智能煙草干式低溫加熱實驗儀的設(shè)計與應(yīng)用

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(1.陜西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，寶雞721013；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，北京 100193；3.西安交通大學(xué)，西安 710000)

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[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，以供消費吸食的煙草制品[7]，在使用原料以及實際體驗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。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、管式爐等實驗裝置[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現(xiàn)實時測量，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)煵莞墒降蜏丶訜釋嶒炑b置，用于和直線型吸煙機聯(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

本實驗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串聯(lián)進行精確的化學(xué)成分分析。對此，通過本實驗裝置的硬件結(jié)構(gòu)進行設(shè)計以滿足應(yīng)用需求，如圖1所示。

本實驗裝置整體布局采用方形結(jié)構(gòu)，將加熱部分的加熱腔、隔熱保溫腔以及實驗腔都設(shè)置于本實驗裝置中，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)扇進行工作。3路風(fēng)扇由普通繼電器進行控制，其中兩路為進氣，即為低溫?zé)煵轃煔獾纳商峁┬迈r空氣，一路為出氣，即對實驗裝置內(nèi)部電子元件進行溫度保護。同時還設(shè)置一個保溫隔熱腔，一方面避免因為加熱腔溫度過高而造成實驗裝置內(nèi)部元件的高溫損壞，另一方面也起到保溫作用，減少熱交換，進一步提高熱效率。

圖1 硬件整體結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

1.1 加熱材料的設(shè)計

基于本實驗裝置總體設(shè)計方案，選用較為簡單的電加熱方式進行溫度控制，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，進行了性能研究，具體分析如表1所示。

表1 電加熱元件性能對比

按照設(shè)計目標(biāo)要求，本實驗裝置所需達到的溫度范圍為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，同時基于本實驗裝置的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計，所選加熱材料還應(yīng)具有絕緣性，因為加熱腔內(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，本實驗裝置最終選用高溫陶瓷發(fā)熱片作為本實驗裝置的加熱腔內(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驗裝置加熱均勻性。

1.2 加熱腔結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于加熱腔的設(shè)計關(guān)系到本實驗裝置核心功能的實現(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)熱材料進行了對比，如表2所示。

基于本實驗裝置設(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驗腔的制作材料，加熱腔具體設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 加熱腔結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

材料工作溫度熱導(dǎo)率特點實物圖片氮化鋁最高可穩(wěn)定到2200℃約200W/mK1)導(dǎo)熱性好,熱穩(wěn)定性好,耐熱沖擊性好。2)抗熔融金屬侵蝕的能力強。3)電絕緣體,介電性能良好。導(dǎo)熱絕緣硅膠片最高可到220℃0.8W/mK到3.0W/ mK1)能夠填充縫隙,完成發(fā)熱部位與散熱部位間的熱傳遞。2)絕緣、減震、密封,是一種極佳的導(dǎo)熱填充材料。鋁碳化硅最高可到305℃170～200W/mK1)具有高導(dǎo)熱率和可調(diào)的熱膨脹系數(shù)。2)可按用戶的具體要求而靈活地設(shè)計,密度與鋁相當(dāng)。紫銅最高可到900℃386.4 W/mK1)優(yōu)良的導(dǎo)熱性﹑延展性和耐蝕性。2)良好的耐蝕性3)良好的焊接性

因為本實驗裝置采用高溫陶瓷發(fā)熱片進行均勻加熱，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，本實驗裝置設(shè)計有4路PT100溫度傳感器進行溫度檢測，所以在加熱腔壁上開孔，以使PT100溫度傳感器與試驗腔直接接觸，溫度測量更加精確。最后，因為在加熱腔對煙草進行加熱過程中，需不斷提供新鮮空氣進入實驗腔，所以需設(shè)計進氣通道，而本實驗裝置的進氣孔設(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氣，一方面既可實現(xiàn)硬件組裝的固定，另一方面也實現(xiàn)了空氣的進入。

1.3 實驗腔結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)設(shè)計目標(biāo)要求本實驗裝置具有腔體可調(diào)性，即可改變所盛放低溫?zé)煵輼悠返捏w積，實現(xiàn)對照試驗，因此，我們采用組合的方式進行加熱腔與實驗腔的設(shè)計，加熱腔體與實驗腔體分別獨立，但正常使用時可以緊密結(jié)合，盡量減少熱傳遞損失，最終，實驗腔以及腔蓋的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計以及實物圖如圖3所示。

圖3 實驗腔與腔蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計與實物圖

對于實驗腔來說，本實驗裝置設(shè)置3個外部尺寸相同，而內(nèi)部腔體體積分別為1∶2∶4的實驗腔以實現(xiàn)腔體可調(diào)性，在實驗腔底部四周設(shè)置通氣孔與加熱腔通氣孔連通，以達到通入新鮮空氣的目的，而對于實驗腔腔蓋來說，首先我們在腔蓋設(shè)置開孔，以達到煙氣排出的作用，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，盡可能降低實驗腔與腔蓋之間的熱傳遞。經(jīng)實驗測試，該裝置樣品進樣量為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

本實驗裝置加熱部分整體硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖4所示。本實驗裝置設(shè)置一個加熱腔以及一個實驗腔，加熱腔用以進行迅速穩(wěn)定的加熱工作，實驗腔則負責(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)繼電器分別獨立控制，使得溫度調(diào)控更加精細。同時設(shè)置一個用以排出低溫?zé)煔獾亩喙δ芙涌?，考慮到低溫?zé)煵輼悠返氖⒎排c取出的便捷性，實驗腔與腔蓋應(yīng)分離設(shè)計，并保證其密封性，以防低溫?zé)煔庑孤┮萆ⅰ?/p>

圖4 加熱部分整體硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

1.5軟件系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)計選擇C語言來開發(fā)本實驗裝置的軟件系統(tǒng)，通過設(shè)計一種新型的、簡單清晰且穩(wěn)定可靠的軟件系統(tǒng)框架，以實現(xiàn)軟件系統(tǒng)控制以及響應(yīng)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性，代碼如下所示：void timer0() interrupt 1 //2ms*10*5*10=100ms*10=1s

{

TH0=0xf1;

TL0=0xbd;

} break;

Click_10++;

if(Click_10>9)

{

Click_10=0;

Click_50++;if(Click_50>49){Click_50=0;}

}

}

void main(){} //僅負責(zé)初始化以及不執(zhí)行任何操作的while(1)無限循環(huán)

基于這種新型軟件系統(tǒng)框架，主程序流程如圖5所示。在本實驗裝置軟件系統(tǒng)設(shè)計中，設(shè)置有3種工作模式用以切換，分別為待機模式、設(shè)置模式以及工作模式，不同模式下所執(zhí)行的功能操作也有所不同，待機模式下不執(zhí)行功能操作，僅用以檢測是否發(fā)生按鍵觸發(fā)；設(shè)置模式下對于本實驗裝置所設(shè)置的八個功能參數(shù)進行讀取、查詢、修改以及保存等操作；工作模式下則負責(zé)讀取設(shè)置參數(shù)與實際溫度數(shù)值，進行分析比較后執(zhí)行溫度控制操作，風(fēng)扇的開關(guān)操作采用按鍵手動控制。同時采用的是模塊化程序設(shè)計的方式進行各功能操作部分的實現(xiàn)。

圖5 主程序流程圖

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、實時性以及有效性進行多方面的驗證。工作狀態(tài)的穩(wěn)定性以及有效性進行多次測試。

2.1 加熱性能驗證

由于實驗對于加熱時間及溫度控制的穩(wěn)定性要求較為嚴格，所以主要進行了在全速加熱模式下的實際加熱測試，具體實驗數(shù)據(jù)總結(jié)如表3所示。

表3 全速加熱模式下實驗裝置測試結(jié)果表

由上述實驗數(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，但最終可達到所設(shè)置目標(biāo)溫度(0～500℃)，滿足實驗需求；同時隨著溫度升高，穩(wěn)定時間也越來越短?？紤]到本實驗裝置因加熱的實驗腔體積較大，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)狀進樣裝置，當(dāng)實驗溫度達到實驗要求時，將準(zhǔn)確稱量的樣品裝入進樣裝置中再快速裝入儀器實現(xiàn)抽吸或檢測，有效的避免了因升溫帶來的影響。

2.2 生煙實驗測試

準(zhǔn)確稱取5g低溫?zé)煵輼悠凡⒎湃雽嶒炑b置實驗腔中進行加熱，以觀察是否有煙氣產(chǎn)生情況，具體實驗結(jié)果如表4所示?？梢?，本實驗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，在具體運行過程中本實驗裝置也可直接與直線型吸煙機串聯(lián)，為今后低溫?zé)煵莸幕瘜W(xué)成分分析研究提供實驗平臺。

表4 全速加熱模式下實驗裝置煙氣產(chǎn)生情況

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驗儀，結(jié)果表明：該實驗裝置在0～500℃溫度范圍可以有效地實現(xiàn)溫度控制，溫度控制具有很好的穩(wěn)定性；裝置進樣量為1～5g，相比于傳統(tǒng)的熱解分析儀器等裝置具有更大的進樣量，更適合用于微量組分的分析；同時該實驗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聯(lián)用，為后續(xù)進一步的對于低溫?zé)煵轃煔獬煞盅芯刻峁┮粋€較為方便、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的智能化實驗平臺。