到標準恒流孔CFO之間的管路定義為抽吸管路，測試結構如圖4所示。管路中CFO入口端流量VB保持17.5 mL/s 不變，而樣品輸出端流量VA將受到抽吸管路壓降的影響。

假設環境溫濕度保持不變，大氣壓為Patm，抽吸管路壓降為ΔP，樣品兩端的壓差為P1。對于A、B端氣體滿足氣體狀態方程：PV=nRT。

在此考慮氣體為定常流動，體積流量Q是同等時間內流過的體積V除以時間t，考慮兩邊同除以時間，有：

可知，在Patm與P1不變的情況下，抽吸管路壓降越大，流經樣品輸出端的體積流量越小，從而影響測量的準確性。

但在實際卷煙吸阻測量過程中受測量管路壓降和環境溫濕度的影響，此時需采用溫度傳感器、濕度傳感器、壓差傳感器等多個傳感器，對測量管路壓降和溫濕度實時監測。在不同的溫度濕度條件下測量標準棒數值，通過曲線擬合，計算出測量管路壓降和溫濕度影響的參數。通過參數修正測量值，以達到卷煙吸阻的精密檢測。

3 檢測電路設計

為實現卷煙吸阻的精確測量，使用STM32F103作為核心處理器，其電路系統框如圖5所示。電路包括溫度檢測電路、濕度檢測電路、差壓傳感器檢測電路、復位電路、晶振電路、電源電路、按鍵電路、時鐘電路、通信電路、電機控制電路、電磁閥控制電路、指示燈控制電路等。

STM32通過通信電路RS232接口接收上位機的開始指令，然后輸出用于控制步進電機的PWM信號和方向信號以及控制電磁閥的電壓信號。通過控制步進電機驅動器實現步進電機運轉，完成裝置的進煙功能。通過控制電磁閥實現氣路通斷，完成卷煙吸阻的測量動作。信號經過AD轉換器由模擬量變為數字量，經STM32處理后由RS232通訊口傳遞給上位機進行顯示。

3.1 溫濕度采集模塊

溫濕度傳感器輸出的兩路信號分別是：溫度信號的電壓值是0～5 V；濕度信號的電壓值是0～10 V。由于是不同量程的電壓信號，所以給電路AD轉換芯片的選擇帶來一定難度。ADS8509是16位精度的CMOS結構的逐次逼近寄存器型A/D 轉換器，采樣率高達250 kHz，可以雙極性輸入且輸入范圍可以是±10、±5、±3.3 V，通過外部簡單的電阻匹配即可實現[17]。采用外部時鐘模式，通過時鐘端DATACLK、轉換信號輸出BUSY、A/D 轉換結果端DATA和片選端R/C 4個接口與STM32芯片相連，實現數據采集。因此，使用ADS8509芯片能夠很好地滿足該試驗裝置要求，其電路設計如圖6所示。

P5端子的2、3短接，電壓采集為0～10 V，P5端子的2、1短接，電壓采集為0～5 V，同樣的電路結構就能解決不同量程的電壓輸入。

3.2 差壓傳感器采集模塊

卷煙吸阻的測量方式為當被測樣品進入測量頭，通過電磁閥控制傳感器氣路連通，數據采集電路開始工作。傳感器采集模擬量信號通過ADS8341轉換成數字信號，ADS8341是串行接口的16位分辨率的逐次逼近式A/D轉換器。ADS8341的轉換速率大于100 kHz，具有4通道單獨輸入或2通道差動輸入[18]。通過輸入/輸出時鐘端CLK、A/D 轉換結果端DOUT、串行數據輸入端DIN和片選端CS 4個接口與STM32芯片相連。電路設計如圖7所示。

精密壓差傳感器輸出電壓為0～3 V。AD8341芯片支持3.3 V供電、參考電壓3.0 V時，數集電壓范圍正好與精密壓差傳感器輸出信號相一致。傳感器輸出信號直接能被數采芯片采集轉換，電路結構簡單易行。

4 軟件設計

STM32的核心控制板作為系統的主控單元，串口通信接收上位機開始命令，執行測量動作，采集數據并處理返回上位機。

4.1 測量時序設計

壓降測量的氣路結構見圖8。電磁閥1號控制的氣路為清洗氣路，電磁閥2號控制測量頭氣路，電磁閥3號控制傳感器氣路。壓降測量流程：電磁閥2開，濾棒進入測量管；電磁閥2關，電磁閥3開，乳膠管包覆煙蒂端9 mm進行濾棒壓降測試；電磁閥3關，電磁閥1、2開，濾棒出測量頭。測量時通過控制電磁閥的通斷完成氣路的通斷。

4.2 數采軟件設計

溫濕度傳感器的數據采集AD芯片相同，編程代碼相似。采用外部時鐘模式，通過片選端R/C和時鐘端DATACLK輸入、轉換信號輸出BUSY、A/D 轉換結果端DATA輸出給STM32芯片，實現數據采集（圖9a）。對于吸阻壓差傳感器的數據采集程序，因為數據采集AD芯片的不同，所以代碼與溫濕度的代碼不同。壓降數據采集通過片選端CS置低，時鐘端輸入CLK、A/D 轉換，A/D 轉換結果輸出至DOUT端。STM32芯片讀取寄存器值。采集程序流程見圖9b。

5 試驗測試分析

試驗在空調房進行，當實驗室溫度升至27.5 ℃時，關閉空調讓其自然降溫。過程中每隔1 min記錄測量1次標準棒吸阻，并記錄此時的溫度和濕度，吸阻隨溫濕度變化曲線見圖10。

結果表明，環境溫度變化1 ℃和濕度變化2%時，吸阻值變化10 Pa。根據測量原理，在測量標準規定的溫濕度范圍內，為保持吸阻值不變，則需要增加吸阻隨溫濕度變化產生的補償量。當溫度大于23 ℃補償量采用負值，當溫度小于23 ℃時采用正值。通過參數修正后，獲得結果見圖11。

在標準測量環境要求條件下，以不同阻值的標準棒進行吸阻測試，每根重復測量5次，結果見表1。

測量結果表明，經過測量修正后，測量的誤差不超過5 Pa，滿足測量的精度要求。目前市面上常用的吸阻儀的測量精度約為10 Pa，該裝置測試的結果比現有測量標準要求提高了1倍。

6 結論

基于CFO器件設計了一種集多傳感器測量的卷煙吸阻精密檢測裝置。該裝置由進樣模塊、測量模塊、電路系統、氣路系統等組成。根據標準要求，吸阻儀及吸阻標準棒檢定設備均以產生（17.5±0.3）mL/s氣流的CFO作為其恒流發生裝置。基于STM32的核心控制板，采用溫度傳感器、濕度傳感器、壓差傳感器等多個傳感器，對測量管路壓降精密檢測和環境溫濕度實時監測。在不同的溫度濕度條件下測量標準棒數值，通過曲線擬合，計算出測量管路壓降和溫濕度影響的參數。通過參數修正測量值，以達到卷煙吸阻的真實值。試驗通過關閉27.5 ℃的空調房溫度使其自然冷卻，監測出通過修正后的標準棒測量值波動較小。而且在標準測量環境要求條件下，以不同阻值的標準棒進行吸阻重復測量，測量精度達5 Pa，比現有測量標準要求提高了1倍。

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