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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(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，北京 100193；3.西安交通大學(xué)，西安 710000)

近年來(lái)，隨著人們對(duì)于身體健康安全問(wèn)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(shì)。世界衛(wèi)生組織對(duì)新型煙草制品的特殊報(bào)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(kāi)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(guò)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(shí)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(kāi)發(fā)逐漸成為國(guó)際以及國(guó)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(wèn)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(guò)程中的成分分析以及熱量變化等，另一方面加熱時(shí)產(chǎn)生的主流煙氣及其他成分無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量，無(wú)法全面精確的對(duì)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(jì)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(guò)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(cè)方法提供一定的幫助。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(píng)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(duì)此，通過(guò)本實(shí)驗(yàn)裝置的硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)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(kāi)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(duì)實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)部電子元件進(jìn)行溫度保護(hù)。同時(shí)還設(shè)置一個(gè)保溫隔熱腔，一方面避免因?yàn)榧訜崆粶囟冗^(guò)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。

圖1 硬件整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

1.1 加熱材料的設(shè)計(jì)

基于本實(shí)驗(yàn)裝置總體設(shè)計(jì)方案，選用較為簡(jiǎn)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(duì)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。

表1 電加熱元件性能對(duì)比

按照設(shè)計(jì)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(guò)程應(yīng)盡可能迅速，還應(yīng)保持加熱均勻性，同時(shí)基于本實(shí)驗(yàn)裝置的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(zhǎng)時(shí)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(guò)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(shí)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(jì)

由于加熱腔的設(shè)計(jì)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(jì)具有重要作用。首先本文對(duì)一些常見(jiàn)的高溫導(dǎo)熱材料進(jìn)行了對(duì)比，如表2所示。

基于本實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)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(shí)還應(yīng)保證良好的加熱均勻性，而且可以長(zhǎng)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(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 加熱腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

材料工作溫度熱導(dǎo)率特點(diǎn)實(shí)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(qiáng)。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(jì),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?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(kāi)4個(gè)槽，以放置兩路4片高溫陶瓷發(fā)熱片進(jìn)行加熱，同時(shí)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(jì)有4路PT100溫度傳感器進(jìn)行溫度檢測(cè)，所以在加熱腔壁上開(kāi)孔，以使PT100溫度傳感器與試驗(yàn)腔直接接觸，溫度測(cè)量更加精確。最后，因?yàn)樵诩訜崆粚?duì)煙草進(jìn)行加熱過(guò)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(jì)進(jìn)氣通道，而本實(shí)驗(yàn)裝置的進(jìn)氣孔設(shè)計(jì)的十分巧妙，在加熱腔與隔離保溫腔固定的螺絲上開(kāi)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。

1.3 實(shí)驗(yàn)腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)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(duì)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(jì)，加熱腔體與實(shí)驗(yàn)腔體分別獨(dú)立，但正常使用時(shí)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(jì)以及實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)腔與腔蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)物圖

對(duì)于實(shí)驗(yàn)腔來(lái)說(shuō)，本實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)置3個(gè)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(duì)于實(shí)驗(yàn)腔腔蓋來(lái)說(shuō)，首先我們?cè)谇簧w設(shè)置開(kāi)孔，以達(dá)到煙氣排出的作用，其次，腔蓋頂部設(shè)置為延長(zhǎng)管狀接口，其尺寸大小要既可以在其中放置過(guò)濾裝置以供直接抽吸評(píng)測(cè)，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(kāi)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(cè)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(jì)

本實(shí)驗(yàn)裝置加熱部分整體硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。本實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)置一個(gè)加熱腔以及一個(gè)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(guò)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(shí)設(shè)置一個(gè)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(jì)，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(jì)圖

1.5軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)選擇C語(yǔ)言來(lái)開(kāi)發(fā)本實(shí)驗(yàn)裝置的軟件系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)計(jì)一種新型的、簡(jiǎn)單清晰且穩(wěn)定可靠的軟件系統(tǒng)框架，以實(shí)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(fù)責(zé)初始化以及不執(zhí)行任何操作的while(1)無(wú)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(shí)驗(yàn)裝置軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，設(shè)置有3種工作模式用以切換，分別為待機(jī)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(jī)模式下不執(zhí)行功能操作，僅用以檢測(cè)是否發(fā)生按鍵觸發(fā)；設(shè)置模式下對(duì)于本實(shí)驗(yàn)裝置所設(shè)置的八個(gè)功能參數(shù)進(jìn)行讀取、查詢、修改以及保存等操作；工作模式下則負(fù)責(zé)讀取設(shè)置參數(shù)與實(shí)際溫度數(shù)值，進(jìn)行分析比較后執(zhí)行溫度控制操作，風(fēng)扇的開(kāi)關(guān)操作采用按鍵手動(dòng)控制。同時(shí)采用的是模塊化程序設(shè)計(jì)的方式進(jìn)行各功能操作部分的實(shí)現(xiàn)。

圖5 主程序流程圖

2 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)整體測(cè)試，主要包括對(duì)于軟硬件系統(tǒng)整體運(yùn)行的測(cè)試，對(duì)于硬件系統(tǒng)的控制以及硬件系統(tǒng)對(duì)于軟件系統(tǒng)的反饋信息的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)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(cè)試。

2.1 加熱性能驗(yàn)證

由于實(shí)驗(yàn)對(duì)于加熱時(shí)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(cè)試，具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)如表3所示。

表3 全速加熱模式下實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)試結(jié)果表

由上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可見(jiàn)，在全速加熱模式下，溫度越高，所需加熱時(shí)間越長(zhǎng)，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(shí)隨著溫度升高，穩(wěn)定時(shí)間也越來(lái)越短?？紤]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(shí)間較長(zhǎng)，為精確研究溫度對(duì)煙氣成分影響本文設(shè)計(jì)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(shí)，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(cè)，有效的避免了因升溫帶來(lái)的影響。

2.2 生煙實(shí)驗(yàn)測(cè)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(jiàn)，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(shí)，在具體運(yùn)行過(guò)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(tái)。

表4 全速加熱模式下實(shí)驗(yàn)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(jì)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(shí)該實(shí)驗(yàn)裝置可以直接評(píng)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(duì)于低溫?zé)煵轃煔獬煞盅芯刻峁┮粋€(gè)較為方便、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的智能化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。