卷烟和滤棒物理性能的测定第 3 部分：圆周 非接触光学法

1GB/T22838.3—202×/ISO2971:2013卷烟和滤棒物理性能的测定第3部分：圆周非接触光学法本文件描述了一种非接触光学测量方法，用于测定杆状物横截面的圆周平均值、最大值、最小值以及椭圆度（或圆度该杆状物具有由凸曲线构成的圆形或椭圆形横截面。本文件适用于卷烟、滤棒以及类似于卷烟的圆柱形烟草制品圆周的测定。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T8170数值修约规则与极限数值的表示和判定GB/T16447烟草及烟草制品调节和测试的大气环境（ISO3402：1999,IDT）ISO5725-2：1994测量方法与结果的准确度（正确度与精密度）第2部分确定标准测量方法重复性与再现性的基本方法3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1直径diameter按照本文件规定的方法测得某试样n个读数的算术平均值。当横截面为凸面时，该值表示圆周与被测试样周长相同的圆的直径。3.2凸横截面convexcrosssection一种横截面，该截面上任意两点之间的直线也在该截面内。3.3周长perimeter横截面边界线的长度。3.4圆周circumference圆形横截面的周长。3.5最小直径minimumdiameter2GB/T22838.3—202×/ISO2971:2013某试样n个读数中的最小值。3.6最大直径maximumdiameter某试样n个读数中的最大值。3.7绝对椭圆度absoluteovality杆状试样椭圆度的一种表示方法，由n个读数中最大直径和最小直径之间的算术差得到。3.8相对椭圆度relativeovality绝对椭圆度与直径之比，以百分数表示。3.9相对圆度relativeroundness100减去相对椭圆度。4原理凸横截面图形平均直径的测量原理（见附录B）符合巴比尔定理，该定理规定当以等角间隔旋转时，截面的平均直径等于其表观（或投影）直径的算术平均值。截面的旋转角度应5试验条件5.1调节大气试样试验前应按照GB/T16447的要求进行状态调节，并达到平衡。5.2测试大气仪器校准和测试条件应符合GB/T16447的规定。6仪器设备6.1光学测量仪器光学测量仪器适用于测定横截面近似圆形的杆状试样的直径，测量不确定度应不大于0.01mm。仪器的测量方法示意图见图1。3GB/T22838.3—202×/ISO2971:2013图1一般非接触光学测量系统示意图在测试区域内，试样不应产生偏心运动，否则仪器扫描速度将会影响直径测量的精度。尽管试样可能是椭圆形的，仪器的扫描速率和试样的旋转速率之比应该是恒定的和足够大的，以保证包括最小值和最大值在内的直径得到十分准确的测量。扫描通道的长度应远大于待测的最大直径，以避免由于试样异常而导致的误差。试样在旋转半圈（180°)期间至少被扫描32次，或旋转一圈（360°)期间至少被扫描64次。6.2旋转试样或扫描通道的仪器或设备旋转试样或扫描通道的仪器或设备，应能在测量区域内旋转试样或环绕试样旋转扫描方向，同时在整圈（360°)旋转期间，始终保持试样纵轴垂直于测量区域。7样品7.1选取在统计上能代表试样总体特征的一定量样品。7.2样品不应有明显的可能影响测试的缺陷。8试验步骤4GB/T22838.3—202×/ISO2971:20138.1试样样品的制备测量前，按5.1中的要求对试样进行调节。按照第7章取样规定，随机抽取一定数量的试验所需样品。本文件中未规定样品调节的次数和调节所持续的时间，这些条件由实践经验决定，并应在试验报告中与测量结果一起记录。8.2校准工作标准棒用于校准或检查校准测量系统。应按照仪器说明书进行校准。8.3测试按照仪器说明书，将试样放置在测量区域内，尽可能靠近测量区域的中心。试样或测量仪器应能环绕轴旋转，这样使得试样相对于被测平面的任何偏心运动都保持与被测平面平行，且与试样纵轴垂直。调整仪器和（或）测量平面的旋转装置，以便测量试料上所需截面。按照仪器说明书操作仪器，并精确记录直径的平均值、最小值和最大值。通常测定样品的平均直径应从一个样品中至少取10个试样进行测定。9结果表示样品的平均直径值应是单次测量的平均值（见7.3）。结果应表示如下：a）结果按照GB/T8170的规定进行数值修约；b）直径，至少每整圈64次或每半圈32次扫描读数的算术平均值，以毫米表示，并精确至0.01mm；c）样品平均直径，x个直径平均值(x通常为10，但可以变化，见8.3中的注1)，以毫米表示，精确至0.001mm；d）样品最大直径，从x个试样的样品中获得的最大直径，以毫米表示，精确至0.01mm；e）样品最小直径，从x个试样的样品中获得的最小直径，以毫米表示，精确至0.01mm；f）绝对椭圆度，以毫米表示，精确至0.01mm；g）相对椭圆度，以百分数表示，精确至0.1%；h）相对圆度，以百分数表示，精确至0.1%。9重复性和再现性2009年，由14家实验室参加的国际共同试验，依据ISO5725-2:1994对制备好的直径范围约为（5～9）mm的滤棒和卷烟样品进行了测试。所测的每个试样均是从具有代表性的3000支滤棒中随机抽取，且这些滤棒尽可能代表一贯的生产情况。为每个共同试验参与者分发3个样品和备用样品，每个样品10支滤棒。每个样品只测试一次。规定卷烟烟支上的测量位置，而未规定滤棒的测量位置。该项研究给出了以下平均直径、重复性标准差（sr）、再现性标准差（sR）、重复性限5GB/T22838.3—202×/ISO2971:2013（r）和再现性限（R）值(见表1)。由于试验中所测样品不能代表所有产品，所以本次实验室间的研究结果可能仅适用于所测样品。表1共同试验研究结果统计表rrR10试验报告试验报告应注明使用方法和测得结果，也应包括在本文件中未规定的其他操作条件，或认为可选的，以及任何可能影响测试结果的情况。试验报告应包括样品全部标识所需的详细资料。试验报告应包括以下内容：a)取样日期和取样方法；b)测试样品的唯一性标识和详细信息、样品特性（性质、规格）；c)测试日期；d)准确的和全部的测量条件，特别是那些不符合本文件规定的情况，以及任何可能影响测试结果的事件；e)测试大气条件和调节持续时间；f)卷烟的测量位置到滤嘴端的距离；g)以毫米表示的测量结果(直径或圆周)；h)与结果相关的基本统计：——测试次数；——平均值和标准偏差值。6GB/T22838.3—202×/ISO2971:2013校准标准棒A.1校准标准棒的基本特性校准标准棒用于校准测量卷烟和滤棒直径（或圆周）的仪器。参考校准标准棒应是由刚性、稳定材料(如钢)制成、表面粗糙度约为0.5µm，且具有已知可重复直径值的圆柱棒。校准标准棒应在(22±2)℃的标准实验室条件下，通过可溯源的参考标准进行校准,且应已知标准棒材料的热膨胀系数。应通过测量标准棒的中部和两端，用三处截面的最小直径检查校准标准棒的椭圆度。校准标准棒应有唯一性标识，且应证明具有最小精度为0.003mm的直径测定值。A.2校准仪器的步骤为测定卷烟和滤棒圆周，应按照仪器说明书进行仪器校准和性能测试。7GB/T22838.3—202×/ISO2971:2013测量原理和扫描次数要求B.1测量原理图B.1为卷烟或滤棒的凸曲线横截面(X)示意图。图B.1卷烟或滤棒的横截面(X)及在任意角a处观测X直径D(α)的示意图在横截面与一条支撑线相交处，作一个与横截面相切的圆，该圆的直径等于以角度α观测横截面的直径D(α)。圆的半径为R(α)=D(α)/2，周长为2πR(α)。与圆心角dα对应的圆弧长度是R(α)dα。对于小角度dα,圆弧的长度接近横截面的弧长（因dα→0，所以两条弧形都接近直线，当旋转一圈时，横截面的周长P可以通过每个角度增量dα对应弧长的积分计算得出式dα=π（B.1）已知函数f(x)在a和b之间的均值为：（B.2）因此，横截面表观直径的平均值Dm为：Dm=2π（B.3）8GB/T22838.3—202×/ISO2971:2013由式(B.1)与式(B.3)可知：P=τDm（B.4）这表明凸曲线的周长等于表观直径的平均值乘以π,即卷烟或滤棒表观直径的平均值等于其周长除以π,而与其形状无关。以上推论假定截面旋转360°,但如果仅旋转180°即采集所有直径。旋转180°的非整数倍进行采样，测试结果根据样品形状会有所偏差。B.2扫描次数要求上述测量原理基于无限次直径扫描。任何实际仪器进行直径扫描都是有限的，从而影响测量精度。工作组开展的理论研究表明，以恒定角度间隔对相对椭圆度小于40%的椭圆形状进行整圈旋转时，扫描36次可达到1µm的直径测量精度和1%的相对椭圆度测定精度。一项使用激光设备的实验研究表明，椭圆度小于30%的试件以恒定角速度进行整圈旋转时，扫描64次与扫描1024次相比，测定平均直径的差值小于1µm，测定相对椭圆度的差值小于0.2%。基于以上研究，建议试样以恒定的角度间隔，进行整圈旋转时至少扫描64次，或者进行半圈旋转时至少扫描32次。9GB/T22838.3—202×/ISO2971:2013可能的测量误差源信息C.1激光、CCD和摄像系统共同的误差源激光、CCD和摄像系统共同的误差源包含但不限于以下：——样品棒与扫描光束不垂直；——沿样品棒长度方向的测量位置不正确；——样品表面粗糙度；——光学性能差引起的像差；——样品棒旋转角度不是180°的倍数；——旋转时角速度不恒定；——采集速率不恒定；——每次旋转的扫描次数不够多；——光学系统中的灰尘导致样品边界识别错误；——选用了搭口凸起（坏的）的试样；——在测量区域内试样放置不正确；——使用了边界特征不清晰的试样，如：未外裹成形纸的醋纤滤棒。C.2摄像系统特有的误差源摄像系统特有的误差源包含但不限于以下：——样品范围的变化；——光线不好导致的阴影；——校准基于的产品与被测产品在直径、颜色、亮度或对比度方面的差异；——光线不好导致的产品颜色变化；——从一个测量区域到另一个测量区域产品的颜色变化；——光学器件与产品之间的距离变化；——测量宽度过窄导致沿样品棒方向测量位置的灵敏度高；——测量宽度过宽导致沿样品棒方向测量位置的灵敏度低；——传感器的分辨率不适用于测量分辨率。C.3CCD系统特有的误差源CCD系统特有的误差源包含但不限于以下：——准直光束可能不完全平行；——测量宽度过窄导致沿样品棒方向测量位置的灵敏度高；——测量宽度过宽导致沿样品棒方向测量位置的灵敏度低；——绝对分辨率不适用于测量分辨率。C.4激光系统特有的误差源激光系统特有的误差源包含但不限于以下：——准直光束可能不完全平行；——横向光束速度不稳定；——光束宽度过窄导致沿样品棒方向测量位置的灵敏度高；——光束宽度过窄导致试样表面上小的人为现象（纤维）的检测误差。GB/T22838.3—202×/ISO2971:2013非接触测量技术D.1应用激光光束的测量仪器半导体激光器发出的激光束投射在八棱镜和反射镜上，并反射出去。漫反射的激光束通过准直透镜后，平行投射到待测物体上。光束在扫描通道中以恒定速度平行于自身移动。扫描被测物体后，激光束通过接收透镜汇聚到接收元件。边缘检测装置在光束到达被测物体时产生一个脉冲，在光束离开被测物体时产生另一个脉冲。两个脉冲之间的时间间隔与被测物体的大小成比例。该原理如图D.1所示。应用适当的装置保持样品棒与扫描通道垂直，并使样品棒绕纵轴以恒定角速度旋转。图D.1激光测量系统示意图D.2应用CCD装置的测量仪器发光二极管（LED）发出的光束通过准直透镜后，平行投射到待测物体上。扫描被测物体后，光束通过凸透镜会聚并平行投射到电荷耦合元件（CCD）阵列上。投射到CCD阵列上阴影的大小与被测物体的大小成比例。该原理如图D.2所示。应用适当的装置保持样品棒与扫描通道垂直，并使样品棒绕纵轴以恒定角速度旋转。GB/T22838.3—202×/ISO2971:2013图D.2CCD测量系统示意图D.3应用摄像机和数字图像处理系统的测量仪器待测物体在数字摄像机的视场中旋转。应用适当的装置保持样品棒与扫描通道垂直，并使样品棒绕纵轴旋转。摄像机内的数字图像传感器将被测物体拍摄成像。由数字图像处理系统（带图像处理软件）扫描并采集数字图像。图像中被测物体的大小通过参比一系列校准标准棒的类似采集图像测定。该原理如图D.3所示。GB/T22838.3—202×/ISO2971:2013图D.3摄像机与数字图像处理系统示意图GB/T22838.3—202×/ISO2971:2013卷烟和滤棒公称直径测定备选测量技术E.1拉带测量法E.1.1原理这种测量技术是使用一根带子环绕卷烟或滤棒外部，并通过选定一个质量在60g和100g之间的落锤对带子施加拉力。带子的一端附着传感器，传感器用于将位移信号转换为成比例的电压信号，另一端固定在砝码上。环绕样品的带子精确地符合样品的外形。因此，直接根据拉带的剩余长度可测量出样品周长。E.1.2优点拉带测定仪的优点在于无论测试样品的外形如何都能精确测量样品周长，同时能克服其他测量技术因试样搭口凸起所导致的问题。该方法还有一个优点，即在边界不清晰的情况下（如未外裹成形纸的醋纤滤棒）能够持续测量。周长测定技术提供了测定公称直径的更高分辨率。E.1.3缺点拉带测定仪的缺点在于需要一套砝码以减小对低密度产品的压缩影响，且拉带测量技术不能测定产品直径的最大值和最小值。由周长的测量值计算出公称直径。注：选择的砝码重量将影响直径的测量，特别是直接测量刚E.2气动测量法E.2.1原理气动桥接环路装置由极低的调节压力供应空气，环路分为两个通道，一路用于测量，另一路用于平衡。压力计或压差传感器用于指示测量线和平衡线之间的压差，该压差是由放置于测量头中试样的规格决定的。该测量方法直接测量样品的横截面积，由此可以得出公称直径或圆周。E.2.2优点该测量技术的优点是简便，无需多少技术支持，仅需提供压缩空气。压力计和刻度易于读取圆周和直径值以及以毫米表示的偏差。E.2.3缺点不同测量范围需要不同的测头，对于公称直径或圆周而言，一般是直径±0.25mm（圆测量结果主要会受到卷烟纸透气度和样品填充值的影响。GB/T22838.3—202×/ISO2971:2013ISO/TC126/SC1/WG2实验室间直径测量不确定度研究协议本研究旨在评估国际标准IS