卷煙和濾棒物理性能的測定第 3 部分：圓周 非接觸光學法

1GB/T22838.3—202×/ISO2971:2013卷煙和濾棒物理性能的測定第3部分：圓周非接觸光學法本文件描述了一種非接觸光學測量方法，用于測定桿狀物橫截面的圓周平均值、最大值、最小值以及橢圓度（或圓度該桿狀物具有由凸曲線構成的圓形或橢圓形橫截面。本文件適用于卷煙、濾棒以及類似于卷煙的圓柱形煙草制品圓周的測定。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內容通過文中的規(guī)范性引用而構成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T8170數(shù)值修約規(guī)則與極限數(shù)值的表示和判定GB/T16447煙草及煙草制品調節(jié)和測試的大氣環(huán)境（ISO3402：1999,IDT）ISO5725-2：1994測量方法與結果的準確度（正確度與精密度）第2部分確定標準測量方法重復性與再現(xiàn)性的基本方法3術語和定義下列術語和定義適用于本文件。3.1直徑diameter按照本文件規(guī)定的方法測得某試樣n個讀數(shù)的算術平均值。當橫截面為凸面時，該值表示圓周與被測試樣周長相同的圓的直徑。3.2凸橫截面convexcrosssection一種橫截面，該截面上任意兩點之間的直線也在該截面內。3.3周長perimeter橫截面邊界線的長度。3.4圓周circumference圓形橫截面的周長。3.5最小直徑minimumdiameter2GB/T22838.3—202×/ISO2971:2013某試樣n個讀數(shù)中的最小值。3.6最大直徑maximumdiameter某試樣n個讀數(shù)中的最大值。3.7絕對橢圓度absoluteovality桿狀試樣橢圓度的一種表示方法，由n個讀數(shù)中最大直徑和最小直徑之間的算術差得到。3.8相對橢圓度relativeovality絕對橢圓度與直徑之比，以百分數(shù)表示。3.9相對圓度relativeroundness100減去相對橢圓度。4原理凸橫截面圖形平均直徑的測量原理（見附錄B）符合巴比爾定理，該定理規(guī)定當以等角間隔旋轉時，截面的平均直徑等于其表觀（或投影）直徑的算術平均值。截面的旋轉角度應5試驗條件5.1調節(jié)大氣試樣試驗前應按照GB/T16447的要求進行狀態(tài)調節(jié)，并達到平衡。5.2測試大氣儀器校準和測試條件應符合GB/T16447的規(guī)定。6儀器設備6.1光學測量儀器光學測量儀器適用于測定橫截面近似圓形的桿狀試樣的直徑，測量不確定度應不大于0.01mm。儀器的測量方法示意圖見圖1。3GB/T22838.3—202×/ISO2971:2013圖1一般非接觸光學測量系統(tǒng)示意圖在測試區(qū)域內，試樣不應產生偏心運動，否則儀器掃描速度將會影響直徑測量的精度。盡管試樣可能是橢圓形的，儀器的掃描速率和試樣的旋轉速率之比應該是恒定的和足夠大的，以保證包括最小值和最大值在內的直徑得到十分準確的測量。掃描通道的長度應遠大于待測的最大直徑，以避免由于試樣異常而導致的誤差。試樣在旋轉半圈（180°)期間至少被掃描32次，或旋轉一圈（360°)期間至少被掃描64次。6.2旋轉試樣或掃描通道的儀器或設備旋轉試樣或掃描通道的儀器或設備，應能在測量區(qū)域內旋轉試樣或環(huán)繞試樣旋轉掃描方向，同時在整圈（360°)旋轉期間，始終保持試樣縱軸垂直于測量區(qū)域。7樣品7.1選取在統(tǒng)計上能代表試樣總體特征的一定量樣品。7.2樣品不應有明顯的可能影響測試的缺陷。8試驗步驟4GB/T22838.3—202×/ISO2971:20138.1試樣樣品的制備測量前，按5.1中的要求對試樣進行調節(jié)。按照第7章取樣規(guī)定，隨機抽取一定數(shù)量的試驗所需樣品。本文件中未規(guī)定樣品調節(jié)的次數(shù)和調節(jié)所持續(xù)的時間，這些條件由實踐經驗決定，并應在試驗報告中與測量結果一起記錄。8.2校準工作標準棒用于校準或檢查校準測量系統(tǒng)。應按照儀器說明書進行校準。8.3測試按照儀器說明書，將試樣放置在測量區(qū)域內，盡可能靠近測量區(qū)域的中心。試樣或測量儀器應能環(huán)繞軸旋轉，這樣使得試樣相對于被測平面的任何偏心運動都保持與被測平面平行，且與試樣縱軸垂直。調整儀器和（或）測量平面的旋轉裝置，以便測量試料上所需截面。按照儀器說明書操作儀器，并精確記錄直徑的平均值、最小值和最大值。通常測定樣品的平均直徑應從一個樣品中至少取10個試樣進行測定。9結果表示樣品的平均直徑值應是單次測量的平均值（見7.3）。結果應表示如下：a）結果按照GB/T8170的規(guī)定進行數(shù)值修約；b）直徑，至少每整圈64次或每半圈32次掃描讀數(shù)的算術平均值，以毫米表示，并精確至0.01mm；c）樣品平均直徑，x個直徑平均值(x通常為10，但可以變化，見8.3中的注1)，以毫米表示，精確至0.001mm；d）樣品最大直徑，從x個試樣的樣品中獲得的最大直徑，以毫米表示，精確至0.01mm；e）樣品最小直徑，從x個試樣的樣品中獲得的最小直徑，以毫米表示，精確至0.01mm；f）絕對橢圓度，以毫米表示，精確至0.01mm；g）相對橢圓度，以百分數(shù)表示，精確至0.1%；h）相對圓度，以百分數(shù)表示，精確至0.1%。9重復性和再現(xiàn)性2009年，由14家實驗室參加的國際共同試驗，依據ISO5725-2:1994對制備好的直徑范圍約為（5～9）mm的濾棒和卷煙樣品進行了測試。所測的每個試樣均是從具有代表性的3000支濾棒中隨機抽取，且這些濾棒盡可能代表一貫的生產情況。為每個共同試驗參與者分發(fā)3個樣品和備用樣品，每個樣品10支濾棒。每個樣品只測試一次。規(guī)定卷煙煙支上的測量位置，而未規(guī)定濾棒的測量位置。該項研究給出了以下平均直徑、重復性標準差（sr）、再現(xiàn)性標準差（sR）、重復性限5GB/T22838.3—202×/ISO2971:2013（r）和再現(xiàn)性限（R）值(見表1)。由于試驗中所測樣品不能代表所有產品，所以本次實驗室間的研究結果可能僅適用于所測樣品。表1共同試驗研究結果統(tǒng)計表rrR10試驗報告試驗報告應注明使用方法和測得結果，也應包括在本文件中未規(guī)定的其他操作條件，或認為可選的，以及任何可能影響測試結果的情況。試驗報告應包括樣品全部標識所需的詳細資料。試驗報告應包括以下內容：a)取樣日期和取樣方法；b)測試樣品的唯一性標識和詳細信息、樣品特性（性質、規(guī)格）；c)測試日期；d)準確的和全部的測量條件，特別是那些不符合本文件規(guī)定的情況，以及任何可能影響測試結果的事件；e)測試大氣條件和調節(jié)持續(xù)時間；f)卷煙的測量位置到濾嘴端的距離；g)以毫米表示的測量結果(直徑或圓周)；h)與結果相關的基本統(tǒng)計：——測試次數(shù)；——平均值和標準偏差值。6GB/T22838.3—202×/ISO2971:2013校準標準棒A.1校準標準棒的基本特性校準標準棒用于校準測量卷煙和濾棒直徑（或圓周）的儀器。參考校準標準棒應是由剛性、穩(wěn)定材料(如鋼)制成、表面粗糙度約為0.5μm，且具有已知可重復直徑值的圓柱棒。校準標準棒應在(22±2)℃的標準實驗室條件下，通過可溯源的參考標準進行校準,且應已知標準棒材料的熱膨脹系數(shù)。應通過測量標準棒的中部和兩端，用三處截面的最小直徑檢查校準標準棒的橢圓度。校準標準棒應有唯一性標識，且應證明具有最小精度為0.003mm的直徑測定值。A.2校準儀器的步驟為測定卷煙和濾棒圓周，應按照儀器說明書進行儀器校準和性能測試。7GB/T22838.3—202×/ISO2971:2013測量原理和掃描次數(shù)要求B.1測量原理圖B.1為卷煙或濾棒的凸曲線橫截面(X)示意圖。圖B.1卷煙或濾棒的橫截面(X)及在任意角a處觀測X直徑D(α)的示意圖在橫截面與一條支撐線相交處，作一個與橫截面相切的圓，該圓的直徑等于以角度α觀測橫截面的直徑D(α)。圓的半徑為R(α)=D(α)/2，周長為2πR(α)。與圓心角dα對應的圓弧長度是R(α)dα。對于小角度dα,圓弧的長度接近橫截面的弧長（因dα→0，所以兩條弧形都接近直線，當旋轉一圈時，橫截面的周長P可以通過每個角度增量dα對應弧長的積分計算得出式dα=π（B.1）已知函數(shù)f(x)在a和b之間的均值為：（B.2）因此，橫截面表觀直徑的平均值Dm為：Dm=2π（B.3）8GB/T22838.3—202×/ISO2971:2013由式(B.1)與式(B.3)可知：P=τDm（B.4）這表明凸曲線的周長等于表觀直徑的平均值乘以π,即卷煙或濾棒表觀直徑的平均值等于其周長除以π,而與其形狀無關。以上推論假定截面旋轉360°,但如果僅旋轉180°即采集所有直徑。旋轉180°的非整數(shù)倍進行采樣，測試結果根據樣品形狀會有所偏差。B.2掃描次數(shù)要求上述測量原理基于無限次直徑掃描。任何實際儀器進行直徑掃描都是有限的，從而影響測量精度。工作組開展的理論研究表明，以恒定角度間隔對相對橢圓度小于40%的橢圓形狀進行整圈旋轉時，掃描36次可達到1μm的直徑測量精度和1%的相對橢圓度測定精度。一項使用激光設備的實驗研究表明，橢圓度小于30%的試件以恒定角速度進行整圈旋轉時，掃描64次與掃描1024次相比，測定平均直徑的差值小于1μm，測定相對橢圓度的差值小于0.2%?；谝陨涎芯?，建議試樣以恒定的角度間隔，進行整圈旋轉時至少掃描64次，或者進行半圈旋轉時至少掃描32次。9GB/T22838.3—202×/ISO2971:2013可能的測量誤差源信息C.1激光、CCD和攝像系統(tǒng)共同的誤差源激光、CCD和攝像系統(tǒng)共同的誤差源包含但不限于以下：——樣品棒與掃描光束不垂直；——沿樣品棒長度方向的測量位置不正確；——樣品表面粗糙度；——光學性能差引起的像差；——樣品棒旋轉角度不是180°的倍數(shù)；——旋轉時角速度不恒定；——采集速率不恒定；——每次旋轉的掃描次數(shù)不夠多；——光學系統(tǒng)中的灰塵導致樣品邊界識別錯誤；——選用了搭口凸起（壞的）的試樣；——在測量區(qū)域內試樣放置不正確；——使用了邊界特征不清晰的試樣，如：未外裹成形紙的醋纖濾棒。C.2攝像系統(tǒng)特有的誤差源攝像系統(tǒng)特有的誤差源包含但不限于以下：——樣品范圍的變化；——光線不好導致的陰影；——校準基于的產品與被測產品在直徑、顏色、亮度或對比度方面的差異；——光線不好導致的產品顏色變化；——從一個測量區(qū)域到另一個測量區(qū)域產品的顏色變化；——光學器件與產品之間的距離變化；——測量寬度過窄導致沿樣品棒方向測量位置的靈敏度高；——測量寬度過寬導致沿樣品棒方向測量位置的靈敏度低；——傳感器的分辨率不適用于測量分辨率。C.3CCD系統(tǒng)特有的誤差源CCD系統(tǒng)特有的誤差源包含但不限于以下：——準直光束可能不完全平行；——測量寬度過窄導致沿樣品棒方向測量位置的靈敏度高；——測量寬度過寬導致沿樣品棒方向測量位置的靈敏度低；——絕對分辨率不適用于測量分辨率。C.4激光系統(tǒng)特有的誤差源激光系統(tǒng)特有的誤差源包含但不限于以下：——準直光束可能不完全平行；——橫向光束速度不穩(wěn)定；——光束寬度過窄導致沿樣品棒方向測量位置的靈敏度高；——光束寬度過窄導致試樣表面上小的人為現(xiàn)象（纖維）的檢測誤差。GB/T22838.3—202×/ISO2971:2013非接觸測量技術D.1應用激光光束的測量儀器半導體激光器發(fā)出的激光束投射在八棱鏡和反射鏡上，并反射出去。漫反射的激光束通過準直透鏡后，平行投射到待測物體上。光束在掃描通道中以恒定速度平行于自身移動。掃描被測物體后，激光束通過接收透鏡匯聚到接收元件。邊緣檢測裝置在光束到達被測物體時產生一個脈沖，在光束離開被測物體時產生另一個脈沖。兩個脈沖之間的時間間隔與被測物體的大小成比例。該原理如圖D.1所示。應用適當?shù)难b置保持樣品棒與掃描通道垂直，并使樣品棒繞縱軸以恒定角速度旋轉。圖D.1激光測量系統(tǒng)示意圖D.2應用CCD裝置的測量儀器發(fā)光二極管（LED）發(fā)出的光束通過準直透鏡后，平行投射到待測物體上。掃描被測物體后，光束通過凸透鏡會聚并平行投射到電荷耦合元件（CCD）陣列上。投射到CCD陣列上陰影的大小與被測物體的大小成比例。該原理如圖D.2所示。應用適當?shù)难b置保持樣品棒與掃描通道垂直，并使樣品棒繞縱軸以恒定角速度旋轉。GB/T22838.3—202×/ISO2971:2013圖D.2CCD測量系統(tǒng)示意圖D.3應用攝像機和數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的測量儀器待測物體在數(shù)字攝像機的視場中旋轉。應用適當?shù)难b置保持樣品棒與掃描通道垂直，并使樣品棒繞縱軸旋轉。攝像機內的數(shù)字圖像傳感器將被測物體拍攝成像。由數(shù)字圖像處理系統(tǒng)（帶圖像處理軟件）掃描并采集數(shù)字圖像。圖像中被測物體的大小通過參比一系列校準標準棒的類似采集圖像測定。該原理如圖D.3所示。GB/T22838.3—202×/ISO2971:2013圖D.3攝像機與數(shù)字圖像處理系統(tǒng)示意圖GB/T22838.3—202×/ISO2971:2013卷煙和濾棒公稱直徑測定備選測量技術E.1拉帶測量法E.1.1原理這種測量技術是使用一根帶子環(huán)繞卷煙或濾棒外部，并通過選定一個質量在60g和100g之間的落錘對帶子施加拉力。帶子的一端附著傳感器，傳感器用于將位移信號轉換為成比例的電壓信號，另一端固定在砝碼上。環(huán)繞樣品的帶子精確地符合樣品的外形。因此，直接根據拉帶的剩余長度可測量出樣品周長。E.1.2優(yōu)點拉帶測定儀的優(yōu)點在于無論測試樣品的外形如何都能精確測量樣品周長，同時能克服其他測量技術因試樣搭口凸起所導致的問題。該方法還有一個優(yōu)點，即在邊界不清晰的情況下（如未外裹成形紙的醋纖濾棒）能夠持續(xù)測量。周長測定技術提供了測定公稱直徑的更高分辨率。E.1.3缺點拉帶測定儀的缺點在于需要一套砝碼以減小對低密度產品的壓縮影響，且拉帶測量技術不能測定產品直徑的最大值和最小值。由周長的測量值計算出公稱直徑。注：選擇的砝碼重量將影響直徑的測量，特別是直接測量剛E.2氣動測量法E.2.1原理氣動橋接環(huán)路裝置由極低的調節(jié)壓力供應空氣，環(huán)路分為兩個通道，一路用于測量，另一路用于平衡。壓力計或壓差傳感器用于指示測量線和平衡線之間的壓差，該壓差是由放置于測量頭中試樣的規(guī)格決定的。該測量方法直接測量樣品的橫截面積，由此可以得出公稱直徑或圓周。E.2.2優(yōu)點該測量技術的優(yōu)點是簡便，無需多少技術支持，僅需提供壓縮空氣。壓力計和刻度易于讀取圓周和直徑值以及以毫米表示的偏差。E.2.3缺點不同測量范圍需要不同的測頭，對于公稱直徑或圓周而言，一般是直徑±0.25mm（圓測量結果主要會受到卷煙紙透氣度和樣品填充值的影響。GB/T22838.3—202×/ISO2971:2013ISO/TC126/SC1/WG2實驗室間直徑測量不確定度研究協(xié)議本研究旨在評估國際標準IS