CN115184097A - 一种模拟人体肺部抽吸主流烟气的在线分析装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟人体肺部抽吸主流烟气的在线分析装置和方法，该装置包括吸烟采样头、呼烟排样头、肺部模拟器、粒径谱仪，肺部模拟器包括外壳和肺部集气袋，柔性的肺部集气袋置于外壳的气腔内部，外壳一侧设有通气管，肺部集气袋的开口与通气管末端密封对接，吸烟采样管和呼烟排样管上分别设有阀门，吸烟采样管的出气端、呼烟排样管的进气端并联在通气管的首端，呼烟排样管的出气端与粒径谱仪的进气端相连接，粒径谱仪的出气端连接检测气泵；通过控制外壳的气腔内部气体的气压大小，从而控制肺部集气袋的排气或吸气。本发明的优点：实现了将烟气吸入肺部中进行大循环抽吸过程后烟气气溶胶状态的实时在线测试。
Description
技术领域
本发明涉及烟草化学技术研究领域，尤其涉及的是一种模拟人体肺部抽吸主流烟气的在线分析装置和方法。
背景技术
卷烟烟气的本质是由数千种动态变化的小颗粒体系组成的气溶胶混合物，消费者在抽吸卷烟时，十分关注卷烟烟气所带来的感官感受。因此，卷烟烟气的抽吸感受，是评价卷烟产品的基本因素，也是消费者认可和接受卷烟产品的基础。
对于卷烟感官评价的研究，人工评吸是最常用的评价方式，主要依靠有经验的评吸者对卷烟产品进行评价，这种传统的评价方式具有较大的主观能动性，对于人的经验性依赖较大，也易受到评吸者生理、心理等方面的影响，且在超出评吸者的耐受范围时缺乏一定客观，制约了烟气成分与感官生理感受的相关性。
目前，口腔模型常作为模拟主流烟气暴露于口腔及上呼吸道的仿生吸收装置，用来与抽烟者实际抽吸卷烟时烟气在人体口腔中进行小循环抽吸时的状况作对比，能够在稳定的实验环境和实验条件下获得较稳定的实验结果，对提升卷烟感官品质具有十分重要的参考价值。然而，这些口腔模型对卷烟烟气的应用研究都是使用离线的分析方法，不能客观反映卷烟烟气在抽吸过程在口腔中实时的变化状态，更无法反映出一般吸烟者将烟气吸入肺部中进行大循环抽吸过程后烟气气溶胶的状态，具有一定局限性。截至目前，尚没有一种行之有效的肺部仿生模型与在线气溶胶检测仪器相结合，来分析逐口抽吸卷烟时产生的烟气气溶胶颗粒在肺部浓度分布的实时在线研究报道。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种模拟人体肺部抽吸主流烟气的在线分析装置和方法，旨在为烟草科技人员测量卷烟主流烟气气溶胶逐口抽吸浓度在人体肺部模型中的变化提供了一种良好的技术手段。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种模拟人体肺部抽吸主流烟气的在线分析装置，包括吸烟采样头、呼烟排样头、肺部模拟器、粒径谱仪，肺部模拟器包括外壳和肺部集气袋，外壳内部形成密闭的气腔，柔性的肺部集气袋置于外壳的气腔内部，外壳一侧设有通气管，肺部集气袋的开口与通气管末端密封对接，吸烟采样头内设置吸烟采样管，呼烟排样头内设置呼烟排样管，吸烟采样管上设有第一阀门，呼烟排样管上设有第二阀门，吸烟采样管的出气端、呼烟排样管的进气端并联在通气管的首端，吸烟采样管的进气端外接卷烟夹具，呼烟排样管的出气端通过烟气排出管与粒径谱仪的进气端相连接，粒径谱仪的出气端通过管道连接至检测气泵；通过控制外壳的气腔内部气体的气压大小，从而控制肺部集气袋的排气或吸气。
作为上述装置的优选方案，所述外壳上还设有控压气管，控压气管一端与外壳的气腔相连通，控压气管的另一端连接四通接头，四通接头的另外三个接头依次通过气管连接鼓风机、控制气泵和泄压阀。
作为上述装置的优选方案，所述吸烟采样管上的第一阀门为三通阀，三通阀的进口靠近吸烟采样管的进气端设置，三通阀的第一出口靠近吸烟采样管的出气端设置，三通阀的第二出口连接大气管，大气管与大气相连通。
作为上述装置的优选方案，所述吸烟采样管上设有第一流量控制阀，吸烟采样管上还连接有用于测量第一流量控制阀前后两端压差的第一压差传感器；所述呼烟排样管上设有第二流量控制阀，呼烟排样管上还连接有用于测量第二流量控制阀前后两端压差的第二压差传感器。
作为上述装置的优选方案，所述通气管的首端通过三通接头分别与吸烟采样管的出气端和呼烟排样管的进气端相连接。
本发明还提供了一种模拟人体肺部抽吸主流烟气的在线分析方法，所述方法基于上述的一种模拟人体肺部抽吸主流烟气的在线分析装置，所述方法按如下步骤依次进行：
步骤一、打开第一阀门，关闭第二阀门，控制外壳的气腔内部气体的气压增大，使得肺部集气袋被压缩排气，直至肺部集气袋内的气体被排空；
步骤二、在卷烟夹具上夹取卷烟烟支，点燃卷烟烟支,控制外壳的气腔内部气体的气压减小，使得肺部集气袋吸气，进行第一口抽吸，卷烟烟支燃烧产生的烟气经吸烟采样头的吸烟采样管进入肺部集气袋中，关闭第一阀门后，停留设定时间t1再打开第二阀门，控制外壳的气腔内部气体的气压增大，使得肺部集气袋被排气，肺部集气袋内的烟气经过呼烟排样头的呼烟排样管进入粒径谱仪，通过粒径谱仪对烟气进行在线测试，第一口抽吸时间到达后，关闭第二阀门，完成第一口在线抽吸测试；
步骤三、间隔设定时间t2后，重复步骤二完成第二口在线抽吸测试；如此循环，直至完成最后一口在线抽吸测试。
作为上述分析方法的优选方案，所述外壳上还设有控压气管，控压气管一端与外壳的气腔相连通，控压气管的另一端连接四通接头，四通接头的另外三个接头依次通过气管连接鼓风机、控制气泵和泄压阀；通过设置鼓风机的供气速度大于控制气泵的抽气速度，实现外壳的气腔内部气体的气压增大；通过设置鼓风机的供气速度小于控制气泵的抽气速度，实现外壳的气腔内部气体的气压减小。
本发明相比现有技术具有以下优点：
1、本发明提供的一种模拟人体肺部抽吸主流烟气的在线分析装置，主要包括吸烟采样头、呼烟排样头、肺部模拟器、粒径谱仪，首创性的通过将肺部模拟器与快速气溶胶电迁移粒径谱仪相连接，在线模拟分析卷烟主流烟气经肺部抽吸和排出的颗粒浓度分布变化，真正实现了将烟气吸入肺部中进行大循环抽吸过程后烟气气溶胶状态的实时在线测试。
2、本发明提供的一种模拟人体肺部抽吸主流烟气的在线分析装置，其在肺部模拟器的外壳上设置控压气管，控压气管通过四通接头分别接鼓风机、控制气泵和泄压阀，通过鼓风机对肺部模拟器的气腔供气，通过控制气泵对肺部模拟器的气腔抽气，通过控制鼓风机和控制气泵两者的供气速度或抽气速度的大小，从而实现对肺部模拟器的气腔内部气体的气压大小进行精确控制，进而保证了肺部集气袋的排气或吸气的精准控制，保证测试过程的顺畅准确进行。
3、本发明提供的一种模拟人体肺部抽吸主流烟气的在线分析装置，其在吸烟采样管以及呼烟排样管上分别设置有流量控制阀，从而能控制烟气流量大小，并在设置测量各个流量控制阀前后两端压差的压差传感器，通过压差传感器测得的压差变化能精准获得经过的烟气流量，从而可适应不同的测试需求。
4、本发明提供的一种模拟人体肺部抽吸主流烟气的在线分析方法，该方法基于上述装置，可快速获得模拟人体肺部抽吸卷烟烟支时逐口抽吸主流烟气浓度分布的变化，为烟草科技人员实现在线测量人体肺部模型抽吸卷烟烟气时的主流烟气浓度分布提供一种良好的技术手段；且该方法操作方便，可根据模拟肺部不同抽吸模式调整抽吸参数，实现对不同抽吸模式下逐口抽吸的卷烟烟气进行在线测量，获得实时产生烟气颗粒的浓度分布变化，信号响应速度快，灵敏度高。
附图说明
图1是本发明的装置结构示意图。
图2是本发明的装置的吸烟采样头的结构示意图。
图3是本发明的装置的呼烟排样头的结构示意图。
图4是本实施例中普皖卷烟烟支在标准抽吸模式下模拟肺部逐口抽吸时抽吸口数与烟气浓度的关系图。
图中标号：1吸烟采样头,2呼烟排样头,3肺部模拟器,4粒径谱仪,5外壳，6肺部集气袋，7气腔，8通气管，9吸烟采样管，10呼烟排样管，11第一阀门,12第二阀门,13卷烟夹具,14烟气排出管,15检测气泵,16控压气管,17鼓风机,18控制气泵,19泄压阀,20大气管，21第一流量控制阀,22第一压差传感器,23第二流量控制阀,24第二压差传感器,25卷烟烟支。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
参见图1至图3，本实施例公开了一种模拟人体肺部抽吸主流烟气的在线分析装置，包括吸烟采样头1、呼烟排样头2、肺部模拟器3、粒径谱仪4，肺部模拟器3包括外壳5和肺部集气袋6，外壳5内部形成密闭的气腔7，肺部集气袋6采用防静电聚乙烯材质，柔性的肺部集气袋6置于外壳5的气腔7内部，外壳5一侧设有通气管8，肺部集气袋6的开口与通气管8末端密封对接，吸烟采样头1内设置吸烟采样管9，呼烟排样头2内设置呼烟排样管10，吸烟采样管9上设有第一阀门11，呼烟排样管10上设有第二阀门12，吸烟采样管9的出气端、呼烟排样管10的进气端并联在通气管8的首端，通气管8的首端通过三通接头分别与吸烟采样管9的出气端和呼烟排样管10的进气端相连接。吸烟采样管9的进气端外接卷烟夹具13，呼烟排样管10的出气端通过烟气排出管14与粒径谱仪4的进气端相连接，粒径谱仪4的出气端通过管道连接至检测气泵15；通过控制外壳5的气腔7内部气体的气压大小，从而控制肺部集气袋6的排气或吸气。
外壳5上还设有控压气管16，控压气管16一端与外壳5的气腔7相连通，控压气管16的另一端连接四通接头，四通接头的另外三个接头依次通过气管连接鼓风机17、控制气泵18和泄压阀19。通过设置鼓风机17的供气速度大于控制气泵18的抽气速度，实现外壳5的气腔7内部气体的气压增大；通过设置鼓风机17的供气速度小于控制气泵18的抽气速度，实现外壳5的气腔7内部气体的气压减小。通过鼓风机17、控制气泵18共同控制肺部模拟器3的气腔7内部压力的升降，进而控制肺部集气袋6内气体的排出或吸入。泄压阀19是为了防止肺部模拟器3的气腔7中压力过大时自动泄压而设置的。
吸烟采样管9上的第一阀门11为三通阀，三通阀的进口靠近吸烟采样管9的进气端设置，三通阀的第一出口靠近吸烟采样管9的出气端设置，三通阀的第二出口连接大气管20，大气管20与大气相连通。
吸烟采样管9上设有第一流量控制阀21，吸烟采样管9上还连接有用于测量第一流量控制阀21前后两端压差的第一压差传感器22；呼烟排样管10上设有第二流量控制阀23，呼烟排样管10上还连接有用于测量第二流量控制阀23前后两端压差的第二压差传感器24。通过压差传感器测得的压差能够精准获得经过烟气的流量。
本实施例还公开了一种模拟人体肺部抽吸主流烟气的在线分析方法，该方法基于上述的装置，该方法按如下步骤依次进行：
步骤一、打开第一阀门11，关闭第二阀门12，控制外壳5的气腔7内部气体的气压增大，使得肺部集气袋6被压缩排气，直至肺部集气袋6内的气体被排空；
步骤二、在卷烟夹具13上夹取卷烟烟支25，点燃卷烟烟支25,控制外壳5的气腔7内部气体的气压减小，使得肺部集气袋6吸气，进行第一口抽吸，卷烟烟支25燃烧产生的烟气经吸烟采样头1的吸烟采样管9进入肺部集气袋6中，关闭第一阀门11后，停留设定时间t1再打开第二阀门12，控制外壳5的气腔7内部气体的气压增大，使得肺部集气袋6被排气，肺部集气袋6内的烟气经过呼烟排样头2的呼烟排样管10进入粒径谱仪4，通过粒径谱仪4对烟气进行在线测试，第一口抽吸时间到达后，关闭第二阀门12，完成第一口在线抽吸测试；
步骤三、间隔设定时间t2后，重复步骤二完成第二口在线抽吸测试；如此循环，直至完成最后一口在线抽吸测试。
其中，在相邻两口在线抽吸测试之间间隔的设定时间t2期间，可进行空气的吸入和排出，进行数口空气的在线抽吸测试，模拟人体抽吸卷烟时两口烟气抽吸间隔时间内的数次常规呼吸。空气的每口抽吸测试过程参见上述步骤二，不同的是，在进行烟气的抽吸测试时，打开第一阀门11指的是打开第一阀门11的第一出口，使得吸烟采样管9与卷烟烟支25端连通；在进行空气的抽吸测试时，打开第一阀门11指的是打开第一阀门11的第二出口，使得吸烟采样管9与大气连通，抽吸的是大气中的空气。
本申请人利用上述装置进行了模拟人体肺部抽吸主流烟气气溶胶物理特性的方法，该方法的卷烟烟支25采用的是普皖卷烟烟支25，设定的是在标准抽吸模式下进行逐口抽吸测试，标准抽吸模式具体为：每口抽吸的烟气量为35ml，每口抽吸时间为2s，相邻两口在线抽吸测试之间间隔的设定时间t2为58s，且相邻两口在线抽吸测试之间间隔时间t2内常规呼吸空气5次，相邻两次空气的在线抽吸测试时间间隔10s。图4为测得的普皖卷烟烟支25在标准抽吸模式下模拟肺部逐口抽吸时抽吸口数与烟气颗粒浓度的关系图。
本实施例所提供的模拟人体肺部抽吸主流烟气的在线分析装置和方法，可快速获得模拟人体肺部抽吸卷烟烟支25时逐口抽吸主流烟气浓度分布的变化，为烟草科技人员实现在线测量人体肺部模型抽吸卷烟烟气时主流烟气浓度分布提供一种良好的技术手段。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种模拟人体肺部抽吸主流烟气的在线分析装置，其特征在于：包括吸烟采样头、呼烟排样头、肺部模拟器、粒径谱仪，肺部模拟器包括外壳和肺部集气袋，外壳内部形成密闭的气腔，柔性的肺部集气袋置于外壳的气腔内部，外壳一侧设有通气管，肺部集气袋的开口与通气管末端密封对接，吸烟采样头内设置吸烟采样管，呼烟排样头内设置呼烟排样管，吸烟采样管上设有第一阀门，呼烟排样管上设有第二阀门，吸烟采样管的出气端、呼烟排样管的进气端并联在通气管的首端，吸烟采样管的进气端外接卷烟夹具，呼烟排样管的出气端通过烟气排出管与粒径谱仪的进气端相连接，粒径谱仪的出气端通过管道连接至检测气泵；通过控制外壳的气腔内部气体的气压大小，从而控制肺部集气袋的排气或吸气。
2.如权利要求1所述的一种模拟人体肺部抽吸主流烟气的在线分析装置，其特征在于：所述外壳上还设有控压气管，控压气管一端与外壳的气腔相连通，控压气管的另一端连接四通接头，四通接头的另外三个接头依次通过气管连接鼓风机、控制气泵和泄压阀。
3.如权利要求1或2所述的一种模拟人体肺部抽吸主流烟气的在线分析装置，其特征在于：所述吸烟采样管上的第一阀门为三通阀，三通阀的进口靠近吸烟采样管的进气端设置，三通阀的第一出口靠近吸烟采样管的出气端设置，三通阀的第二出口连接大气管，大气管与大气相连通。
4.如权利要求3所述的一种模拟人体肺部抽吸主流烟气的在线分析装置，其特征在于：所述吸烟采样管上设有第一流量控制阀，吸烟采样管上还连接有用于测量第一流量控制阀前后两端压差的第一压差传感器；所述呼烟排样管上设有第二流量控制阀，呼烟排样管上还连接有用于测量第二流量控制阀前后两端压差的第二压差传感器。
5.如权利要求1所述的一种模拟人体肺部抽吸主流烟气的在线分析装置，其特征在于：所述通气管的首端通过三通接头分别与吸烟采样管的出气端和呼烟排样管的进气端相连接。
6.一种模拟人体肺部抽吸主流烟气的在线分析方法，其特征在于：所述方法基于权利要求1所述的一种模拟人体肺部抽吸主流烟气的在线分析装置，所述方法按如下步骤依次进行：
步骤一、打开第一阀门，关闭第二阀门，控制外壳的气腔内部气体的气压增大，使得肺部集气袋被压缩排气，直至肺部集气袋内的气体被排空；
步骤二、在卷烟夹具上夹取卷烟烟支，点燃卷烟烟支,控制外壳的气腔内部气体的气压减小，使得肺部集气袋吸气，进行第一口抽吸，卷烟烟支燃烧产生的烟气经吸烟采样头的吸烟采样管进入肺部集气袋中，关闭第一阀门后，停留设定时间t1再打开第二阀门，控制外壳的气腔内部气体的气压增大，使得肺部集气袋被排气，肺部集气袋内的烟气经过呼烟排样头的呼烟排样管进入粒径谱仪，通过粒径谱仪对烟气进行在线测试，第一口抽吸时间到达后，关闭第二阀门，完成第一口在线抽吸测试；
步骤三、间隔设定时间t2后，重复步骤二完成第二口在线抽吸测试；如此循环，直至完成最后一口在线抽吸测试。
7.如权利要求6所述的一种模拟人体肺部抽吸主流烟气的在线分析方法，其特征在于：所述外壳上还设有控压气管，控压气管一端与外壳的气腔相连通，控压气管的另一端连接四通接头，四通接头的另外三个接头依次通过气管连接鼓风机、控制气泵和泄压阀；通过设置鼓风机的供气速度大于控制气泵的抽气速度，实现外壳的气腔内部气体的气压增大；通过设置鼓风机的供气速度小于控制气泵的抽气速度，实现外壳的气腔内部气体的气压减小。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116106088A (zh) * | 2023-01-31 | 2023-05-12 | 广东智普生命科技有限公司 | 一种气袋采样与进样装置 |
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2022
- 2022-07-08 CN CN202210815526.XA patent/CN115184097A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116106088A (zh) * | 2023-01-31 | 2023-05-12 | 广东智普生命科技有限公司 | 一种气袋采样与进样装置 |
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