水活度检测装置的制作方法

本实用新型涉及烟草制造领域，具体涉及一种水活度检测装置。

背景技术：

卷烟产品中烟丝是由复杂有机物质组成的多孔介质。在烟草加工过程中，烟叶(或烟丝)的水分控制是加工质量控制的重要内容。烟草回潮吸湿和干燥解湿过程直接影响在制品的质量。另外，卷烟辅材，比如：纸张、滤棒等，在不同温度、湿度环境下的性能也各不相同。

发明人发现，现有技术中至少存在下述问题：现有技术中，无法提前预判烟草制品是否会发生变质现象，这不利于控制烟草制品的质量。

技术实现要素：

本实用新型提出一种水活度检测装置，用以实现待检测物的水活度的检测。

本实用新型提出了一种水活度检测装置，包括：

箱体，包括容置腔；

承载部，设于所述容置腔内部，且用于承载待检测物；

称重组件，与所述承载部连接，且用于对所述待检测物称重；以及

参数控制组件，被构造为控制所述容置腔内的湿度和温度。

在一些实施例中，水活度检测装置还包括：

第一控制器，与所述参数控制组件电连接，以控制所述容置腔内部的温度和湿度是恒定的。

在一些实施例中，水活度检测装置还包括：

第二控制器，与称重组件电连接，且用于采集所述称重组件采集到的所述待检测物的重量信息。

在一些实施例中，所述称重组件的最小刻度为最大称重量的千分之一。

在一些实施例中，所述箱体还包括：

安装腔，与所述容置腔是气密隔离的，所述称重组件安装于所述安装腔内部，且通过支撑件支撑所述承载部。

在一些实施例中，所述参数控制组件包括：

温度控制组件，设于所述容置腔中，且用于控制所述容置腔内温度；以及

湿度控制组件，设于所述容置腔中，且用于控制所述容置腔内的湿度。

在一些实施例中，水活度检测装置还包括：

计算组件，与所述参数控制组件和所述称重组件均电连接，所述计算组件用于根据所述参数控制组件设定的湿度和所述称重组件采集到的待检测物的重量信息，计算所述待检测物初始水活度。

在一些实施例中，所述待检测物包括以下至少其中之一：烟丝、梗丝、膨胀烟丝。

上述技术方案提供的水活度检测装置，通过设置能够控制温度和湿度的箱体，实现待检测物在容置腔内平衡。由于容置腔内的温度和湿度是预设的，其数值精确可知，故待检测物达到平衡状态时的湿度可知。待检测物在容置腔内平衡过程中，会发生吸附、脱附现象，故待检测物的重量会发生变化。通过采集待检测物的重量变化能够得到待检测物原始状态下的含水率。通过待检测物的吸附脱附曲线，能够得到待检测物的初始湿度。由于平衡状态下，湿度与水活度相同，那么也就得到了待检测物的初始水活度。根据获取到的初始水活度，能够得到待检测物在初始状态下的水活度，进而判断后续要对待检测物进行的存储、加工、制造操作过程中待检测物能否保证质量品质。可见，上述技术方案提供的水活度检测装置，为精确控制待检测物的质量提供了保障。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为本实用新型一些实施例提供的水活度检测装置的结构示意图；

图2为本实用新型另一些实施例提供的水活度检测方法的流程示意图；

图3为本实用新型另一些实施例提供的烟丝水活度检测方法流程示意图；

图4为本实用新型另一些实施例提供的烟丝的吸附脱附特性曲线示意图。

具体实施方式

下面结合图1～图4对本实用新型提供的技术方案进行更为详细的阐述。

本文所使用的名称或者术语解释如下。

等温吸脱附性能是反映材料在指定温度条件下对水分的吸附、脱附量。通过材料的等温吸脱附性能，可以快速、简便、准确地对片烟或烟丝水分吸脱附性能进行测试与评价。

水活度(wateractivity)是指系统中水分存在的状态，即水分的结合程度(游离程度)。水活度是对系统中水的能量的测量，水活度值越高，结合程度越低；水活度值越低，结合程度越高。水活度与材料在特定环境下处于平衡状态时的湿度相等。所谓平衡状态，是指材料处于恒温恒湿环境中，不发生吸附、也不发生脱附时的湿度。

水活度aw是指：一定温度下材料所显示的水蒸气压p与同一温度下纯水蒸气压po之比，即：aw＝p/po。

在烟草领域，如果材料水活度在0.65以下，大部分变性反应难以发生。所以，可以控制烟草的水活度，以增加对烟草材料的质量控制。

参见图1，本实用新型实施例提供一种水活度检测装置，包括箱体1、承载部2、称重组件3以及参数控制组件(图未示出)。箱体1包括容置腔11。参数控制组件用于控制容置腔11内的湿度和温度。承载部2设于容置腔11内部，且用于承载待检测物。称重组件3与承载部2连接，且用于对待检测物称重。

箱体1的容置腔11是封闭的，在使用水活度检测装置进行测试的过程中，容置腔11不与外界环境发生自由的气体流通。容置腔11内的温度和湿度控制，由参数控制组件实现。

箱体1的容置腔11的尺寸大小、形状等由试验要求确定，需要测试的材料多，则容置腔11的容积大；反之则较小。

箱体1的材质、结构以满足需要为宜，图1示出了其中一些可选的结构。

承载部2用于承载所需要调节的待检测物料。承载部2部比如采用托盘。将待检测物放置于托盘中，通过实时称量待检测物料在调控过程中的重量变化，计算待检测物料的含水率。

在烟草领域，待检测物比如为烟丝、梗丝、膨胀烟丝等。可以理解的是，待检测物也可以为食品领域的物料。

参数控制组件用于控制容置腔11内的温度和湿度。

实现温度控制的方式有多种，比如通过设置加热部件，实现对容置腔11内空气的加热，以实现容置腔11内温度始终不变，即恒温。为了实时获取容置腔11内的温度信息，可以设置温度传感器。根据温度传感器采集到的数据，实时控制容置腔11的温度，以使之达到恒温。

实现湿度控制的方式有多种，比如通过设置抽湿加湿部件，实现对容置腔11内抽湿、加湿，以实现容置腔11内湿度始终不变，即恒湿。为了实时获取容置腔11内的湿度信息，可以设置湿度传感器。根据湿度传感器采集到的数据，实时控制容置腔11的湿度，以使之达到恒湿。

在烟草加工中，物料的水活度无法直接获取。采用上述的水活度检测装置，则能够实现。具体地，对所需要检测的整批物料取样，然后将样品放入到水活度检测装置内并进行试验监测，通过计算得到的所取样的样本的初始水活度，即可得到整批样品的水活度。根据整批样品的水活度，后续就能针对性实现对物料性能的控制。

上述的水活度检测装置，由于具有参数控制组件，容置腔11内的环境是恒温恒湿的，待检测物放置于该容置腔11内后，随着自身吸附或者脱附水分的进行，最终会达到待检测物的湿度与容置腔11内湿度相同的状态，即平衡状态。根据该平衡状态的湿度参数，称重组件3采集到的待检测物的重量信息、以及待检测物自身的吸附特性曲线，计算能够得到待检测物初始放入到容置腔11中时的水活度，即初始水活度，至此完成对样品水活度的检测。

在一些实施例中，水活度检测装置还包括第一控制器6，第一控制器6与参数控制组件电连接，以控制容置腔11内部的温度和湿度都是恒定的，即容置腔11的内部是恒温、恒湿的。

承上述，参数控制组件比如采用加热部件实现容置腔11恒温、采用抽湿加湿部件实现容置腔11恒湿。第一控制器6则控制加热部件的加热时长、加热温度等参数。同时，第一控制器6控制抽湿加湿部件的工作时长、所抽湿、加湿的水分含量。

具体可以设置多个第一控制器6，以分别控制加热部件、抽湿加湿部件。或者采用一个第一控制器6，同时控制加热部件、抽湿加湿部件的工作状态和工作时长。

第一控制器6比如为plc可编程控制器，或者其他控制器。

在一些实施例中，水活度检测装置还包括第二控制器7。第二控制器7与称重组件3电连接，且用于采集称重组件3采集到的待检测物的重量信息。

第一控制器6和第二控制器7比如集成为一体，或者各自采用独立的控制器。在图1中，第一控制器6和第二控制器7集成在一起，是同一个控制器。

第二控制器7主要是采集称重组件3称重得到的待检测物的重量。待检测物在放置到容置腔11之前，在自身所处环境下，待检测物的水活度是平衡的，该状态称为初始状态。放置到容置腔11内之后，待检测物会发生吸附或者脱附，直至达到新的平衡，该状态称为平衡状态。

如果待检测物在容置腔11内发生吸附现象，则重量会逐渐增加。如果待检测物在容置腔11内发生脱附现象，则重量会逐渐减少。

在待检测物达到平衡状态的过程中，由于吸附、脱附现象的发生，待检测物中的水分会增加或者减少，即待检测物的重量会变化。通过判断重量的变化趋势，能够判断待检测物处于吸附、还是脱附现象中。如果为吸附过程，则采用吸附特性曲线进行相关的后续计算；如果为脱附过程，则采用脱附特性曲线进行相关的后续计算。

在一些实施例中，称重组件的测量精度由最大称重量确定，称重组件3的最小刻度为最大称重量的千分之一。

称重组件采用托盘承载待检测物，使得称重组件3的结构非常紧凑，所占用的容置腔11的空间少，待检测物在容置腔11内能够尽量平铺开，为待检测物发生吸附、脱附现象提供了足够的空间。

参见图1，在一些实施例中，箱体1还包括安装腔12，安装腔12与容置腔11是气密隔离的，称重组件3安装于安装腔12内部，且通过支撑件4支撑承载部2。

安装腔12、容置腔11是两个气密隔离的腔体，容置腔11内的温度、湿度调节并不影响安装腔12内的温度、湿度变化。

如图1所示，安装腔12比如位于容置腔11的下方，两者通过隔板隔开，隔板设有通孔。支撑件4安装于通孔中，且一端伸入到容置腔11中，且与承载部2连接；另一端位于安装腔12中，且与承载组件连接。

在一些实施例中，水活度检测装置还包括计算组件5，计算组件5与参数控制组件和称重组件3均电连接，计算组件5用于根据参数控制组件设定的湿度和称重组件3采集到的待检测物的重量信息，计算待检测物初始水活度。

具体计算过程如下：

首先，根据参数控制组件所设定的容置腔11内的温度、湿度，得到待检测物在容置腔11内达到平衡状态时的湿度。

其次，根据待检测物的重量变化趋势，判断待检测物在容置腔11内是吸附过程还是脱附过程。如果待检测物的重量是逐渐增多，则为吸附过程；如果待检测物的重量是逐渐变少，则为脱附过程。

接下来，根据待检测物达到平衡状态时的湿度、以及吸附脱附特性曲线，计算待检测物达到平衡状态时的含水率。具体地，如果待检测物在容置腔11内为吸附过程，则根据待检测物达到平衡状态时的湿度、以及吸附特性曲线，计算待检测物达到平衡状态时的含水率。如果待检测物在容置腔11内为脱附过程，则根据待检测物达到平衡状态时的湿度、以及待检测物的脱附特性曲线，计算待检测物达到平衡状态时的含水率，也称为平衡含水率。

接下来，根据待检测物达到平衡状态时的含水率，根据待检测物吸附脱附前后固体物的重量不变的特性，采用公式(1)计算待检测物初始状态下的初始含水率。

具体公式(1)为：

h1＝1-g2(1-h2)/g1

其中，h1为待检测物的初始含水率；h2为待检测物的平衡时的含水率；g1为待检测物的初始重量；g2为待检测物的初始重量。

随后，根据计算得到的待检测物的初始含水率，以及待检测物的吸附脱附曲线，计算得到待检测物的初始湿度。如果待检测物在容置腔11内为吸附过程，待检测物的初始含水率，以及待检测物的吸附曲线，计算得到待检测物的初始湿度。如果待检测物在容置腔11内为脱附过程，待检测物的初始含水率，以及待检测物的脱附曲线，计算得到待检测物的初始湿度。

最后，计算待检测物的初始含水率。待检测物的初始含水率等于待检测物的初始湿度。

至此完成待检测物的初始含水率的测量。

本实用新型另一实施例提供一种水活度检测方法，采用本实用新型任一技术方案所提供的水活度检测装置实现。关于水活度检测装置的详细介绍，参见上文，此处不再赘述。

方法包括以下步骤：

步骤s10、设定容置腔11内的温度和湿度。

容置腔11内的湿度为容置腔11内的所述容置腔内的湿度，容置腔11内的温度为容置腔11内的所述容置腔内的湿度。比如采用参数控制组件设定容置腔11内的温度和湿度，以实现容置腔11内恒温、恒湿。

待检测物在容置腔11内测试的过程中，容置腔11处于密闭状态、不开启。整个测试过程中，容置腔11的温度和湿度都取决于设定的参数，容置腔11内的气体不与外界环境发生气体交换。

步骤s20、将待检测物放置于容置腔11内部。

上述的步骤s10和步骤s20不限定先后顺序，可以先设定容置腔11内的温度和湿度、然后将待检测物放置到容置腔11中；或者反之。本实用新型实施例的技术方案对此不加以限定。

步骤s30、周期性地采集待检测物的重量。

采集数据的周期可以根据需要设定，如果整个吸附脱附的时间为a小时，则将a小时分为比如100份，每隔a/100时长采集一次。

步骤s40、当待检测物的重量在设定时间内的变化量小于a，根据容置腔11内的所述容置腔内的湿度和待检测物的吸附脱附特性曲线，计算待检测物的平衡含水率。

在上述的步骤s40中，设定时间包括至少五个采集周期。

具体来说，比如连接采集了5次数据，但这五次数据的最大差值小于a，则认定待检测物的质量基本不变了。即待检测物在容置腔11内达到了平衡状态。

a的值与测量精度相关。在上述的步骤s40中，a小于等于0.0001g。

待检测物的吸附脱附特性曲线包括吸附特征曲线和脱附特征曲线。吸附特征曲线和脱附特征曲线都满足下述公式(2)，但常量有所不同。

y＝f(t℃,x)＝ax³-bx²+cx+d(2)

其中，y为待检测物含水率，x为待检测物的相对湿度。

如果采集到的待检测物的重量逐渐变小，则根据所述容置腔内的湿度和待检测物的脱附特性曲线公式(1)，计算待检测物的平衡含水率。如果待检测物在容置腔11内为吸附过程，即待检测物的重量越来越重，则采用吸附特征曲线，计算得到待检测物的平衡含水率。

如果采集到的待检测物的重量逐渐变大，则根据所述容置腔内的湿度和待检测物的吸附特性曲线公式(1)，计算待检测物的平衡含水率。如果待检测物在容置腔11内为脱附过程，即待检测物的重量越来越轻，则采用脱附特征曲线，计算得到待检测物的平衡含水率。

待检测物的吸附特征曲线、脱附特征曲线都内嵌在计算组件5中，计算组件5比如采用pc计算机。计算组件5根据内置的命令以及采集到的待检测物的重量数据，自动判断待检测物处于吸附、还是脱附过程，然后调用相应的吸附、脱附特性曲线中的其中一个，进行计算。

步骤s50、根据待检测物的平衡含水率，计算待检测物的初始含水率。

待检测物包括固体物和水分。待检测物物料是否发生吸附、脱附现象，在初始状态、平衡状态，待检测物中固体物的重量是不变的。

具体地，可采用下述公式(1)计算待检测物的初始含水率：

h1＝1-g2(1-h2)/g1

其中，h1为待检测物的初始含水率；h2为待检测物的平衡时的含水率；g1为待检测物的初始重量；g2为待检测物的初始重量。

步骤s60、根据待检测物的初始含水率，计算待检测物的初始湿度，从而得到待检测物的初始水活度。

由于含水率和湿度满足吸附脱附特性曲线，故根据待检测物的初始含水率，以及待检测物在容置腔11内处于吸附还是脱附过程，即可以调用相应的吸附/脱附特性曲线，以得到待检测物的初始湿度。待检测物的初始湿度等于待检测物的初始水活度。至此获取到了待检测物的初始水活度。

根据待检测物的初始水活度，可以知道待检测物所在的一批物料的初始水活度。根据整批物料的初始水活度，后续可以针对性地控制、加工，以提高最终得到的烟包产品的质量。

下面介绍一些具体实施例。

1、设定水活度检测装置的容置腔11内的温度和相对湿度，实时监测待检测物的重量变化，并采集待检测物在吸附、脱附过程中的重量信息。

具体地，将待检测物放入水活度检测装置的容置腔11中，根据样品要达到的一定温度下的水活度值，设定装置的温度和相对湿度。比如，待检测物的水活度在26℃下要达到0.4，则将容置腔11的温度和相对湿度设定在26℃、40％。

水活度检测装置包括称重组件3，称重组件3对待检测物的重量变化进行实时检测，并采集重量数据。

2、获取待检测物的等温吸附脱附曲线，建立待检测物的等温吸附脱附特征公式，将这些特征方公式存储至计算组件5，作为待检测物水活度控制数据库。如果待检测物有多种，比如烟丝、梗丝、膨胀烟丝，则分别建立各自的等温吸附脱附曲线以及等温吸附脱附特征公式。

3、将待检测物放入到水活度检测装置的容置腔11中，在计算机中选择待检测物的类型，计算机在上述水活度控制数据库中选择相应的等温吸附脱附特征方程用于后续计算。

水活度检测装置的称重组件3实时地检测并记录待检测物的重量。将待检测物重量信息通过数据采集单元传送到计算机，计算机根据待检测物的重量变化，判断样品的状态变化属于吸附过程还是脱附过程。

根据判断，计算机自动选择样品的吸附特性控制模式还是脱附特性控制模式。

当在一定时间内，样品的变化小于一定范围(即上文所述的a)时，计算机判断样品的水活度已经达到预设值。

计算机通过样品的初始重量g1，及平衡后样品重量g2，得到样品的重量变化值。根据吸附特性模型或脱附特性模型，可以知道样品在平衡时的含水率值h2。通过下述公式(1)计算可以得到样品的初始含水率h1以及样品的初始水活度值。

h1＝1-g2(1-h2)/g1(1)

其中，h1为待检测物的初始含水率；h2为待检测物的平衡时的含水率；g1为待检测物的初始重量；g2为待检测物的初始重量。

根据计算得到的样品初始含水率，与根据吸附特性模型或脱附特性模型得到样品的初始水活度。

下面介绍一些具体实施例。

拟将某牌号成品烟丝水活度调节到0.55，首先用检测该牌号烟丝在26℃下的等温吸附脱附曲线，通过拟合得到该牌号的烟丝的等温吸附特性曲线公式(3)、烟丝的等温脱附特性曲线公式(4)：

y1＝f(26℃,x)＝88.846x³-58.581x²+17.649x+2.0418

y1‘＝f(26℃,x)＝82.948x³-52.588x²+18.825x+1.4427

其中，y1和y1‘为烟丝含水率，x为烟丝的相对湿度。烟丝的等温吸附特性曲线公式(3)、烟丝的等温脱附特性曲线公式(4)都满足上文所述的公式(2)的结构。

首先，将上述拟合公式(3)、(4)、以及上文所述的公式(1)导入到计算机软件中。

然后，将待检测物放入水活度调节装置的样品盘中，设定容置腔11内的温度为26℃，容置腔11内的相对湿度为55％。

水活度调节装置开始工作，天平将重量数据通过数据采集器传送到计算机，计算机软件记录初始重量及实时重量。

根据重量变化(增加或减少)判断样品处于吸附/脱附状态，并调用相应的方程式。计算机软件中设定重量平衡的判断条件，如一定时间内，重量变化小于±1mg，判断样品已经达到平衡，并达到预设的水活度值。

接下来，计算组件5根据初始重量、平衡重量、吸附/脱附方程得到的平衡时含水率，以及初始含水率计算公式计算得到初始水分值及初始水活度。

上述技术方案，水活度调节装置根据温湿度平衡原理，通过设定环境的温湿度调节及对样品的重量变化进行实时检测，并结合样品的等温吸附脱附特性，经过科学计算得到样品的初始水分、水活度，并将样品调节到目标水活度，并计算目标水活度下的含水率。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本实用新型保护内容的限制。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。