專利名稱：卷煙燃燒錐氣相溫度測量裝置及燃燒錐氣相溫度測量方法
技術領域：
本發明屬于卷煙試驗技術領域，具體涉及一種卷煙燃燒錐氣相溫度測量裝置，及 一種卷煙燃燒錐氣相溫度測量方法。
背景技術：
現有技術中，卷煙在燃燒過程中，會形成燃燒錐，燃燒錐的溫度以及溫度場分布是 影響卷煙品質和降焦減害的重要參數之一。為實現對卷煙燃燒過程溫度場分布的監測，一 般用吸煙機來模擬吸煙的過程，并同時用卷煙燃燒錐溫度測定儀測定卷煙在燃燒過程中的 溫度信息。卷煙燃燒錐溫度包括固相溫度和氣相溫度，卷煙燃燒錐表面的固相溫度采用紅 外溫度傳感器來測量。卷煙燃燒錐內部氣相溫度的測量，需要采用熱電偶插入到燃燒錐內， 測量其內部氣相溫度。現有的用于卷煙燃燒錐氣相溫度場測量的測量系統包括四個部分 (1)熱電偶；(2)熱電偶支架；(3)數據采集硬件部分；(4)計算機控制系統及軟件部分。現有技術中，這幾個部分的不足之處分別為(1)熱電偶。現有技術的熱電偶能滿足卷煙燃燒錐的測溫基本需求，但耐用性較 差，導致整個測量系統的穩定性難以保證。熱電偶是整個測量系統的溫度傳感器，由于卷煙的尺寸限制(直徑小于8mm，長度 小于50mm)，卷煙的熱容也很小。另外，卷煙的燃燒是動態向前推進的過程，在抽吸過程中溫 度變化速率快。所以要比較準確的測量卷煙燃燒錐內氣相的溫度，所用的溫度傳感器必須 滿足如下要求尺寸很小，插入卷煙內部不至于對卷煙的物理性質造成很大的影響；熱容 小，響應時間短，能實時準確感知氣相的溫度變化。尺寸小的其熱容也相應小，響應快；測溫 范圍寬，燃燒的卷煙內部溫度可達到iooo°c，因此測溫范圍應在室溫至iooo°c之間；測溫 精度較高，目前用于卷煙燃燒錐氣相溫度場測量的測量系統，所采用的熱電偶基本能達到 以上基本要求。但是，由于熱電偶要插入卷煙進行溫度測量，為得到卷煙燃燒錐氣相溫度場 的分布，需要多次平行測量，所以所用的熱電偶，除滿足以上條件外，還必須具有一定的耐 用性，即能承受一定的機械強度。目前用于卷煙燃燒錐氣相溫度場測量的測量系統所采用 的熱電偶的耐用性較差，壽命短。(2)熱電偶支架現有技術中，熱電偶插入卷煙的位置和深度不可調節或不能方 便調節；熱電偶固定程序繁瑣，不靈活，操作不方便，實驗耗時長；熱電偶支架太貼近卷煙。熱電偶是利用塞貝克效應測量溫度的傳感器。將兩種金屬絲一端焊接在一起，作 為熱端；另一端接電壓測量儀表，作為冷端。為測量卷煙燃燒錐的溫度場的分布，需同時將 多只熱電偶插入一只煙的設定部位，為保證該熱電偶能穩定的插入到卷煙中，需要合適的 熱電偶固定裝置。目前用于卷煙燃燒錐氣相溫度場測量的測量系統，所采用的固定裝置存 在的問題是熱電偶插入卷煙的位置和深度不可調節或不能方便調節；熱電偶固定程序繁 瑣，不靈活，操作不方便，實驗耗時長；熱電偶支架太貼近卷煙。(3)數據采集硬件部分穩定性差，容易死機；通道數較少；現有技術使用的工業 型數據記錄器，其精度偏低，采集速率低；無法識別跟蹤吸煙機的抽吸動作。
卷煙在抽吸過程中，燃燒錐的溫度場的變化速率非常快，為了準確的測量卷煙燃 燒錐氣相的溫度，數據采集硬件必須滿足以下幾個條件較好的穩定性，較高的精度，較快 的采集速率，能識別跟蹤吸煙機的抽吸動作，使所采集到的溫度信息與卷煙的實際抽吸過 程同步。但目前已經有的該系統的數據采集的硬件沒有很好的滿足以上要求。(4)計算機控制系統及軟件部分現有技術的軟件具備基本功能，但自動化程度 較差。軟件系統的基本功能是負責將硬件系統送來的信號讀取并轉換成可讀的數據，并 實時繪制曲線圖和保存數據到文件。目前用于卷煙燃燒錐氣相溫度場測量的測量系統，軟 件部分能實現以上基本功能，但不具備以下應有的自動化功能(1)不具備與開始抽吸同步的自動開始采集。卷煙在抽吸過程中的溫度變化速率 非常快，為準確監測卷煙在抽吸過程中的溫度場的變化規律，除了用高速率的數據采集系 統外，還必須使卷煙燃燒錐溫度測試儀的軟件采集的開始與吸煙機的抽吸過程開始嚴格同 步，否則采集到的溫度場的信息會與實際過程錯位。另外，吸煙機開始吸煙的過程包括了如 下2個必須同時進行的過程和動作一是點火過程，一是吸煙機接到抽吸指令后開始抽吸 動作。若吸煙機的自動化程度不高，即點火和發出自動抽吸指令都需要人工完成時，必須 要求該系統的軟件具備自動開始采集的功能，否則1個實驗操作者無法完成實驗開始的操 作。(2)不具備自動停止功能。沒有這一功能，設備采集一定的時間后，數據采集軟件 不能自動停止采集數據，實驗操作者的必須手動完成，從而增加了操作步驟和工作量。(3)不具備自動處理數據的功能。在溫度場測試的實驗過程中，需要將多只熱電偶 插入卷煙的不同部位進行測量，每一個部位又要進行多次的重復平行測量，一次完整的實 驗結束，生成的原始數據的量非常大。現有技術中，為了最終得到卷煙在不同時刻的溫度場 的分布信息，要用人工對原始數據進行選定、分析、統計、計算、繪圖，再計算，這是一項非常 耗時的工作。由于后續數據處理的工作量很大，這種自動化水平不高的系統工作效率低下。
發明內容
針對現有技術的上述不足，本發明要解決的技術問題是提供一種卷煙燃燒錐氣相 溫度測量裝置，實現了熱電偶的快速、準確定位，操作方便快捷，實現了多通道的測量。本 發明還提供了一種卷煙燃燒錐氣相溫度測量方法，它實現了與開始抽吸同步的自動開始采 集，使每次平行實驗的開始都嚴格平行一致，保證每次單獨實驗的數據在時間軸上對齊。實 現了設定采集時間的自動停止功能，實現了實驗數據的計算機自動處理。本發明的技術方案是卷煙燃燒錐氣相溫度測量裝置，含熱電偶測溫系統、吸煙 機、及計算機控制系統，本裝置還設置有同步觸發裝置及數據采集卡；吸煙機的輸出端與同 步觸發裝置的輸入端相連接，同步觸發裝置的輸出端通過RS232接口與計算機控制系統相 連接；具有一組熱電偶的熱電偶測溫系統的輸出端與數據采集卡的輸入端相連接，數據采 集卡的輸出端通過USB接口與計算機控制系統相連接；所述的同步觸發裝置是一種可在第 一時間準確捕捉到抽吸信號的由光電偶合器和單片機組成的電路裝置。同步觸發裝置由光電耦合器U1、單片機U2組成；由光電耦合器U1的輸入端通過 插座P1與吸煙機的抽吸信號指示輸出端相連接，光電耦合器U1的輸出端與單片機U2的任一一個I/O端相連；單片機U2輸出端通過電平轉換芯片與計算機的RS232串口相連接。所述的數據采集卡的操作過程是由計算機控制系統中的數據采集軟件支持的；數 據采集卡設置有1 N個通道，每個通道設置有獨立的放大和濾波處理電路，濾波處理電路 與A/D轉換芯片相連接，A/D轉換芯片通過USB控制器與計算機控制系統相連接。所述的熱電偶測溫系統由多維位移臺、底座、滑臺、熱電偶、支架組成；熱電偶前后 端通過固定件與支架結合為一體，支架與三維位移臺的頂面固定連接為一體；三維位移臺 底部與底座固定連接為一體，底座設置在滑臺之上。所述的熱電偶是直徑小于1mm的、測溫范圍為0°C至1200°C之間、精度為I級、響 應時間小于24毫秒的耐用微小型鎧裝熱電偶。卷煙燃燒錐氣相溫度測量方法按以下步驟依次進行[1]、操作員點擊開始命令并對與吸煙機接口連接的煙支點火后，計算機控制系統 開始監視同步觸發裝置中光電偶合器和單片機連接的串口，等待同步觸發裝置向計算機發 送抽吸開始狀態字；計算機收到狀態字后即開始計時；[2]、計算機控制系統查詢數據采集卡內部緩沖區數據是否準備好，同時監控同步 觸發裝置是否有數據到來；如果數據采集卡內部緩沖區數據準備好，立即讀入計算機，若緩 沖區數據沒有準備好，則隔50毫秒后，重新查詢，直到緩沖區數據準備好；[3]、當計算機收到抽吸開始狀態字時，啟動數據采集卡進行采集，并記錄每一個 數據到來的時刻；若沒有收到抽吸開始狀態字，則繼續等待；[4]、數據采集卡啟動后，以設定的采樣頻率輪番采集各個通道的電壓信號，并及 時將電壓信號傳輸給計算機控制系統；[5]、計算機控制系統將采集到的電壓信號數據換算成溫度，并將溫度數據分配到 各個通道進行實時顯示；[6]、上述步驟一直重復著進行，直到限定的時刻到來或者操作員發出停止采集命 令；[7]、計算機控制系統接收到停止命令時，保存各個通道的溫度數據以及每個溫度 數據所對應的時間。所述的步驟[3]中，吸煙機開始抽吸的信號通過同步觸發裝置捕捉后傳輸給計算 機控制系統的數據采集軟件，數據采集軟件命令硬件數據采集卡執行。所述的步驟[5]中，調理后的電壓信號送入1 N位高速A/D轉換芯片；A/D轉換 芯片采用逐個通道掃描的方式讀取每一通道的模擬信號并轉換為數字信號，送給USB控制 器，USB控制器再傳輸給計算機控制系統。本發明的優點是(1)實現了抽吸同步的全自動實時自動監測，保證每次單獨實驗的溫度數據在時 間軸上對齊。(2)實現了設定采集時間的自動停止功能。設置采集一定的時間后，數據采集軟件 指揮數據采集卡自動停止采集數據，該功能減少實驗操作者的操作步驟和工作量，提高儀 器的自動化水平。(3)實現了實驗數據的計算機自動處理。它能自動分析并給出任一時間卷煙內部 氣相溫度分布等高線圖，并自動給出相應的溫度場的分布最終信息。現有技術中，繪制等高圖需要在幾百條曲線中提取數據，統計平均值，然后繪制等高圖，給出溫度場的分布信息的 最終結果。手動繪制一張等高線圖需要前處理大量數據，耗時數小時。而用本軟件繪圖，數 據的前處理和繪圖都由計算機完成，只需幾秒鐘就可以繪制任意時刻的等高圖來。
附圖1是卷煙燃燒錐氣相溫度測試裝置一實施例結構示意總圖；附圖2是多通道數據采集卡流程示意圖；附圖3是熱電偶測溫系統結構示意圖；附圖4是吸煙機吸煙過程電信號示意圖；附圖5是同步觸發裝置流程圖；附圖6是數據采集軟件工作流程簡圖；附圖7是數據處理工作流程示意圖；附圖8是同步觸發裝置的電原理示意圖。附圖中標記分述如下1-吸煙機；2-接頭；3-煙支；4-熱電偶；5-熱電偶測溫系 統；6-同步觸發裝置；7-計算機控制系統；8-數據采集卡；9-固定件；10-支架；11-頂面； 12-固定件；13-多維位移臺；14-底座；15-滑臺頂面；16-滑臺；17-旋鈕。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的具體實施方式
及有關技術問題作進一步詳細的描述。如 附圖1所示為卷煙燃燒錐氣相溫度測試裝置結構示意總圖，本裝置由吸煙機1、熱電偶測溫 系統5、同步觸發裝置6、數據采集卡8及計算機控制系統7組成。煙支3的濾嘴端插接在 吸煙機1的接頭2上，吸煙機1的輸出端與同步觸發裝置6的輸入端相連接，同步觸發裝置 6的輸出端與計算機控制系統7相連接。煙支3的煙絲部分平行地插入有一組N個熱電偶 4，熱電偶測溫系統5的輸出端與數據采集卡8的輸入端相連接，數據采集卡8的輸出端與 計算機控制系統7相連接。如附圖2所示的多通道數據采集卡，本發明的實施例中系統設計了 16個通道，每 個通道都有獨立的放大和濾波處理電路，調理后的信號送入16位高速A/D轉換芯片。A/ D轉換電路采用逐個通道掃描的方式讀取每一通道的模擬信號并轉換為數字信號，并送給 USB通訊電路。通道掃描的速度超過350通道/秒，這樣可以保證每個通道的采樣速率提高 為20采樣/秒。精度比現有技術提高了一個數量級。附圖3所示為熱電偶測溫系統結構。如附圖1中所示熱電偶測溫系統5中設置有 一組熱電偶4，本發明實施例中設置有16支熱電偶4，這些熱電偶需要平行地插入到直徑僅 為8mm的煙支的一定位置中，是一件十分繁雜而困難的事，常常占用試驗人員大量的勞動， 而且不能精確定位，難以保持試驗結果準確性。在附圖3中，本系統的熱電偶測溫系統5可 定量調節熱電偶4插入卷煙3的位置和深度，熱電偶4的間距可調節。多維位移臺13使用 起來很方便，裝載樣品的速度更快，實驗效率高。熱電偶測溫系統5是從吸煙機1的側面固 定熱電偶4，與吸煙機1的位置的遠近合適，與吸煙機1正上方的相關配件(如測定熱塌陷 的配件)沒有沖突，與吸煙機1其它功能及其它參數的測量具有兼容性，可實現溫度和其它 參數的同步綜合性測量。本系統所設計的多維位移臺13中的支架10固定在多維位移臺13的頂面11之上。熱電偶4位置的調整就是通過這個多維位移臺13來精確控制。多維位移 臺13可實現x，y，z三個自由度的移動，這三個方向的移動范圍為13mm，精度為0.002mm。 移動方法是通過旋轉圖中所標示出來的x軸，y軸和z軸三個位置的螺旋標尺。多維位移 臺13固定在底座14上，底座14的作用是調節整個裝置的高度，使熱電偶4的高度和卷煙 3在吸煙機1中的高度一致。底座14又固定于滑臺16的滑動頂面15上。滑臺16的作用 是可以在x軸方向上大范圍(55mm)、快速(轉動一圈移動4mm)移動整個裝置。附圖4所示為吸煙機的吸煙過程，此過程是抽吸和陰燃2個過程的周期性重復，吸 煙機上有一個抽吸信號指示輸出端，抽吸過程對應的是一個固定的高電平信號，而陰燃過 程(停止抽吸)對應的是一個固定的低電平信號。附圖5是同步觸發裝置流程圖，當吸煙 機1開始抽吸時，或由停止抽吸過程變為抽吸過程時，有一個電平電頻信號的跳變，同步觸 發裝置6能夠準確的探測這一跳變。如果連接到計算機7上，同步觸發裝置6內置的微處 理器能夠向計算機7發送這一信息，計算機7將命令數據采集卡8開始采集。本發明的實施例中的數據采集卡8的參數如下 供電電源220VAC，50Hz， 信號輸入范圍-100mV +100mV 通道數目15個熱電偶通道+1個冷端溫度傳感器通道 A/D 轉換位數16bits 采樣速率> 20采樣/秒/通道 數據傳輸方式USB 2. 0附圖6為數據采集軟件工作流程簡圖，操作員發出開始采集命令，計算機即開始 監視串口，等待同步觸發裝置發出抽吸開始狀態字。當計算機收到抽吸開始狀態字后，啟動 數據采集卡進行采集，若沒有收到抽吸開始狀態字，則繼續等待。啟動后，數據采集卡以設 定的采樣頻率輪番采集各個通道的電壓信號。整個中間采集過程無需計算機的干預即可自 動進行。計算機查詢采集卡內部緩沖區數據是否準備好，同時監控同步觸發裝置是否有數 據到來。如果緩沖區數據準備好，立即讀入計算機，若緩沖區數據沒有準備好，則隔50毫秒 后，重新查詢，直到緩沖區數據準備好。計算機將數據換算成溫度，并將溫度數據分配到各 個通道進行實時顯示。如果同步觸發裝置有數據到來，則記錄每一個數據到來的時刻，這對 應于抽吸狀態所對應的時刻。本步驟一直重復著進行，直到限定的時刻到來或者操作員發 出停止采集命令。停止后，保存各個通道的溫度數據以及每個數據所對應的時間。附圖7是數據處理工作流程示意圖，實現了實驗數據的計算機自動處理。它能自 動分析并給出任一時刻卷煙內部氣相溫度分布等高線圖，并自動給出相應的溫度場的分布 最終信息。繪制等高圖需要在幾百條曲線中提取數據，統計平均值，然后繪制等高圖，給出 溫度場的分布信息的最終結果。手動繪制一張等高線圖需要前處理大量數據，耗時數小時。 而用本軟件繪圖，數據的前處理和繪圖都由計算機完成，只需幾秒鐘就可以繪制任意時刻 的等高圖來。大大提高了工作效率。
權利要求
一種卷煙燃燒錐氣相溫度測量裝置，含熱電偶測溫系統、吸煙機、及計算機控制系統，其特征在于本裝置還設置有同步觸發裝置(6)及數據采集卡(8)；吸煙機(1)的輸出端與同步觸發裝置(6)的輸入端相連接，同步觸發裝置(6)的輸出端通過RS232接口與計算機控制系統(7)相連接；具有一組熱電偶(4)的熱電偶測溫系統(5)的輸出端與數據采集卡(8)的輸入端相連接，數據采集卡(8)的輸出端通過USB接口與計算機控制系統(7)相連接；所述的同步觸發裝置(6)是一種可在第一時間準確捕捉到抽吸信號的由光電偶合器和單片機組成的電路裝置。
2.根據權利要求1所述的卷煙燃燒錐氣相溫度測量裝置，其特征在于同步觸發裝置 (6)由光電耦合器U1、單片機U2組成；由光電耦合器U1的輸入端通過插座P1與吸煙機的 抽吸信號指示輸出端相連接，光電耦合器U1的輸出端與單片機U2的任一一個I/O端相連； 單片機U2輸出端通過電平轉換芯片與計算機的RS232串口相連接。
3.根據權利要求1所述的卷煙燃燒錐氣相溫度測量裝置，其特征在于所述的數據采 集卡(8)的操作過程是由計算機控制系統(7)中的數據采集軟件支持的；數據采集卡(8) 設置有1 N個通道，每個通道設置有獨立的放大和濾波處理電路，濾波處理電路與A/D轉 換芯片相連接，A/D轉換芯片通過USB控制器與計算機控制系統(7)相連接。
4.根據權利要求1所述的卷煙燃燒錐氣相溫度測量裝置，其特征在于所述的熱電偶 測溫系統由多維位移臺(13)、底座(14)、滑臺(16)、熱電偶(4)、支架(10)組成；熱電偶(4) 前后端通過固定件(9、12)與支架(10)結合為一體，支架(10)與三維位移臺(13)的頂面 (11)固定連接為一體；三維位移臺(13)底部與底座(14)固定連接為一體，底座(14)設置 在滑臺(16)之上。
5.根據權利要求4所述的卷煙燃燒錐氣相溫度測量裝置，其特征在于所述的熱電偶 ⑷是直徑小于1mm的、測溫范圍為0°C至1200°C之間、精度為I級、響應時間小于24毫秒 的耐用微小型鎧裝熱電偶。
6.一種卷煙燃燒錐氣相溫度測量方法，其特征在于所述的測量方法按以下步驟依次進行[1]、操作員點擊開始命令并對與吸煙機⑴接口⑵連接的煙支⑶點火后，計算機 控制系統(7)開始監視同步觸發裝置(6)中光電偶合器和單片機連接的串口，等待同步觸 發裝置(6)向計算機發送抽吸開始狀態字；計算機收到狀態字后即開始計時；[2]、計算機控制系統(7)查詢數據采集卡(8)內部緩沖區數據是否準備好，同時監控 同步觸發裝置(6)是否有數據到來；如果數據采集卡(8)內部緩沖區數據準備好，立即讀入 計算機，若緩沖區數據沒有準備好，則隔50毫秒后，重新查詢，直到緩沖區數據準備好；[3]、當計算機收到抽吸開始狀態字時，啟動數據采集卡(8)進行采集，并記錄每一個 數據到來的時刻；若沒有收到抽吸開始狀態字，則繼續等待；[4]、數據采集卡(8)啟動后，以設定的采樣頻率輪番采集各個通道的電壓信號，并及 時將電壓信號傳輸給計算機控制系統(7)；[5]、計算機控制系統(7)將采集到的電壓信號數據換算成溫度，并將溫度數據分配到 各個通道進行實時顯示；[6]、上述步驟一直重復著進行，直到限定的時刻到來或者操作員發出停止采集命令；[7]、計算機控制系統(7)接收到停止命令時，保存各個通道的溫度數據以及每個溫度數據所對應的時刻。
7.根據權利要求6所述的卷煙燃燒錐氣相溫度測量方法，其特征在于所述的步驟[3] 中，吸煙機(1)開始抽吸的信號通過同步觸發裝置(6)捕捉后傳輸給計算機控制系統(7) 的數據采集軟件，數據采集軟件命令硬件數據采集卡(8)執行。
8.根據權利要求6所述的卷煙燃燒錐氣相溫度測量方法，其特征在于所述的步驟[5] 中，調理后的電壓信號送入1 N位高速A/D轉換芯片；A/D轉換芯片采用逐個通道掃描的 方式讀取每一通道的模擬信號并轉換為數字信號，送給USB控制器，USB控制器再傳輸給計 算機控制系統(7)。
全文摘要
本發明公開了卷煙燃燒錐氣相溫度測量裝置及卷煙燃燒錐氣相溫度測量方法，屬于卷煙試驗技術領域。本裝置設置有同步觸發裝置及數據采集卡；吸煙機的抽吸信號指示輸出端與同步觸發裝置的輸入端相連接，同步觸發裝置的輸出端通過RS232接口與計算機控制系統相連接；具有一組熱電偶的熱電偶測溫系統的輸出端與數據采集卡的輸入端相連接，數據采集卡的輸出端通過USB接口與計算機控制系統相連接。卷煙燃燒錐氣相溫度測量方法實現了與開始抽吸同步的自動開始采集，實現了點燃卷煙的同時軟件自動開始采集溫度數據。保證每次單獨實驗的數據在時間軸上對齊，實現了設定采集時間的自動停止功能。提高了儀器的自動化水平。
文檔編號G01K7/04GK101922979SQ200910062710
公開日2010年12月22日 申請日期2009年6月15日 優先權日2009年6月15日
發明者劉義, 吳瓊水, 李會榮, 鄭厚清, 陳義坤, 陳祖剛 申請人:湖北中煙工業有限責任公司;武漢大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
