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1、ZTRI 烟叶 片烟大小及其分布的测定 叶面积法 技术报告 项目组 3/8/2012 目录 1.项目背景及意义 2 2.主要研究内容 4 3.预期效果 5 4.技术路线 5 5.叶面积法基本原理 6 6.材料与方法 6 6.1仪器及材料 6 6.2试验方法 7 7.结果与分析 8 7.1片烟大小及分布测定系统的研制 8 7.1.1离散铺料系统 9 7.1.2图像采集系统 9 7.1.3图像处理分析系统 11 7.2测试方法的准确度 15 7.2.1测试方法的精密度 15 7.2.2测试方法的正确度 16 7.3影响因素分析 17 7.3.1形状对测试结果的影响 17 7.3.2运动速度对测试结
2、果的影响 20 7.4测试样品量的确定 21 7.5片烟大小分布规律研究 27 7.5.1片烟大小累积分布函数的建立 27 7.5.2片烟大小分布函数的验证 29 7.5.3片烟均匀性及特征尺寸的表征 30 7.6方法的验证与应用(共同试验) 32 7.6.1打叶后片烟大小及其分布测定 32 7.6.2复烤后片烟大小及其分布测定 32 7.6.3松散回潮后片烟大小及其分布测定 33 7.6.4白肋烟片烟大小及其分布测定 33 7.6.4不同放置时间片烟大小及其分布的测定 39 7.7叶面积法与筛分法的比较 42 7.7.1测试结果的比较 42 7.7.2测试方法重复性的比较 49 8.方法的应
3、用前景 49 8.1片烟二维形状特征分析 50 8.2烟梗物理质量检测 50 8.3在线检测系统开发 51 9.结论 51 参考文献: 53 附件: 55 1.项目背景及意义 片烟结构是衡量打叶质量的重要指标,同时也是影响烟丝结构的主要因素,而后者又是决定卷烟卷制质量如单支重量、烟支密度、端部落丝量、空头率和卷制质量稳定性的重要因素。 片烟结构的测定主要是利用筛分的方法使不同尺寸的片烟分离,结果以各层或某层筛网上的累积质量占总质量的比例来表示1-3。筛分法的测试原理是利用不同规格的筛网,将一定质量的物料按照尺寸的差异进行分离,结果用各层筛网上的物料质量与所取样品的总质量之比来表示。用于片烟结构
4、检测的片烟振动分选筛最早是由帝国烟草公司设计的,随后在各大烟草企业中得到广泛应用4。 对于筛分法来说,不同的筛网层数、孔径、振筛振动的振幅和频率、喂料的倾角以及进料量等其它参数都会造成筛分结果的差异5,其中筛网孔径是最主要的影响因素。在上世纪80年代之前,研究者们根据自己的需要设计筛网孔径,菲莫公司早期曾选用3/4、1/2、1/4、1/6英寸来作为振筛的筛网孔径,Stephen. W.Jakob、/.ts、/.ton等人在对片烟结构的研究中,选取3/2、3/4、3/8英寸作为筛分区间6-8,/.d 、/.pley 、/.kwell、/.all等人则选用1、1/2、1/4、1/8英寸为筛网孔径5
5、,9-11。由于标准的不统一,研究者们的研究成果很难相互参考和比较,因此,制定统一的片烟结构测定方法和标准就变成亟待解决的问题。 1983年,/.d和/0.将菲莫公司自主设计研发的片烟振动分选筛与Cardwell 公司的分选筛的各项参数及性能进行了对比5,包括喂料的方式、进料量、筛网孔径等,发现造成两者对同一样品筛分结果的差异除了由于筛网孔径不同之外,喂料方式、进料量等方面也有重要影响,例如:菲莫振筛的样品进料量是4.5kg,而Cardwell振筛则是3kg,菲莫振筛的喂料方式是倾斜喂料,有一定的势能,Cardwell筛则是水平喂料,减少了破碎的发生。 1991年的CORESTA大会上将Car
6、dwell片烟振动分选筛及其测定方法作为推荐测试方法 12,1995年这一方法被制定为国际标准ISO121942,2007年国内等同采用为国家标准GB/T211371。其中规定片烟的测试量为3kg,筛网孔径为25.4、12.7、6.35、2.36 mm,通常25.4mm以上为大片,12.7mm以上为大中片,2.36 mm以下为碎片。 筛分法的优点是原理简单、直观,操作方便、易于实现,这也是其获得广泛应用的重要原因,但是筛分法用于片烟结构的测定也存在一定的问题: 首先,筛分法由于筛网层数的有限性,只能得到有限的离散结果,无法完整反映不同大小片烟的整体分布和均匀性情况。/.d和/.曾指出5,即使不
7、同的片烟筛分后具有同样的结果,各个尺寸片烟所占的质量百分比仍可能是不同的。P.Funke等人也认为13,具有相同1/2英寸以上百分比的片烟可能生产出截然不同质量的烟丝,片烟分布的均匀性与其大小同样都是重要的指标。 其次,筛分法对于形状规则的颗粒状的样品效果较好,片烟作为不规则的片状结构,利用筛分方法来测定难以反映片烟的真实大小。 叶面积的测量方法有很多种,针对不同的测量对象和不同目的,各种测量叶面积的方法都有其使用范围和一定的局限性。 现有的叶面积测量方法主要有叶面积仪、求积仪、方格纸法、称重法、图形分解法、抛物线法、系数法、回归方程法、图像处理法等14-17。采用叶面积测量的方法,其目的在于
8、避免或减少人为的误差,得到精确可靠测量结果。研究结果表明18,叶面积仪、求积仪测量精度最高;其次为图像处理法、方格纸法、回归法;然后是系数法、称重法、图形分解法和抛物线法。叶面积仪和求积仪要求避免片烟卷曲,且求积仪法的精度与片烟的形状有关:叶子的长宽比越大、周长越大,误差也越大19;方格纸法工作量大,效率低,易出错;回归法和系数法不能在品种及种类之间通用;称重法受叶形、叶位、含水量影响大;图形分解法和抛物线法适用于形状规则的片烟和边缘光滑的片烟,对不规则片烟,结果误差大,因此适用于精度要求不高的情况;图像处理法的测量精度与图像本身的拍照质量、相机像素以及在计算机图像处理时的算法有关,但随着数码
9、相机、计算机技术的不断发展和算法的不断改进图像处理法的精度也在不断提高20。 由于方格法、称重法、图形分解法、抛物线法、系数法、回归法等过程繁琐,计算复杂,耗时耗力,容易出错,误差也比其他几种方法大,因此目前国内外普遍使用图像处理法和叶面积仪法测叶面积,这两种方法精度高,速度快,省时省力。除此之外,图像处理法几乎可以适用于所有片烟,不受片烟形状、大小、厚薄等因素的影响,还适合于对大量片烟的面积测量工作21,因此得到越来越广泛的使用和普及,并成为叶面积测定方法的一个重要的发展方向。 图像处理法是建立在计算机图像处理基础之上的,其原理为:计算机中的平面图像是由若干个网状排列的像素组成的,通过分辨率
10、计算出每个像素的面积,然后统计片烟图像所占的像素个数,再乘以单个像素的面积就可以得到叶面积。实现图像处理法的手段有很多,数字图像可利用数码相机或者扫描仪得到,叶面积计算可以采用图像处理软件Photoshop, Auto CAD等21-22到,也可以采用开发工具如VC、VB、MATLAB等23,24计算得到。这两种计算叶面积的方法虽然都可以得到准确的结果,但后一种方法更加灵活,正确度和效率更高。Enrique等人比较了Auto CAD和MATLAB两种方法,结果发现两种方法的平均误差分别为1.29%和0.45%,标准偏差分别为2.14%和1.80%,但测试时间相差5-10倍25。 图像处理法测定
11、叶面积需要解决的问题主要有:?图像处理法并不是直接对被测片烟进行测量,而是通过对被测片烟的图片进行间接处理,因此图片的质量直接影响了计算结果的正确度。?图像处理法通过统计被测片烟所占图片的像素个数来计算叶面积,由于片烟不可能正好完整覆盖所有像素,在片烟的边缘总会有未完全覆盖的像素,因此计算结果存在一定的误差,但提高图像的分辨率可以有效的减少误差。?在同时测试大量片烟时,片烟之间不能有重叠和折叠现象存在,重叠的片烟将会被作为一片片烟处理,从而影响测试结果,因此实现片烟的离散铺料是关键之一。 本课题通过片烟面积的测定方法和片烟大小(面积)的分布规律研究,建立能够真实、准确的测定片烟大小的方法并以反
12、映片烟尺寸真实值的特征量来表征片烟结构分布特征,对于进一步深入研究其与烟丝结构和卷烟卷制质量的关系、提高卷烟品质、指导打叶复烤工艺具有重要的意义。 2.主要研究内容 本项目通过对片烟面积测定方法及片烟大小(面积)分布规律的研究,建立能够真实、准确反映片烟大小及其分布的测定方法,主要研究内容包括: 1)研究片烟面积的测定方法; 2)研究片烟大小(面积)的分布规律; 3)研究建立反映片烟大小(面积)分布规律的特性方程; 4)研究建立能够反映片烟大小及其分布的叶面积测定方法。 3.预期效果 1)建立反映片烟大小(面积)分布规律的特性方程; 2)确定描述片烟整体尺寸大小的特征参数; 3)建立能够反映片
13、烟大小及其分布的叶面积测定方法。 4.技术路线图1技术路线 5.叶面积法基本原理 利用离散铺料系统使片烟样品完全离散,使用图像采集装置获得离散片烟数字图像,通过图像处理与分析,计算图像中每片片烟所占像素点的数量,根据单个像素点对应的实际面积,计算被测片烟面积,见公式(1)。根据每片片烟的面积拟合片烟大小分布,获得方程参数及片烟均匀性系数,并计算特征面积和任意区间面积百分比。 (1) 其中: A ?片烟面积 P ?片烟所占像素数 ?单个像素对应的实际面积 6.材料与方法 6.1仪器及材料 试验仪器:片烟大小及分布测定系统(云南昆船设计研究院、郑州烟草研究院)、片烟振动分选筛(嘉德机电有限公司)、
14、电子天平(梅特勒拖利多公司)。 试验材料: 6组不同形状、不同大小标准样(见表1),标准样为铜质薄片,厚度为3mm,制作精度0.1mm,为了使标准样具有较高的精度,标准样应尽量选择规则形状,标准样一旦出现磨损则不再使用;不同产地、不同等级、不同加工工序烤烟片烟及白肋烟(见表2)。 表1试验标准样真实面积(mm2) 组号 标准样 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 25.00 95.04 361.00 817.95 1447.80 2237.253249.00 4402.30 5776.00 7225.00 8977.50 2 5.20 14.43 28.29 57.74 129
15、.90 230.94 519.62923.76 1443.38 5773.50 3 9.00 25.00 49.00 100.00 225.00 400.00 900.001600.00 2500.00 10000.00 4 7.07 19.63 38.47 78.50 176.63 314.00 706.501256.00 1962.50 7850.00 5 25.00 49.00 100.00 225.00 400.00 900.001600.00 2500.00 10000.00 6 25.00 100.00 389.70 900.00 1087.50 2500.00 注:第2组为等边三角形,第4组为圆形,其余为正方形 表2试验片烟材料 烤烟 白肋烟 打后 烤后 松散回潮后 样品名称 尤溪B3F 永定B1F 福建长汀C23FCB 福建长汀C3F 福建龙岩CAAF 福建长汀B3F 福建龙岩BLF 昆明红大BBSF 昆明DB3F 昆明CCFS 福建长汀C3F(切两刀) 尤溪B3F 永定C2F 福建长汀C23FCB 福建长汀C3F 福建龙岩CAAF 福建长汀B3F 福建龙岩BLF 昆明红大BBSF 昆明DB3F 昆明CCFS 宁化B3F 尤溪C3L
