卷煙過濾嘴高精度多點實時溫度測量

王選擇, 尹晉平, 楊光遠, 錢 虹, 王 娟

(1 湖北工業大學機械工程學院, 湖北 武漢 430068; 2 湖北中煙工業有限責任公司, 湖北 武漢 430040)

卷煙濾嘴去除煙氣顆粒物的主要途徑是慣性碰撞、擴散沉積和直接截留[1],而這些物理過濾效果與濾嘴的溫度密切相關[2]。同時,濾嘴作為直接與吸煙者接觸的部位,其溫度高低直接影響了吸煙者的使用體驗[3]。研究表明,濾嘴溫度在抽吸結束前的2～3口高達70～80℃[4]。為了避免過高的濾嘴溫度降低濾嘴對氣溶膠顆粒物的截留效果,提高吸煙者對煙氣感官質量的認可度,不少研究者通過改進濾嘴的內部材料來達到調控卷煙濾嘴溫度的目的[3,5-7]。因此,隨著消費者對卷煙質量的要求日益提高,各種采用新型材料的卷煙不斷涌現,這使得濾嘴溫度準確自動化檢測在卷煙技術領域中的地位愈發重要。

在以往的研究中,研究人員更多關注于卷煙燃燒溫度的測量及表征,主要采用熱電偶、光導纖維、紅外熱成像及數值模擬來獲取卷煙燃燒錐的溫度分布[8-11]。然而,由于受到夾持及密封等條件的制約,卷煙濾嘴的溫度測量存在著一定的困難。截至目前,濾嘴溫度測量方法多數采用微細熱電偶刺入卷煙濾嘴中以檢測其內部溫度[12-13]。而熱電偶不僅靈敏度較低,容易受到外界干擾,且在刺入過程中容易折彎變形,導致定位精度不高,長時間使用易發生腐蝕與磨損,使之成為昂貴的消耗品。

為此,制做了內置NTC熱敏電阻的專用煙支夾持器及其測量系統,旨在保證密封的前提下實現對ISO[14]抽吸模式下的卷煙濾嘴溫度進行自動監測,揭示其溫度變化及分布規律,并通過數學方法來表征濾嘴表面的溫度分布。

1 檢測原理

1.1 溫度測量

NTC熱敏電阻的基本溫度測量電路如圖1所示。圖中,Vi為輸入信號,Vo為輸出信號,Rref為參考電阻,Rt為NTC熱敏電阻。

圖1 NTC熱敏電阻基本測溫電路

根據串聯分壓原理,熱敏電阻的阻值

(1)

顯然,Rt的精度取決于Vo與Vi,因此要求準確獲取Vo與Vi的值。采用交流調制激勵的方式,可以盡量消除電源噪聲與工頻干擾等的影響,提高Vo與Vi的測量精度。

通過直接數字頻率合成(DDS)方式產生的正弦交流信號[15],作為輸入信號Vi,其幅值為Ai。對輸入信號Vi與輸出信號Vo通過同步模數轉換器(ADC)進行采樣,并利用數字正弦擬合處理采樣數據以得到其幅值Ai與Ao。假設輸入信號Vi與輸出信號Vo可表示為:

(2)

式中:ω為角頻率;φ1與φ2分別為輸入信號與輸出信號的初始相位,理論上有φ1=φ2。熱敏電阻的阻值

(3)

利用NTC熱敏電阻的阻值及其數學模型,即可推導出當前溫度T。NTC熱敏電阻與溫度的關系為:

(4)

式中:R0為參考溫度下的NTC熱敏電阻阻值;T0為參考溫度(一般選T0=298.15 K);Bn為由電阻材料決定的熱敏指數。

1.2 交流信號處理方法

輸入與輸出信號通過ADC轉換之后,均可獲得一組相應的采樣值序列Xn={x1,…,xi,…,xn},如圖2所示。

圖2 采樣值序列

為準確獲取它們的幅值信息Ai與Ao,采用最小二乘的正弦擬合方法[16]。序列中的任一值可表示為:

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xi=Acos(Δi+φ)+C+εi

(5)

其中,Δi為累積相位,即序列中第i點與第1點之間的相位差。由于采樣頻率與信號頻率都是已知量,故Δi也是已知量。令a=A·cosφ,b=-A·sinφ,則式(5)可進一步展開為:

xi=acosΔi+bsinΔi+C+εi

(6)

根據最小二乘線性正弦擬合[9],a與b可表示為:

(7)

1.3 溫度預測算法

在被測介質溫度連續變化時,盡管氣流溫度的變化可能較為迅速,但實際的溫度曲線仍然是連續光滑的,且沒有突變。為了消除溫度測量時的隨機誤差,設計了一階低通濾波算法。

低通濾波器的傳遞函數為:

(8)

其中,τ1為一階濾波系統的時間常數。設濾波后溫度為Tf,則有:

τ1·vTf+Tf=Ts

(9)

其中,vTf為Tf的速度。

為便于在嵌入式環境下計算處理,需進行離散化,并利用如下的遞推公式,定義第i次的相關參數:

(10)

式中,ts為溫度采樣的時間間隔。通過設置vTf,0為0,并設置合適的τ1值,可以利用式(10)進行遞推運算以完成溫度數據的濾波。

進一步,在標準實驗法獲取溫度傳感時間常數τ2的基礎上[7],結合一階濾波的溫度變化速度的計算結果,利用式(2)進行微分補償,補償結果可表示為:

Tp=Tf,i+τ2·vTf,i

(11)

值得說明的是,濾波時間常數τ1與溫度傳感時間常數τ2滿足τ2>10τ1,保證在消去高頻噪聲的同時,準確預測真實溫度。

2 試驗方法

2.1 卷煙夾持與密封方法

為保證卷煙抽吸時可以被固定和防止漏氣,本文采用自主設計的便于布置NTC熱敏電阻的卷煙夾持器,其結構如圖3所示。

圖3 卷煙夾持器

卷煙夾持器由上夾持片與下夾持片組成,下夾持片內邊緣放置有異形密封圈。當卷煙濾嘴部分完全放入夾持器中后,上夾持片與下夾持片夾緊,并通過異形密封圈密封。同時,上下夾持片均預留有傳感器引線出口供信號線引出,下夾持片右端設置有螺紋孔以便于連接氣動快插氣嘴。

2.2 測溫點布置方法

利用17個NTC熱敏電阻進行溫度測量,在濾嘴的側面布置4×4個測溫點,在濾嘴的末端面布置1個測溫點。同時,在濾嘴進氣端使用插針式鉑熱電阻刺入內部以檢測進氣溫度。據此,制做了如圖4所示的側邊測溫模塊與端面測溫模塊。

在試驗中,需將4個側邊測溫模塊平行于卷煙夾持器軸線均勻貼裝在內壁,端面測溫模塊根據濾嘴長度垂直于卷煙夾持器軸線放入合適位置即可。最終測溫點在卷煙濾嘴上的位置如圖4所示。

圖4 測溫點布置

3 實驗結果

由STM32F407的DAC轉換器產生的頻率為5 kHz,直流偏置C= 1.25 V,幅值A= 610 mV的正弦輸入信號Vi;輸出信號Vo由STM32F407的ADC模塊進行采集,采樣頻率為100 kHz。熱敏電阻型號NCP15XH103F03RC,利用前述方法求得測量的初步溫度數據,時間常數τ=1.04 s,ξ= 0.7,ωn=18。在27.2℃的環境溫度條件下,以5 s的抽吸間隔進行抽吸測試,每次抽3 s,測試過程中持續監測抽吸時濾嘴表面的溫度變化,以得出抽吸時的基本變化規律。圖5為實驗照片,整個采集系統集成在檢測儀器內。

為了高精度地獲取煙嘴的溫度變化情況,首先利用所設計的溫度傳感方法對環境溫度經過一段時間的采集,考察NTC溫度傳感分辨精度。

圖5 燃燒煙溫度測量實驗

圖6顯示了7 min的溫度采集曲線。雖然環境溫度的波動一定程度上造成了0.03°C的漂移,但測量噪聲控制在±0.01℃以內,說明所采用的交流調制方法具有較強的抗干擾能力,能夠得到分辨精度達±0.01℃的測量水平,為煙嘴溫度測量儀器的精確溫度變化測量提供了較理想的測量方案。

圖6 重復測量數據

3.1 電子烤煙溫度測量實驗

電子烤煙濾嘴17個點10次抽吸的溫度數據如表1所示,表中數據為每次抽吸的最高溫度。圖7為第1組(TP1,TP2,TP3,TP4)和第5組(TP5)中熱敏電阻所測電子烤煙監視點的溫度變化曲線。使用差分預測方法,控制采樣時間小于50 ms。

表1 燃燒煙多點溫度測量結果

由圖7可知,與燃燒煙端面溫度緩慢升高的規律不同,用TP5測量的電子烤煙的端面溫度在第1次抽吸時就很高;在吸氣瞬間,電子烤煙端面溫度同樣會產生突變,停止抽吸時溫度緩慢降低,但隨著抽吸次數的增加,端面溫度波動不大,在第4次抽吸時達到最大值。

圖7 電子烤煙不同監控點的溫度變化曲線

圖8為10次抽吸過程中4個不同組的相同圓周上傳感器所測溫度平均值曲線。由圖7可知,TP1、TP2、TP3和TP4測得的溫度變化緩慢,經過10次抽吸后僅上升了2℃左右,且 TP1和TP4之間存在2℃的溫差。過濾嘴(TP5)端面的溫度從50.15℃開始,在第4次抽吸時達到最大值53.39℃,然后緩慢降低。

圖8 電子烤煙不同監控點的溫度變化曲線

由圖8和圖10可知,燃燒煙和電子烤煙的溫度變化規律有較大差異,尤其體現在端面上。在燃燒煙中,端面溫度從正常值33.55℃開始,并隨著抽吸次數的增加而升高,最終達到最大值62.06℃;在電子烤煙中,端面溫度始于較高值50.15℃,并隨著抽吸次數的增加,其溫度變化范圍較小。

3.2 燃燒煙溫度測量實驗

用同樣的方法對燃燒煙進行測量實驗,10次抽吸過程中4個不同組的相同圓周上傳感器所測溫度平均值曲線如圖9所示。由圖9可知,TP1測得的遠端溫度比TP4測得的溫度低4℃。過濾嘴四周溫度隨著抽吸次數的增加而緩慢上升,前6次抽吸溫度上升較慢,后4次抽吸溫度上升相對較快;抽吸10次后,相同圓周上的溫度升高了9℃左右。TP5為濾嘴端面溫度,由于煙氣直接流過該傳感器,因此溫度比濾嘴四周要高,且變化較大,從第一次抽吸33.55℃到第10次抽吸62.06℃,溫度上升約30℃。

圖9 燃燒煙不同監控點的溫度變化曲線

4 結論

本文設計的測量系統使用17個NTC熱敏電阻作為傳感器,檢測煙支過濾嘴17個點的溫度。通過檢測電路和差分預測方法保證測量結果的準確性和可靠性。分別對電子烤煙和燃燒煙進行了多點實時溫度測量實驗,驗證了該方法的有效性。實驗論證了兩種香煙的溫度變化規律:電子烤煙過濾嘴端面溫度始于較高值50.15℃,但隨著吸氣次數的增加而平穩波動,其中在第4次抽吸時達到最大值。燃燒式香煙過濾嘴端面的溫度隨著抽吸次數的增加而逐漸升高,最高上升約30℃。在整個吸煙過程中,燃燒煙濾嘴四周的溫度變化9℃左右,電子烤煙變化2℃左右。