CN107525648A - 一种步进电机模拟吸烟机标准抽吸的方法 - Google Patents
一种步进电机模拟吸烟机标准抽吸的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种步进电机模拟吸烟机标准抽吸的方法。通常的吸烟机标准的单口抽吸为2s抽吸35ml，标准的抽吸频率为每60s抽吸一口。本发明利用步进电机构造的烟气实验机，通过实验验证了步进电机的运动频率和烟支出口的压强大小成正比，由达西定律可得，在烟气速度较小的情况下，烟支出口的压强大小和速度成正比关系，因此，步进电机的抽吸频率和烟支出口的速度成正比关系。首先，把标准抽吸的钟形流量图近似为抛物线Q＝At2+Bt然后把抛物线沿横坐标等分为7个时间等份，取每一等份的中间值时间，并求出对应的流量Q1，Q2，…Q7，设置步进电机的频率为相应的H1，H2，…H3，时间为T1＝T2＝…＝T7＝0.286，并且在2s的时间内，步进电机刚好抽吸了35ml。
Description
技术领域
本发明涉及模拟吸烟机标准抽吸的技术领域，尤其是指一种步进电机模拟吸烟机标准抽吸的方法。
背景技术
目前对于实现吸烟机标准抽吸的方法主要把电磁阀控制、步进电机驱动、泵抽吸等结合起来实现吸烟机的标准抽吸。例如国外Filtrona公司生产的SM400型吸烟机、Borgwaldt公司生产的RM20/CS，国内郑州烟草研究院研制的YC-81型吸烟机等等，这些吸烟机都能够通过控制电路来控制步进电机和泵的运动，来实现吸烟机的标准抽吸的钟形流量图。
虽然国内外有很多种实现吸烟机标准抽吸的方法，但是利用步进电机通过设置7个运动行程的频率和时间来模拟吸烟机标准抽吸的方法尚未出现。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种步进电机模拟吸烟机标准抽吸的方法，通过该方法可以有效地模拟吸烟机标准抽吸时的钟形流量图。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明公开了一种步进电机模拟吸烟机标准抽吸的方法，包括下述步骤：
(1)把吸烟机标准抽吸的钟形流量图近似为抛物线Q＝At2+Bt，并将抛物线按照横坐标等分为7个时间等份，每一等份的中间值时间为t1，t2，…,t7,并求出其对应的流量值Q1，Q2，…,Q7；
(2)验证作(1)中的划分后能否满足下述公式：
(3)在步进电机构造的烟气实验机上，通过实验验证了步进电机的运动频率和烟支出口的压强大小成正比，烟气流动属于层流，烟气流动速度较低，烟气流动符合达西定律，由达西定律可得，烟支出口的压强大小和速度成正比关系，因此，步进电机的抽吸频率和烟支出口的速度成正比关系；
(4)通过设置步进电机不同的运动频率，使得烟气实验机在7个时间等份上能够抽吸对应的流量Q1，Q2，…,Q7；
(5)验证用步进电机构造的烟气实验机通过步骤(4)的设置能否满足吸烟机标准抽吸的2s抽吸35ml。
作为优选的技术方案，步骤(1)中，所述抛物线Q＝At2+Bt，是根据标准抽吸的2s抽吸35ml来确定的，根据(0，0)，(2，0)和这3个条件来确定抛物线Q＝At2+Bt为Q＝-26.25t2+52.5t。
作为优选的技术方案，步骤(1)中，所述抛物线按照横坐标等分为7个时间等份，则每个时间等份为2/7≈0.286s，首先设置t4的中间值时间为1s，则每一等份的中间值时间为t1＝0.142s，t2＝0.428s，t3＝0.714s，t4＝1s，t5＝1.286s，t6＝1.572，t7＝1.858s，对应抛物线上的Q1＝Q7＝6.9257mL/s，Q2＝Q6＝17.6614mL/s，Q3＝Q5＝24.1028mL/s，Q4＝26.2500mL/s。
作为优选的技术方案，步骤(2)中，
作为优选的技术方案，步骤(3)中，通过实验验证了步进电机的运动频率和烟支出口的压强大小成正比，其具体方法为：
将步进电机的7个运动行程设置为同一个运动频率，第一次全部设置为500Hz，第二次全部设置为1000Hz，…，第六次全部设置为3000Hz，分别在步进电机以不同的运动频率抽吸烟支时，采用压强计测量烟支出口对应的压强；同时，采用Origin软件将步进电机的运动频率和烟支出口的压强大小拟合成直线，拟合系数R2＝0.99695，说明步进电机的运动频率和烟支出口的压强大小近似成正比，即H＝k1·Δp。
作为优选的技术方案，步骤(3)中，所述达西定律为当烟气流速很小时，在烟支出口处的压强大小与烟气流速成正比，即Δp＝k2·V。
作为优选的技术方案，步骤(3)中，所述步进电机的抽吸频率和烟支出口的速度成正比关系是由H＝k1·Δp，Δp＝k2·V推得的H＝k1·k2·V。
作为优选的技术方案，步骤(4)中，通过设置步进电机不同的运动频率，使得烟气实验机在7个时间等份上能够抽吸对应的流量Q1，Q2，…,Q7，其具体方法为：
步进电机的抽吸频率和烟支的出口速度成正比，则有：
Q＝S·V (2)
即
上式中，H为步进电机的频率，V为烟支出口的烟气速度，Q为烟支出口的烟气流量，S为烟支的径向横截面积，k1、k2为比例系数。在实验过程中，每次优先设定H4的频率值，权利要求书3中已经确定了流量Q在各行程的值，则由公式(3)可以确定步进电机各行程的频率值；
在实验过程中，取H4＝9000Hz，由公式(3)算得H1＝H7＝2340Hz，H2＝H6＝6030Hz，H3＝H5＝8280Hz，设置步进电机的每一个运动行程为0.286s，此时步进电机在7个行程运动完后刚好抽吸烟支35ml。
作为优选的技术方案，步骤(5)中，所述验证用步进电机构造的烟气实验机通过步骤(4)的设置能否满足吸烟机标准抽吸的2s抽吸35ml，其具体方法为：
所述烟气实验机的抽吸装置为圆柱状烟筒和活塞，烟筒的内径为d＝3.5cm，烟筒上有刻度值，通过多次实验观测到步进电机的7个行程运动完成后活塞在烟筒内的运动距离为L＝3.638cm，
则步进电机构造的烟气实验机通过步骤(4)的设置满足吸烟机标准抽吸的2s抽吸35ml。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
(1)本发明中步进电机在7个运动行程的运转速度和时间容易调节；
(2)本发明采用步进电机运动频率与烟支出口压强成正比，烟支出口压强与烟气流速成正比，推得步进电机运动频率与烟气流速成正比，通过设置步进电机的7个运动行程来逼近钟形流量图，以此来实现2s抽吸35ml，经过多次实验验证，准确可靠；
(3)本发明除了可以模拟吸烟机的标准抽吸，还可以通过调节步进电机的运动状况，实现任意的抽吸要求。
附图说明
图1为本发明测量烟支出口压强和步进电机模拟吸烟机标准抽吸的实验示意图；
图2为本发明步进电机模拟吸烟机标准抽吸的流量分布图；
图3为本发明通过实验验证了步进电机的运动频率和烟支出口的压强大小结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示，为本实施例测量烟支出口压强和步进电机模拟吸烟机标准抽吸的实验示意图，包括：烟支1、压强计触探头插口2、步进电机3、抽吸装置4、控制箱5。
基于上述实验示意图，如图2所示，本实施例步进电机模拟吸烟机标准抽吸的方法，包括下述步骤：
(1)把吸烟机标准抽吸的钟形流量图近似为抛物线Q＝At2+Bt，并将抛物线按照横坐标等分为7个时间等份，每一等份的中间值时间为t1，t2，…,t7,并求出其对应的流量值Q1，Q2，…,Q7；
把吸烟机标准抽吸的钟形流量图近似为抛物线Q＝At2+Bt，其具体方法为：根据标准抽吸的2s抽吸35ml来确定的，根据(0，0)，(2，0)和这3个条件来确定抛物线Q＝At2+Bt为Q＝-26.25t2+52.5t；
(2)验证作(1)中的划分后能否满足
(3)在步进电机构造的烟气实验机上，通过实验验证了步进电机的运动频率和烟支出口的压强大小成正比，烟气流动属于层流，烟气流动速度较低，烟气流动符合达西定律，由达西定律可得，烟支出口的压强大小和速度成正比关系，因此，步进电机的抽吸频率和烟支出口的速度成正比关系；
通过实验验证了步进电机的运动频率和烟支出口的压强大小成正比，其具体方法为：
将步进电机的7个运动行程设置为同一个运动频率，第一次全部设置为500Hz，第二次全部设置为1000Hz，…，第六次全部设置为3000Hz，分别在步进电机以不同的运动频率抽吸烟支时，将压强计触探头插入后测量烟支出口对应的压强。实验结果如图3所示。
采用Origin软件将步进电机的运动频率和烟支出口的压强大小拟合成直线，拟合系数R2＝0.99695,说明步进电机的运动频率和烟支出口的压强大小近似成正比，即H＝k1·Δp；
同时，由达西定律推得烟支出口处的压强大小与烟气流速成正比，即Δp＝k2·V；
由H＝k1·Δp，Δp＝k2·V，推得步进电机的抽吸频率和烟支出口的速度成正比关系，即H＝k1·k2·V；
(4)通过设置步进电机不同的运动频率，使得烟气实验机在7个时间等份上能够抽吸对应的流量Q1，Q2，…,Q7；
其具体方法为：
步进电机的抽吸频率和烟支的出口速度成正比,则有：
Q＝S·V (2)
即
上式中，H为步进电机的频率，V为烟支出口的烟气速度，Q为烟支出口的烟气流量，S为烟支的径向横截面积，k1、k2为比例系数。在实验过程中，每次优先设定H4的频率值，则由公式(3)可以确定步进电机各行程的频率值。
在实验过程中，取H4＝9000Hz，由公式(3)算得H1＝H7＝2340Hz，H2＝H6＝6030Hz，H3＝H5＝8280Hz，设置步进电机的每一个运动行程为0.286s，此时步进电机在7个行程运动完后刚好抽吸烟支35ml；
(5)验证用步进电机构造的烟气实验机通过步骤(4)的设置能否满足吸烟机标准抽吸的2s抽吸35ml。
其具体方法为：
所述烟气实验机的抽吸装置为圆柱状烟筒和活塞，烟筒的内径为d＝3.5cm，烟筒上有刻度值，通过多次实验观测到步进电机的7个行程运动完成后活塞在烟筒内的运动距离为L＝3.638cm，
则步进电机构造的烟气实验机通过步骤(4)的设置满足吸烟机标准抽吸的2s抽吸35ml。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种步进电机模拟吸烟机标准抽吸的方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1)把吸烟机标准抽吸的钟形流量图近似为抛物线Q＝At2+Bt，并将抛物线按照横坐标等分为7个时间等份，每一等份的中间值时间为t1，t2，…,t7,并求出其对应的流量值Q1，Q2，…,Q7；
(2)验证作(1)中的划分后能否满足下述公式：
<mrow>
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<mi>Q</mi>
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</mrow>
(3)在步进电机构造的烟气实验机上，通过实验验证了步进电机的运动频率和烟支出口的压强大小成正比，烟气流动属于层流，烟气流动速度较低，烟气流动符合达西定律，由达西定律可得，烟支出口的压强大小和速度成正比关系，因此，步进电机的抽吸频率和烟支出口的速度成正比关系；
(4)通过设置步进电机不同的运动频率，使得烟气实验机在7个时间等份上能够抽吸对应的流量Q1，Q2，…,Q7；
(5)验证用步进电机构造的烟气实验机通过步骤(4)的设置能否满足吸烟机标准抽吸的2s抽吸35ml。
2.根据权利要求1所述步进电机模拟吸烟机标准抽吸的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述抛物线Q＝At2+Bt，是根据标准抽吸的2s抽吸35ml来确定的，根据(0，0)，(2，0)和这3个条件来确定抛物线Q＝At2+Bt为Q＝-26.25t2+52.5t。
3.根据权利要求1所述步进电机模拟吸烟机标准抽吸的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述抛物线按照横坐标等分为7个时间等份，则每个时间等份为2/7≈0.286s，首先设置t4的中间值时间为1s，则每一等份的中间值时间为t1＝0.142s，t2＝0.428s，t3＝0.714s，t4＝1s，t5＝1.286s，t6＝1.572，t7＝1.858s，对应抛物线上的Q1＝Q7＝6.9257mL/s，Q2＝Q6＝17.6614mL/s，Q3＝Q5＝24.1028mL/s，Q4＝26.2500mL/s。
4.根据权利要求1所述步进电机模拟吸烟机标准抽吸的方法，其特征在于，步骤(2)中，
5.根据权利要求1所述步进电机模拟吸烟机标准抽吸的方法，其特征在于，步骤(3)中，通过实验验证了步进电机的运动频率和烟支出口的压强大小成正比，其具体方法为：
将步进电机的7个运动行程设置为同一个运动频率，第一次全部设置为500Hz，第二次全部设置为1000Hz，…，第六次全部设置为3000Hz，分别在步进电机以不同的运动频率抽吸烟支时，采用压强计测量烟支出口对应的压强；同时，采用Origin软件将步进电机的运动频率和烟支出口的压强大小拟合成直线，拟合系数R2＝0.99695，说明步进电机的运动频率和烟支出口的压强大小近似成正比，即H＝k1·Δp。
6.根据权利要求1所述步进电机模拟吸烟机标准抽吸的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述达西定律为当烟气流速很小时，在烟支出口处的压强大小与烟气流速成正比，即Δp＝k2·V。
7.根据权利要求1所述步进电机模拟吸烟机标准抽吸的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述步进电机的抽吸频率和烟支出口的速度成正比关系是由H＝k1·Δp，Δp＝k2·V推得的H＝k1·k2·V。
8.根据权利要求1所述步进电机模拟吸烟机标准抽吸的方法，其特征在于，步骤(4)中，通过设置步进电机不同的运动频率，使得烟气实验机在7个时间等份上能够抽吸对应的流量Q1，Q2，…,Q7，其具体方法为：
步进电机的抽吸频率和烟支的出口速度成正比，则有：
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Q＝S·V(2)
即
上式中，H为步进电机的频率，V为烟支出口的烟气速度，Q为烟支出口的烟气流量，S为烟支的径向横截面积，k1、k2为比例系数。在实验过程中，每次优先设定H4的频率值，权利要求书3中已经确定了流量Q在各行程的值，则由公式(3)可以确定步进电机各行程的频率值；
在实验过程中，取H4＝9000Hz，由公式(3)算得H1＝H7＝2340Hz，H2＝H6＝6030Hz，H3＝H5＝8280Hz，设置步进电机的每一个运动行程为0.286s，此时步进电机在7个行程运动完后刚好抽吸烟支35ml。
9.根据权利要求1所述步进电机模拟吸烟机标准抽吸的方法，其特征在于，步骤(5)中，所述验证用步进电机构造的烟气实验机通过步骤(4)的设置能否满足吸烟机标准抽吸的2s抽吸35ml，其具体方法为：
所述烟气实验机的抽吸装置为圆柱状烟筒和活塞，烟筒的内径为d＝3.5cm，烟筒上有刻度值，通过多次实验观测到步进电机的7个行程运动完成后活塞在烟筒内的运动距离为L＝3.638cm，
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则步进电机构造的烟气实验机通过步骤(4)的设置满足吸烟机标准抽吸的2s抽吸35ml。
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