棒检查方法和设备
技术领域
本发明涉及在细长材料棒在纵向方向上行进通过检查区域时使用X射线确定该细长材料棒的密度的方法。其也涉及用于同时确定在纵向方向上并排地行进通过检查区域的两个细长材料棒中的每个的密度的方法和设备。本发明还涉及包括本发明的检查设备的烟草工业产品制造机器。在每种情况下，本发明特别涉及对被包裹在纸中的烟草棒的密度的确定，其作为制造烟草工业产品（诸如吸烟制品）的过程的一部分而形成。
背景技术
在诸如吸烟制品的烟草工业产品的高速制造中，烟丝被连续地形成为细长烟草棒，其被包裹在纸中，之后被包裹的棒被切割成形成单个吸烟制品的长度。作为制造过程的一部分，过滤器可以被附接到每个单个的被包裹的细长烟草棒。
吸烟制品通常需要被制造成使得每个棒包含预定量的烟草。为了确保吸烟制品被一致地制造成规定的设计和品质，已知通过在烟草棒被切割之前随着其在纵向方向上穿过机器而连续地检查该烟草棒而测量其密度。传统上，这已经通过如下方式来实现：提供一种核子源，当运动的烟草棒沿着源和检测器之间的路径行进通过检查区域时，所述核子源向运动烟草棒发射贝塔射线，其中该检测器被定位成确定被传输通过棒的辐射量。
因为辐射源需要被仔细处理和控制，所以近年来，利用微波能来确定烟草棒密度已变得越来越普遍。然而，使用微波能量具有其自身的局限性，因为当烟草棒包括层压金属箔包装或者其他光学不透明材料时其不能被使用。对于其中烟草棒被加热但不燃烧的不可吸用消耗品而言，已变得普遍的是，烟草棒被包裹在纸和不受微波影响的另一材料（诸如铝箔）的层压件中。
发明内容
根据本发明的一方面，提供一种在细长材料棒在纵向方向上行进通过用于确定细长材料棒密度的设备的检查区域时确定该细长材料棒的密度的方法，其中所述方法包括：
（a）定位所述设备的X射线生成器，以在所述细长棒在纵向方向上行进通过所述设备的所述检查区域时，沿横过所述细长棒并朝向所述设备的检测器的方向传输X射线；
（b）向X射线生成器供给在20至80kV之间的电压以传输处于预定强度的X射线；
（c）使用检测器检测被传输通过棒的X射线的强度；以及
（d）基于经检测强度与预定强度的比较来确定细长棒的密度。
因为X射线被材料与其密度成比例地吸收，所以未被该材料阻挡的X射线的量与该材料的密度直接相关。因此，可以通过比较已通过细长棒前的被传输X射线的强度和已通过细长棒后的X射线的强度来获得指示细长棒的密度的X射线强度。
方法可以特别地包括：在20-60kV范围内的电压下操作X射线生成器。
方法可以包括：向X射线生成器供给在0.3-1mA之间的电流。特别地，电流优选地是0.6mA。
方法可以利用包括背照光电二极管阵列和碘化铯闪烁器的检测器。检测器还可以包括光学上不透明的树脂以最大化敏感度。
优选地，细长棒是烟草棒，其包括被包裹在纸和金属箔的层压件中的均质再造烟丝。金属箔优选地是铝并且其可以具有在6至12微米之间的厚度。更优选地，铝层将具有6至9微米的厚度。
本发明的方法可以被用于确定包括被包裹在包装材料和金属箔的层压件中的均质再造烟丝的细长烟草棒的密度。
根据本发明的另一方面，提供一种使用烟草工业产品制造机器制造烟草工业产品的方法，该方法包括：
（a）形成包裹的细长烟草棒；
（b）使得所述包裹的细长烟草棒通过根据本发明的用于确定细长棒的密度的设备的检查区域；以及
（c）切割所述包裹的细长棒以形成单个烟草棒元件。
方法还可以包括：将过滤器部分附接到所述单个烟草棒元件中的每个以形成烟草工业产品。
根据本发明的另一方面，提供一种用于在细长材料棒在纵向方向上行进通过所述设备的检查区域时确定该细长材料棒的密度的设备，其包括：
（a）X射线生成器，用于在细长棒在纵向方向上行进通过所述检查区域时在横过细长棒的方向上传输X射线；
（b）电压源，用于向X射线生成器供给在20至80kV之间的电压以传输处于预定强度的X射线；
（c）检测器，用于检测被传输通过细长棒的X射线的强度；以及
（d）信号处理器，用于基于预定强度与经检测强度的比较来确定细长棒的密度。
根据本发明的另一方面，提供用于同时确定在纵向方向上并排地行进的两个材料棒中的每个的密度的设备，该设备包括：X射线生成器，其被定位成在横过两个细长棒的方向上传输预定强度的X射线；与每个细长棒相关联的相应检测器；以及信号处理器，所述相应检测器中的每个被构造成独立地检测被传输通过相关联的细长棒的X射线的强度并将指示所述检测的信号发送给所述信号处理器，信号处理器被构造成将如由相应检测器确定的所述检测强度与预定强度进行比较以确定每个棒的密度。
优选地，设备包括用于检测由X射线生成器生成的X射线的强度的参考检测器，参考检测器被定位成检测没有被传输通过在纵向方向上并排地行进的细长材料棒的X射线。
根据本发明的一方面，提供一种在两个细长材料棒在纵向方向上以并排方式行进时确定所述两个细长材料棒中的每个的密度的方法，其中所述方法包括：
（a）将X射线生成器定位成以预定强度且在横过两个细长棒朝向与每个细长棒相关联的相应检测器的方向上传输X射线；
（b）使用与每个棒相关联的相应检测器检测被传输通过每个细长棒的X射线的强度；以及
（c）基于由相应检测器检测的强度与预定强度的比较来确定每个细长棒的密度。
方法可以包括：在20-80kV之间的电压下操作X射线生成器。最优选地，在20-60kV的电压下。
方法可以包括：向X射线生成器供给在0.3-1mA之间、优选地0.6mA的电流。
方法可以被用于确定包括被包裹在包装材料和金属箔的层压件中的均质再造烟丝的细长烟草棒的密度。
在优选实施例中，本发明的方法被用于确定包括被包裹在纸和金属箔的层压件中的均质再造烟丝的细长烟草棒的密度。金属箔可以由铝形成并且具有在6至9微米之间的厚度。烟草棒可以具有在5.3毫米至7.9毫米之间的直径。
根据本发明，也提供一种烟草工业产品制造机器，其包括根据本发明的用于同时确定沿相应检查路径在纵向方向上并排地行进的两个细长材料棒中的每个的密度的设备。
根据本发明的另一方面，提供一种使用烟草工业产品制造机器制造烟草工业产品的方法，该方法包括：
（a）形成两个包裹的细长烟草棒；
（b）使得所述包裹的细长烟草棒在纵向方向上并排地通过根据权利要求9或10所述的用于确定所述棒中的每个的密度的设备的检查区域；以及
（c）切割所述棒中的每个以形成单个烟草棒元件。
优选地，方法包括：将过滤器部分附接到所述单个烟草棒元件中的每个以形成烟草工业产品。
在一些实施例中，随着一个（多个）棒通过检查区域，以至少每2mm的间隔对烟草棒的密度进行采样。这接近于5kHz的采样速率。
附图说明
现在将参考附图，仅通过示例方式，描述本发明的实施例，在附图中：
图1是根据本发明的实施例的设备的一般图示；
图2更详细地示出了在其中单个烟草棒正被检查的实施例中X射线生成器、检测器和参考检测器的相对位置；
图3示出与图2类似的图解，但是用于其中同时检查两个烟草棒的另一实施例；以及
图4示出检查设备可以怎样结合到烟草工业产品制造机器中。
具体实施方式
参考附图，图1中示出了用于检查细长棒2的设备1的一般图示，在这种情况下，诸如被包裹在纸中的烟丝棒的烟草工业产品作为在烟草工业产品制造机器10（见图4）中制造诸如香烟的吸烟制品的过程的一部分被形成。设备1被用于确定棒2的密度，具体地棒2中所包含的烟丝和再造烟草的密度，以确保其保持一致且在预定限值内。可以设想的是，如果密度低于或超过预定密度，则可以向操作者发送警报。更优选地，烟草工业产品制造机器10可以结合反馈回路11，使得被馈送到机器中以用于制造棒的烟草的量被自动改变，以便根据从检查设备1接收的信号使得密度返回到期望值或者在期望值范围内。
如图1中可以看到的，用纸包裹好的烟草棒2在箭头‘A’指示的纵向方向上行进。烟草棒2的路径是使得其行进通过在X射线生成器3和X射线检测器4之间的检查区或区域‘Z’。X射线生成器3被定位成使得当供给有来自被连接到X射线生成器4的高压生成器5的适当电压时，其将在横过烟草棒2通过检查区域‘Z’的路径且朝向检测器4的方向上传输X射线。优选地，X射线在垂直于细长棒的路径的方向上被传输。
已知电压被供给到X射线生成器3，使得其产生处于已知预定强度的X射线。此外，检测器4被定位成检测已经被传输通过烟草棒2的X射线的强度，并且产生指示该强度的被供给到信号处理器6的信号，该信号处理器6包括模拟逻辑电路板，其可以将单个模拟输出信号11馈送到烟草工业产品制造机器10以控制棒成形期间烟草的馈送。
X射线通过烟草棒2和包装材料被衰减，并且一些会散射到检测器4的范围之外。由烟草棒2吸收或衰减的X射线与其密度成比例。因此，通过使用信号处理器6来比较在传输通过棒2之前的由X射线生成器3生成的X射线的已知预定强度与被传输通过棒2且由检测器4检测到的X射线的强度，可以确定烟草棒2的密度。
设备包括运行实时软件程序的控制器，该软件程序将对模拟信号进行采样以实现高达10μs的采样速率。程序之后将通过使用关于X射线信号的转换因子来计算烟草棒2的密度。
存在将影响检测精度的多个因素。在短期（微秒至毫秒）内，由于当电子束在撞击X射线生成器3内的目标时电子束转化为X射线的固有量子性质，X射线的电子生成将变化。在中期（毫秒）内，X射线的生成可能由于高压生成器5的稳定性而变化。此外，长期（天/周/月）来看，X射线生成器3的管内的老化效果可以导致管特征的“软化”，这可以随时间改变管输出的光谱和特征。
参考可以是硅光电二极管的检测器4，暗电平噪声电流（dark level noisecurrent）将与装置的温度变化直接相关地变化，这将表现为信号的可变偏移。长期来看，硅衬底的辐射损伤的影响可能导致二极管响应的软化。最后，由于初始X射线老化影响，量子效率，即将x射线转化成可见光的能力可能在数周/月内逐渐下降。
为了最小化这些变量的影响，根据一些实施例的设备可以可选地提供参考信号的生成来监测X射线生成器3的输出。参考检测器7被定位成检测由X射线生成器3传输但未被烟草棒2阻挡的X射线的强度。之后，参考检测器7的输出被用于校准和修改信号信道以补偿上文所列出的变量。通过提供参考检测器7并且通过从检测被传输通过棒2的X射线的检测器4减去来自参考检测器7的信号，减少了信号的随机噪声并且因此改善了信噪比。参考检测器7有效地测量了由于检查区域'Z'中的空气或灰尘导致的任意X射线散射。其也补偿了任意随机热效应。
设备可以额外包括用于检测器4和/或参考检测器7的温度控制器（未示出），以为了保持恒定的温度而稳定暗电平噪声的任何变化。
除了X射线生成器3、检测器4和参考检测器7，设备还可以包括聚焦透镜和/或光束准直器（未示出）以操纵X射线并将其聚焦到烟草棒2。
可以设想的是，检查设备1将被结合到烟草工业产品制造机器10中，且因此烟草棒2将在其已由机器形成之后立即或仅在很短的时间内被检查。在图4中示出烟草工业产品制造机器。机器可以是“单轨”类型，其中单个细长包裹烟草棒被机器形成并通过检查设备1的检查区域'Z'。然而，机器可以是“双轨”类型，其中两个细长烟草棒2a、2b被形成并且以并排的形式、优选地以平行间隔开的关系通过检查区域'Z'。一个这样的双轨机器被称为HauniM5。在后一情况下，根据图3的实施例修改检查设备，其在下文被更详细地描述，以使得能够通过使用单个X射线生成器3同时确定两个棒的密度。也将了解的是，设备也可以独立于或远离烟草工业产品制造机器10。
参考图3的实施例，示出了根据实施例的检查设备1，其用于同时检测在纵向方向上并排地行进通过检查区域'Z'的两个细长烟草棒2a、2b的密度。虽然存在两个棒2，不过这种实施例仍仅依赖于单个X射线生成器3，但具有额外检测器4b，以独立于被传输通过另一烟草棒4a的X射线的强度地检测被传输通过第二烟草棒4b的X射线的强度。
以与图2的实施例类似的方式，每个检测器4a、4b向信号处理器6供给指示经检测强度的信号以用于与由生成器3发射的X射线的强度进行比较，使得可以分别地且独立于另一烟草棒2a、2b地来检测每个棒2a、2b的烟草的密度。
与图2的实施例一样，图3的实施例也可以包括参考检测器7以检测被传输通过检查区域'Z'但没有通过任一烟草棒2的X射线的强度，以补偿在检查区域'Z'中可能存在或发生的任意灰尘、碎片或者热效应。在用于同时确定两个烟草棒2a、2b的密度的检查设备中，可能变得更重要的是，通过使用光束准直器和/或聚焦透镜来控制所传输X射线的方向，以确保仅被传输通过一个棒的辐射由对应检测器4a、4b检测到。
在烟草工业产品制造机器10中，烟草棒2以高达600m/min的典型速度被制造。优选地，检查设备1被结合到烟草工业产品制造机器10中且位于从来源13接收烟草且从供给14接收包装纸的烟枪（garniture）12与用于将棒切割成单个长度以形成吸烟制品的切割机15之间，如图4中所示。随着棒2通过检查区域'Z'朝向刀，其在通过切割机15且向前到过滤器组合器16和包装机17之前将承受通过其截面的连续辐射。
已经发现，操作X射线生成器3的最佳电压是在30至80kV之间以产生用于以预定强度传输通过烟草棒2的低能量“软”X射线。具体地，在60kV的电压下，更容易穿透在6至9微米厚之间的铝箔，同时当测量棒内所包含的烟草的密度时还维持高信噪比。因此，提高了密度检测的准确性。
也已发现优选的是供给在0.3-1mA之间的电流。最优选地，供给0.6mA的电流。已经发现在穿透铝箔且同时在测量烟草棒2内所包含的烟草的密度时维持好的信号（信噪比）时设定60kV和0.6mA是最佳的。
检测器4a、任意额外检测器4b和参考检测器7可以是具有6至10mm直径的光电二极管。替代性地，可以应用线性阵列检测器。特别地，检测器4可以是硅光电二极管。其也可以被修改成包括被粘结到其活性表面的1mm厚的CsI(Tl)闪烁器以增加其X射线敏感度。X射线生成器3和检测器4尽可能靠近烟草棒2，但不接触它。
检测器可以包括背照光电二极管阵列和碘化铯闪烁器。此外，检测器还可以包括光学上不透明的树脂以便最大化敏感度。
如本文所所用的，术语“烟草工业产品”应该被理解为包括吸烟制品，包括：可燃吸烟制品，诸如香烟、小雪茄、雪茄、用于烟斗或用于手工卷制香烟的烟草（例如基于烟草、烟草衍生物、膨胀烟草、再造烟草、烟草替代品或者其他可吸用材料）；诸如电子香烟的电子吸烟制品；从基体材料释放复合物但不燃烧的诸如烟草加热产品的加热装置；以及从基体材料的组合产生气溶胶的混合系统，例如包含液体或凝胶或固体基体的混合系统。
在一个实施例中，烟草工业产品是从包括香烟、小雪茄和雪茄的组中选择的用于燃烧的吸烟制品。
在一个实施例中，烟草工业产品是不可燃吸烟制品。
在一个实施例中，烟草工业产品是通过加热但不燃烧基体材料来释放复合物的加热装置。材料可以例如是烟草或其它非烟草产品，其可以包含或可以不包含尼古丁。在一个实施例中，加热装置是烟草加热装置。
在另一实施例中，烟草工业产品是用于通过加热但不燃烧基体材料组合来生成气溶胶的混合系统。基体材料可以包括例如固体、液体或者凝胶，其可以包含或者可以不包含尼古丁。在一个实施例中，混合系统包括液体或凝胶基体和固体基体。固体基体可以是例如烟草或其它非烟草产品，其可以或可以不包含尼古丁。在一个实施例中，混合系统包括液体或凝胶基体和烟草。
参考例如香烟的烟草工业产品来描述本发明的实施例。然而，将了解的是，本发明的设备和方法可以替代性地被用于非烟草工业相关的产品。
为了解决各种问题并使本领域进步，本公开的全部内容通过说明而示出了各种实施例，其中请求保护的本发明可被实施并提供确定烟草棒的密度的优越方法和用于同时确定沿检查路径在纵向方向上并排地行进的两个烟草棒的密度的设备。本公开的优点和特征仅是实施例的代表样本，并且不是详尽的和/或排外的。它们仅被呈现以便有助于理解和教导请求保护的特征。应当理解的是，本公开的优点、实施例、示例、功能、特征、结构和/或其它方面不应视为是对如由权利要求限定的本公开的限制或对权利要求的等同物的限制，并且在不脱离本公开的范围和/或精神的情况下可以利用其它实施例并且可以做出修改。各种实施例可以适当地包括所公开元件、部件、特征、部分、步骤、装置等的各种组合，或者由其构成或基本由其构成。此外，本公开包括当前没有请求保护但未来可能请求保护的其他发明。
