CN102033030B - 测量装置 - Google Patents

Abstract

披露一种测量装置，其中阻挡层(2)将腔室分成第一区域(10)和第二区域(20)。阻挡层(50)具有已知厚度(T)并包括具有已知半径(R)的孔。气流装置在第一区域(10)内提供二氧化碳流(12)并在第二区域(20)内提供氮气流(22)。气体检测器(28)测量第二区域(20)中的二氧化碳浓度，而处理器(32)基于已知的通孔特性来计算从一个区域至另一区域的理论扩散通量。处理器(32)配置成基于已知的通孔特性来计算校准参数以将测得的参数与理论扩散通量联系起来。

Description

测量装置

技术领域

本发明涉及一种测量阻挡层的扩散能力或通过阻挡层的扩散通量的装置以及一种校准该装置的方法。

背景技术

雪茄、香烟和小型雪茄(一般称为烟产品)通常包括由卷纸圆柱形包裹的烟草。在使用中，烟产品在一端具有燃煤，并需要供氧以供给热煤。一些氧气从大气直接提供给热媒，而一些氧气通过扩散透过卷纸提供给热煤。一些燃烧产物也可能透过卷纸离开热煤区域。

香烟卷纸通常设计成是可渗透空气的。有许多已知的用于确定卷纸渗透性的方法。这些方法可包括在卷纸两侧施加压力差并测量结果引发的例如气体流速的效果。

利用压力差确定卷纸渗透性的技术对确定香烟喷烟期间卷纸两侧的气体流速是有效的(此时在卷纸两侧也具有压力差)。这些技术对确定香烟闷烧阶段期间卷纸两侧的气体流速效果不够，此时卷纸两侧具有最小的压力差。

另外，尽管使用压力差测量卷纸渗透性的技术可能当香烟卷纸的渗透性相对较高时足够准确，然而这些技术在卷纸渗透性相对较低的情形下可能缺乏准确性。可能发生这种情况的一个例子是在对顺应于防火标准的烟产品中所使用的卷纸的渗透性测量中。

顺应于防火标准的烟产品使用具有不同渗透性的环形带的卷纸。标准渗透性的扩展带是通过低渗透性的薄带刺孔而成。由于(没有喷烟动作时)通过扩散透过卷纸提供给燃煤的氧量不足，因此当燃烧到达低渗透性带时，燃烧的香烟可能熄灭。

测量跨卷纸阻挡层传送的气体的倾向的其它方法涉及对阻挡层的扩散能力的测量。扩散能力类似于渗透性并以相同单位计量。在这些方法中，腔室被卷纸阻挡层分成两个区域，并在阻挡层两侧施加零压力差。在卷纸阻挡层的任一侧提供不同类型的气体，并且气体浓度计可测量透过卷纸扩散的速度。这些方法具有代表闷烧期间出现的行为的优点。在US 2005/0087202中描述了一种测量透过香烟卷纸的气体扩散的装置。

测量扩散能力或测量气体跨阻挡层的扩散通量的标准装置的问题是对测量准确性和稳定性的验证。已知装置能确定不同样本的扩散能力之间的差异，但不具备提供对扩散能力或扩散通量的可靠绝对度量的能力。

发明内容

本发明解决这个问题并旨在提供测量扩散通量的装置和用于校准该装置的方法。

根据本发明的一个方面，提供一种测量装置，包括：腔室；将腔室分成第一和第二区域的阻挡层，其中阻挡层包括各自具有已知性质的一个或多个通孔；设置成测量与气体透过阻挡层从一个区域至另一区域的扩散通量有关的参数的检测器；将源自测量的参数和源自通孔的已知性质的参数联系起来的处理器；以及用于存储由处理器计算的校准参数的数据存储装置，其中阻挡层可由另一阻挡层替代，以使该装置能通过用检测器测量参数并应用存储在数据存储装置中的校准参数来确定与跨该另一阻挡层的扩散通量有关的参数。

如此，该装置能准确地确定阻挡层的扩散能力。这可通过测量与气体透过阻挡层从一个区域至另一区域的扩散通量有关的参数、施加校准参数以及基于经校准的测量来计算扩散能力来达成。通过检测器作出的实际测量可以是已从腔室的一个区域扩散至另一区域的气体的浓度。这种测量当然与透过阻挡层从一个区域至另一区域的扩散通量有关。在其它实施例中，检测器可测量例如透过阻挡层的气体流速之类的其它参数，因为这些参数也与气体从一个区域至另一区域的扩散通量有关。

由于扩散能力的测量可能是不准确的，因而对装置的校准是重要的。这在需要对卷纸扩散能力的精确测量的香烟卷纸制造中是尤为有利的。

在业内，通常参照阻挡层的扩散率或扩散能力以参照阻挡层允许扩散的倾向。扩散能力经常表示为D^*并以经常用于测量渗透性的相同单位ms-1为单位来测量。

较佳地，该测量装置包括预存储在数据存储装置中的校准系数，该校准系数用于将测得的参数转换成与气体跨阻挡层的扩散通量有关的经校准参数。通过处理器计算出的校准参数可取代该预存储的校准系数，或可用作修正因子。

校准参数可联系各种不同的参数。例如，处理器可配置成基于通孔的已知性质来计算与透过阻挡层的理论扩散通量有关的参数，并且计算出的校准参数可将测得的参数与计算出的参数联系起来。因此，校准参数可将在检测器处测得的实际气体浓度与预期的理论气体浓度联系起来。在替代方案中，处理器可从与通孔的预期性质有关的测得参数计算参数。在本例中，校准参数可基于检测器的测量将通孔的已知性质与预期性质联系起来。

较佳地，通孔的所述已知性质包括通孔的深度和面积。如此，跨阻挡层的理论扩散通量可根据菲克扩散定律第一原理计算出。跨阻挡层的理论扩散通量可转换成另一参数，例如预期由检测器检测的理论气体浓度。

每个孔的已知面积可基于每个孔的直径或半径。因此，通孔的已知性质可包括通孔的深度和直径。通孔可采取任何形状，但最方便的是提供圆形。

当校准该装置时，希望提供具有低扩散能力的阻挡层。当旨在将该装置用来测量跨例如某些香烟卷纸之类的材料的扩散通量时，这是可取的，因为已知这些材料也具有低扩散能力。可通过用具有与接下来要分析的那些阻挡层的扩散能力尽可能相似的扩散能力的阻挡层来校准该装置的方式获得更高的准确性。

具有低扩散能力的阻挡层可包括具有大深度的通孔，和/或少量通孔，和/或具有小面积的通孔。尤为方便的是通过提供深度大于阻挡层厚度的通孔来提供具有低扩散能力的阻挡层。这可通过将导管固定于阻挡层来达成。阻挡层中的全部通孔可如此至少部分地由导管界定。

具有大于阻挡层厚度的深度的至少一个通孔可至少部分地由固定于阻挡层的导管界定。由于导管可制造成具有良好定义的性质，因此尤其希望用导管来界定通孔。例如，导管可以是具有良好定义、光滑开口的规则圆柱。如此，当空气因扩散而被抽吸通过导管时，可以发生可预测的效果。因此，可减小由于通孔中的紊乱气流导致的与跨阻挡层的理论扩散通量有关的计算参数的任何误差。

可选择孔面积或周长与深度之比以确保跨阻挡层具有低压降的扩散流动。

导管可从阻挡层表面伸出，并且导管可熔接或固定于阻挡层。导管还可延伸通过阻挡层以从阻挡层的相对表面伸出。导管优选为玻璃或陶瓷材料。

阻挡层中的至少一个通孔可具有等于阻挡层厚度的深度。如此，通孔可以是阻挡层材料中的简单孔。由于容易制造，这是理想的。通孔可通过例如激光器之类的任意便利装置在阻挡层中钻凿出。

阻挡层优选在没有任何通孔时是由空气基本无法透过的材料制成的。因此，跨阻挡层的任何扩散可以仅是由于通过已知通孔的扩散而造成的。阻挡层可由金属、玻璃、陶瓷和聚合物材料其中之一制成。优选地，阻挡层由薄且扁平的金属箔制成。

阻挡层的材料可具有低的线性膨胀系数。如此，通孔的性质可基本上不受少量温度变化的影响，以使得阻挡层的扩散能力基本上与少量温度变化无关。所选材料的另一要求性质可以是其使用激光器或类似设备来钻孔的倾向。

阻挡层材料的合适选择能允许阻挡层的简单清洗。例如，阻挡层可通过具有合适溶剂的超声清洗浴或通过加热来清洗。阻挡层的常规清洗可以是避免例如可能因大气污染而发生的任意通孔阻塞所希望的。这能避免计算得到的跨阻挡层的理论扩散通量与由于通孔阻塞而变得较低的实际扩散通量之间的任何误差。

优选地，阻挡层在被保持时被夹紧以将腔室分为第一和第二区域。较佳地选择阻挡层的材料以使阻挡层不存在因夹紧导致的变形，因为这种变形可能影响跨阻挡层的扩散流动。

优选地，检测器设置在第一区域内且该检测器配置成测量第一区域内气体的浓度，至少一些气体已透过阻挡层从第二区域扩散进入第一区域。因此，在第一区域内检测出的气体浓度可取决于气体从第一区域至第二区域的扩散速度。

扩散率测量装置可包括设置在第二区域内的另一检测器，该检测器配置成测量至少部分地由于气体从第一区域透过阻挡层的扩散而位于第二区域内的气体的浓度。因此，可通过来自第一和/或第二区域内的检测器的测量来校准该装置。可基于来自一个区域的测量来校准该装置并根据来自另一区域的测量来确定其它阻挡层的扩散能力。

根据本发明的另一方面，提供一种校准测量装置的方法，该方法包括以下步骤：用阻挡层将腔室分成第一和第二区域，其中阻挡层包括各自具有已知性质的一个或多个通孔；测量与气体透过阻挡层从一个区域至另一区域的扩散通量有关的参数；计算校准参数以将源自测量的参数与源自通孔的已知性质的参数联系起来；以及记录校准参数，以使得该装置能通过测量参数和施加所记录的校准参数来确定与跨另一阻挡层的扩散通量有关的参数。

优选地，该方法包括又一步骤：计算与透过阻挡层的理论扩散通量有关的参数，其中该计算基于通孔的已知性质，并且其中计算出的校准参数将计算出的参数与测得的参数联系起来。

优选地，一个或多个通孔的性质(例如通孔深度和通孔面积)是已知的，因为这些性质已被测得。对一个或多个通孔的性质的测量可用光学方法或采用任何其它标准技术来着手进行，从而已知它们具有高的准确度。

根据本发明的又一方面，提供一种确定透过烟产品卷纸的经校准气体扩散通量的方法，该方法包括以下步骤：根据之前定义的方法校准扩散率测量装置；用另一阻挡层代替该阻挡层以将腔室分为第一和第二区域；测量与气体透过阻挡层从一个区域至另一区域的扩散通量有关的参数；以及至少部分地通过将记录的校准参数应用于测得参数的方式来计算经校准的扩散通量。

如此，由于测量装置已被正确地校准，因此可准确地确定跨烟产品卷纸(例如顺应于防火标准的香烟的卷纸)的扩散通量。也可以如此方式确定烟产品卷纸的扩散能力和其它有关特征。

该测量装置的腔室可包括用于主动管理跨阻挡层的压力差以维持最小压力差的装置。压力差优选地维持在足够低以使得扩散通量大于压力驱动流的水平。理想地，扩散通量与压力驱动流之比应当大于100∶1。根据阻挡层的特性，可取的压力差可以低至0.01帕到0.1帕。

附图说明

为使本发明更容易理解，现在通过示例参照附图，在附图中：

图1示出在本发明的一个实施例中配置在校准布置中的测量装置的横截面图；

图2示出在本发明的一个实施例中用于校准测量装置的校准阻挡层的第一实施例的立体图；以及

图3示出在本发明的一个实施例中用于校准测量装置的校准阻挡层的第二实施例的立体图。

具体实施方式

图1示出配置在校准布置中的测量装置。该装置包括其外围由夹具4夹紧的阻挡层2。阻挡层2将腔室分为第一区域10和第二区域20。设置气体流动装置(未示出)以在第一区域10中提供二氧化碳流12而在第二区域20中提供氮气流22。当然，可以使用任何其它气体而非二氧化碳和氮气，并且第一和第二气体甚至可包括不同相对浓度的同一种气体。

二氧化碳和氮气12、22经由进气端口14、24进入第一和第二区域10、20。提供出气端口16、26以排出气体12、22。一般而言，二氧化碳和氮气12、22提供有质量流以使阻挡层2两侧没有取决于这两条通路的下游大气压降的压力差。

第一和第二区域10、20包括各自的气体CO₂检测器18、28。如此，气体检测器18、28可检测气体从相对区域跨阻挡层2扩散的程度。

气体检测器18、28连接至包括处理器32和数据存储单元34的计算机30。计算机30还包括键盘36、鼠标38和视觉显示单元40。

图2示出可用于图1的装置的阻挡层50的立体图。阻挡层50由金属箔制成并且包括数个孔42。该阻挡层被配置成在其外围44周围由夹具4夹住，如图2中可以看出的那样。

阻挡层50具有已知厚度T，而每个孔的半径R是已知的。厚度T和每个孔的半径R可通过光学检查或通过任意其它常规手段来确定。孔42可通过激光钻孔或任意其它合适手段形成在阻挡层50中。

当夹紧在测量装置中时，任何透过阻挡层50的扩散是由于透过孔42的扩散而发生的。金属箔是不透气的，因此除孔42以外通过材料构造的扩散是不可能的。

在使用中，阻挡层50被夹紧在夹具4中，二氧化碳流被施加于第一区域10，而氮气流22被施加于第二区域20。一旦已获得稳态(一般在几秒内)，气体检测器28就测量CO₂的浓度。当阻挡层50的扩散能力高时，通过气体检测器28测得的CO₂浓度较高，当阻挡层50的扩散能力低时，通过气体检测器28测得的CO₂浓度则较低。气体检测器28将对CO₂浓度的测量传达给计算机30中的处理器32。

通过气体检测器28的CO₂浓度测量可被转换成CO₂从第一区域10跨阻挡层50至第二区域20的测得扩散通量。由于许多环境影响和设备漂移，因而该测得的扩散通量可能是不准确的。因此，需要进行装置的校准。

用户通过键盘36将阻挡层50中的通孔的性质输入计算机30。处理器32随后能够计算CO₂跨阻挡层50的理论扩散通量，从而将该理论扩散通量与通过气体检测器28测得的扩散通量进行比较。

理论扩散通量是根据下面的表达式计算出的：

$J=\frac{\mathrm{D\π\ΔC}\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{R}^2}{T}---\left(1\right)$

其中：

J是以m²s^-1为单位的扩散样本跨阻挡层的测得通量；

D是形成在阻挡层内的孔中的被分析气体的已知扩散率，以m²s^-1为单位。它代表二氧化碳和氮气彼此扩散的倾向；

ΔC是在阻挡层任一侧上的扩散样本的浓度差；

T是每个孔的厚度；

R是每个孔的半径；

并对i个孔进行求和。

阻挡层的理论扩散能力则可通过下面表达式来确定：

$D^{*}=\frac{J}{A}---\left(2\right)$

其中：

D^*是阻挡层的扩散能力，以ms^-1为单位；

A是夹具围住的面积，以m²为单位；

因此，通过准确地确定每个孔的半径R和厚度T，可在一组给定的试验条件下确定CO₂跨阻挡层50的理论扩散通量。当然，也可将其转换成预期由气体检测器28检测的理论CO₂浓度水平。

处理器32被配置成计算合适的校准参数以将计算出的理论扩散通量与测得的扩散通量联系。由处理器32计算出的校准参数随后被存储在数据存储单元34中。

如此，阻挡层50可用来校准测量装置。计算机30可设置在校准模式下以使该过程能够发生。在校准模式下，例如处理器32可提示用户通过键盘36输入阻挡层50中的通孔的已知性质。

一旦已计算和存储了校准参数，可将阻挡层50从装置的夹具4取下，并插入新的样本阻挡层。该样本阻挡层可以是例如在顺应于防火安全标准的烟产品中使用的香烟卷纸。

新样本阻挡层的扩散能力可随后通过设置在测量模式下的计算机30确定。第一步是测量稳态下气体检测器28处的CO2浓度以确定透过阻挡层的测得扩散通量。第二步是利用存储在数据存储单元34中的校准参数通过处理器32来确定经校准的扩散通量。阻挡层的扩散能力则可通过处理器32使用表达式(2)来确定。通过处理器32计算出的样本阻挡层的经校准的扩散通量或经校准的扩散能力则被显示在视觉显示单元40上。由此，在测量模式下，计算机30可将计算出的扩散率显示在视觉显示单元40上而不提示用户输入任何细节。

在本例中，处理器32被配置成计算合适的校准参数以使计算出的理论扩散通量与测得的扩散通量联系起来。在替代的示例中，可重构等式(1)以从扩散样本跨阻挡层的测得通量J来计算通孔的预期性质。校准参数则可随后用来基于测得的参数J将通孔的已知性质与预期性质联系起来。在这两个例子中，校准参数基于通孔的性质将源自测得量的参数与源自己知量的参数联系起来。

图3示出用于校准测量装置的阻挡层52的替代性实施例的立体图。阻挡层52包括固定于金属箔并从其平坦表面延伸出来的毛细管46。毛细管46由玻璃或陶瓷材料制成并且是圆柱形的。由毛细管46界定的孔T的深度等于毛细管长度加上金属箔厚度。使用毛细管46的优点是可将其制造成具有已知性质；具体地说，毛细管46可以是具有良好定义边缘的规则圆柱形。因此，通过毛细管46的气体流动可以比通过可能是非圆柱形的并且可能具有粗糙边缘的激光钻凿孔的气体流动以更为可预测的方式发生。相应地，对于含毛细管的阻挡层，根据等式(1)计算出的透过阻挡层52的理论扩散通量可以更为准确。

Claims (11)

1.测量装置，包括：

腔室；

将所述腔室分成第一和第二区域的阻挡层，其中所述阻挡层包括各自具有已知特性的一个或多个通孔；

检测器，设置成测量与气体透过所述阻挡层从一个区域至另一区域的扩散通量有关的参数；

处理器，配置成计算与透过所述阻挡层的理论扩散通量有关的参数，其中所述计算基于所述通孔的所述已知特性，并且计算出的校准参数将测得的参数与计算出的参数联系起来；以及

用于存储由所述处理器计算的所述校准参数的数据存储装置，

其中所述阻挡层能够由另一阻挡层取代，以使得所述测量装置能通过用所述检测器测量参数并应用存储在所述数据存储装置中的所述校准参数来确定与跨所述另一阻挡层的扩散通量有关的参数；

所述通孔的所述已知特性包括所述通孔的深度和面积；

所述阻挡层是由在没有任何通孔的情形下基本上不透气的材料制成的。

2.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述阻挡层中的至少一个通孔具有大于所述阻挡层的厚度的深度。

3.如权利要求2所述的测量装置，其特征在于，所述具有大于所述阻挡层的厚度的深度的至少一个通孔至少部分地由固定于所述阻挡层的导管界定。

4.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述阻挡层中的至少一个通孔具有等于所述阻挡层的厚度的深度。

5.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述检测器设置在所述第一区域中并且所述检测器配置成测量所述第一区域中的气体的浓度，所述气体中的至少一些已从所述第二区域透过所述阻挡层扩散入所述第一区域。

6.如权利要求5所述的测量装置，其特征在于，包括设置在所述第二区域内的另一检测器，所述另一检测器配置成测量至少部分地由于气体从所述第一区域透过所述阻挡层的扩散而位于所述第二区域内的气体的浓度。

7.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述阻挡层由金属、玻璃、陶瓷和聚合物材料中的一者制成。

8.一种用于校准测量装置的方法，所述方法包括以下步骤：

通过阻挡层将腔室分成第一和第二区域，其中所述阻挡层包括各自具有已知特性的一个或多个通孔；

测量与气体透过所述阻挡层从一个区域至另一区域的扩散通量有关的参数；

计算与透过所述阻挡层的理论扩散通量有关的参数，其中所述计算基于所述通孔的所述已知特性，并且其中计算出的校准参数将计算出的参数与测得的参数联系起来；以及

记录所述校准参数，并由另一阻挡层取代所述阻挡层，以使得所述装置能通过测量参数并应用所记录的校准参数来确定与跨所述另一阻挡层的扩散通量有关的参数；

所述通孔的所述已知特性包括所述通孔的深度和面积；

所述阻挡层是由在没有任何通孔的情形下基本上不透气的材料制成的。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述测量参数的步骤包括测量至少部分地由于气体从所述腔室的第二区域透过所述阻挡层的扩散而位于所述腔室的第一区域内的气体的浓度。

10.一种确定透过烟产品卷纸的经校准气体扩散通量的方法，包括以下步骤：

根据权利要求8的方法校准扩散率测量装置；

用所述烟产品卷纸取代所述阻挡层以将所述腔室分成第一区域和第二区域；

测量与气体透过所述烟产品卷纸从一个区域至另一区域的扩散通量有关的参数；以及

至少部分地通过将记录的校准参数应用于所述烟产品卷纸的测得的参数来计算经校准的扩散通量。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述卷纸是顺应于防火标准的香烟卷纸。