烟包密度在线检测装置 【技术领域】
本发明涉及烟包在线检测领域， 尤其是一种烟包密度在线检测装置。背景技术 烟包密度的均匀性是影响烟包存储发酵 ( 醇化 ) 质量的重要因素之一。目前， 各 烤烟厂均采用静态 9 点取样方法对烟包密度进行检测， 即将 9 点取样板 ( 如图 1) 放在烟包 上面， 压下 15mm， 用密度取样器对准样板的 9 点， 分别压取样品， 压取样品的深度为 600mm 或 500mm， 分别取出 9 个样品， 装入同质量的塑料袋中并加注标号， 而后， 分别用天平称出各点 样品的重量， 并计算出 9 个点的密度值、 平均值、 最大值、 最小值、 密度最大值与平均值的最 大偏差 a ＝ ( 密度最大值 - 密度平均值 )/ 密度平均值、 密度最小值与平均值的最大偏差＝ ( 密度最小值 - 密度平均值 )/ 密度平均值， 而后用 a， b 绝对值中的最大值≤给定值 (0.1) 进行判断， 小于或等于给定值为合格产品， 大于该值的产品视为不合格产品。 每批次各等级 产品按 2％抽检， 不足 100 箱的也要抽检 2 箱。
现有技术存在如下缺点 ：
(1) 人工取样检测费时、 费力 ；
(2) 对产品进行的是破坏性检测， 造成浪费 ；
(3)2％的抽检率不能真实地反应出 100％产品的实际产品质量 ；
(4) 在成品库中取样检测， 这种滞后取样不能将检测的信息及时反馈到打包机进 行调整。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于， 提供一种烟包密度在线检测装置， 该装置能在生 产中不破坏烟包的情况下， 快速检测出各检测点密度。
本发明进一步要解决的技术问题在于， 检测出不合格产品， 由剔除装置予以剔除， 并同时将不合格产品的信息反馈给打包机， 以便于对打包机进行实时调整。
为达到上述目的， 本发明提供的烟包密度在线检测装置包括 ： 一个或多个检测单 元、 支架、 数据采集处理系统， 其特征在于， 所述一个或多个检测单元， 包括一个或多个放射 源或 X 射线源和一个或多个射线探测器， 所述放射源或 X 射线源和射线探测器一一对应安 装在被测烟包两侧的支架上， 所述若干个检测单元的探测器通过电缆与数据采集处理系统 相连接 ； 其中， 所述检测单元按数学模型 对被测烟包完成烟包多个检测点的烟包密度在线检测， 测出其各点的密度值， m 为检测点序号， ρ 为密度值， K 为物料 标定系数， n 为采样次数， Ni 为有物料时探测器单位时间的计数， N0 为无物料时探测器单位 时间的计数。
上述烟包密度在线检测装置， 其特征在于， 该装置还包括位置传感器， 该位置传感 器安装在检测单元前方输送机的两侧， 位置传感器的安装位置要保证每个检测单元与检测点相对应。
上述烟包密度在线检测装置， 其特征在于， 该装置还包括剔除装置， 所述剔除装置 包括机座、 驱动器、 推杆及位置传感器。当检测装置检测出不合格烟包时， 处理系统发出信 号启动剔除装置， 当不合格烟包移至剔除装置的位置传感器处时， 位置传感器发出信号， 停 止输送带， 由剔除装置的驱动器驱动推杆将不合格烟包剔除。 137 241
上述烟包密度在线检测装置， 其特征在于， 所述放射源可选用 60Co、 Cs、 Am 或 X 光源可选用 X 光管。
上述烟包密度在线检测装置， 其特征在于， 所述射线探测器选用 Na I 闪烁计数器 或塑料闪烁计数器或电离室或正比计数管或 G-M 管。
上述烟包密度在线检测装置， 其特征在于， 所述位置传感器采用光电位置传感器。
为达到发明的目的， 本发明还提供了一种烟包密度在线检测方法， 包括以下步 骤：
步骤一、 检测前预先标定 ： 对一个或多个检测单元在空载运行时其探测器单位时 间内的计数 N0 进行标定， 用已知密度烟叶对检测单元采用的数学模型的物料标定系数 k 进 行标定 ； 具体如下
(1) 按下列数学模型编程， 一个或多个检测单元则采用多个同样的数学模型。(2) 标定 N0 ： 空 载 运 行， 每 秒 采 集 一 次 Ni， n 秒 共 采 集 n 次， 求 出 n 秒 Ni 的 平 均 值， 即得 ： 多个检测单元则分别标出各自的 N0 值。(3) 标定 K 值 ：
假设一个 K 值， 并输入计算机， 将烟包某检测点置于检测单元处进行检测， t 秒后 测得某检测单元处的烟叶密度 ρ 测值， 用静态取样器取出该测量点的烟叶并称重， 经计算 得出该点的密度 ρ 标值， 此后用 ρ 测、 ρ 标对 K 进行修正 ； K 修＝ K(ρ 标 /ρ 测 )， 将 K 修值输入 计算机。多个检测单元则分别标出各自的 K 修值。
步骤二、 在线检测 ： 一个或多个检测单元对被测烟包完成烟包多个检测点的烟包 密度在线检测， 测出其各点的密度值。
步骤三、 数据处理 ： 数据采集处理系统根据采集检测单元检测的多个检测点的烟 包密度值， 计算出多点的密度平均值、 最大值、 最小值、 密度最大值与平均值的最大偏差 a ＝ ( 密度最大值 - 密度平均值 )/ 密度平均值、 密度最小值与平均值的最大偏差 b ＝ ( 密度 最小值 - 密度平均值 )/ 密度平均值。
步骤四、 判断烟包是否合格 ： 用 a， b 绝对值中的最大值≤给定值进行判断， 小于或 等于给定值为合格产品， 大于该值的产品视为不合格产品， 不合格产品由剔除装置予以剔 除。
本发明实现了烟包密度非破坏性在线自动检测， 解决了烟包密度在线检测长期未 解决的难题， 与现有技术相比具有如下效益 ：
非破坏性在线自动监测代替了破坏性人工取样检测， 节省了人力、 物力， 提高了自
动化水平 ；
烟包实现了 100％的监测， 确保了烟包质量 ；
实时将检测结果反馈给打包机， 使打包机及时调整工作参数， 提高了烟包合格率， 降低了生产成本， 提高了经济效益。 附图说明
图 1a、 图 1b 时静态抽样检测九点法取样板示意图 ；
图 2a、 图 2b 是同时检测烟包九个检测点密度在线检测装置示意图 ；
图 3a、 图 3b 是分步移动检测烟包密度检测装置示意图 ；
图 4a、 图 4b、 图 4c 是分步移动检测过程示意图 ；
图 5 是本发明烟包密度在线检测方法流程图。
其中附图标记为 ：
10- 取样板
11- 取样孔
21- 支架
22- 放射源或 X 射线源
23- 烟包
24- 烟包传送带
25- 探测器
26- 数据采集处理系统
27- 剔除装置
28、 28‘、 28“- 位置传感器 具体实施方式
下面结合附图进一步详细说明本发明的技术方案 ：
参考图 2a、 2b 和图 3a、 3b， 本发明的烟包密度在线检测装置包括一个或多个检测 单元， 该检测单元包括一个或多个放射源或 X 射线源 22 及一个或多个探测器 25、 支架 21、 位置传感器 28(28‘、 2“)、 数据采集处理系统 26 及剔除装置 27( 为便于说明， 假设为 m 个 放射源或 X 射线源及 m 个探测器 )。其中放射源 22 和探测器 25 分别安装在支架 21 上。探 测器 25、 位置传感器 28 和剔除装置 27 用电缆与数据采集处理系统 26 相连接， 烟包在放射 源 22 与探测器 25 之间通过接受检测。m 个放射源或 X 射线源 22， 及 m 个探测器 25 分别安 装在被测烟包的两侧 ( 上下或左右或前后 )， 具体位置由被测烟包所需要检测点的位置决 定， 且放射源或 X 射线源 22 与探测器 25 一一对应， 构成 m 个检测单元。m 的大小是由烟包 密度检测点的多少来决定的， 检测单元的分布及相互之间的位置也是由烟包需要检测点的 分布与相互之间的相对位置决定， 并且二者一一相对应。 例如 ： 对应目前静态检测用的 9 点 取样法， 则 m ＝ 9。9 个检测单元， 如 A、 B、 C、 D、 E、 F、 G、 H、 I 就要与 9 个检测点 a、 b、 c、 d、 e、 f、 g、 h、 i 一一对应。即 A—— a， B—— b， C—— c， D—— d， E—— e， F—— f， G—— g， H—— h， I—— i。
对烟包需要检测的 m 个点， 如 m ＝ 9 或 12 或 16， 则分别形成 3×3、 3×4、 4×4 点阵式排列， 一次同时检测出 m 个点。如图 2 所示。
为了减少检测单元的数量， 采用烟包分步移动检测， 参考图 3a、 3b 和图 4a、 4b、 4c， 如 m ＝ 3( 或 4、 5)， 3 个检测单元一字排开， 并且要求与烟包移动方向相垂直， 烟包每移动一 次， 检测 3 个点 (a、 b、 c)， 再移动一步检测出 d、 e、 f 点， 最后一步检测出 g、 h、 i 点的值。
烟包分步移动是由位置传感器 28 控制确定， 如 m ＝ 3， 有 A、 B、 C 三个检测单元， 受 检测点 9 点， 据此， 在烟包受检处前方相应位置上安装有位置传感器 28、 28‘、 2“， ， 位置传 感器 28 的安装要保证检测单元 A、 B、 C 与检测点 a、 b、 c 一一相对应， 位置传感器 28’ 的安 装位置要保证检测单元 A、 B、 C 与检测点 d、 e、 f 一一相对应， 位置传感器 28” 的安装位置要 保证检测单元 A、 B、 C 与检测点 g、 h、 i 一一相对应， 当烟包受检时， 烟包移动到位置传感器 28 位置时， 位置传感器 28 发出信号停止输送带， 数据处理系统发出信号 A、 B、 C 检测单元开 始对 a、 b、 c 三个检测点进行检测， 检测完毕后发出信号启动输送带， 烟包开始移动， 当烟包 移动到位置传感器 28‘时， 位置传感器 28‘发出信号停止输送带， 数据处理系统发出信号 A、 B、 C 检测单元开始对 d、 e、 f 三个检测点进行检测， 检测完毕后发出信号启动输送带， 烟包 开始移动至位置传感器 28“时， 位置传感器 28“发出信号停止输送带， A、 B、 C 检测单元开 始对 g、 h、 i 三个检测点进行检测， 烟包移动三次 A、 B、 C 检测单元完成 9 个检测点的检测。 烟包密度在线检测装置中的剔除装置 27 是由机座、 驱动器、 推杆及位置传感器组 成， 在数据采集处理系统 26 检测出不合格烟包时， 发出信号启动剔除装置开始工作， 在不 合格烟包移至剔除装置 27 的位置传感器处时， 位置传感器发出信号停止输送带， 剔除装置 27 的驱动器开始工作， 带动推杆将不合格烟包推出输送带外。 137 241
烟包密度在线自动检测装置所用的放射源可选用 60Co、 Cs、 Am ； X 光源选用 X 射 线发生器 (X 光管 ) ； 探测器可选用 Na I 闪烁计数器或塑料闪烁计数器或电离室或正比计 数管或 G-M 管。
该检测装置检测单元采用的数学模型是根据物质对射线吸收定律建立的， 射线吸 1+δ 收定律有两种表述形式 ： F ＝ k ln(Ni/N0) 和 F ＝ k[ln(Ni/N0)] ， 本发明以 F ＝ k ln(Ni/ N0) 为例进行阐述。
为了消除统计涨落的影响， 增加检测时间在 t 秒时间采样 n 次， 所以 m 个检测单元 的数学模型如下 ：
式中 F1 ～ Fm 分别是烟包检测点处单位面积上的烟叶重量 (g/cm2) ；为无物料时探测器单位时间的计数 ( 个 / 秒 ) ；为有物料时探测器单位时间的计数 ( 个/秒)； k1 ～ km 为物料标定系数 ； n 为采样次数。
假如探测器测得烟包检测点处的底面积为 S， 烟包的高度为 H， 因为烟包高度一 致， 所以 H ＝常数， 则被检测烟叶的体积为 V ＝ S·H ； 检测烟叶的重量 W ＝ F·S， 烟叶的密 度
由此可得出烟包的密度数学模型为 ：由此可见， ρ 与 F 成正比关系， 所以， 检测 F 也意味着检测 ρ。 令 K1 ＝ k1/H ； K2 ＝ k2/H ； Km-1 ＝ km-1/H ； Km ＝ km/H ； 则上式可变为 ：(1)’ 、 (2)’ 、 ------、 (m-1)’ 、 (m)’ 既是本发明所用的烟包密度检测的数学模型。
该数学模型在检测前需对 N01...NOm 进行标定和用已知密度的烟叶分别对 K1...、 Km 进行标定。
m 个检测单元对烟包 m 个检测点的烟叶密度进行测量， 数据处理系统利用测得的 各个检测点的烟叶的密度值计算出 m 个检测点的密度平均值、 最大值、 最小值、 a ＝ ( 密度最 大值 - 密度平均值 )/ 密度平均值、 b ＝ ( 密度最小值 - 密度平均值 )/ 密度平均值。而后用 a、 b 绝对值中的最大值≤给定值进行判断， 不合格的烟包被剔除装置给予剔除， 同时将测得 的烟叶密度最大值和最小值及其所处位置等信息反馈给打包机， 对打包机的工作参数进行 调整， 以确保烟包的质量。
以下结合目前各烤烟厂用静态密度 9 点法取样检测为例， 说明本发明的烟包密度 检测装置的具体实现方法 ：本实施例的烟包密度检测装置包括三个 137Cs 放射源， 该放射源强度为 50mci( 毫 居 ) 点源 ； 3 个 NaI 闪烁计数器， 其中 NaI 尺寸为 Φ50mm×50mm ； 带外壳的支架 ； 3 个光电位 置传感器 ； 含电动或气动驱动器及光电位置传感器的剔除装置 ； 含 S7-300CPU， A/D、 D/A、 开 入 / 开出模块、 TP-27 触摸屏的 PLC 数据采集处理系统组成。其中 3 个放射源与 3 个探测 器分别安装在烟包输送带的上方支架与下方支架上， 且一一相对应组成 3 个检测单元 A、 B、 C， 三个检测单元的相互间尺寸与 9 点取样板的取样点 a、 b、 c 相对应， 3 个光电位置传感器 安装在检测单元 A、 B、 C 的前方， 输送带的两侧上方， 距输送带的距离为 360mm， 光电位置传 感器 28 安装位置距检测单元 A、 B、 C 所在平面的距离为 127mm， 光电位置传感器 28、 28‘、 28“之间的距离相等， 均为 381mm， 光电位置传感器安装位置要确保移动检测时， A、 B、 C检 测单元与检测点 a、 b、 c； d、 e、 f； g、 h、 i 相对应， 剔除装置安装在光电位置传感器 28“的后 边输送带侧面适当位置。
检测单元的探测器、 光电位置传感器、 剔除装置用电缆与 PLC 数据采集处理系统 相连， PLC 输出信号至打包机。如图 3a、 图 3b 所示
采用本装置便可实现移动式烟包密度在线检测。以下参考图 5 结合本检测装置进 一步阐述本发明提供的烟包密度在线测量方法， 步骤如下 ：
步骤 1 ： 检测前预先标定。该步骤进一步包括 步骤 101， 3 个检测单元采用数学模型为 ：根据以上数学模型进行编程。
步骤 102， 标定 N01、 N02、 N03
无物料， 输送带空带运行， 数据采集处理系统采集射线探测器输出信号 Ni1、 Ni2、 Ni3， 经 t 秒， 例如 t ＝ 60 秒测得 Ni 的平均值即 N01、 N02、 N03 值， 假设测得 N01 ＝ 5000 个 / 秒、 N02 ＝ 5100 个 / 秒、 N03 ＝ 5150 个 / 秒， 零点标定完毕。
步骤 103， 标定 K1、 K2、 K3
用已知密度烟叶对 K1、 K2、 K3 进行标定 ：
选烟包 a 检测点处的烟叶密度为已知密度进行标定， 首先标定 K1， 即将烟包 a 检测 点置于检测单元 A 的相对应处， 先假定一个 K1 值， 如 K1 ＝ 70， 输入数据采集处理系统， 此时
检测单元 A 的数学模型为 ：
标定开始， 数据采集处理系统采集一次 Ni 如 Ni ＝ 2500， 计算一次 ρi ＝ 0.673， 经 同样将烟包 a 检测点置于检过 t 秒如 t ＝ 60S， 测得 ：测单元 B 相对应处标定 K2， 同样假设 K2 ＝ 70， 并输入计算机， 标定时间也为 60 秒， 测得 ρ2 3 3 ＝ 0.70g/cm ， 同样烟包 a 检测点置于检测单元 C 相对应处测得 ρ3 ＝ 0.69g/cm .
用 9 点法取样板， 取样器对准 a 测量点处取样， 对取样品进行称重， 经过计算取得a 点处烟包密度 ρ 标准＝ 0.45g/cm3。
用 ρ 标准及 ρ1、 ρ2、 ρ3 对 K 进行修正得 ：
将 K1 修、 K2 修、 K3 修、 输入数据采集处理系统， 完成了对 K1、 K2、 K3 的标定。
步骤 2， 在线检测 ：
检测单元 A、 B、 C 根据上述 ρ1、 ρ2、 ρ3 的数学模型进行在线检测。输送带启动 带动烟包向前移动， 当烟包达到光电位置传感器 28 时， 光电位置传感器 28 发信号输送带 停止， 此时检测单元 A、 B、 C 对准 a、 b、 c 检测点进行检测， 如测量时间 t ＝ 30 秒， 测得 ： ρa 3 3 3 ＝ 0.451g/cm 、 ρb ＝ 0.448g/cm 、 ρc ＝ 0.459g/cm ， 测量完毕启动输送带， 烟包向前移 动， 烟包移到光电位置传感器 28‘时， 光电位置传感器 28‘发出信号输送带停止， 检测单元 A、 B、 C 对准 d、 e、 f 检测点进行检测， 测量时间 t ＝ 30 秒， 测得 ： ρd ＝ 0.445g/cm3、 ρe ＝ 3 3 0.452g/cm 、 ρf ＝ 0.442g/cm ， 测量完毕启动输送带， 烟包向前移动， 烟包移到光电位置传 感器 28“时， 光电位置传感器 28“发出信号输送带停止， 同样测得 ： 3 3
ρg ＝ 0.458g/cm 、 ρe ＝ 0.452g/cm 、 ρi ＝ 0.455g/cm3.
步骤 3， 数据处理 ：
待数据采集处理系统测完 9 个测量点的密度值后， 进行数据处理， 对侧得的 ρa、 ρb、 ρc、 ρd、 ρ e、 ρf、 ρg、 ρe、 ρi 值进行计算， 得出 ρ 平均＝ 0.4503 ； ρmax ＝ ρc ＝ 0.459 ； ρmin ＝ ρf ＝ 0.442 ； a ＝ (ρmax-ρ 平均 )/ρ 平均＝ (0.459-0.4503)/0.4503 ＝ 0.02 ； 同样算 出 b ＝ -0.018。
步骤 4， 判断 ：
a、 b 绝对值中最大值为 a ＝ 0.02， 用 a ＝ 0.02 与给定值进行比较， 如给定值为 0.1， 则 a 小于给定值， 此烟包为合格品通过检测， 如果 a 大于给定值， 则判断其为不合格产 品， 数据处理系统启动剔除装置工作， 当烟包移至剔除装置的光电位置传感器时， 光电位置 传感器发出信号输送带停止， 剔除装置驱动器工作， 带动推杆将烟包推出输送带外。
当然， 本发明还可有其他多种实施例， 在不背离本发明精神及其实质的情况下， 熟 悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形， 但这些相应的改变和变 形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。