CN113419569A - 一种频率可调的香烟烟气流量控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种频率可调的香烟烟气流量控制方法及装置，方法包括：步骤1：在可调速真空泵的工作频率范围内，使用气体流量计确定可调真空泵的实际抽吸流量与输入方波信号频率之间的映射关系；步骤2：当给定一个抽吸流量时，根据确定的映射关系求出应输入的方波信号频率；步骤3：利用微控制器产生步骤2所述的方波信号输入给可调速真空泵，即可按给定抽吸流量进行抽吸。装置包括可调速真空泵、气体流量计以及微控制器，可调速真空泵与气体流量计分别通过信号线与微控制器相接，可调速真空泵进气口与气体流量计出气口用气管连接。本发明可实现对香烟烟气流量的精确控制，测量装置简单、易操作，测量方法准确、可行。

Description

一种频率可调的香烟烟气流量控制方法及装置

技术领域

本发明属于流量控制与检测领域，具体涉及一种频率可调的香烟烟气流量控制方法及装置。

背景技术

近年来，“吸烟与健康”越来越受到世界范围内的广泛关注，卷烟烟气是指被点燃烟支中的烟丝经过复杂的燃烧过程产生的高度浓集并且不断变化着的气溶胶体系，其中含有多种完全致癌物、促癌物和可疑致癌物。

不同的吸烟者抽吸烟支的习惯不同，抽吸一次产生的烟气流量也不同，因此其摄入的有害物质的量各不相同。例如，某人抽吸时产生的烟气流量较小，但卷烟中所含烟草原料较多，则容易造成烟草原料中的有机物质不完全燃烧，从而产生一氧化碳等有害物质污染环境；若某人抽吸时产生的烟气流量较大，而卷烟中所含烟草原料较少，则吸烟者进行几次抽吸便可吸完一支香烟，易使这类人过量吸烟从而有害身体健康。通过模拟具有不同抽吸习惯吸烟者的抽吸情况，便于研究人员进一步分析不同抽吸习惯下所产生的烟气中的有害物质含量，进而指导吸烟者低害吸烟，并为卷烟过滤嘴内部材料的选择提供一定依据。

现有技术通常采用波纹管和法兰盘的组合装置或者多点阵列式方法来检测、控制锅炉的烟气流量，而对于卷烟抽吸时的烟气流量控制无法沿用，也尚未出现专门针对卷烟烟气流量的控制方法与装置。

发明内容

鉴于以上技术问题，本发明第一目的是在于提供了一种频率可调的香烟烟气流量控制方法，能够对卷烟抽吸时的烟气流量进行精确控制，模拟吸烟者实际吸烟时的烟气流量曲线，进而指导吸烟者低害吸烟，为烟支内部材料的设计提供科学依据。

本发明第二目的是在于提供了一种频率可调的香烟烟气流量控制装置，结构简单、易操作，便于装置小型化，可实现对香烟烟气流量的精确控制。

为进一步实现上述第一目的，本发明采用以下技术方案：包括如下步骤：

步骤1：在可调速真空泵的工作频率范围内，使用气体流量计确定可调真空泵的实际抽吸流量与输入方波信号频率之间的映射关系；

步骤2：当给定一个抽吸流量时，根据确定的映射关系求出应输入的方波信号频率；

步骤3：利用微控制器产生步骤2所述的方波信号输入给可调速真空泵，即可按给定抽吸流量进行抽吸。

上述步骤中，步骤1主要是对可调速真空泵进行标定，确定频率与流量的关系，即确定输入多大的频率时，产生多大的流量。那么，在步骤2中，为了产生某一流量，则需根据步骤1中得到的频率与流量的(映射)关系，来得到需要输入的频率。步骤1、2、3用可调速真空泵及气体流量计实现了气体流量的准确产生，对于流量随时间变化的情况，可以在短时间内(毫秒级)不断改变输入方波信号的频率来实现。由于两者体积均较小，为开发便携式的小型烟气流量控制装置提供了一种新思路。

作为优选，所述确定可调真空泵实际抽吸流量与输入方波信号频率之间的映射关系包括：

在可调速真空泵的输入方波信号频率范围a Hz～b Hz内，选择n个不同频率的方波信号，第i个方波的频率为

利用微控制器产生频率为ν₁的方波信号并输入到可调速真空泵，利用气体流量计测得对应的输出气体流量Q₁；

以此类推，直到输入第n个频率为ν_n方波时，利用气体流量计测得对应的气体流量Q_n；

根据所测得n组方波频率ν_i与抽吸流量Q_i，可以建立方波频率ν与抽吸流量Q两者映射关系：ν＝f(Q)。

由上，在求解映射关系时，并不会找到所有频率对应的流量，只是选取输入范围内的部分频率来求解。本发明中，等间隔的选取一些频率来进行流量检测，其间隔为(b-a)/n，等间隔的选取是标定中惯用的方式，便于拟合出两者的映射关系。

可选的，给定一个抽吸流量Q时，求解输入的方波信号频率，是根据建立的映射关系ν＝f(Q)，将抽吸流量Q代入，求出一个与之唯一对应的方波信号频率ν。

为了实现上述第二目的，本发明采用以下技术方案：一种频率可调的香烟烟气流量控制装置，包括可调速真空泵、气体流量计以及微控制器，其中：

可调速真空泵，用于实现抽吸过程，其抽吸的流量由电机转速决定，电机转速由输入的方波信号频率控制；

气体流量计，用于实时测量可调速真空泵的抽吸流量；

微控制器，用于产生不同频率的方波信号以控制和调节可调速真空泵的调速与启停，并且可以读取气体流量计的流量数据；

所述可调速真空泵与所述气体流量计分别通过信号线与所述微控制器相接，所述可调速真空泵进气口与所述气体流量计出气口用气管连接。

可选的，所述微控制器由单片机及外围电路构成，可以产生幅值、直流偏置及占空比不变，而频率可调的方波信号。

进一步的，要求微控制器具有方波输出功能，可调速真空泵输出流量波动较小且可由频率控制，气体流量计具有高响应速度。本申请中，微控制器为STM32F103，可调速真空泵采用三腔式隔膜泵，流量计为矽翔微机电的FS4000系列流量传感器。

可选的，所述可调速真空泵，可以通过微控制器输入不同频率的方波信号进行迅速调速与启停。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、使用微型可调速真空泵，相较于现有的活塞式抽吸，不需要复杂的机械结构，便于装置小型化。

2、配合高响应速度的气体流量计，除了准确模拟标准流量曲线，也可以方便地产生其它非标准的抽吸流量曲线。

3、可实现对香烟烟气流量的精确控制，模拟吸烟者实际吸烟时的烟气流量曲线，进而指导吸烟者低害吸烟，为烟支内部材料的设计提供科学依据。

4、测量装置简单、易操作，测量方法准确、可行。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明所述频率可调的香烟烟气流量控制装置的结构示意图；

图2为本发明所述频率可调的香烟烟气流量控制方法中以10ms为间隔模拟的烟气流量曲线图；

图3为本发明所述频率可调的香烟烟气流量控制方法中以50ms为间隔模拟的烟气流量曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。

需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，但并不作为对本发明限制的依据，且所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

图1为本发明所述频率可调的香烟烟气流量控制装置的结构示意图，该装置包括微控制器1、可调速真空泵2和气体流量计3，其中，可调速真空泵2与气体流量计3分别通过信号线与微控制器1相接，可调速真空泵2进气口与气体流量计3出气口用气管连接。

本发明所述频率可调的香烟烟气流量控制方法的实施例可由该装置执行。

实施例1。使用本发明所述一种频率可调的香烟烟气流量控制装置实现恒定流量抽吸，该方法包括以下步骤：

步骤1、在可调速真空泵的工作频率范围内，使用气体流量计确定可调真空泵的实际抽吸流量与输入方波信号频率之间的映射关系；

步骤2、当给定一个抽吸流量时，根据确定的映射关系可以求出应输入的方波信号频率；

步骤3、利用微控制器产生步骤2中的方波信号输入给可调速真空泵，即可按给定抽吸流量进行抽吸。

本发明步骤1中确定可调真空泵实际抽吸流量与输入方波信号频率之间映射关系的步骤包括：

在可调速真空泵的输入方波信号频率范围a Hz～b Hz内(本发明实际使用的真空泵，a＝100Hz，b＝3100Hz)，选择n个不同频率的方波信号，第i个方波的频率为

利用微控制器产生频率为ν₁的方波信号并输入到可调速真空泵，利用气体流量计测得对应的输出气体流量Q₁；

以此类推，直到输入第n个频率为ν_n方波时，利用气体流量计测得对应的气体流量Q_n；

根据所测得n组方波频率ν_i与抽吸流量Q_i，可以建立方波频率ν与抽吸流量Q两者映射关系：ν＝f(Q)。

本发明步骤2中给定一个抽吸流量Q时，求解输入的方波信号频率，是根据建立的映射关系ν＝f(Q)，将抽吸流量Q代入，求出一个与之唯一对应的方波信号频率ν。

实施例2。使用本发明所述一种频率可调的香烟烟气流量控制装置实现一定时间内固定流量曲线的抽吸，该方法包括以下步骤：

步骤1、参照实施例1中步骤1的方法；

步骤2、参照实施例1中步骤2的方法；

步骤3、对于给定的抽吸流量曲线Q＝g(t)，其中0≤t≤t_end,t_end为抽吸结束时的时间，将抽吸流量曲线处理为便于模拟的阶梯形流量曲线；

将抽吸流量曲线处理为便于模拟的阶梯形流量曲线的步骤包括：

取一定的时间间隔Δt，按下式求抽吸流量曲线Q＝g(t)不同区间内的均值Q_j，

其中,1≤j≤N，且

求阶梯形流量曲线的表达式Q′＝q(t)，即令

Q′＝q(t)＝Q_j，

其中(j-1)gΔt≤t＜jgΔt；

步骤4、利用阶梯形流量曲线Q′＝q(t)及标定结果ν＝f(Q)，得出方波频率ν与时间t的函数ν＝f(Q′)＝f(q(t))＝u(t)；

步骤5、利用微控制器1按ν＝u(t)向可调速真空泵2发出方波信号，即可模拟出给定的抽吸流量曲线Q＝g(t)。

图2、图3分别给出了t_end＝2s，Δt为10ms与50ms的便于模拟给定抽吸流量曲线的阶梯形流量曲线。

此外，本发明除了模拟标准抽吸曲线，还可以模拟具有不同抽吸习惯吸烟者的抽吸曲线。因此便于其它研究人员使用本发明，结合烟气捕集等进一步分析不同抽吸习惯下所产生的烟气中的有害物质含量，进而指导吸烟者低害吸烟，并为选择不同过滤性能的过滤嘴内部材料提供一定依据。

需要说明的是，理论上，Δt越小所产生的流量曲线越接近于连续光滑的标准曲线，由于真空泵的最低输入频率等的约束，Δt不能过小，10ms对于所选的真空泵已经足够小。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。

任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (5)

1.一种频率可调的香烟烟气流量控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：在可调速真空泵的工作频率范围内，使用气体流量计确定可调真空泵的实际抽吸流量与输入方波信号频率之间的映射关系；

步骤2：当给定一个抽吸流量时，根据确定的映射关系求出应输入的方波信号频率；

步骤3：利用微控制器产生步骤2所述的方波信号输入给可调速真空泵，即可按给定抽吸流量进行抽吸。

2.根据权利要求1所述的频率可调的香烟烟气流量控制方法，其特征在于，所述确定可调真空泵实际抽吸流量与输入方波信号频率之间的映射关系包括：

在可调速真空泵的输入方波信号频率范围a Hz～b Hz内，选择n个不同频率的方波信号，第i个方波的频率为

利用微控制器产生频率为ν₁的方波信号并输入到可调速真空泵，利用气体流量计测得对应的输出气体流量Q₁；

以此类推，直到输入第n个频率为ν_n方波时，利用气体流量计测得对应的气体流量Q_n；

根据所测得n组方波频率ν_i与抽吸流量Q_i，可以建立方波频率ν与抽吸流量Q两者映射关系：ν＝f(Q)。

3.根据权利要求2所述的频率可调的香烟烟气流量控制方法，其特征在于，

给定一个抽吸流量Q时，求解输入的方波信号频率，是根据建立的映射关系ν＝f(Q)，将抽吸流量Q代入，求出一个与之唯一对应的方波信号频率ν。

4.根据权利要求1所述的频率可调的香烟烟气流量控制方法所采用的频率可调的香烟烟气流量控制装置，其特征在于，包括可调速真空泵、气体流量计以及微控制器，其中：

可调速真空泵，用于实现抽吸过程，其抽吸的流量由电机转速决定，电机转速由输入的方波信号频率控制；

气体流量计，用于实时测量可调速真空泵的抽吸流量；

微控制器，用于产生不同频率的方波信号以控制和调节可调速真空泵的调速与启停，并且可以读取气体流量计的流量数据；

所述可调速真空泵与所述气体流量计分别通过信号线与所述微控制器相接，所述可调速真空泵进气口与所述气体流量计出气口用气管连接。

5.根据权利要求4所述的频率可调的香烟烟气流量控制装置，其特征在于，所述微控制器由单片机及外围电路构成，可以产生幅值、直流偏置及占空比不变，而频率可调的方波信号。

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