用于通风率标准棒期间核查的标准装置设计

崔 廷，苏东赢*，王娟娟，张鹏飞，李浩亮，杨荣超*，苗 芊，胡佳成，杨静静

1. 河南中烟工业有限责任公司技术中心，郑州经济技术开发区第三大街8 号 450000

2. 中国烟草总公司郑州烟草研究院，郑州高新技术产业开发区枫杨街2 号 450001

3. 中国计量大学计量测试工程学院，杭州市下沙学源街258 号 310016

通风率标准棒是烟草行业通风率量值传递系统中的标准器件，主要用于卷烟物理性能综合测试台通风率测试单元的校准。根据《烟草专用通风率标准棒检定规程》的规定［1］，通风率标准棒检定周期为1 年，每个检定周期内量值变化不得超过1%。为确保通风率标准棒量值传递准确可靠，使用部门需定期将其送至中国烟草标准化研究中心进行检定以保证通风率量值的可靠性。在检定周期内，由于通风率标准棒使用频繁、保存或使用环境复杂等原因，容易造成标准棒表面破损污染、端面和侧面通风孔堵塞、材质老化等问题，导致通风率标准棒计量性能发生改变，影响测量准确度，进而影响卷烟的感官质量［2-6］。目前烟草行业通常采用传统皂膜流量计对通风率标准棒总气流量和通风流量进行测量，测量过程中采用人工计量数值，存在一定的人为误差。针对此，苗芊等［7］对影响通风率标准棒测量结果的环境因素进行仿真分析，结果显示气压对通风率测量影响最大，温度对通风率有一定影响，湿度几乎无影响；Zhou 等［8］分析了不同流量CFO（Critical Flow Orifice）对通风率标准棒测量的影响规律，发现通风率与抽吸流量呈负相关关系；黄晓飞等［9］研究了各工艺参数对烟支通风率的影响，发现烟支质量、接装纸动摩擦系数、接装纸无胶区面积对烟支通风率影响显著；吴志英等［10］分析了卷烟单支质量、吸阻、通风率与感官质量的相互关系，发现滤嘴通风率、总通风率对感官质量有明显影响。但对于通风率标准棒期间核查的相关文献报道较少。为此，基于电子皂膜流量计设计了一种用于通风率标准棒期间核查的标准装置，通过分别测量通风率标准棒的总气流量和通风流量，实现通风率自动检测，以期满足卷烟工业企业对通风率标准棒的期间核查需求。

1 系统设计

1.1 标准棒结构

通风率标准棒为圆柱体结构，包括进气端面、出气端面和侧面，见图1。标准棒内部有10 根总毛细管贯穿于出气端面与进气端面之间，侧面靠近出气端面处设有不同数量的通风毛细管与总毛细管相通，通风毛细管的数量不同，通风率量值也不同。

1.2 系统结构

通风率标准棒期间核查用标准装置主要由专用夹具、电子皂膜流量计、负压发生器、烟草专用标准恒流孔等部分构成，见图2。由气体压力调节装置提供大于600 kPa 的气压源，利用负压发生器7 形成负压［11］，并由负压表2 实时监测负压大小；利用烟草专用标准恒流孔10 产生恒定流量［12］；专用夹具5 内部利用医用乳胶管对通风率标准棒3进行密封，并通过专用夹具开关旋钮1 和电磁阀12 进行控制；采用电子皂膜流量计6 作为流量测量标准器件，压差计11 测量通风率标准棒进气端面与出气端面间的压差值，大气压计实时监测环境气压；管路大多采用插拔方式及螺纹连接，操作方便。

1.3 工作原理

通风率是通风率标准棒通风流量与总气流量的比率，以百分比表示［13］。通风率V的理论计算公式为：

式中：Q总是总气流量，即从通风率标准棒侧面以及进气端面进入的气体总流量，mL/s；Q侧是通风流量，即从通风率标准棒侧面进入的气体流量，mL/s。

电子皂膜流量计对烟草专用标准恒流孔进行测量可得到流量QC。当通风率标准棒置于专用夹具中，外接电子皂膜流量计时可得到通风流量Q侧。根据公式（2）对烟草专用标准恒流孔流量QC进行修正，得到总气流量Q总：

式中：P是实验环境的大气压值，Pa；PD是压差计示数，即通风率标准棒出气端面与进气端面之间的压差，Pa。

由此得到通风率V的计算公式为：

系统中，压差计用于测量通风率标准棒工作时进气端面与出气端面间的压差值PD，大气压计实时测量通风率标准棒周围环境气压值P。为确保通风率标准棒量值测量的精确性，电子皂膜流量计的准确度满足0.5 级，压差计和大气压计的准确度分别满足0.1 级和0.3 级。

2 应用效果

2.1 试验设计

材料：型号分别为JV08475、JV08476、JV08433的3个低、中、高通风率标准棒（由河南中烟工业有限责任公司技术中心提供），经中国烟草标准化研究中心检定后，检定值分别为27.87%、58.83%和71.95%。

仪器：期间核查用标准装置（河南中烟工业有限责任公司技术中心自制）。其中，电子皂膜流量计量程1～6 000 mL/min，最大允许误差±0.5%；压差计量程0～10 000 Pa，最大允许误差±0.1%；烟草专用标准恒流孔最大允许误差±2.0%；大气压计气压、温度和相对湿度量程分别是0～110.00 kPa、-20～60 ℃和0～100%，最大允许误差分别为±0.3%、±2.0%和±0.2%。

方法：在温度22℃，相对湿度60%试验条件下，采用标准装置对3 个通风率标准棒进行测量，依据《烟草专用通风率标准棒检定规程》［1］，对总气流量和通风流量分别测量，重复5 次，取平均值，计算通风率。将测量值与检定值相对比，验证标准装置的准确性和可靠性。试验过程中记录恒流孔流量QC，3 个通风率标准棒的通风流量分别为Q侧1、Q侧2、Q侧3；实验环境气压为P，压差计示数分别为PD1、PD2、PD3，见表1。

表1 低、中、高通风率标准棒测量数据Tab.1 Measurement data of low, medium and high ventilation rate standard rods

将表1 中数据代入公式（3），得到3 个通风率标准棒的通风率测量值：

2.2 结果与分析

2.2.1 系统准确性

标准装置测量值与检定值的对比结果见表2。可见，3 个通风率标准棒测量值与检定值的误差均小于1%，表明标准装置具有较好的准确性与可靠性。

表2 标准装置测量值与检定值对比Tab.2 Comparison between measured values and certified values of standard device （%）

2.2.2 系统不确定度

影响标准装置测量不确定度的来源主要包括QC测量重复性引起的不确定度分量u1、Q侧测量重复性引起的不确定度分量u2、PD测量重复性引起的不确定度分量u3、大气压变化引起的不确定度分量u4。由表1 可知，恒流孔流量QC平均值为17.82 mL/s。以低通风率标准棒为例，Q侧平均值为4.78 mL/s，PD平均值为837 Pa，气压P为101.6 kPa。根据公式（3）所建立的标准装置测量模型，对各输入变量求偏导，得到各输入变量引起的灵敏系数。

QC测量重复性引起的不确定度分量u1：

Q侧测量重复性引起的不确定度分量u2：

PD测量重复性引起的不确定度分量u3：

大气压变化引起的不确定度分量u4：

各不确定度分量相互独立，故合成不确定度为：

取k=2，扩展不确定度为：

可见，标准装置扩展不确定度较小，能够满足卷烟工业企业通风率标准棒日常期间核查需求。

3 结论

采用电子皂膜流量计作为测量标准器件，研制了一种通风率标准棒期间核查标准装置。以检定值为27.87%、58.83%和71.95%这3 种通风率标准棒为对象进行测试，结果表明：标准装置的测量值分别是27.03%、58.32%和71.37%，测量值与检定值的误差小于1%，扩展不确定度为1.42%（k=2），测量准确性和可靠性能够满足通风率标准棒期间核查需求，有效提高了卷烟通风率测量效率。