超聲檢測技術在爆珠細支濾棒成型中線膠流量監控中的運用

鄒 強，王 浩，王 芃，胡 炯，彭麗莉

（貴州中煙工業有限責任公司遵義卷煙廠，貴州 遵義 563000）

1 存在問題

目 前， 我 國 成 型 機 主 要 有ZL26B，ZL22D，ZL29B 等機型。這些標準機型沒有中線膠在線檢測系統。為保障中線膠供應的穩定性，一般會在成型機上增加輔助設備，以達到對中線膠供應實時情況的掌握。

近年來，細支卷煙逐漸成為熱門產品。爆珠卷煙更是成為各大卷煙企業爭相角逐的重點產品。爆珠細支濾棒的質量管控也成為各卷煙企業的管控重點。爆珠細支以它獨特的物理特性，成為質量管控上的難題。

由于細支成形紙寬度為19 mm，只有一個中線膠噴嘴，較常規濾棒而言，減少了一根中線膠噴嘴，就增加了中線膠上膠不良的風險。由于原機型沒有中線膠檢測系統，當中線膠出現膠垢堵塞、膠內氣泡、膠面過窄等情況時，與絲束粘貼不牢，生產過程中不易察覺。尤其是中線膠噴涂不連續時，加大了發現該缺陷的難度，為質量缺陷埋下隱患。當該缺陷被發現時，早已生產了大范圍的缺陷濾棒，造成了一定的損失。因此及時準確地發現中線上膠過程中存在的質量問題，是減少原材料浪費、規避質量事故的重要手段。

為了研究成型機同一生產速度不同中線膠施加量濾棒絲束與成型紙粘貼的程度和成型機不同生產速度對中線膠施加量的需求，利用梯度測試對成型機進行研究測試。

由于爆珠細支成型安裝有爆珠微波檢測裝置，以檢測濾棒內爆珠是否正常。中線膠施加量，又會影響微波檢測對爆珠濾棒質量的檢驗精度。所以，中線膠的施加量必須控制在合理的范圍內。保證其既能準確控制中線膠施加量，又不影響微波檢測的準確性。

綜上所述，濾棒成型中線膠流量監控是保障爆珠細支濾棒質量的必要手段。故而成型機中線膠在線監測系統的運用就顯得格外重要。

2 改進方法

目前，國內濾棒成型機中線膠檢測技術種類較多，基于各種工作原理，都起到了一定的作用，也有各自的弊端。文章首先對幾種常見的方法進行分析。

2.1 當前在線監控技術分析

激光傳感器和電容傳感器方式、閥門式流量計；其中閥門式流量計由于需要改造中線膠管道、存在堵塞隱患，施工成本高、加劇潛在質量風險，故不在文中進行贅述。

CCD 攝像頭：

工作原理是在成型機盤紙尾引輥附近安裝CCD攝像頭和輔助光源，完成盤紙涂膠面的實時成像；然后利用圖像處理技術實現涂膠區域分辨，在圖像控制器中根據顏色和濃淡狀態、邊緣的明暗變化方向、邊緣敏感度、邊緣檢測范圍、邊緣缺陷檢測等檢測工具檢測分析紙帶是否有中線膠。由于該技術直觀、簡便，得到廣泛應用，但其固有的檢測缺陷和弊端也很多，包括：①無法檢測中線膠施加量；②檢測性能受到中線膠和成型紙顏色、光密度的嚴重影響；③輔助光源壽命有限，且對檢測性能有嚴重影響；④檢測速度有限，在機臺高速運行時容易造成漏檢；⑤檢測性能受環境光線、粉塵等嚴重影響。

交班定檢：

在生產過程中交班定檢方式，即：每次交班開機時手動取樣一分鐘的出膠量并稱重，進而判斷整個機臺工作期間的平均施加量，如果達標則整個班次均不再調整。該方法由于只檢測少量樣本，無法實時發現生產過程中因為零部件磨損、出膠口堵塞等因素導致的中線膠施加量波動，存在少膠、漏膠、膠珠、出膠不均勻等潛在批次性質量問題。

激光傳感器：

在成型機盤紙尾引輥附近安裝激光傳感器，通過向盤紙涂膠面發射激光束并接收散射光束，進而判斷中線膠有無和斷續。其主要缺點在于：①無法檢測中線膠施加量；②檢測性能受到中線膠和成型紙顏色、光密度的嚴重影響，當成形紙透氣度較高、光密度較低時，檢測效果不明顯；③輔助光源壽命有限，且對檢測性能有嚴重影響；④激光束光斑較小，無法完全覆蓋涂覆區域。

電容傳感器：

在成型機盤紙尾引輥附近安裝電容傳感器，通過電容感應來檢查盤紙密度，從而判斷中線膠有無、斷續和施加量。其主要缺點在于：①性能受中線膠密度和成型紙密度的嚴重影響，當上述任一物質密度發生較大波動時，極易造成誤判；②性能受成型紙抖動的嚴重影響，工程穩定性較差；③性能受成型紙含水量的嚴重影響；④性能受環境濕度、溫度的嚴重影響。

綜上所述，以上方法均存在一定程度的局限性，與當前的高質量高效率的質量要求不相符合。爆珠細支成型濾棒的中線膠在線監控系統亟需更高效、更精準的方法來保證生產過程中的中線膠施加監控技術。

2.2 超聲監測技術在濾棒成型中線膠上運用的優勢

超聲檢測技術是繼聲、光檢測技術后發展起來的一門新興學科，近年來由于器件水平的發展，檢測優越性不斷得到體現，檢測精度也逐步提高；其檢測原理是：向液體流動方向發送同向和反向超聲波，液體流速越快、同向到達時間越短、反向到達時間越長，通過計算兩者時間之差，即可實現流量的精確測量；并且，超聲可穿透非金屬材質，實現管道外無接觸測量，不存在管道改造要求和堵塞隱患，施工成本低、安全方便。與上述技術相比，具有明顯的優勢：①精確檢測中線膠流量；②檢測速度快，最快響應時間50 ms；③夾鉗式無損安裝方式，無壓損、無管道改造要求、無接觸、無堵塞風險；④檢測性能不受中線膠密度、顏色的影響；⑤檢測性能不受環境溫度、光線、粉塵、濕度的影響。

基于此，超聲監測系統可在不破壞原有管線的基礎上開展中線膠流量在線檢測方法的深入研究，包括：微小流量的無接觸檢測、膠性液體的穿透性檢測、隨機干擾抑制、流量異常預警等，從而實現中線膠施加量的實時監測、顯示和超門限報警，減少批次性質量風險；在此基礎上，文章還將研究高梯度流量與實際出膠量的二維數學模型、原始數據記錄及管理等技術，利用大數據分析來精細化工藝管理，達到濾棒中線膠上膠檢測系統技術上的創新。

2.3 超聲監測技術在中線膠施加上的監控驗證

驗證實驗選擇車間現有數量最多的ZL26 成型機，運用FD-XA1 型流量計進行數據收集，以及電子天平輔助驗證。實驗數據選用日常生產中涉及頻率最高的流量數據，以此作為流量梯度開展驗證工作。

首先將流量計以及數據控制采集裝置安裝到位，開啟成型機進行設備調試。

梯度出膠量試驗：①按照梯度參數，修改成型機出膠量參數；②分別在上述出膠量下，采用 DAM-3000M 測試軟件，以“次/100ms”的采樣率持續進行數據采集（期間保證出膠持續時間≥1 min）；③重復①②步驟，連續采集63 組數據；④數據分析及建模評價。

2.4 數據分析

2.4.1 原始采樣數據分析

圖 1、圖 2 分別為不同出膠量梯度下的采樣數據，圖中上升平緩段為出膠期間的采樣值，持續時間為1 min，數據采樣點數為600。圖 1 中平緩段出現較大的波動，表明在相同度下，流量計傳感器響應值波動較大，從側面反映出膠量可能存在不穩定的狀態。隨著出膠量梯度增加，采樣值標準偏差呈增大趨勢。

圖1 采集數據

圖2 采集數據

2.4.2 數學建模及評價

將上述采樣數據整理，采用K-S 分類方法按照7 ∶3 比例將數據樣本劃分校正集和預測集，分別進行數學建模和模型預測。其中，校正集數據個數為48，預測集數據個數為24。圖 3、圖 4 分別為校正集和預測集交叉驗證圖。由圖可知，模型預測得到的出膠量與實測出膠量相關性較好，其R2 達到0.99。預測集出膠量最大偏差為0.44 g/min，最小為0.02 g/min，平均偏差為0.18 g/min。圖3 為20211013-2采樣數據，圖4 為20211015-4 采樣數據。

圖3 校正集交叉驗證圖

圖4 校正集交叉驗證圖

另外，將采樣率降低為“次/500ms”，采用上述模型進行驗證，得到圖5 所示的誤差分布曲線，共計2 批次12 個樣品，分別為15、18、20、22、25、28、30（g/600m）梯度下的樣品。由圖可知，其平均誤差為0.35 g/min，標準偏差為0.34 g/min，表明該模型預測結果較好。但在高梯度下（30g/600m），模型表現較差，預測偏差出現0.92 g/min。

圖5 低采樣率預測值偏差分布

通過上述數據分析及模型評價可知，采用流量計檢測成型機中線膠出膠量的方式對于濾棒成型中線膠的在線監測是有效的。另外，通過持續測量發現，同一梯度下的出膠量具有一定的波動性，表明該方式可以反映出膠量的均勻性。能有效規避膠垢堵塞、膠中氣泡、供膠不連續等問題。及時發現中線膠供膠異常，同時為中線膠異常追溯提供數據支撐。

另一方面，對設備運行中的實時監控，可以直觀看出中線膠的施加量與爆珠微波檢測是否有影響，當中線膠施加量達到某個值時，爆珠微波檢測剔除量增大，說明中線膠施加量過大，爆珠濾棒水分含量超出工藝標準。在杜絕成形紙與絲束粘連不良而引起的濾棒縮頭，和爆珠檢測精準度兩個方面達到平衡。

3 改進效果

通過對改進后的成型機進行持續3 個月的跟蹤，每天對成型機生產的濾棒抽樣200 支進行檢查，均符合質量要求，未發現絲束與成型紙粘貼不良缺陷。同時跟蹤卷煙機使用改造后的成型機生產的濾棒，連續3 個月，均未發現絲束與成型紙粘貼不良質量缺陷。在跟蹤的3 個月中，該系統累計報警12 次，及時提醒操作工中線膠施加量偏大，通過及時調整，減少了濾棒剔除數量，同時也保障了濾棒產品質量。

在細支爆珠卷煙大受歡迎的市場環境下，細支爆珠濾棒的工藝管控是保證細支爆珠卷煙的產品質量的重中之重。超聲監測技術在中線膠施加過程監控上的優勢有助于提高產品質量，大大降低了因中線膠上膠不良而引起的質量問題。且該檢測系統安裝簡便，不存在管道改造，施工成本低，有利于在各種機型上使用。