卷烟厂红外水分仪测量误差分析及改进方法探讨

摘要：卷烟厂红外水分仪测量误差对卷烟加工起着非常关键的作用。本文针对水分仪波长的不同、光源能量的变化等对红外水分仪测量结果的影响进行了深刻的剖析，并提出通过定期清洁保养、动态标定等改进方式等够有效提高红外水分仪的测量精度。

关键词：波长；光源能量；动态标定

在卷烟加工过程中，影响红外水分仪测量误差的因素有来自设备本身，也有来自外部安装使用方面。我们通过对水分仪波长、光源能量等因素对红外水分仪测量结果的影响进行的剖析，来探索在日常使用中降低测量误差的改进方法，为红外水分仪在卷烟厂的正确使用提供参考。

1 测量误差分析

1.1 波长变化对红外水分仪的影响

目前在卷烟厂使用的主要是二波长红外水分仪，该仪器采用了2个近红外光谱，1.45μm或1.94μm和1.8μm；1.45μm或1.94μm都能被水份吸收；而1.8μm不被水份吸收。145μm或1.94μm虽然都能被水份吸收，但它们对水份的敏感程度是不同的，在高水份时用1.45μm，在低水份时用194μm。有了这个特点我们就可以用以下公式算出样品的含水率：

W=R×K/M+a（1）

W——样品的含水率

R——参考波长射到样品后的理论反射率

M——测量波长射到样品后的理论反射率

K——测量曲线斜率

a——测量曲线零位

参考波长的理论反射率R人们希望它不要受到被测物体的成份和晶体结构变化的影响，永远是一个相对常数。但实际上它是不稳定的，往往要受到各种因素的影响，如下图。

二波长红外水分仪工作原理图

从上图中可以看出参考波长反射率的不可预测的变化会造成测量误差r1。

r1=RR1（2）

R1——参考波长射到样品后的实际反射率

为了解决这个问题，就必须再增加一个参考波长，引入一个参考波长λ3=2.1μm，通过这个波长的互补，使一个过去认为较难的测量成为可能。这时我们可以用一个新的公式来计算被测物的水分：

W=[（R1+r1）+ （R3r3）]/M+a（3）

从上式可以看出当r1= r3时，这时被测物的水份得到了精确的测量。但实际上r1和r3不可能在同一数量级上变化，它们之间的变化是有差异的，这时我们可以用以下公式计算被测物水分。

W=R×K/M+a（4）

=[ R1×n/ M+ R3（1n）/ M] ×（K+a）

n——小于1的比例系数

n取不同的数值R1和R3所取的比例不同，测量结果将得到不同的补偿，因此n的取值数将直接影响到仪器测量的准确度。在实际应用中发现被测物的成份和晶体结构的变化的影响对λ3较小，λ3的反射率很稳定。因此λ3的实际反射率R3取的比例要比R1大，通常n应在0.20.3左右。通过这种补偿，使得三波长的测量精度在原来二波长基础上得到了的改善。

1.2 光源能量变化对红外水分仪的影响

当某些原因造成光源能量发生变化时，R和M都发生变化，它们变化的大小是不一样的，而由此产生的影响会造成测量误差。引起光能变化的因素有灯丝老化，电源电压波动等。

1.3 其他误差

由于烟丝或烟叶不能很好的松散及本身水分不均匀，红外水分仪的读数和烘箱法得出的结果没有规律，离散性大，这样使标定人员对水分仪的校正无从下手，造成测量误差增大。

2 改进方法

2.1 定期进行红外水分仪的清洁和保养

定期要对红外水分仪的光学窗口进行清洁和保养，对有气路清洁的，还要对过滤器进行清洁，以免二次污染；红外水分仪尽管密封性很好，但里面的透镜时间长了也不可避免会沾上灰尘，因此要定期对红外水分仪进行清洁和保养。

2.2 动态标定

在生产线正常运行时，直接从红外水分仪探头下取样，并同时读取水分仪当时的读数，再用烘箱法作出的标准水分去校准红外水分仪。动态标定应尽量降低校准用烘箱和取样环节带来的误差。

動态标定和静态标定的区别在于考虑了整个环境条件物料的动态特性，因此动态标定更接近实际情况。

2.3 建立红外水分仪的测量曲线

对于不同的烟叶或烟丝，红外水分仪会产生不同的测量曲线，这是因为烟叶或烟丝的颜色、成份、晶体结构的不同造成的。不同的测量曲线它的零位和斜率是有变化的。

2.4 增强光源能量

加大灯泡的功率，通过调制电压来控制灯泡的通断，调制电压和调制盘上的光孔同步，使灯泡的平均功耗不变没，这样既解决了灯泡寿命，又解决了信噪比的问题。另外对灯泡的调换，不是要等到灯泡坏了后才更换，发现老化，就应该及时更换。

3 结语

通过以上分析可以看出，卷烟厂红外水分仪测量误差有来自仪器设计本身，也有使用维护方面的原因。对于仪器设计缺陷带来的误差，我们可以通过应用选型来有效避免；对于使用维护原因造成的误差，可以通过本文提出的动态标定、建立测量曲线等改进方法，有效提高红外水分仪的测量精度。

参考文献：

[1]王建腾，李松，董小卫，等.用于烟草水分检测的两种红外水分仪，计测技术，2006，26（zl）.

[2]程林峰，刘虎.水分仪在烟草制丝过程的应用.中国仪器仪表，2004，（10）.

[3]章习.在线水分仪探测精度评定方法探讨.烟草科技，2006，（5） TS439.2.

[4]王森.在线分析仪器手册.化学工业出版社，2008，10.

作者简介：杨守臣（1973），男，大学，工程师，计量管理员，主要研究方向：企业计量管理。