一种呼吸道内流场无损检测烟支填充密度的系统和方法与流程

本发明属于烟草制品物理性能无损检测，具体涉及一种呼吸道内流场无损检测烟支填充密度的系统和方法，更具体涉及一种通过模拟人体标准抽吸过程，测量稳定气流通过待测烟支时的入口流速，并利用该流速与烟支填充密度之间的确定性线性关系，快速、无损判定烟支填充密度的方法及实施该方法的装置。

背景技术：

1、烟支填充密度是影响卷烟抽吸品质、燃烧性能及烟气释放量的关键物理参数，其均匀性直接决定了烟支的抽吸阻力、烟气浓度及口感一致性。在烟草行业高质量发展与智能制造升级的背景下，卷烟产品的物理性能均匀性直接决定了消费者抽吸体验的一致性，也是企业实现质量精准管控的核心目标。烟支填充密度作为表征烟丝填充紧密程度的关键物理参数，其分布均匀性不仅影响卷烟的燃烧速率、烟气释放量及抽吸阻力，还与烟支卷制过程中的成型稳定性、运输存储中的结构完整性密切相关，因此成为卷烟生产全流程质量监控的核心指标，贯穿从烟丝配方调制、卷制工艺优化到成品出厂检验的各个环节。行业内对填充密度的检测精度、效率及无损性提出了越来越高的要求，既需要满足实验室精准分析的需求，更亟需适配高速生产线在线监控、成品盒装烟支全数检验的场景，以实现质量缺陷的早发现、早管控，降低批量质量风险。

2、在烟支物理性能检测领域，填充密度是衡量卷烟质量均匀性与抽吸舒适性的核心指标之一。目前，行业内对烟支填充密度的主流检测方法主要包括：

3、破坏性称重法：即切取定长烟支段，测量其质量与体积后计算密度。该方法为行业标准方法，精度高，但完全破坏样品，无法用于成品烟支的全数检验或生产过程中的在线实时监控，仅适用于离线抽样，存在质量漏检风险。

4、射线检测法（如x射线、核磁共振）：利用射线穿透物质后的衰减特性反演内部密度分布。该方法虽能实现无损检测且可成像，但存在设备昂贵、维护成本高、运行环境要求严格（如辐射防护）等显著缺点，难以在高速生产线上大规模部署。

5、微波检测法：基于微波与物料中水分及介电特性的相互作用进行测量。该方法受烟丝含水率波动影响极大，检测稳定性不足，且对深层密度的分辨率有限。

6、综上所述，现有技术要么如同梗丝分选通道的流场分析一样，缺乏有效的实测试验手段来验证和修正理论模型；要么如同烟支密度检测，在无损、快速、低成本与高精度之间难以兼顾。特别是在追求智能制造与百分百在线质量控制的行业趋势下，开发一种原理清晰、实施简便、能够直接反映产品使用状态下物理特性的无损检测技术，具有紧迫的现实意义和巨大的应用价值。

7、为了解决以上内容，提出本发明。

技术实现思路

1、本发明正是针对上述跨领域的共性技术难题，提出了一种创新的解决方案。烟支吸烟阻力是消费者抽吸体验的直接体现，与填充密度呈强正相关，已被列为卷烟物理性能核心检测指标。将已知吸阻纳入填充密度计算，可利用二者的强相关性形成理论约束，避免单纯依赖流速特征导致的模型过拟合，提升检测结果的稳定性与可靠性，尤其适用于同一规格烟支的批量检测场景。

2、针对现有烟支填充密度检测技术存在的破坏性、离线、设备昂贵或稳定性不足等问题，本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种基于多波形抽吸的盒装烟支填充密度无损检测方法，通过三种标准抽吸波形的八口抽吸，采集每口流速波动特征，结合多物理场理论建立关联模型，实现未知填充密度盒装烟支的精准检测。

3、本发明提出一种基于标准抽吸流场速度的烟支填充密度无损检测方法，可实现烟草制品生产线上烟支填充密度的快速、无损在线检测与质量控制；通过一抽吸装置模拟人体抽吸恒定负压条件下的气流状态，结合达西渗流原理对烟支多孔介质内部流动特性进行分析，建立以抽吸流速为输入参数的填充密度预测模型，实现对烟支内部填充状态的直接评价；检测方法为：利用一抽吸装置，在检测系统中设定模拟标准抽吸的恒定入口负压，将待测烟支作为多孔介质段接入流场，测量在该恒定负压下通过烟支达到稳定状态的气流流速；通过预先建立的、经过大量标定样本拟合得到的一次函数线性模型“填充密度=系数×流速+常数”，将测得的流速直接转换为对应的填充密度预测值；最后根据预测密度值进行质量判定与分级，结合此检测方法可实现烟支填充密度的全数在线筛查，有利于提升卷烟产品均质化水平与质量控制智能化程度。该方法可为烟支设计与抽吸品质优化提供量化依据，有助于提升烟草产品的感官体验与性能一致性。

4、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

5、本发明第一方面提供一种呼吸道内流场无损检测烟支填充密度的系统，所述系统为多波形烟支抽吸检测系统，所述系统包括抽吸装置n1和电脑控制单元n2；

6、所述抽吸装置n1包括烟支1、密封测试腔与夹具2、传感器3、传感器数据显示器4、抽吸管道5、负压系统6；

7、所述密封测试腔与夹具2用于快速、密封装夹待测的所述烟支1，保证检测过程中气流路径统一、无泄漏偏差；

8、所述传感器3为速度传感器，所述传感器3安装于所述抽吸管道5的管段之间，且位于所述烟支1的下游位置，所述传感器3用于在模拟烟支抽吸的过程中实时检测抽吸气流速度；所述传感器3为速度传感器（风速传感器），在模拟抽吸过程中，可对抽吸速度进行测量，测量数据将会在传感器数据显示器上显示；

9、所述传感器数据显示器4与所述传感器3电性连接，所述传感器数据显示器4用于实时显示所述传感器3检测得到的抽吸速度数据；

10、所述抽吸管道5与所述烟支1对接连通，所述抽吸管道5用于模拟人体呼吸道结构，构建贴合人体呼吸特征的气流流通路径；

11、所述负压系统6与所述抽吸管道5连通配合，所述负压系统6用于提供负压动力，模拟人体自然抽吸动作；

12、所述电脑控制单元n2与所述抽吸装置n1信号连接，所述电脑控制单元n2内置控制软件，所述电脑控制单元n2能够生成并调控不同的抽吸波形，向所述抽吸装置n1下发抽吸执行指令，同时实时采集并记录抽吸全过程的检测数据，所述检测数据包括抽吸时间、抽吸速度动态变化数值。

13、优选地，所述传感器3为风速传感器。

14、优选地，所述传感器3安装位置位于所述烟支1出口下游15mm处，且与所述烟支1轴线同轴布置，确保流速数据采集的准确性。所述烟支1出口是指烟支滤嘴端的端面。

15、本发明第二方面提供一种呼吸道内流场无损检测烟支填充密度的方法，采用本发明第一方面所述的呼吸道内流场无损检测烟支填充密度的系统，包括如下步骤：

16、s1，搭建所述的呼吸道内流场无损检测烟支填充密度的系统；

17、s2，选取已知规格的盒装烟支作为检测对象，已知参数包括：烟支总长度l=88mm，滤嘴长度lf=30mm，烟丝段有效长度ls=l-lf=58mm，烟支横截面周长c=20mm，计算烟支径向横截面积a=c2/4π（式1）。烟丝填充密度为ρ（预设常量）。已知烟支的标准吸阻r，其为填充密度计算的约束参数。

18、s3，将盒装烟支固定于检测系统的密封夹持工位，通过计算机设定抽吸参数：每支烟抽吸8口，每口抽吸时长2.1s，依次采用正弦波、方波、钟型波三种波形进行抽吸，通过风速传感器采集每口抽吸过程中的实时流速v，提取每口流速最大值vmax、最小值vmin、平均值vavg及波动幅度δv=vmax-vmin共4个特征参数；

19、s4，基于烟丝段多孔介质特性与流场理论，建立流速特征与填充密度的关联模型：

20、s41，达西定律一维修正形式：vavg,i=k(δp-δhi)/μls（式2），式中i为抽吸口次（1≤i≤8），vavg,i为第i口平均流速，k为烟丝段渗透率，δp为烟支两端总压差，δhi为第i口抽吸时的流场总阻力损失，μ为烟气动力黏度；

21、s42，渗透率与孔隙率关联：k=φ3/k0(1-φ)2s02（式3），式中φ为烟丝段孔隙率，k0=5（纤维介质kozeny常数），s0为烟丝比表面积；

22、s43，孔隙率与填充密度关系：φ=1-ρf/ρs（式4），式中ρf为烟支填充密度（待求量），ρs为烟丝自身密度；

23、s44，流场阻力损失计算δh=δp沿程+δp局部（式5），其中δp沿程=λ/de·v2/2·ρls（式6），局部阻力损失δp局部=ζv2ρ/2（式7）其中ζ为局部损失系数，ρ为空气密度；λ为摩擦阻力系数，通过公式（式8）计算，re为第抽吸时的雷诺数，计算公式为re=ρvd/μ（式9）,v为管道内空气流速，μ为空气运动粘度，de为烟丝段等效直径；

24、s45，吸烟阻力与压差的关系：烟支吸烟阻力r定义为抽吸过程中烟支两端的总压差与标准流量的比值，即r=δp总/q0（式10），其中δp总=δp-δh总（式11），δh总为抽吸阻力损失的均值，q0为标准流量；

25、s46，吸阻与填充密度的关系推导：结合达西定律与孔隙率公式，推导吸阻与填充密度关系得到r=μlsk0(1-ρf/ρs)2s02/(1-ρf/ρs)3aq0×103（式12）；

26、s5，基于每种波形的八口流速特征参数，采用多元线性回归算法拟合得到填充密度计算模型，ρf=a1vavg+a2vmax+a3δv+b（式13），vavg为八口平均流速的值，vmax为8口流速最大值，δv为8口流速波动幅度的值，a1、a2、a3为回归系数，b为常数项；

27、s6，对待测盒装烟支重复步骤s3的抽吸与数据采集流程，将提取的流速特征参数代入公式（式13），计算得到待测烟支的填充密度。

28、优选地，所述步骤s3中，三种波形的抽吸负压统一设定为恒定值，保证检测条件一致性。

29、优选地，所述步骤s3中，每口抽吸的流速波动数据采集时长为3s左右，剔除前后段的不稳定数据段，基于中间2.1s的有效数据计算流速特征参数，避免启停阶段流速波动对检测结果的干扰。

30、优选地，所述步骤s5中，多元函数的系数校准过程为：选取至少24组已知填充密度的标准烟支样本，按步骤s3采集选定单一波形的8口流速特征参数，结合步骤s4的物理关联模型计算理论流速，与实测流速比对后，推导出a1、a2、a3、b的数值。

31、优选地，所述方法通过达西定律与吸阻的内在物理关联，将吸阻因素纳入填充密度的计算逻辑，吸阻与填充密度呈强正相关，其取值直接反映烟丝填充紧密程度对烟气流动的影响，使步骤s5的拟合模型隐含吸阻对填充密度的约束作用，实现对吸阻因素的考量。

32、优选地，所述方法通过吸阻与填充密度的强相关特性，将吸阻作为隐性约束因素融入拟合模型的物理关联逻辑，无需改变原公式框架，即可使填充密度计算结果体现吸阻对烟丝填充状态的影响。

33、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

34、1、本发明放弃了传统破坏性称重法需裁切、损毁烟支样品的检测方式，依托抽吸流场速度特征实现烟支填充密度无损检测，待测盒装烟支检测后可正常使用，无样品损耗。同时突破了传统抽样检测的局限，可实现生产线成品烟支全数在线筛查，彻底解决离线抽样检测存在的质量漏检、批量质量隐患问题，全方位保障卷烟出厂质量稳定性。

35、2、相较于x射线、核磁共振等射线检测设备造价高昂、运维成本高、需专业辐射防护环境、难以大规模部署的缺陷，本发明采用风速传感器、常规负压抽吸装置及控制系统组成检测系统，设备结构简单、购置与维护成本极低，无特殊场地与防护要求。设备拆装调试便捷，可直接适配卷烟高速生产线，解决了传统高端检测设备无法批量落地的行业痛点，具备极强的产业化推广优势。

36、3、本发明克服了传统微波检测法受烟丝含水率波动影响大、深层密度分辨率低、检测稳定性差的问题。一方面基于达西渗流原理、多孔介质流场理论构建物理模型，依托多维度流速特征参数拟合计算密度，检测原理严谨；另一方面创新性将烟支吸阻作为隐性约束条件融入计算模型，利用吸阻与填充密度的强正相关特性，避免单一流速参数建模导致的模型过拟合问题，有效规避外界环境、设备工况波动带来的检测误差，显著提升填充密度检测的精准度与重复性。

37、4、本发明摒弃传统静态检测模式，通过模拟人体呼吸道结构搭建抽吸管道，搭配正弦波、方波、钟型波三种标准抽吸波形及多口分段抽吸模式，精准复刻人体真实抽吸过程的动态气流变化。采集多工况、多口次的流速极值、均值、波动幅度等多维特征，基于真实抽吸流场数据计算填充密度，检测结果能够直接反映烟支实际抽吸状态下的物理特性，与消费者抽吸口感、烟气释放、燃烧稳定性等实际品质高度匹配，检测参考价值远优于传统静态检测方式。

38、5、本发明检测流程标准化、自动化程度高，通过电脑控制系统自动完成波形调控、负压控制、数据采集、特征提取及密度计算全过程，无需人工干预与复杂样品预处理。单支烟检测速度快，可匹配卷烟生产线高速作业节奏，实现实时在线检测、即时质量判定与分级，有效提升卷烟生产智能制造与精细化质控水平。

39、6、本发明通过多组标准烟支样本完成模型系数校准，建立的流速-填充密度关联模型适配同规格盒装烟支批量检测场景，通用性与适配性强。检测获取的精准密度数据可反向指导烟丝配方调制、卷制工艺参数优化，为烟支结构设计、抽吸品质均质化优化提供量化依据，有效提升卷烟产品感官体验与批次性能一致性，助力烟草行业高质量、智能化升级发展。