發(fā)布時間：2020-03-19所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：為進(jìn)一步研究加熱不燃燒型低溫卷煙的配方及煙氣化學(xué)成分，設(shè)計并研制了一種智能煙草干式低溫加熱實(shí)驗(yàn)裝置，用于低溫?zé)煵菰u吸并通過與直線型吸煙機(jī)聯(lián)用，組成低溫?zé)煔夥治鱿到y(tǒng)，以進(jìn)行低溫?zé)煵莸南嚓P(guān)實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明：①該實(shí)驗(yàn)裝置在0～500℃溫度范
摘要：為進(jìn)一步研究加熱不燃燒型低溫卷煙的配方及煙氣化學(xué)成分，設(shè)計并研制了一種智能煙草干式低溫加熱實(shí)驗(yàn)裝置，用于低溫?zé)煵菰u吸并通過與直線型吸煙機(jī)聯(lián)用，組成低溫?zé)煔夥治鱿到y(tǒng)，以進(jìn)行低溫?zé)煵莸南嚓P(guān)實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明：①該實(shí)驗(yàn)裝置在0～500℃溫度范圍可以有效地實(shí)現(xiàn)溫度控制，溫度控制具有很好的穩(wěn)定性;②裝置進(jìn)樣量為1～5g，更適合用于微量組分的分析;③該實(shí)驗(yàn)裝置可以實(shí)現(xiàn)直接評吸也可與直線型吸煙機(jī)聯(lián)用，為低溫?zé)煵轃煔獬煞盅芯刻峁┮粋�較為方便的智能化實(shí)驗(yàn)平臺。
關(guān)鍵詞：溫度測量溫度控制干式加熱嵌入式系統(tǒng)煙氣分析
近年來，隨著人們對于身體健康安全問題的逐漸關(guān)注，傳統(tǒng)煙草制品行業(yè)面臨著極為嚴(yán)峻的發(fā)展形勢。世界衛(wèi)生組織對新型煙草制品的特殊報告中指出，一些新型煙草制品的有害成分含量較低，其危害性也較低，是傳統(tǒng)卷煙制品的理想替代品。因此，新型煙草制品逐漸開始成為煙草領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1-6]。其中，加熱不燃燒型低溫卷煙制品是指通過只加熱煙草而不使其燃燒的方式釋放煙草中各類物質(zhì)組分，以供消費(fèi)吸食的煙草制品[7]，在使用原料以及實(shí)際體驗(yàn)效果上更接近于傳統(tǒng)卷煙，同時有研究表明加熱不燃燒型低溫卷煙的危害性也有大幅度的降低[8]，因此加熱不燃燒型低溫卷煙的相關(guān)研究開發(fā)逐漸成為國際以及國內(nèi)煙草領(lǐng)域的關(guān)注重點(diǎn)。但是現(xiàn)在關(guān)于溫度變化與煙草所產(chǎn)生煙氣成分之間相關(guān)關(guān)系的研究，仍然存在很多未知的問題亟待解決[9，10]。
目前，關(guān)于加熱不燃燒型低溫卷煙方面的研究大多采用比較常規(guī)的熱解分析儀器例如熱重分析儀、差熱分析儀、管式爐等實(shí)驗(yàn)裝置[11，12]，一方面這些研究主要集中在煙葉的熱裂解過程中的成分分析以及熱量變化等，另一方面加熱時產(chǎn)生的主流煙氣及其他成分無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時測量，無法全面精確的對溫度與煙草成分的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行深入研究[13]。
為此，本研究設(shè)計并研制了一種智能溫控?zé)煵莞墒降蜏丶訜釋?shí)驗(yàn)裝置，用于和直線型吸煙機(jī)聯(lián)用，組成低溫?zé)煔夥治鱿到y(tǒng)，用于考察在低溫加熱過程中，溫度變化與煙草所產(chǎn)生煙氣的相關(guān)關(guān)系，旨在為加熱不燃燒型低溫卷煙的分析及檢測方法提供一定的幫助。
1系統(tǒng)設(shè)計
本實(shí)驗(yàn)裝置主要用于在加熱狀態(tài)下產(chǎn)生低溫?zé)煔鈴亩环矫婵晒┭芯空咧苯釉u吸，另一方面也可與直線型吸煙機(jī)串聯(lián)進(jìn)行精確的化學(xué)成分分析。對此，通過本實(shí)驗(yàn)裝置的硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計以滿足應(yīng)用需求，如圖1所示。
本實(shí)驗(yàn)裝置整體布局采用方形結(jié)構(gòu)，將加熱部分的加熱腔、隔熱保溫腔以及實(shí)驗(yàn)腔都設(shè)置于本實(shí)驗(yàn)裝置中，采用開關(guān)電源將220V交流電壓轉(zhuǎn)換為5V、12V的直流電壓，供給控制電路以及三路風(fēng)扇進(jìn)行工作。3路風(fēng)扇由普通繼電器進(jìn)行控制，其中兩路為進(jìn)氣，即為低溫?zé)煵轃煔獾纳商峁┬迈r空氣，一路為出氣，即對實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)部電子元件進(jìn)行溫度保護(hù)。同時還設(shè)置一個保溫隔熱腔，一方面避免因?yàn)榧訜崆粶囟冗^高而造成實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)部元件的高溫?fù)p壞，另一方面也起到保溫作用，減少熱交換，進(jìn)一步提高熱效率。
1.1加熱材料的設(shè)計
基于本實(shí)驗(yàn)裝置總體設(shè)計方案，選用較為簡單的電加熱方式進(jìn)行溫度控制，而電加熱元件種類繁多、性能各異，所以針對較為常用的電加熱元件，進(jìn)行了性能研究，具體分析如表1所示。
按照設(shè)計目標(biāo)要求，本實(shí)驗(yàn)裝置所需達(dá)到的溫度范圍為0～500℃，并且加熱過程應(yīng)盡可能迅速，還應(yīng)保持加熱均勻性，同時基于本實(shí)驗(yàn)裝置的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計，所選加熱材料還應(yīng)具有絕緣性，因?yàn)榧訜崆粌?nèi)壁為金屬材料，加熱材料應(yīng)選擇高絕緣性材料以防止電路短路;其次，所選加熱材料的高溫特性應(yīng)較為出色，一方面可以長時間工作于300℃到500℃之間，另一方面還可以迅速提升溫度;最后還應(yīng)保證加熱過程迅速以及加熱均勻等要求，在此，綜合各方面因素，本實(shí)驗(yàn)裝置最終選用高溫陶瓷發(fā)熱片作為本實(shí)驗(yàn)裝置的加熱腔內(nèi)置加熱源，同時選用定制尺寸的功率為100W的電加熱片作為底部加熱源以保證實(shí)驗(yàn)裝置加熱均勻性。
1.2加熱腔結(jié)構(gòu)設(shè)計
由于加熱腔的設(shè)計關(guān)系到本實(shí)驗(yàn)裝置核心功能的實(shí)現(xiàn)以及工作穩(wěn)定性、安全性等因素，所以合理的選材和設(shè)計具有重要作用。首先本文對一些常見的高溫導(dǎo)熱材料進(jìn)行了對比，如表2所示。
基于本實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計目標(biāo)要求，加熱腔體應(yīng)具有較為出色的導(dǎo)熱性以及熱穩(wěn)定性，確保加熱效率的同時還應(yīng)保證良好的加熱均勻性，而且可以長期工作于高溫環(huán)境中不發(fā)生形變等額外變化，紫銅由于其具有良好的導(dǎo)熱性、穩(wěn)定性、焊接性以及出色的延展性可以滿足上述要求，基于制作成本以及可加工性，最終，我們選擇紫銅作為加熱腔和實(shí)驗(yàn)腔的制作材料，加熱腔具體設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖2所示。
因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)裝置采用高溫陶瓷發(fā)熱片進(jìn)行均勻加熱，所以在加熱腔內(nèi)壁開4個槽，以放置兩路4片高溫陶瓷發(fā)熱片進(jìn)行加熱，同時在加熱腔底部放置一路加熱片確保加熱均勻性。其次，本實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計有4路PT100溫度傳感器進(jìn)行溫度檢測，所以在加熱腔壁上開孔，以使PT100溫度傳感器與試驗(yàn)腔直接接觸，溫度測量更加精確。最后，因?yàn)樵诩訜崆粚煵葸M(jìn)行加熱過程中，需不斷提供新鮮空氣進(jìn)入實(shí)驗(yàn)腔，所以需設(shè)計進(jìn)氣通道，而本實(shí)驗(yàn)裝置的進(jìn)氣孔設(shè)計的十分巧妙，在加熱腔與隔離保溫腔固定的螺絲上開孔作為進(jìn)氣，一方面既可實(shí)現(xiàn)硬件組裝的固定，另一方面也實(shí)現(xiàn)了空氣的進(jìn)入。
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1.3實(shí)驗(yàn)腔結(jié)構(gòu)設(shè)計
根據(jù)設(shè)計目標(biāo)要求本實(shí)驗(yàn)裝置具有腔體可調(diào)性，即可改變所盛放低溫?zé)煵輼悠返捏w積，實(shí)現(xiàn)對照試驗(yàn)，因此，我們采用組合的方式進(jìn)行加熱腔與實(shí)驗(yàn)腔的設(shè)計，加熱腔體與實(shí)驗(yàn)腔體分別獨(dú)立，但正常使用時可以緊密結(jié)合，盡量減少熱傳遞損失，最終，實(shí)驗(yàn)腔以及腔蓋的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計以及實(shí)物圖如圖3所示。
對于實(shí)驗(yàn)腔來說，本實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)置3個外部尺寸相同，而內(nèi)部腔體體積分別為1∶2∶4的實(shí)驗(yàn)腔以實(shí)現(xiàn)腔體可調(diào)性，在實(shí)驗(yàn)腔底部四周設(shè)置通氣孔與加熱腔通氣孔連通，以達(dá)到通入新鮮空氣的目的，而對于實(shí)驗(yàn)腔腔蓋來說，首先我們在腔蓋設(shè)置開孔，以達(dá)到煙氣排出的作用，其次，腔蓋頂部設(shè)置為延長管狀接口，其尺寸大小要既可以在其中放置過濾裝置以供直接抽吸評測，又可以與將其插入連通管道中與直線型吸煙機(jī)直接連接，最后在腔蓋底部非開孔區(qū)域設(shè)置有一層隔熱材料，盡可能降低實(shí)驗(yàn)腔與腔蓋之間的熱傳遞。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，該裝置樣品進(jìn)樣量為1～5g，相比于傳統(tǒng)的熱解分析儀器等裝置具有更大的進(jìn)樣量，更適合用于微量組分的分析。
1.4加熱部分整體結(jié)構(gòu)設(shè)計
本實(shí)驗(yàn)裝置加熱部分整體硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖4所示。本實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)置一個加熱腔以及一個實(shí)驗(yàn)腔，加熱腔用以進(jìn)行迅速穩(wěn)定的加熱工作，實(shí)驗(yàn)腔則負(fù)責(zé)盛放低溫?zé)煵輼悠芬援a(chǎn)生煙氣。加熱腔內(nèi)部設(shè)置3路均勻分布的加熱源用以快速加熱，通過3路固態(tài)繼電器分別獨(dú)立控制，使得溫度調(diào)控更加精細(xì)。同時設(shè)置一個用以排出低溫?zé)煔獾亩喙δ芙涌冢紤]到低溫?zé)煵輼悠返氖⒎排c取出的便捷性，實(shí)驗(yàn)腔與腔蓋應(yīng)分離設(shè)計，并保證其密封性，以防低溫?zé)煔庑孤┮萆ⅰ?/p>
2、系統(tǒng)測試
系統(tǒng)整體測試，主要包括對于軟硬件系統(tǒng)整體運(yùn)行的測試，對于硬件系統(tǒng)的控制以及硬件系統(tǒng)對于軟件系統(tǒng)的反饋信息的準(zhǔn)確性、實(shí)時性以及有效性進(jìn)行多方面的驗(yàn)證。工作狀態(tài)的穩(wěn)定性以及有效性進(jìn)行多次測試。
2.1加熱性能驗(yàn)證
由于實(shí)驗(yàn)對于加熱時間及溫度控制的穩(wěn)定性要求較為嚴(yán)格，所以主要進(jìn)行了在全速加熱模式下的實(shí)際加熱測試，具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)如表3所示。
由上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可見，在全速加熱模式下，溫度越高，所需加熱時間越長，但最終可達(dá)到所設(shè)置目標(biāo)溫度(0～500℃)，滿足實(shí)驗(yàn)需求;同時隨著溫度升高，穩(wěn)定時間也越來越短。考慮到本實(shí)驗(yàn)裝置因加熱的實(shí)驗(yàn)腔體積較大，加熱所需時間較長，為精確研究溫度對煙氣成分影響本文設(shè)計了配套的不銹鋼金屬網(wǎng)狀進(jìn)樣裝置，當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求時，將準(zhǔn)確稱量的樣品裝入進(jìn)樣裝置中再快速裝入儀器實(shí)現(xiàn)抽吸或檢測，有效的避免了因升溫帶來的影響。
2.2生煙實(shí)驗(yàn)測試
準(zhǔn)確稱取5g低溫?zé)煵輼悠凡⒎湃雽?shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)腔中進(jìn)行加熱，以觀察是否有煙氣產(chǎn)生情況，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。可見，本實(shí)驗(yàn)裝置可以有效而且快速的生成煙氣。在低溫狀態(tài)下所生成的煙氣可以直接抽吸，方便低溫?zé)煵菖浞秸{(diào)整;同時，在具體運(yùn)行過程中本實(shí)驗(yàn)裝置也可直接與直線型吸煙機(jī)串聯(lián)，為今后低溫?zé)煵莸幕瘜W(xué)成分分析研究提供實(shí)驗(yàn)平臺。
3結(jié)論
為更好的分析研究低溫加熱不燃燒卷煙制品化學(xué)成分，設(shè)計了一種智能煙草干式低溫加熱實(shí)驗(yàn)儀，結(jié)果表明：該實(shí)驗(yàn)裝置在0～500℃溫度范圍可以有效地實(shí)現(xiàn)溫度控制，溫度控制具有很好的穩(wěn)定性;裝置進(jìn)樣量為1～5g，相比于傳統(tǒng)的熱解分析儀器等裝置具有更大的進(jìn)樣量，更適合用于微量組分的分析;同時該實(shí)驗(yàn)裝置可以直接評吸方便調(diào)整葉組配方，也可與直線型吸煙機(jī)聯(lián)用，為后續(xù)進(jìn)一步的對于低溫?zé)煵轃煔獬煞盅芯刻峁┮粋�較為方便、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的智能化實(shí)驗(yàn)平臺。
