CN105527371A - 同时测定卷烟燃烧时压降变化与燃烧速率的系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种同时测定卷烟燃烧时压降变化与燃烧速率的系统与方法，该系统包括卷烟夹持器、三通调节阀、压力传感器、信号处理模块、控制器、卷烟抽吸系统、用于捕捉抽吸信号的同步触发装置、图像采集系统、数据处理系统。图像采集系统的输入端与同步触发装置相连，输出端通过数据处理系统与控制器相连。测量系统能够实现对卷烟燃烧过程中压降变化的实时监测，同时能够实时测定卷烟抽吸燃烧和自由燃烧阶段的燃烧速率，检测一支卷烟，可以同时获得多套燃烧数据，测量装置以及方法的适用范围广。

Description

同时测定卷烟燃烧时压降变化与燃烧速率的系统与方法

技术领域

本发明涉及一种同时测定卷烟燃烧时压降变化与燃烧速率的系统与方法。

背景技术

烟支被点燃后，首端立即生成炭，从而形成了卷烟的燃烧系统，卷烟的燃烧过程极为复杂，伴随着复杂的物理和化学变化，卷烟燃烧过程中释放出的烟气，目前已经鉴定出来的就有5000余种，在燃烧过程中存在两种性质不同的燃烧方式，抽吸燃烧和自由燃烧（即阴燃）。燃烧部分的固体物质形成一个锥体——燃烧锥，燃烧锥与未燃烧卷烟纸之间有一条黑色的炭线。抽吸时锥体底部外围的烟草被燃烧掉，炭线后移，锥体变长，空气通过燃烧区被吸入卷烟，由此产生的烟气为主流烟气(mainstreamsmoke)，暂停抽吸时，锥体阴燃而变短，直至与空气达到热平衡为止，此时围绕燃烧区的空气向上自然对流维持卷烟燃烧，并形成侧流烟气（sidestreamsmoke)，Muramatsa综述了涉及烟气形成的主要过程。

卷烟燃烧的内部温度及压降和燃烧速率的变化对于烟气的形成有极为重要的影响。在19世纪50年代末期，烟草科学界就已经开始了对燃烧的卷烟在阴燃和抽吸时的最高温度的测定。不过由于卷烟内部疏松的结构，温度分布的不规则以及快的气体流速，使得这方面的工作有一定的难度。到了60年代和70年代，卷烟燃烧温度的测定己经成为一个比较活跃的研究领域。当时用裸露的热电偶测量结果表明在卷烟的燃烧锥中心存在着最高温度，不过这个报道的温度值在不同的实验中相差比较大，这可能和实验的误差、热电偶的规格等都有关系。国内也有很多研究人员自行组建了燃烧卷烟的测温系统，并利用此测温系统对卷烟内部气相温度和卷烟外围固相温度的分布进行了动态测量，初步验证了卷烟内部抽吸时空气进入燃烧锥的过程机理。

相比较于对卷烟燃烧温度及其分布的研究，卷烟燃烧期间的压降变化则鲜有文献报道。Baker博士70年代采用一种压力传感器测定了以2cm-3/s的抽吸容量对卷烟抽吸时，卷烟的压降及阻抗的变化情况。时至如今，对于卷烟压降变化的研究成果仍仅限于此，尚未有更进一步的研究报道。正如Baker博士的报道所述，其研究结果是在系列假设的基础上得到的，且与现在行业采用的标准抽吸模式相差较大，更无法对卷烟燃烧期间的压降变化情况进行实时监测和记录。而且，卷烟抽吸期间抽吸参数的变化、烟气捕集方式的变化带来的系统死体积的改变等因素对于卷烟的压降都有较大的影响，也都需要更为系统、深入地研究。

为了进一步探索卷烟的燃烧过程，揭示卷烟烟气的形成、扩散，有害成分的形成、释放等过程，就必须对卷烟燃烧期间的压降变化作更深入的研究。有鉴于此，有必要构建一套能够用于实时监测卷烟燃烧期间系统压降变化情况的装置及方法。

此外，卷烟的吸燃速度能反应抽吸条件下卷烟燃烧的实际状态，目前还未存在有装置满足卷烟燃烧过程中同时测定抽吸压降和燃烧速度的需求。

发明内容

本发明要解决的第一个技术问题是提供一种能够同时测定抽吸压降和燃烧速度的装置。

本发明的技术解决方案是：

一种同时测定卷烟燃烧时压降变化与燃烧速度的装置，包括卷烟夹持器、三通调节阀、压力传感器、信号处理模块、控制器、卷烟抽吸系统、用于捕捉抽吸信号的同步触发装置，卷烟夹持器的出口通过软管一与三通调节阀的端口一相连接；压力传感器的输入端通过软管二与三通调节阀的端口三相连，压力传感器的输出端与信号处理模块的输入端相接；卷烟抽吸系统的输入端与三通调节阀的端口二连接，卷烟抽吸系统的的输出端与同步触发装置的输入端相连接，同步触发装置的输出端与信号处理模块相连接后通过信号线接入控制器，同步触发装置的输出端还同时与图像采集系统的输入端相连接，图像采集系统的输出端通过数据处理系统与控制器相连。。

进一步地，所述软管一、三通调节阀和软管二的体积之和为10～100mL。

进一步地，所述压力传感器为响应频率为1～3KHz、量程为0～-10KPa的电流输出型压力传感器。

进一步地，所述信号处理模块包括放大电路和滤波处理电路，滤波处理电路与A/D转换芯片相连接，A/D转换芯片通过USB接口与控制器相连接。

进一步地，信号处理模块将采集到的测量信号转换为4～20mA电流信号输出给控制器，控制器进行实时记录和显示，控制器控制图像采集系统对卷烟燃烧的图像进行采集，图像采集系统将采集的卷烟燃烧的图像传输给数据处理系统，数据处理系统对采集的图像信号进行记录和处理并输出结果。

其中，控制器通过压力传感器、信号处理模块记录数据并保存。控制器并通过显示电流数值x，单位为毫安培mA，通过方程y=2500-625x换算得到系统压降y值，单位为帕斯卡Pa。

进一步地，所述信号处理模块的采集频率不小于10Hz。

进一步地，所述压力传感器的响应频率不小于信号处理模块的数据采集频率。

进一步地，所述同步触发装置是一种可在第一时间准确捕捉到抽吸信号的由光电耦合器和单片机组成的电路装置，包括光电耦合器U1、单片机U2，光电耦合器U1的输入端通过插座与卷烟抽吸系统的抽吸信号指示输出端相连接，光电耦合器U1的输出端与单片机U2的输入/输出端相连，单片机U2通过电平转换芯片与控制器的串口相连接。

进一步地，所述控制器控制图像采集系统对卷烟燃烧的图像进行采集，图像采集系统将采集的卷烟燃烧的图像传输给数据处理系统，数据处理系统对采集的图像信号进行记录和处理并输出结果。

进一步地，所述图像采集系统采用电荷耦合元件、互补金属氧化物导体器件中的一种。

进一步地，所述图像采集系统测定卷烟燃烧速度时，以卷烟燃烧炭线为参考目标，两帧图像炭线的位移即为该时刻内卷烟的燃烧距离。

进一步地，所述图像采集系统测定卷烟燃烧速度时，针对不规则的燃烧炭线，在炭线径向方向上等距离取点，取点个数大于等于4个，以这些点的平均位移作为这一时刻内的燃烧距离，两帧图像的炭线燃烧距离与时间的比值即为卷烟的燃烧速率。

进一步地，卷烟抽吸系统开始抽吸的信号通过同步触发装置捕捉后传输给控制器，控制器命令信号处理模块和图像采集系统开始执行。

本发明要解决的另一个技术问题是，提供一种能够同时测定卷烟燃烧时压降变化与燃烧速度的方法。

一种同时测定卷烟燃烧时压降变化与燃烧速度的方法，按照以下步骤依次进行：

步骤1、对卷烟抽吸系统进行漏气检验、抽吸容量校正，调节图像采集系统的曝光度；

步骤2、卷烟夹持器上的卷烟点燃后，控制器开始检测同步触发装置，等待同步触发装置向控制器发送开始抽吸的信号；

步骤3、当控制器收到开始抽吸的信号后，启动压力传感器、图像采集系统采集卷烟燃烧的压降和图像，并启动信号处理模块开始采集，信号处理模块若没有收到开始抽吸的信号，则继续等待；

步骤4、上述步骤3一直重复进行，直到操作员发出停止采集指令或者卷烟抽吸系统发出停止抽吸命令；

步骤5、当卷烟燃烧至设定长度或设定口数时，控制器向图像采集系统发送终止信号，图像采集系统停止采集图像。

本发明的有益效果是：

从行业推行的减害降焦重大科技专项的实施角度考虑，对卷烟抽吸期间的压降和燃烧速率进行系统的研究，有助于进一步深化对烟气主要有害成分的形成及释放的认识，进而为减害途径的寻求提供有效的理论基础。本发明产物同时具有以下优点：

1）本发明首次搭建了一套能够同时测定卷烟燃烧期间压降变化情况和燃烧速率的测定装置及测试方法，该装置与吸烟机连接，能够实现对卷烟燃烧过程中系统压降的变化情况进行实时监测，同时能够实现卷烟燃烧速率的测定，实现了对卷烟抽吸过程中燃烧情况的动态监测，具有重要的研究意义，填补了行业空白。

2）本发明中控制系统接收吸烟机发送的抽吸开始/终止信号后向数据采集软件发送采集开始/终止信号，实现了自动化控制，避免了人为操作的误差，测试结果更加准确。

3）本发明中数据处理系统和压力传感器的采集频率和响应频率可以根据测试精度的要求独立配备，发明装置易于操作，测试精度高。

4）本发明的测试结果不仅可以显示卷烟吸燃以及阴燃时系统内瞬时的压降变化，还可输出卷烟每一口抽吸以及整支烟抽吸的平均压降变化情况，一次测试可以同时获得多个数据，工作效率高。

5）本发明不需做任何调整，即可适用于各种尺寸规格卷烟烟支燃烧时系统压降以及卷烟自由燃烧速率、抽吸燃烧速率的变化情况的测试，同时能够满足不同卷烟抽吸参数以及不同烟气捕集方式下，包括溶剂捕集、冷阱捕集、滤片捕集，抽吸系统内的压降变化情况和燃烧速率的监测和测量，测量装置以及方法的适用范围广。

附图说明

图1为本发明同时测定卷烟燃烧时压降变化与燃烧速度的装置的结构示意图。

图2为实施例用于同时测定卷烟燃烧时压降变化与燃烧速度的方法的流程说明示意图；

图3为某品牌卷烟燃烧时采用本发明的压降测试结果示意图。

图4为某品牌卷烟抽吸燃烧时其中一口采用本发明的测试结果。

图5为某品牌卷烟压降测定数据示意图。

图6为图像采集系统针对不规则的燃烧炭线，在炭线径向方向上等距离的取点示意图。

图7为某品牌卷烟的燃烧速率测定结果示意图。

其中：1-卷烟，2-卷烟夹持器，3-软管一，4-三通调节阀，5-软管二，6-压力传感器，7-信号处理模块，8-控制器，9-卷烟抽吸系统，10-同步触发装置，11-图像采集系统，12-数据处理系统。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例1

一种同时测定卷烟燃烧时压降变化与燃烧速率的装置，如图1，包括卷烟夹持器2、三通调节阀4、压力传感器6、信号处理模块7、控制器8、卷烟抽吸系统9、用于捕捉抽吸信号的同步触发装置10、图像采集系统11、数据处理系统12，卷烟夹持器2的出口通过软管一3与三通调节阀4的端口一相连接；压力传感器6的输入端通过软管二5与三通调节阀4的端口三相连，压力传感器6的输出端与信号处理模块7的输入端相接；卷烟抽吸系统9的输入端与三通调节阀4的端口二连接，卷烟抽吸系统9的输出端与同步触发装置10的输入端相连接，同步触发装置10的输出端与信号处理模块7相连接后通过信号线接入控制器8，同步触发装置10的输出端同时与图像采集系统11的输入端相连接，控制器8还通过信号线连接数据处理系统12，数据处理系统12的输入端与图像采集系统11的输出端相连接，控制器8控制图像采集系统11对卷烟1燃烧的图像进行采集，图像采集系统11将采集的卷烟燃烧的图像传输给数据处理系统12，数据处理系统12对采集的图像信号进行记录和处理并输出结果。

软管一3、三通调节阀4和软管二5的体积之和为10～100mL。压力传感器6为响应频率为1～3KHz、量程为0～-10KPa的电流输出型压力传感器6。压力传感器6的响应频率不小于信号处理模块7的数据采集频率。

信号处理模块7设置有放大电路和滤波处理电路，滤波处理电路与A/D转换芯片相连接，A/D转换芯片通过USB接口与控制器8相连接。信号处理模块7将采集到的测量信号转换为4～20mA电流信号输出给控制器8，控制器8进行实时记录和显示。信号处理模块7的采集频率不小于10Hz。

同步触发装置10包括光电耦合器U1、单片机U2，光电耦合器U1的输入端通过插座与卷烟抽吸系统9的抽吸信号指示输出端相连接，光电耦合器U1的输出端与单片机U2的输入/输出端相连，单片机U2通过电平转换芯片与控制器8的串口相连接。卷烟抽吸系统9开始抽吸的信号通过同步触发装置10捕捉后传输给控制器8，控制器8命令信号处理模块7开始执行。

准确描绘并采用合适的计算方法确定抽吸燃烧任一时刻的燃烧炭线是测定系统的关键和核心。如图6，图像采集系统测定卷烟燃烧速度时，以卷烟1的燃烧炭线为参考目标，图6中，尖头方向为燃烧方向，两帧图像炭线的位移即为该时刻内卷烟的燃烧距离。针对不规则的燃烧炭线，在炭线径向方向上等距离的取至少4个点，以这些点的平均距离作为这一时刻内的燃烧距离，如示意图所示，0s～0.1s内A、B、C、D点的位移平均值。卷烟抽吸燃烧时，空气自卷烟底部补给，因此，卷烟底部为富氧区域，燃烧较为充分，燃烧炭线推进速度较卷烟中心区域稍快，炭线呈不规则形状，仅取其中一个点作为参考点，会导致测量结果误差较大。径向上等距离取4个以上点数，以平均值作为参考点，可实现多次平行测定结果在10%以内，能够有效保证测量结果的精密度，提高测量结果的准确程度。

一种使用上述装置的同时测定卷烟燃烧时压降变化与燃烧速率的方法，采用本实施例装置进行卷烟1燃烧期间系统压降变化测定时，先按照国家标准GB/T16450-2004规定的条件对卷烟抽吸系统9进行漏气检验和抽吸容量校正，调节图像采集系统11的曝光度；如图2，卷烟夹持器2上的卷烟1点燃后，控制器8开始检测同步触发装置10，等待同步触发装置10开始向控制器8发送开始抽吸的信号；当控制器8收到开始抽吸的信号后，启动图像采集系统11采集卷烟燃烧的图像，启动信号处理模块7开始采集卷烟压降变化情况，若没有收到开始抽吸的信号，则继续等待；上述步骤一直重复进行，直到操作员发出停止采集指令或者卷烟1抽系统发出停止抽吸命令。当卷烟燃烧至设定长度或设定口数时，控制器8向图像采集系统11发送终止信号，图像采集系统11停止采集图像。图像采集系统11可采用相机，相机采集频率要求高于50赫兹。

该种实时测定卷烟1燃烧期间系统压降变化和燃烧速率的装置及方法，卷烟夹持器2上的卷烟1点燃后，控制器8开始检测同步触发装置10，当控制器8收到开始抽吸的信号后，信号处理模块7开始采集数据，图像采集系统11采集卷烟燃烧的图像，。该装置与吸烟机连接，能够实现对卷烟1燃烧过程中压降的变化情况进行实时监测，同时能够实现卷烟燃烧速率的测定，实现了对卷烟1抽吸过程中燃烧情况的动态检测，燃烧一支卷烟，可以同时获得卷烟压降、自由燃烧速率、抽吸燃烧速率等多套数据，同时能够满足不同卷烟1抽吸参数以及不同烟气捕集方式下，包括溶剂捕集、冷阱捕集、滤片捕集，抽吸系统内的压降变化情况的监测和测量，测量装置以及方法的适用范围广，有助于进一步深化对烟气主要有害成分的形成及释放的认识，进而为减害途径的寻求提供有效的理论基础，具有重要的研究意义，填补了行业空白。

实施例2

实施例2与实施例1的结构基本相同，实施例2与实施例1的区别在于，压力传感器6的量程不变，其响应频率为1KHz，信号处理模块7的数据采集频率为50Hz，软管一3、三通调节阀4和软管二5的体积之和为10mL。

抽取某品牌卷烟A，将烟支插入吸烟机夹持器中，调节相机曝光度。在卷烟燃烧速度测定系统的“信息录入”窗口中输入“A”、测试日期、测试序号，选择固定长度测试，设置烟支燃烧长度为50毫米。依次点击测定软件上的“开始测试”和吸烟机软件上的“开始抽吸”。当卷烟燃烧至50毫米，测试结束。图3为测定结果。在卷烟燃烧速度测定软件的“数据查询”窗口中输入卷烟“A”、测试日期、测试序号查询测试结果，结果以excel表格形式输出。最终的测试结果显示，该品牌卷烟自由燃烧的平均速率为68.94μm/s，抽吸燃烧的平均速率为1121.96μm/s。图3的测定结果显示，该支卷烟1共燃烧了8口，每一口抽吸间隔内，本实施例中抽吸间隔为2s，系统压降的最大测试值不同，而卷烟1烟气的焦油及有害成分逐口释放量之间也存在明显差异，因此，本实施例的测试结果能够为这些成分逐口之间差异性的进一步研究提供理论依据。

实施例3

实施例3与实施例1的结构基本相同，实施例3与实施例1的区别在于，选择固定长度测试改为选择固定口数测试，固定的抽吸口数为9口，压力传感器6的量程不变，其响应频率为1KHz，信号处理模块7的数据采集频率为100Hz，软管一3、三通调节阀4和软管二5的体积之和为100mL。

采用本实施例的系统及方法对某品牌卷烟1燃烧时系统内的压降和燃烧速率进行了测定，图4为该品牌卷烟第三口抽吸间隔内的测定结果，图5为该品牌卷烟15.42s～15.67s时间段内压降的测定结果，结果显示，15.42s～15.49s，卷烟处于自由燃烧状态，自15.49s开始，卷烟开始该口的抽吸燃烧，卷烟压降逐渐增大，实现了对卷烟抽吸燃烧期间压降变化的动态监测。，图7为该卷烟的燃烧速率数据截图，图7中，口序为抽吸或阴燃的口数，状态1表示抽吸，状态0表示自由燃烧，距离为燃烧线开始和终止之间的距离，速率即为卷烟燃烧速率。图4的测定结果显示，在该抽吸间隔内，系统压降呈现正弦波的变化趋势，即先增加后减小，这与抽吸系统采用的抽吸参数有一定关系。图7的数据显示，不同抽吸口之间的抽吸燃烧速率差异较为明显，抽吸口之间的自由燃烧速率亦有一定差异。燃烧的距离及燃烧速率对于卷烟的逐口烟气成分释放量具有直接关系。这些数据可以为进一步阐释卷烟燃烧性能的变化对烟气成分释放量的影响提供理论依据。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (11)

1.一种同时测定卷烟燃烧时压降变化与燃烧速率的装置，其特征在于：包括卷烟夹持器、三通调节阀、压力传感器、信号处理模块、控制器、卷烟抽吸系统、用于捕捉抽吸信号的同步触发装置、图像采集系统、数据处理系统，卷烟夹持器的出口通过软管一与三通调节阀的端口一相连接；压力传感器的输入端通过软管二与三通调节阀的端口三相连，压力传感器的输出端与信号处理模块的输入端相接；卷烟抽吸系统的输入端与三通调节阀的端口二连接，卷烟抽吸系统的输出端与同步触发装置的输入端相连接，同步触发装置的输出端与信号处理模块相连接后通过信号线接入控制器，同步触发装置的输出端还同时与图像采集系统的输入端相连接，图像采集系统的输出端通过数据处理系统与控制器相连。

2.根据权利要求1所述一种同时测定卷烟燃烧时压降变化与燃烧速率的装置，其特征在于，所述软管一、三通调节阀和软管二的体积之和为10～100mL。

3.根据权利要求1所述一种同时测定卷烟燃烧时压降变化与燃烧速率的装置，其特征在于，所述压力传感器为响应频率为1～3KHz、量程为0～-10KPa的电流输出型压力传感器。

4.根据权利要求1-3任一项所述一种同时测定卷烟燃烧时压降变化与燃烧速率的装置，其特征在于，所述信号处理模块包括放大电路和滤波处理电路，滤波处理电路与A/D转换芯片相连接，A/D转换芯片通过USB接口与控制器相连接。

5.如权利要求4所述同时测定卷烟燃烧时压降变化与燃烧速率的装置，其特征在于：信号处理模块将采集到的测量信号转换为4～20mA电流信号输出给控制器，控制器进行实时记录和显示。

6.根据权利要求5所述一种同时测定卷烟燃烧时压降变化与燃烧速率的装置，其特征在于，所述信号处理模块的采集频率不小于10Hz。

7.根据权利要求5所述一种同时测定卷烟燃烧时压降变化与燃烧速率的装置，其特征在于，所述压力传感器的响应频率不小于信号处理模块的数据采集频率。

8.根据权利要求1所述一种同时测定卷烟燃烧时压降变化与燃烧速率的装置，其特征在于，所述同步触发装置包括光电耦合器U1、单片机U2，光电耦合器U1的输入端通过插座与卷烟抽吸系统的抽吸信号指示输出端相连接，光电耦合器U1的输出端与单片机U2的输入/输出端相连，单片机U2通过电平转换芯片与控制器的串口相连接。

9.根据权利要求1所述一种同时测定卷烟燃烧时压降变化与燃烧速率的装置，其特征在于，所述图像采集系统测定卷烟燃烧速度时，以卷烟燃烧炭线为参考目标。

10.如权利要求1所述同时测定卷烟燃烧时压降变化与燃烧速率的装置，其特征在于：卷烟抽吸系统开始抽吸的信号通过同步触发装置捕捉后传输给控制器，控制器命令信号处理模块和图像采集系统开始执行。

11.一种使用权利要求1-12任一项所述装置的同时测定卷烟燃烧时压降变化与燃烧速率的方法，其特征在于：按照以下步骤依次进行：

步骤1、对卷烟抽吸系统进行漏气检验、抽吸容量校正，调节图像采集系统的曝光度；

步骤2、卷烟夹持器上的卷烟点燃后，控制器开始检测同步触发装置，等待同步触发装置向控制器发送开始抽吸的信号；

步骤3、当控制器收到开始抽吸的信号后，启动压力传感器、图像采集系统采集卷烟燃烧的压降和图像，并启动信号处理模块开始采集，信号处理模块若没有收到开始抽吸的信号，则继续等待；

步骤4、上述步骤3一直重复进行，直到操作员发出停止采集指令或者卷烟抽吸系统发出停止抽吸命令；

步骤5、当卷烟燃烧至设定长度或设定口数时，控制器向图像采集系统发送终止信号，图像采集系统停止采集图像。