一种在线烟丝掺配均匀性检测装置及其方法
【专利摘要】本发明公开了一种在线烟丝掺配均匀性检测装置及其方法，装置包括红外光谱仪、信号处理器、支架、传送带和报警装置，其中，传动带放置于制丝线掺配设备出口，支架固定于传动带靠近制丝线掺配设备出口上部，支架上端固定有红外光谱仪，以非接触方式对流经传送带的烟丝样品进行漫反射式检测，检测的数据发送给信号处理器，信号处理器连接报警器和制丝线控制器，当信号处理器的均匀性超标时，报警器报警，信号处理器发送指令给制丝线控制器，停止制丝线运转。本发明可以有效消除现有技术的弊端，为实时、有效控制烟丝混合均匀度提供支持。
【专利说明】—种在线烟丝掺配均匀性检测装置及其方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种在线烟丝掺配均匀性检测装置及其方法。
【背景技术】
[0002]卷烟产品的主流烟气与感官质量主要取决于卷烟原料配方，即各种烟叶、烟梗按设计比例的均匀混合。
[0003]各种烟叶、烟梗在连续生产线上切丝后混合的均匀程度能否及时得到检测、控制，是卷烟原料配方执行质量的关键。目前，烟草行业多采用混合前控制掺配组分流量，事后卷制烟支近红外光谱检验法、烟丝化学指标常规检测法、手工分离烟丝物化特性检测法等评价各种烟叶、烟梗在连续生产线上切丝后混合的均匀程度，存在着评价滞后、评价不全面等弊端，不能为实时、有效控制烟丝混合均匀度提供支持。
【发明内容】
[0004]本发明为了解决上述问题，提出了一种在线烟丝掺配均匀性检测装置及其方法，本装置根据近红外光谱仪可以有效检测烟叶烟梗烟碱、总糖、还原糖含量，配方中各种烟叶、烟梗烟碱、总糖、还原糖含量基本稳定，当各组分切丝混合均匀而成的烟丝的烟碱、总糖、还原糖含量也基本稳定的原理设计的，可以有效消除现有技术的弊端，为实时、有效控制烟丝混合均匀度提供技术支持。
[0005]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0006]一种在线烟丝掺配均匀性检测装置，包括红外光谱仪、信号处理器、支架、传送带和报警装置，其中，支架固定于传动带靠近制丝线掺配设备出口上部，支架上端固定有红外光谱仪，以非接触方式对流经传送带的烟丝样品进行漫反射式检测，检测的数据每隔规定的时间发送给信号处理器，信号处理器连接报警器和制丝线控制器，当信号处理器发现烟丝均匀性有超标趋势时，报警器报警，提示操作人员，当信号处理器发现烟丝均匀性超标时，报警器报警，提示操作人员，同时信号处理器发送指令给制丝线控制器，停止制丝线运转。
[0007]所述传送带为制丝线上与烟丝掺配设备出口相连接的传送带。
[0008]所述红外光谱仪为Luminar 4030在线AOTF近红外光谱仪。
[0009]所述红外光谱仪的出光口的位置对准传送带的中间样品位置，与烟丝平面高度范围为[6.0,7.0] cm。
[0010]基于上述检测装置的工作方法，包括以下步骤:
[0011](I)设置装置参数，采集样品并记录样品编号与对应检测数据，剔除样品检测数据异常值，建立近红外检测单牌号模型；
[0012](2)利用建立好的近红外检测单牌号现场法模型对参与建模样品和外部验证集的样品进行内部、外部验证，分别计算样品烟碱、总糖、还原糖指标的常规化验值与模型预测值偏差的平均值，如果验证通过，则进入步骤(3)，如果验证未通过，返回步骤(I)；
[0013](3)近红外光谱仪载入单牌号现场法模型，设定近红外光谱仪单牌号模型与待检烟丝卷烟牌号一致，采集烟碱、总糖、还原糖数据传输给信号处理器，进行烟丝均匀性检测，如果均匀性未超标，继续正常生产，如果均匀性超标，则停止生产并报警。
[0014]所述步骤(I)中，具体方法包括:
[0015](1-1)装置安装完成后，进行近红外光谱仪的参数设置；
[0016](1-2)在烟丝生产稳定的条件下每间隔设定时间进行一次近红外光谱仪在线烟丝的光谱数据漫反射方式采集、编号，同时采集样品；
[0017](1-3)随机抽取10%样品常规检测数据及对应的光谱数据作为模型外部验证集，用作模型外部验证，不参与建模，其余样品的光谱数据与相应的化学成分相关联来建立数学模型；
[0018](1-4)对扫描得到的吸收光谱进行光谱预处理，消除噪音和基线的影响；
[0019](1-5)剔除光谱数据和样品常规检测数据异常值；
[0020](1-6)建立近红外检测单牌号模型。
[0021]所述步骤(1-2)中，其具体方法为:在烟丝生产稳定的条件下每间隔设定时间进行一次近红外光谱仪对在线烟丝的光谱数据漫反射方式采集、编号，同时采集样品，取样时，在流经仪器检测窗口下方的样品表面平均地抓取烟丝样品，然后将烟丝装入自封袋密封好，与光谱数据对应顺序编号，进行烟丝化学指标烟碱、总糖、还原糖常规检测，记录样品编号与对应检测数据，样品数量大于等于300个。
[0022]所述步骤(1-4)中，光谱预处理的方法包括一阶微分9点平滑法(savitzy-golay)。
[0023]所述步骤(1-5)中，分别采用光谱影响值Leverage和常规检测值误差Residual这两个统计量来检验剔除光谱数据和样品常规检测数据异常值。
[0024]所述步骤(1-6)中，采用偏最小二乘法,交叉一验证法(cross-validat1n)建立近红外检测单牌号模型，用The Unscrambler定量分析软件建立模型,在建模过程中，经过异常值的剔除进行逐步优化。
[0025]所述步骤(2)中，其具体方法包括:
[0026](2-1)内部验证:利用建立好的近红外检测单牌号现场法模型对参与建模样品进行验证，分别计算样品烟碱、总糖、还原糖指标的常规化验值与模型预测值偏差的平均值；
[0027](2-2)外部验证:用建立好的模型对外部验证集的样品进行外部预测，分别计算样品烟碱、总糖、还原糖指标的化验值与外部预测值偏差的平均值；
[0028](2-3)验证结果:当内外部验证偏差的平均值有一个或两个大于等于5%时，应重新建模；当内外部验证偏差的平均值都小于5%时，建模通过验证。
[0029]所述步骤(3)中，将所有在产卷烟按步骤(1)-(2)建立近红外检测单牌号模型，当卷烟配方或烟丝加工工艺改变时，重新按步骤(1)-(2)建立近红外检测单牌号模型。
[0030]所述步骤(3)中，具体方法为:将近红外检测单牌号模型装入近红外光谱仪，设定近红外光谱仪单牌号模型与待检烟丝卷烟牌号一致，进行连续检测，每间隔设定时间把检测的烟碱、总糖、还原糖数据各取一个传到信号处理器的数据库中，信号处理器分别计算所取得的烟碱、总糖、还原糖η个连续检测数据的移动变异系数，当同时计算获得的烟碱、总糖、还原糖的移动变异系数值均小于等于5%时，判定烟丝均匀，继续正常生产；当同时计算获得的烟碱、总糖、还原糖的移动变异系数值中有大于等于3%且小于5%的数值时，判定烟丝均匀性有超标趋势，发出声光报警信号，提示操作者注意；当同时计算获得的烟碱、总糖、还原糖的移动变异系数值中有大于等于5%的数值时，判定烟丝均匀性超标，发出声光报警信号，提示操作者，同时向生产线控制系统发出一个停机信号，停止生产，等待处理，η为整数。
[0031]所述η个连续检测数据的移动变异系数，指取第I?第η个连续的数据作为第一数据组，计算其变异系数，作为第一个变异系数，当再有第η+1个数据时，去除第I个数据，第2个与第η+1个数据共同组成第二数据组，计算新的数据组的变异系数，作为第2个变异系数，如此顺序递增计算。
[0032]本发明的有益效果为:
[0033](I)有效检测烟叶烟梗烟碱、总糖、还原糖含量，计算切丝是否混合均匀，有效消除现有技术的弊端；
[0034](2)能够实时掌握烟丝掺配均匀性变化趋势，在未发生掺配不合格前做出有效控制，减少不合格烟丝发生率；
[0035](3)能够实时掌握烟丝掺配均匀性不合格情况，及时终止不合格烟丝生产，做出有效控制，杜绝不合格烟丝误用。
【专利附图】
【附图说明】
[0036]图1为本发明的结构示意图。
[0037]其中，1、传送带；2、支架；3、红外光谱仪；4、信号处理器；5、制丝线控制器；6、报警
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【具体实施方式】
:
[0038]下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
[0039]如图1所示，检测装置包括近红外光谱仪3 (如美国BRMR0SE公司生产的Luminar4030在线AOTF近红外光谱仪)、信号处理器4 (高性能计算机)，近红外光谱仪通过支架2安装在制丝线掺配设备出口传送带I上，以非接触方式对流经传送带的烟丝样品进行漫反射式检测，检测数据传入信号处理器，信号处理器自动判断烟丝均匀性，均匀性有超标趋势时发出声光信号，提醒生产操作者注意，均匀性超标时指示装置6发出声光信号，提醒生产操作者，并为制丝线控制器5提供一个停机信号，停止制丝线运转，等待处理。
[0040]近红外光谱仪安装时，出光孔的位置应对准传送带的中间样品表面较平整的位置，高度为距离烟丝平面的平均距离为6.5cm。扫描光谱时，扫描模式设为可以有效地扣除背景变化影响的模式(如“Rat1 mode”)。
[0041]实施步骤:
[0042]I近红外检测单牌号现场法建模(能够将各种背景变化因素，特别是生产线上烟丝的高度不同的影响因素建入模型中，有利于增强模型对现场环境适应能力；单牌号法建模可以消除不同牌号间烟丝烟碱、总糖、还原糖含量差异引起的模型误差):
[0043]1.1装置安装完成后，进行近红外光谱仪的参数设置。
[0044]如:波长范围:1100?23OOnm
[0045]波长增量:2.0nm
[0046]扫描次数:300。
[0047]1.2在烟丝生产稳定的条件下每间隔一定时间(如I分钟)进行一次近红外光谱仪在线烟丝的光谱数据漫反射方式采集、编号，同时采集样品，取样时在流经仪器检测窗口下方的样品表面平均地抓取烟丝样品，然后将烟丝装入自封袋密封好，与光谱数据对应顺序编号，进行烟丝化学指标烟碱、总糖、还原糖常规检测(如AA3流动注射分析仪化验)，记录样品编号与对应检测数据。样品数量大于等于300个。
[0048]1.3随机抽取10%样品常规检测数据及对应的光谱数据做为模型外部验证集，用作模型外部验证，不参与建模，其余样品的光谱数据与相应的化学成分相关联来建立数学模型。
[0049]1.4对扫描得到的吸收光谱进行光谱预处理(如一阶微分9点平滑法:savitzy-golay法。一阶微分处理可以很好的消除样品由于颜色等背景变化引起的光谱基线偏移和漂移)，以消除噪音和基线的影响。
[0050]1.5剔除光谱数据和样品常规检测数据异常值(outlier)(如分别采用光谱影响值Leverage和常规检测值误差Residual这两个统计量来检验剔除)。
[0051]1.6建立近红外检测单牌号模型(如采用偏最小二乘法，交叉一验证法(cross-validat1n),用The Unscrambler定量分析软件建立模型。在建模过程中，经过异常值的剔除进行逐步优化，建立近红外检测单牌号现场法模型)。
[0052]1.7模型验证
[0053]1.7.1内部验证
[0054]利用建立好的近红外检测单牌号现场法模型对参与建模样品进行验证，分别计算样品烟碱、总糖、还原糖指标的常规化验值与模型预测值偏差的平均值。
[0055]1.7.2外部验证
[0056]用建立好的模型对外部验证集的样品进行外部预测，分别计算样品烟碱、总糖、还原糖指标的化验值与外部预测值偏差的平均值。
[0057]1.7.3验证结果
[0058]当内外部验证偏差的平均值有一个或两个大于等于5 %时，应重新建模；当内外部验证偏差的平均值都小于5%时，建模通过验证。
[0059]1.8将所有在产卷烟按1.1-1.7的步骤建立近红外检测单牌号模型。
[0060]1.9当卷烟配方或烟丝加工工艺改变时，重新按1.1-1.9的步骤建立近红外检测单牌号模型。
[0061]2烟丝均匀性检测与评价方法
[0062]2.1将近红外检测单牌号模型装入近红外光谱仪。
[0063]2.2设定近红外光谱仪单牌号模型与待检烟丝卷烟牌号一致。
[0064]2.3近红外光谱仪连续检测。
[0065]2.4每10秒钟或一定时间间隔取一个检测的烟碱、总糖、还原糖数据传到信号处理器的数据库中，信号处理器分别计算所取得的烟碱、总糖、还原糖30个连续检测数据的移动变异系数值，当信号处理器分别计算所取得的烟碱、总糖、还原糖30个连续检测数据的移动变异系数值均小于等于5%时，判定烟丝均匀，继续正常生产；当信号处理器分别计算所取得的烟碱、总糖、还原糖30个连续检测数据的移动变异系数值中有大于等于3%且小于5%的数值时，判定烟丝均匀性有超标趋势，发出声光报警信号，提示操作者注意；当信号处理器分别计算所取得的烟碱、总糖、还原糖30个连续检测数据的移动变异系数值中有大于等于5%的数值时，判定烟丝均匀性超标，发出声光报警信号，提示操作者，同时向生产线控制系统发出一个停机信号，停止生产，等待处理。
[0066]本发明所定义烟碱、总糖、还原糖30个连续检测数据的移动变异系数就是取第I?第30个连续的数据，作为第一数据组，计算其变异系数，作为第一个变异系数，当再有第31个数据时，去除第I个数据，第2个与第31个数据共同组成第二数据组，计算新的数据组的变异系数，作为第2个变异系数，如此顺序递增计算。
[0067]文中所述30移动变异系数就是取第I?第30个连续的烟碱或总糖或还原糖的检测数据，计算其变异系数，当再有第31个烟碱或总糖或还原糖的检测数据时，去除第I个检测数据，第2个与第31个检测数据共同组成新的30个检测数据，计算新的30个数据的变异系数，如此顺序递增计算。
[0068]利用上述方案，开展了 5个产品的建模、检测、评价，效果良好，正进行多牌号产品的推广。
[0069]上述虽然结合附图对本发明的【具体实施方式】进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
【权利要求】
1.一种在线烟丝掺配均匀性检测装置，其特征是:包括红外光谱仪、信号处理器、支架、传送带和报警装置，其中，传送带放置于制丝线掺配设备出口，支架固定于传送带靠近制丝线掺配设备出口上部，支架上端固定有红外光谱仪，以非接触方式对流经传送带的烟丝样品进行漫反射式检测，检测的数据发送给信号处理器，信号处理器连接报警器和制丝线控制器，当信号处理器的均匀性超标时，报警器报警，信号处理器发送指令给制丝线控制器，停止制丝线运转。
2.如权利要求1所述的一种在线烟丝掺配均匀性检测装置，其特征是:所述红外光谱仪的出光口的位置对准传送带的中间样品位置，与烟丝平面高度范围为[6.0，7.0]cm。
3.基于如权利要求1-2中任一项所述的检测装置的工作方法，其特征是:包括以下步骤: (1)设置装置参数，采集样品并记录样品编号与对应检测数据，提出样品检测数据异常值，建立近红外检测单牌号模型； (2)利用建立好的近红外检测单牌号现场法模型对参与建模样品和外部验证集的样品进行内部、外部验证，分别计算样品烟碱、总糖、还原糖指标的常规化验值与模型预测值偏差的平均值，如果验证通过，则进入步骤(3)，如果验证未通过，返回步骤(I)； (3)近红外光谱仪载入单牌号现场法模型，设定近红外光谱仪单牌号模型与待检烟丝卷烟牌号一致，采集烟碱、总糖、还原糖数据传输给信号处理器，进行烟丝均匀性，如果均匀性未超标，继续正常生产，如果均匀性超标，则停止生产并报警。
4.如权利要求3所述的工作方法，其特征是:所述步骤(I)中，具体方法包括: (1-7)装置安装完成后，进行近红外光谱仪的参数设置； (1-8)在烟丝生产稳定的条件下每间隔设定时间进行一次近红外光谱仪在线烟丝的光谱数据漫反射方式采集、编号，同时采集样品； (1-9)随机抽取10%样品常规检测数据及对应的光谱数据作为模型外部验证集，用作模型外部验证，不参与建模，其余样品的光谱数据与相应的化学成分相关联来建立数学模型； (1-10)对扫描得到的吸收光谱进行光谱预处理，消除噪音和基线的影响； (1-11)剔除光谱数据和样品常规检测数据异常值； (1-12)建立近红外检测单牌号模型。
5.如权利要求3所述的工作方法，其特征是:所述步骤(1-2)中，其具体方法为:在烟丝生产稳定的条件下每间隔设定时间进行一次近红外光谱仪对在线烟丝的光谱数据漫反射方式采集、编号，同时采集样品，取样时，在流经仪器检测窗口下方的样品表面平均地抓取烟丝样品，然后将烟丝装入自封袋密封好，与光谱数据对应顺序编号，进行烟丝化学指标烟碱、总糖、还原糖常规检测，记录样品编号与对应检测数据，样品数量大于等于300个；所述步骤(1-4)中，光谱预处理的方法包括一阶微分9点平滑法。
6.如权利要求3所述的工作方法，其特征是:所述步骤(1-5)中，分别采用光谱影响值Leverage和常规检测值误差Residual这两个统计量来检验剔除光谱数据和样品常规检测数据异常值。
7.如权利要求3所述的工作方法，其特征是:所述步骤(1-6)中，采用偏最小二乘法，交叉一验证法建立近红外检测单牌号模型，用The Unscrambler定量分析软件建立模型,在建模过程中，经过异常值的剔除进行逐步优化。
8.如权利要求3所述的工作方法，其特征是:所述步骤(2)中，其具体方法包括: (2-1)内部验证:利用建立好的近红外检测单牌号现场法模型对参与建模样品进行验证，分别计算样品烟碱、总糖、还原糖指标的常规化验值与模型预测值偏差的平均值； (2-2)外部验证:用建立好的模型对外部验证集的样品进行外部预测，分别计算样品烟碱、总糖、还原糖指标的化验值与外部预测值偏差的平均值； (2-3)验证结果:当内外部验证偏差的平均值有一个或两个大于等于5%时，应重新建模；当内外部验证偏差的平均值都小于5%时，建模通过验证。
9.如权利要求3所述的工作方法，其特征是:所述步骤(3)中，将所有在产卷烟按步骤(1)-(2)建立近红外检测单牌号模型，当卷烟配方或烟丝加工工艺改变时，重新按步骤(1)-(2)建立近红外检测单牌号模型。
10.如权利要求3所述的工作方法，其特征是:所述步骤(3)中，具体方法为:将近红外检测单牌号模型装入近红外光谱仪，设定近红外光谱仪单牌号模型与待检烟丝卷烟牌号一致，进行连续检测，每间隔设定时间把检测的烟碱、总糖、还原糖数据各取一个传到信号处理器的数据库中，信号处理器分别计算所取得的烟碱、总糖、还原糖η个连续检测数据的移动变异系数，当同时计算获得的烟碱、总糖、还原糖的移动变异系数值均小于等于5%时，判定烟丝均匀，继续正常生产；当同时计算获得的烟碱、总糖、还原糖的移动变异系数值中有大于等于3%且小于5%的数值时，判定烟丝均匀性有超标趋势，发出声光报警信号，提示操作者注意；当同时计算获得的烟碱、总糖、还原糖的移动变异系数值中有大于等于5%的数值时，判定烟丝均匀性超标，发出声光报警信号，提示操作者，同时向生产线控制系统发出一个停机信号，停止生产，等待处理； 所述η个连续检测数据的移动变异系数，指取第I?第η个连续的数据作为第一数据组，计算其变异系数，作为第一个变异系数，当再有第η+1个数据时，去除第I个数据，第2个与第η+1个数据共同组成第二数据组，计算新的数据组的变异系数，作为第2个变异系数，如此顺序递增计算。
【文档编号】G01N21/3563GK104330385SQ201410649927
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年11月14日 优先权日:2014年11月14日
【发明者】张晋, 刘杰, 李吉云, 刘开俊, 米强, 李艳, 邵帅, 朱战营, 宁兵 申请人:山东中烟工业有限责任公司