本发明涉及用于确定香烟制造机上纤状材料流密度的方法和装置。 在下列的描述中，将只参考一种香烟制造机和一种确定连续香烟棒中烟丝密度的方法。
众所周知，在香烟制造机上，真空输送机从料箱中提取烟丝，并将烟丝放置在连续的纸带上；然后，纸带的纵向边缘彼此重叠地包卷烟丝；这样形成的连续香烟棒被传送到切割部分，切割装置将连续的香烟棒切割成单香烟或双香烟。
通常，烟丝在香烟中的分布应是不均匀的，并且特别地，其两端的密度要大于中部的密度，以防止烟丝的掉出和过滤嘴的脱落，同时也保证香烟中部的正确通风。为了做到这一点，与香烟中部相比，应在香烟的两端处布置更多的烟丝，为此，在输送机输送烟丝的路线上装有一台转动刮削装置，用于将烟丝刮削成具有与所要求的密度相应地形状。刮削装置的高度是可调节的，以便控制每根香烟的平均烟丝量（平均密度或重量），并且刮削装置的速度也是可调的，以便使连续香烟棒的切割处（两根香烟的连接处）获得较多的烟丝；上述调节是根据要求的烟丝分布与切割部分上游处实际烟丝分布之间的偏差来进行的。
目前，用于确定烟丝实际分布的方法很多，多数方法都是在成形部分和切割部分之间的香烟棒传送路线上使用β射线传感器，这种传感器包括放射源和布置在香烟棒两侧的β射线检测器。放射源通常包括一个锶芯（Sr90），并封装在一个防护容器中，容器上开有一个面向香烟棒的孔；检测器包括一个电离室和一个用于测量入射辐射能量的电位计。根据入射辐射能量的波动，与检测器相连的电子系统确定出烟丝密度的变化，并根据情况控制刮刀的动作。
虽然上述方法是准确和可靠的，但主要由于使用了有害的射线，这种方法也带来了许多问题，一方面，需要对操作人员采取特殊的保护措施，另一方面，存在着废弃放射芯的存放问题。此外，所需要的辐射能量与香烟棒的运动速度有关，因此，现代的、生产高速机器的趋势要求提供更大的辐射能量。为了解决这些问题，人们设计出了各种不同类型的传感器，然而，由于这些传感器对烟丝的湿度，颜色以及或多或少地对烟丝的纤状结构比较敏感，所以这些传感器的效率受到很大影响。
本发明的目的在于：在不使用涉及有害射线的传感器的条件下，提供一种准确、可靠的方法和装置，用于确定材料流中的烟丝的质量。
根据本发明，提供了一种确定香烟制造机上纤状材料流密度的方法，上述纤状材料流中包括固体成分和液体，它们的比例是变化和未知的；这种方法的特征在于包括下列步骤：
进行第一电容测量，用于获得第一信号，此信号是上述纤状材料流中固体成分密度和液体密度的函数；
进行第二超声波测量，用于获得第二信号，此信号与上述纤状材料流中固体成分的密度有关；以及
根据上述的第一和第二信号，生成表示上述纤状材料流密度的第三信号。
根据本发明，也提供了一种确定香烟制造机上纤状材料流密度的装置，上述纤状材料流包括固体成分和液体，它们的比例是变化和未知的；这种装置的特征在于包括：
第一电容传感器，用于产生第一信号，此信号是上述纤状材料流中固体成分密度和液体密度的函数；
第二超声波传感器，用于产生第二信号，此信号与上述纤状材料流中固体成分的密度有关；以及
输入有第一和第二信号的第一生成装置，用于生成表示上述纤状材料流密度的第三信号。
下面将通过参考附图对本发明的若干非限定性实施例进行说明，其中：
图1是一台装有根据本发明实施例装置的香烟制造机的示意图；
图2是根据本发明装置的框图；
图3表示的是由电容传感器测定的、关于烟丝外廓形状的实验室试验曲线；
图4是一机器的断面图，表示了根据本发明装置的细部结构；
图5是一机器的断面图，进一步表示了根据本发明装置的细部结构；
图6是一香烟制造机的断面图，表示了根据本发明装置的细部变化；
图7和8是安装在根据本发明的装置上的传感器电路图。
图1中的数字1表示的是香烟制造机，它包括烟丝供料机构2（只表示了局部）和供纸机构3。在烟丝供料机构2中只示出了上流输送管4和输送机5，输送机5在输送管4和烟丝卸料部分6之间延伸；而供纸机构3包括：具有皮带8的输送机7，成形梁9以及切割部分10。按照已知的方式，导管11在输送机5的内部产生真空，利用沿底部布置的孔12，输送机5从输送管4中提取烟丝，从而形成了连续的烟丝层13；并且在烟丝输送路线上，在输送机5的下方，装有一个具有凹槽15的转动刮削装置14，转动刮削装置14按照已知的方式刮去多余的烟丝，以便获得预定的烟丝层13的外廓形状。
在卸料部分6，经过刮削的烟丝层13被放置在连续的纸带16上，纸带16的两个纵向边缘在成形梁中彼此重叠包卷和粘贴，从而形成了连续的香烟棒17。在棒17的输送路线上，装有两个作为本发明装置一部分的传感器18，19，用于确定棒17中烟丝的分布，并且其中的传感器18位于香烟棒17下游侧的成形梁9的内部，而传感器19布置在切割部分10上游侧的梁9的出口处。然后，棒17经过切割部分10，在该处，棒17被切割成香烟部分20。虽然在图1中未示出，机器1的部件（除了输送管4）都是双联的，从而形成了两条并排的和平行的工作线。
传感器18和19与处理单元21相连，处理单元21用于处理由传感器18和19所产生的信号，并确定棒17中的实际烟丝分布情况，根据实际烟丝分布与预定烟丝分布的偏差，处理单元21调整刮削装置14的高度和速度。处理单元21也提供其它功能，例如数据统计的计算，偏差百分比的计算等。
如图2所示，把由传感器18，19提供的信号合并在一起，以便准确地确定棒17中的实际烟丝分布。更详细地说，传感器19是电容传感器，其电容量既取决于固体烟丝也取决于香烟棒中的水分，因此，经过适当处理的传感器19的输出信号根据下列关系变化：
DC=K1×mT×（K2+mW/mT） （1）
其中：K1和K2是两个已知的、取决于传感器、烟丝和水特性的常数；而mT是固体烟丝的质量，以及mW是香烟棒中水的质量。
因此，电容传感器19提供了一个电压输出信号（图3），这个信号能够准确地再现沿香烟棒方向的烟丝质量（密度），但这种信号对香烟棒中的水分高度敏感。由于绝缘特性不同，事实上，电容传感器对水的敏感性远比对固体烟丝的敏感性高得多。此外，由于电容传感器的输出信号没有直接反映出香烟棒的总密度，即两种成分的总密度，因此电容传感器本身不能测量香烟棒的密度，甚至不能区分固体烟丝和水各自占的比重。
为了计算香烟棒中材料（固体烟丝和水）的实际质量，应独立地对固体烟丝的质量（密度）进行测量，以便将固体烟丝成分与电容传感器19的输出信号中水的成分分开，并从而计算出总的密度（质量）。由于具有适当频率的超声波对所检测材料中的湿度不敏感，使得输出信号能够直接表示固体烟丝的质量mT，因此，第二测量使用了第二超声波传感器18。
超声波传感器18本身也不能提供香烟棒17的总密度，但通过将由传感器18测量的mT值代入式（1），可以确定水的质量mW，并且再通过把水的质量和固体烟丝的质量相加，则可以确定出总质量。通过测量香烟棒上非常小的部分（特别是传感器所“观察”到的体积），可以计算出固体烟丝和水的总密度，从而获得逐点的密度样本，或通过测量预定长度上的香烟棒部分，可以得到上述部分中固体烟丝和水的平均质量值。在后一种情况下，可以获得平均的总密度值，而香烟棒的总密度的变化由电容传感器所确定。
传感器18，19的输出信号输入到单元22，单元22用于确定香烟棒17中水的密度和材料的总密度。如上所述，单元22在理论上可分为两部分：用于计算香烟棒材料中水的质量（密度）的部分22a；以及通过把固体烟丝的质量（密度）与香烟棒中水的质量（密度）相加从而计算出香烟棒材料的总质量（密度）的部分22b。然后，单元22的输出信号输入到单元23，根据所要求的香烟棒17的材料分布，单元23以已知的方式产生控制信号，用于调整刮削装置14（图1）的高度和速度。
单元23也具有数据统计处理的功能，并且可以根据传感器的信号用于确定其它信息，例如，根据水质量和固体烟丝质量的比例（mW/mT），确定烟丝的湿度等。单元22，23通常都是处理单元21的组成部分。
电容传感器19的可能安装位置如图4所示，图中24a，24b表示香烟制造机的两条生产线，17a，17b表示两个香烟棒的断面，以及19a，19b分别表示传感器。
每个电容传感器19a，19b都包括各自的一对电极25a，25b，以及各自的电子信号处理及控制电路26a，26b。电子电路26a，26b的相应信号通过各自的线路27a，27b输入到处理单元21。此外，电容传感器19a，19b还有一个电源装置28和外壳29。
为了使超声波传感器18具有最大的灵敏度，超声波传感器18安装在成形梁9的内部、靠近出口的位置上，在此位置上，香烟棒17已经形成（纸带的边缘已经粘贴），但仍由供纸输送机7的皮带8所包围，如图5所示，此图表示了超声波传感器的一个可能的实施例。
图5表示了分别用于生产线24a，24b的超声波传感器18a，18b，每个传感器包括：各自的超声波发生器30a，30b；各自的超声波接收器（麦克风）31a，31b；以及各自的、加工在成形梁9中的一对连接锥32a，32b。超声波发生器30a，30b以及超声波接收器31a，31b与各自的电子信号处理及控制电路33a，33b相连，详见对图8所作的说明；而电子电路33a，33b的输出信号通过各自的线路34a，34b输入到处理单元21。此外，超声波传感器18a，18b还有一个电源装置35和外壳36。
根据本发明的一种变化，超声波传感器可以布置在机器1下游侧的过滤嘴安装机的内部，如图6所示。
现在参考图6，过滤嘴安装机37包括一对中空的鼓或滚筒38，39（只示出了局部），用于将香烟部分20从鼓38的座41上传送到鼓39的座42上。在图示的实施例中，超声波传感器40的一部分安装在鼓38上，另一部分安装在鼓39上，并且在香烟部分20的传送过程中，当上述两部分彼此相对时，它们共同用于确定固体烟丝的密度。在图示的实施例中，发生器43安装在鼓38的内侧（未示出），并与机器1的机体固联；接收器45安装在鼓39的内侧，也与机器1的机体固联；并且在鼓38，39上与座41，42相应的位置处加工有相应的孔44，46，用于使发生器43发出的压力波能够通过。当香烟部分20从第一鼓38传送到第二鼓39时，座41，42的孔44和46与传感器40处于同一轴线（即连接发生器43和接收器45的轴线），因此使得能够对香烟部分20进行超声波测定。
通过加工适当形状的孔或安装一定数量的源一检测器，上述实施例可对香烟部分20的一部分或整个长度进行检测。也可以改变图6中的机械布置，以便在运动部件（滑动表面）之间提供气密的石墨表面。
图7表示了电容传感器19的电路图，其中包括电子信号处理及控制电路26。在图7中，位于连续香烟棒17两侧的两个电极25以及电路47共同构成了一个高频振荡电路48，其振荡输出信号的频率随着电极25/香烟棒17组中的电容量的变化而变化，并且上述频率与在两个电极之间通过的材料的烟丝质量和水分质量成正。
在乘法器49中，振荡电路48的输出信号和由振荡器50发出的参考信号相乘，从而得到一个振荡信号，并且此信号的频率等于振荡电路48的输出信号频率与参考信号频率的差。乘法器49的输出信号经过低通滤波器51的滤波，并通过频率/电压转换器52将其转变为电压信号，之后，此电压输出信号经过低通滤波器53的滤波，输送到通过线路27与处理单元21（图1）连接的输出端54。输入端55与参考振荡器50相连，用于调整和校准参考振荡信号。
图8表示了超声波传感器18，40的电路，其中包括电子信号处理及控制电路33。电路33由一个偏压发生器56，以及一个调制或噪声发生器57所组成，噪声发生器57的输出与控制超声波发生器30，43的驱动元件58相连。宽带超声波接收器或麦克风31，45与放大器59连接，而放大器59又与带通滤波器60，整流器61以及低通滤波器62串联，低通滤波器62的输出63决定了电子电路33的输出，并且此输出63通过线路34与处理单元21相连。
在实际应用中，传感器18，19产生两个独立的、与连续香烟棒的特性有关的信号，如上所述，对上述信号进行采样和处理，从而能够准确和可靠地并且实时地确定烟丝的总质量（密度）；密度的测量结果用于调整刮削装置14与输送机皮带5之间的距离，以便因此改变烟丝的平均质量（密度），以及用于略微降低或提高刮削装置14的转速（速度调整），以便调整最厚的烟丝部分（成品香烟的端部）。
因此，为了在不受外部影响（烟丝的湿度，颜色和结构）的条件下准确地控制刮削装置，两个传感器，即电容传感器和超声波传感器是最基本的。
由于消除了有害的放射源，因此，根据本发明的装置大大地简化了操作，维修和部件更换的程序。