用于通風率標準棒期間核查的標準裝置設計

崔 廷，蘇東贏*，王娟娟，張鵬飛，李浩亮，楊榮超*，苗 芊，胡佳成，楊靜靜

1. 河南中煙工業有限責任公司技術中心，鄭州經濟技術開發區第三大街8 號 450000

2. 中國煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州高新技術產業開發區楓楊街2 號 450001

3. 中國計量大學計量測試工程學院，杭州市下沙學源街258 號 310016

通風率標準棒是煙草行業通風率量值傳遞系統中的標準器件，主要用于卷煙物理性能綜合測試臺通風率測試單元的校準。根據《煙草專用通風率標準棒檢定規程》的規定［1］，通風率標準棒檢定周期為1 年，每個檢定周期內量值變化不得超過1%。為確保通風率標準棒量值傳遞準確可靠，使用部門需定期將其送至中國煙草標準化研究中心進行檢定以保證通風率量值的可靠性。在檢定周期內，由于通風率標準棒使用頻繁、保存或使用環境復雜等原因，容易造成標準棒表面破損污染、端面和側面通風孔堵塞、材質老化等問題，導致通風率標準棒計量性能發生改變，影響測量準確度，進而影響卷煙的感官質量［2-6］。目前煙草行業通常采用傳統皂膜流量計對通風率標準棒總氣流量和通風流量進行測量，測量過程中采用人工計量數值，存在一定的人為誤差。針對此，苗芊等［7］對影響通風率標準棒測量結果的環境因素進行仿真分析，結果顯示氣壓對通風率測量影響最大，溫度對通風率有一定影響，濕度幾乎無影響；Zhou 等［8］分析了不同流量CFO（Critical Flow Orifice）對通風率標準棒測量的影響規律，發現通風率與抽吸流量呈負相關關系；黃曉飛等［9］研究了各工藝參數對煙支通風率的影響，發現煙支質量、接裝紙動摩擦系數、接裝紙無膠區面積對煙支通風率影響顯著；吳志英等［10］分析了卷煙單支質量、吸阻、通風率與感官質量的相互關系，發現濾嘴通風率、總通風率對感官質量有明顯影響。但對于通風率標準棒期間核查的相關文獻報道較少。為此，基于電子皂膜流量計設計了一種用于通風率標準棒期間核查的標準裝置，通過分別測量通風率標準棒的總氣流量和通風流量，實現通風率自動檢測，以期滿足卷煙工業企業對通風率標準棒的期間核查需求。

1 系統設計

1.1 標準棒結構

通風率標準棒為圓柱體結構，包括進氣端面、出氣端面和側面，見圖1。標準棒內部有10 根總毛細管貫穿于出氣端面與進氣端面之間，側面靠近出氣端面處設有不同數量的通風毛細管與總毛細管相通，通風毛細管的數量不同，通風率量值也不同。

1.2 系統結構

通風率標準棒期間核查用標準裝置主要由專用夾具、電子皂膜流量計、負壓發生器、煙草專用標準恒流孔等部分構成，見圖2。由氣體壓力調節裝置提供大于600 kPa 的氣壓源，利用負壓發生器7 形成負壓［11］，并由負壓表2 實時監測負壓大小；利用煙草專用標準恒流孔10 產生恒定流量［12］；專用夾具5 內部利用醫用乳膠管對通風率標準棒3進行密封，并通過專用夾具開關旋鈕1 和電磁閥12 進行控制；采用電子皂膜流量計6 作為流量測量標準器件，壓差計11 測量通風率標準棒進氣端面與出氣端面間的壓差值，大氣壓計實時監測環境氣壓；管路大多采用插拔方式及螺紋連接，操作方便。

1.3 工作原理

通風率是通風率標準棒通風流量與總氣流量的比率，以百分比表示［13］。通風率V的理論計算公式為：

式中：Q總是總氣流量，即從通風率標準棒側面以及進氣端面進入的氣體總流量，mL/s；Q側是通風流量，即從通風率標準棒側面進入的氣體流量，mL/s。

電子皂膜流量計對煙草專用標準恒流孔進行測量可得到流量QC。當通風率標準棒置于專用夾具中，外接電子皂膜流量計時可得到通風流量Q側。根據公式（2）對煙草專用標準恒流孔流量QC進行修正，得到總氣流量Q總：

式中：P是實驗環境的大氣壓值，Pa；PD是壓差計示數，即通風率標準棒出氣端面與進氣端面之間的壓差，Pa。

由此得到通風率V的計算公式為：

系統中，壓差計用于測量通風率標準棒工作時進氣端面與出氣端面間的壓差值PD，大氣壓計實時測量通風率標準棒周圍環境氣壓值P。為確保通風率標準棒量值測量的精確性，電子皂膜流量計的準確度滿足0.5 級，壓差計和大氣壓計的準確度分別滿足0.1 級和0.3 級。

2 應用效果

2.1 試驗設計

材料：型號分別為JV08475、JV08476、JV08433的3個低、中、高通風率標準棒（由河南中煙工業有限責任公司技術中心提供），經中國煙草標準化研究中心檢定后，檢定值分別為27.87%、58.83%和71.95%。

儀器：期間核查用標準裝置（河南中煙工業有限責任公司技術中心自制）。其中，電子皂膜流量計量程1～6 000 mL/min，最大允許誤差±0.5%；壓差計量程0～10 000 Pa，最大允許誤差±0.1%；煙草專用標準恒流孔最大允許誤差±2.0%；大氣壓計氣壓、溫度和相對濕度量程分別是0～110.00 kPa、-20～60 ℃和0～100%，最大允許誤差分別為±0.3%、±2.0%和±0.2%。

方法：在溫度22℃，相對濕度60%試驗條件下，采用標準裝置對3 個通風率標準棒進行測量，依據《煙草專用通風率標準棒檢定規程》［1］，對總氣流量和通風流量分別測量，重復5 次，取平均值，計算通風率。將測量值與檢定值相對比，驗證標準裝置的準確性和可靠性。試驗過程中記錄恒流孔流量QC，3 個通風率標準棒的通風流量分別為Q側1、Q側2、Q側3；實驗環境氣壓為P，壓差計示數分別為PD1、PD2、PD3，見表1。

表1 低、中、高通風率標準棒測量數據Tab.1 Measurement data of low, medium and high ventilation rate standard rods

將表1 中數據代入公式（3），得到3 個通風率標準棒的通風率測量值：

2.2 結果與分析

2.2.1 系統準確性

標準裝置測量值與檢定值的對比結果見表2。可見，3 個通風率標準棒測量值與檢定值的誤差均小于1%，表明標準裝置具有較好的準確性與可靠性。

表2 標準裝置測量值與檢定值對比Tab.2 Comparison between measured values and certified values of standard device （%）

2.2.2 系統不確定度

影響標準裝置測量不確定度的來源主要包括QC測量重復性引起的不確定度分量u1、Q側測量重復性引起的不確定度分量u2、PD測量重復性引起的不確定度分量u3、大氣壓變化引起的不確定度分量u4。由表1 可知，恒流孔流量QC平均值為17.82 mL/s。以低通風率標準棒為例，Q側平均值為4.78 mL/s，PD平均值為837 Pa，氣壓P為101.6 kPa。根據公式（3）所建立的標準裝置測量模型，對各輸入變量求偏導，得到各輸入變量引起的靈敏系數。

QC測量重復性引起的不確定度分量u1：

Q側測量重復性引起的不確定度分量u2：

PD測量重復性引起的不確定度分量u3：

大氣壓變化引起的不確定度分量u4：

各不確定度分量相互獨立，故合成不確定度為：

取k=2，擴展不確定度為：

可見，標準裝置擴展不確定度較小，能夠滿足卷煙工業企業通風率標準棒日常期間核查需求。

3 結論

采用電子皂膜流量計作為測量標準器件，研制了一種通風率標準棒期間核查標準裝置。以檢定值為27.87%、58.83%和71.95%這3 種通風率標準棒為對象進行測試，結果表明：標準裝置的測量值分別是27.03%、58.32%和71.37%，測量值與檢定值的誤差小于1%，擴展不確定度為1.42%（k=2），測量準確性和可靠性能夠滿足通風率標準棒期間核查需求，有效提高了卷煙通風率測量效率。