一种腔体可调型智能温控烟草干式低温加热生烟装置的制作方法

本实用新型涉及烟草加热领域，尤其是一种可以精确调节温度的用于干式加热烟草并收集所产生烟雾的腔体可调型智能温控干式低温加热生烟装置。

背景技术：

近年来，随着传统烟草制品的销量在一些发达国家市场出现停滞甚至下降，以及许多国家公共场所禁烟力度的不断加大，新型烟草制品正在快速兴起。目前，新型烟草主要有3大类，无烟气烟草制品，低温卷烟，电子烟。其中，无烟气烟草制品是指未经燃烧过程并通过口腔或鼻腔吸食消费的烟草制品，从使用行为上来说，指的是非抽吸方式使用的烟草制品。无烟气烟草制品主要通过口含，吸吮，咀嚼烟草的方式向消费者提供满足感，包括口含烟，鼻烟，嚼烟等；低温卷烟外观与传统卷烟类似，在500摄氏度以下只加热不燃烧烟草，但可将满足感和部分烟草香味传递给消费者，这种加热不燃烧型卷烟减少了烟草高温燃烧裂解产生的有害成分，使主流烟气化学组分释放量大大降低。同时，与常规卷烟阴燃不同，它在抽吸间歇时烟丝处于非燃烧/非加热状态，因此侧流烟气和环境烟气也大幅度降低。按照加热源的不同，加热非燃烧型烟草制品可分为电加热型烟草制品、燃烧加热型烟草制品和理化反应加热型烟草制品；电子烟是将含有烟碱的溶液雾化，通过肺部吸收，使消费者获得类似吸食传统卷烟的满足感。与普通香烟相比，电子烟不含焦油、无一氧化碳、二氧化碳、氢氰酸、丙烯醛、砷、铅、汞等有害物质，所以不会对吸烟者造成任何伤害。另外，烟碱溶液经雾化后形成汽溶胶，汽溶胶在空气中迅速被稀释，而低密度汽溶胶很难再被吸收，也不会形成二手烟。因此，电子烟不会危及吸烟者的健康，同时也不会危害周围人的健康。新型烟草制品通常具有以下一些主要特征：一是不需要燃烧，极大减少因燃烧产生的焦油和有害成分，相比传统卷烟危害性较小；二是不会产生二手烟气，不会对公共环境产生影响，在一定程度上缓解了吸烟和公共场所禁烟的矛盾；三是能在一定程度上适应和满足消费者的生理需要。

新型烟草制品是烟草产业的新兴战略性产品，发展新型烟草制品是事关行业未来发展的重大战略性课题。随着新型烟草制品市场需求快速增长以及越来越多的烟草生产厂商致力于危害性更小的新型烟草制品的研发，作为具有代表性的新型烟草制品，只加热不燃烧型的低温卷烟开始逐渐受到越来越多的关注。然而，现有只加热不燃烧烟草的加热器一般采用单个热源加热，没有对外部热源进行分离且独立控制，同时对温度的测量也不太精确，还有不可调节的加热腔体对于所产生的烟雾没有合理、有效、方便的收集。

例如，在申请号为200820046934.9的中国专利文献中，公开了一种适合水烟筒使用的烟草加热装置，包括封闭外罩，电热元件和电源线，通过电源线接通外电源，加热电热丝从而加热烟草产生烟气。

再例如，在申请号为201410822140.7的中国专利文献中，公开了一种烟草加热器，包括带有烟支插入口和气流进口的外壳，以及置于外壳内的控制电路和用于加热烟支的加热器，其中加热器包括加热体，包裹在加热体外的导热件，以及置于导热件外层的保温隔热件，在加热体上方有由导热件围成的加热腔，该设备通过使加热腔与烟支插入口相对从而采用加热后的气体来加热烟草制品，且工作温度范围在150℃到600℃之间。

由于加热温度存在较大的热惯性，导致在加热过程中实际温度会在设定温度处上下摆动从而使得加热腔内温度不稳定，前后阶段所产生的烟气不均匀。同时，外部热源分布不均匀且整体控制会而导致烟草加热不完全，烟草利用率较低。另外，烟草加热装置和所盛放烟草装置的一体化不便于对烟雾进行收集从而进行分析检测。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型目的在于提供一种腔体可调型智能温控烟草干式低温加热生烟装置，用于解决现有技术中烟草加热设备温度测量与控制精确性不高，加热不均匀且加热腔不可调节导致烟雾检测不方便的问题。

为实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：

一种腔体可调型智能温控烟草干式低温加热生烟装置，包括外壳，外壳内设置有用于盛放烟草的圆柱状试验管、对试验管加热的加热器以及控制电路，试验管和加热器均与控制电路相连；其中，加热器包括顶部开口的圆柱体状加热腔，试验管设置在圆柱体状加热腔内，加热腔内设置有能够对试验管进行均匀加热的加热部件。

本实用新型进一步的改进在于，所述加热部件由绝缘导热材料包裹；加热部件一端与电源相连，另一端与控制电路相连；所述加热部件和绝缘导热材料之间设置有若干温度传感器。

本实用新型进一步的改进在于，所述绝缘导热材料为云母或导热橡胶。

本实用新型进一步的改进在于，所述温度传感器为PT-100铂电阻，并且温度传感器与控制电路相连。

本实用新型进一步的改进在于，所述加热部件设置在加热腔的内壁和底部；所述加热部件为加热丝或陶瓷加热片；其中，所述加热丝功率为100W、50W或50W。

本实用新型进一步的改进在于，所述加热部件为陶瓷加热片时，加热腔内设置有用于对试验管加热的三路陶瓷加热片，分别为第一陶瓷加热片、第二陶瓷加热片以及第三陶瓷加热片，第一陶瓷加热片位于试验管的底部，第二陶瓷加热片以及第三陶瓷加热片设置在试验管的周围；加热腔与三路陶瓷加热片之间设置有用于包裹三路陶瓷加热片的第一绝缘导热材料和第二绝缘导热材料；第二陶瓷加热片以及第三陶瓷加热片由第一绝缘导热材料包裹，第一陶瓷加热片由第二绝缘导热材料包裹。

本实用新型进一步的改进在于，所述加热腔开口大小与试验管外径相同；所述加热腔外侧设置一层保温隔热绝缘材料将加热腔外壁包裹；所述试验管头部包裹一层绝缘隔热材料。

本实用新型进一步的改进在于，所述保温隔热绝缘材料为石棉、岩棉、硅酸铝纤维纸或陶瓷纤维纸；所述外壳上还有设置有与控制电路相连的显示单元、控制按键单元以及指示灯单元。

本实用新型进一步的改进在于，所述，试验管顶部设置有活塞盖子，活塞盖子中心开设有一个中心孔，中心孔与试验管内部相连通；试验管和试验管顶部的活塞盖子均采用玻璃或紫铜制作。

本实用新型进一步的改进在于，所述外壳上还有电源开关外接220V交流电源；外壳内设置有用于对外壳内元件降温的电扇，并且电扇通过继电器与控制电路相连。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型通过在试验管一端设置一个中心开孔的活塞盖子，活塞盖子材料可与试验管保持一致，一方面可以直接通过活塞盖子上的中心孔分析烟雾样本，另一方面也可在加热完毕后取出试验管进行实验分析操作而不必移动整个实验装置，使得实验操作更加灵活方便。用以检测试验管外壁不同部位的温度，本实用新型采用嵌入式计算机系统作为温度智能控制中枢，设置四路反应灵敏的温度传感器对加热过程中的温度变化进行快速准确的检测与反馈，设置加热部件对温度控制进行精确的调节，通过增量型PID算法尽可能消除加热过程中所存在热惯性、温度上下波动以及加热不均匀等不利影响，从而实现精确测温以及精密控温。同时本实用新型采用独立于加热器的试验管盛放烟草，且试验管有多种型号可以替换，一方面试验管可以脱离实验装置进行烟雾化学成分检测，使得实验操作更加快速方便，另一方面要加热烟草的添加以及加热后烟草的清理也更加简单，方便。为了避免加热不均匀而导致烟草加热不完全的问题，在试验管与加热腔内壁加热片之间设置有导热性能极好的绝缘导热材料，不仅使得试验管与加热腔更加契合，热能传导效率更好同时也使得加热更加均匀，绝缘层对于加热片意外漏电等突发情况也有一定的安全防护保障。本实用新型结构简单，成本低廉，易于实验操作与加工制造。

进一步的，为了更加直观方便的观察温度的变化情况，设置四个数码管对应于四路高精度且灵敏的温度传感器，用于实时显示温度测量值，其中温度测量值精确到0.5℃。同时控制电路还设置有低电压检测单元，以及定时控制单元，以防加热时间过长而有可能导致的加热器损坏等问题，其中低电压检测单元主要作用是稳压，一旦供电单元出现故障，立即向控制单元报警以终止实验装置工作。而定时控制单元用以对加热过程计时，一旦超过所设置的工作时间上限，加热器自动停止工作直至重新启动。本实用新型还设有控制按键单元以及工作状态指示灯单元，有利于实验者对本实用新型的工作状态更好的把握与控制。

进一步的，所述试验管头部包裹一层绝缘隔热材料，方便手持，避免烧伤或烫伤同时也方便加入或取出烟草。控制电路通过分别控制三路陶瓷加热片对试验管加热，从而实现精确的温度调节与控制。

进一步的，试验管为导热材料玻璃或紫铜制作的圆柱形器件，在试验管与加热腔之间设置有一层导热性能极好的绝缘材料，在试验管上部有隔热材料陶瓷等材料包裹，同时试验管顶部设置有带有中心孔的活塞盖子；所述试验管独立于加热器，所以可以采用不同型号的试验管替换，用以盛放烟草以及收集烟雾。

进一步的，在试验管与加热腔之间设置有一层导热性能极好的第一绝缘导热材料和第二绝缘导热材料，一方面使得试验管与加热腔贴合更紧密以使得热能更有效的传递，加热更加快速均匀，同时也防止了局部出现加热温度过高的现象，另一方面也对于加热片漏电等突发情况进行了预防。

进一步的，三路陶瓷加热片均可加热到600℃左右，在加热腔底部放置一路陶瓷加热片，其余两路陶瓷加热片内嵌于加热腔中，均匀分布于试验管周围，确保试验管受热均匀，设置三路陶瓷加热片既可以对烟草充分加热，又保证了加热时间不会过长。

进一步的，活塞盖子大小与试验管紧密贴合，用于将试验管密封防止烟雾从边缘溢出，而活塞盖子上开设的中心孔使得对试验管内的烟雾样本进行检验更加方便。

进一步的，设置若干温度传感器，用以检测试验管外壁不同部位的温度。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是本实用新型的所述加热器示意图。

图3是本实用新型的控制电路示意图。

图中，1为腔体可调型智能温控烟草干式低温加热生烟装置，10为试验管，101为活塞盖子，102为中心孔，103为绝缘隔热材料，11为外壳，12为控制电路，13为加热器，131为圆柱体状加热腔，132为第一绝缘导热材料，133为第二绝缘导热材料，134为第一陶瓷加热片，135为第二陶瓷加热片，136为第三陶瓷加热片，137为温度传感器，138为温度传感器，139为温度传感器，140为温度传感器，141为保温隔热绝缘材料，14为固态继电器，15为固态继电器，16为固态继电器，17为第一风扇，18为第二风扇，19为第三风扇，20为继电器，21为开关电源，22为电源开关，3-1为温度检测模块，3-2为继电器驱动模块，3-3为数码管显示模块，3-4为数据存储单元，3-5为控制按键单元，3-6为工作状态指示灯单元，3-7为显示驱动单元，3-8为嵌入式计算机系统。

具体实施方式

下面将结合本实用新型的附图，对本实用新型中的技术方案进行清楚，完整的描述。熟悉此技术的人士可以通过本说明书了解本实用新型的特点与功能。本说明书所附图中的比例，结构等仅用以配合说明书所述内容，但并非限定本实用新型实施的条件，所以没有技术上的实质意义，因此任何比例上的调节，结构上的修饰，在不影响本实用新型所能实现的功能和目的下，都应落在本实用新型所述的技术涵盖的范围之内。

本实用新型公开的是一种腔体可调型智能温控烟草干式低温加热生烟装置，用于对烟草进行干式低温加热并且收集所产生的烟雾以进行进一步的检测，本实用新型的加热控制温度范围为10～500℃，并且温度精确度为0.5℃。

如图1以及图2所示，本实用新型是一种用于烟草加热并收集所产生烟雾的腔体可调型智能温控烟草干式低温加热生烟装置1，包括用于盛放烟草的试验管10，带有加热器出口的外壳11，置于外壳11内的控制电路12，以及用于加热试验管10的加热器13；其中，试验管10和加热器13均设置在外壳11内；试验管10顶部设置有活塞盖子101，试验管10和试验管10顶部的活塞盖子101均采用导热性能极高的玻璃或紫铜等金属材料制作而成，活塞盖子101中心开一个中心孔102与试验管10内部连通。活塞盖子101大小应与试验管10紧密贴合，用于将试验管10密封防止烟雾从边缘溢出，而所带有的中心孔102使得对试验管10内的烟雾样本进行检验更加方便，工作时，将活塞盖子101插入试验管10中并将中心孔102塞住，等到加热完毕用于烟雾成分等检测时候，检测仪器通过中心孔102开始检测分析烟雾样本。在试验管10头部包裹一层绝缘隔热材料103，例如陶瓷等，方便手持，避免烧伤或烫伤，同时也方便加入或取出烟草。

参见图2，工作时，试验管10盛放烟草后放入加热器13中进行加热操作，加热器13由采用绝缘导热材料制作成，包括顶部开口的圆柱体状加热腔131，加热腔131内设置有用于对试验管10进行均匀加热的加热部件，加热部件由绝缘导热材料包裹，加热部件一端与电源相连，另一端与控制电路12相连；所述加热部件和绝缘导热材料之间设置有温度传感器；其中，绝缘导热材料为云母或导热橡胶；温度传感器为PT-100铂电阻，并且温度传感器与控制电路12相连，加热部件设置在加热腔131的内壁和底部，所述加热部件为加热丝或陶瓷加热片；其中，所述加热丝功率为100W、50W或50W；所述的加热部件为陶瓷加热片时，加热部件包括三路陶瓷加热片，分别为第一陶瓷加热片134、第二陶瓷加热片135以及第三陶瓷加热片136，第一陶瓷加热片134位于试验管10的底部，第二陶瓷加热片135以及第三陶瓷加热片136设置在试验管10的周围。加热腔131与三路陶瓷加热片之间设置有用于包裹三路陶瓷加热片的第一绝缘导热材料132和第二绝缘导热材料133，具体的，第二陶瓷加热片135以及第三陶瓷加热片136由第一绝缘导热材料132包裹，第一陶瓷加热片134由第二绝缘导热材料133包裹。

加热腔131开口大小恰好与试验管10外径相同，大小吻合，确保试验管10与加热腔131紧密贴合以使热能传导效率更高，在试验管10与加热腔131之间设置有一层导热性能极好的第一绝缘导热材料132和第二绝缘导热材料133，一方面使得试验管10与加热腔131贴合更紧密以使得加热更加快速均匀，同时也防止了局部出现加热温度过高的现象，另一方面也对于加热片漏电等突发情况进行了预防。其中，所述保温隔热绝缘材料141为石棉、岩棉、硅酸铝纤维纸或陶瓷纤维纸；所述外壳11上还有设置有与控制电路12相连的显示单元、控制按键单元以及指示灯单元。

三路陶瓷加热片均可加热到600℃左右，在加热腔131底部放置一路陶瓷加热片，其余两路陶瓷加热片内嵌于加热腔131中，均匀分布于试验管10周围，确保试验管10受热均匀，设置三路陶瓷加热片既可以对烟草充分加热，又保证了加热时间不会过长。三路陶瓷加热片一端均连接控制开关与外部220V交流电源相连，另一端均连接固态继电器，具体的，第一陶瓷加热片134与第一固态继电器14相连，第二陶瓷加热片135与第二固态继电器15相连，第三陶瓷加热片136与第三固态继电器16相连，固态继电器分别与控制电路12相连，因此可以通过控制电路12对三路陶瓷加热片分别进行独立控制，并且采用保温隔热绝缘材料141将加热腔131外壁包裹，一方面对外壳11内部元器件进行保护，另一方面起一定程度的保温作用，防止热量溢散造成浪费，从而使得加热效率更高。在加热腔131内壁设置有四个温度传感器，分别为第一温度传感器137、第二温度传感器138、第三温度传感器139以及第四温度传感器140。这四个温度传感器从上向下依次设置在第二陶瓷加热片135和第三陶瓷加热片136之间，并且紧贴试验管10外壁的第一绝缘导热材料132；这四个温度传感器均为高灵敏度，高精确度，具有负温度系数的铂电阻PT-100，用以对试验管10温度实时探测与反馈，并且这四个温度传感器均接入控制电路12中，以便控制电路显示单元实时显示温度测量值与变化情况。

本实用新型中盛放烟草的试验管有三种内径可选择，三种型号试验管外径相同，与加热腔所契合，内径由小到大共有三种型号可以更换。所述加热器由加热腔，三路功率不同的陶瓷加热片以及四路独立的温度传感器组成，加热腔是由导热绝缘材料制作而成的圆柱体状腔，其内腔与试验管大小相吻合，使得试验管可以紧密的插入加热腔中从而保证热能更有效的传递。三路功率不同的陶瓷加热片都内置于加热内腔中与试验管直接接触，一路置于加热腔底座，其余两路均匀交叉分布于试验管圆柱周围，陶瓷加热片内置通过一层绝缘导热性能好的材料与试验管接触，从而不仅保证了热能更加有效的传递，也确保了烟草受热均匀。四路温度传感器均匀分布于加热腔内壁，作为温度反馈与控制电路相连接。同时，外壳还设有外部电源接入插座，控制电路控制开关。

所述外壳11内置有三个风扇，分别为第一风扇17、第二风扇18以及第三风扇19，用于对外壳内各元件降温，三个风扇通过继电器20接入控制电路12中，由按钮控制风扇通断，因为采用手工控制风扇运行，所以由实验者自身决定风扇开始和运行的时间。并且上述外壳11上还有用以显示温度的显示模块，用以控制该加热装置工作的按钮模块以及显示工作状态的指示灯模块。

该低温加热生烟装置采用外接220V交流电源进行工作，采用开关电源21对电源转换用以对控制电路12和三个风扇的供电，而加热器13一端通过电源开关22外接220V交流电源，另一端通过三个固态继电器接入控制电路12中。

如图3所示，上述置于外壳内的控制电路12采用嵌入式计算机系统3-8作为控制中枢来实现对温度的智能控制，主要控制对象包括：温度检测模块3-1，继电器驱动模块3-2，数码管显示模块3-3，数据存储单元3-4，控制按键单元3-5以及工作状态指示灯单元3-6。

具体工作流程如下：首先通过控制开关给控制电路12以及其他外部设备接通电源，四路高精度、高灵敏度温度传感器铂电阻PT-100(即温度检测模块3-1)检测当前加热腔131温度，通过14位A/D转换器将温度信息转化为数字信息传入嵌入式计算机系统，而嵌入式计算机系统通过接收到的数字信息控制显示驱动单元3-7实现当前温度信息的显示，然后实验者通过控制按键设定预期要达到的温度值，嵌入式计算机系统接收到设定值，通过增量型PID算法进行分析后通过控制继电器驱动单元3-2实现对三路陶瓷加热片以及风扇工作的控制，进行快速精确的温度调节控制(采用增量型PID算法进行分析，然后调节温度是本领域技术人员的公知技术)。同时工作状态指示灯单元3-6实时反映当前实验装置所处的工作状态，显示单元3-3也会实时显示当前加热腔内部的温度变化。而且，控制电路12还包括有低电压检测单元，以及定时控制单元，以防加热时间过长而有可能导致的加热器损坏等问题，其中低电压检测单元主要作用是稳压，一旦供电单元出现故障，立即向控制单元报警以终止实验装置工作状态恢复待机状态。为了防止加热时间过长可能导致加热器损坏等安全隐患，上述控制电路12加入了定时检测功能，当加热器13开始加热工作时，开始计时并通过数码管显示单元3-3显示当前加热所用时间，一旦超过所设定的实验设备正常工作的时间上限，即视为异常工作状态，嵌入式计算机系统就会自动令三路陶瓷加热片停止工作，整个系统恢复待机状态。

所述增量型数字PID算法，即采用离散化方法，根据采样时刻的偏差值通过公式计算获得控制量，从而实现控制，具体公式如下：

Δu(k)＝u(k)-u(k-1)＝K_p[e(k)-e(k-1)]+K_Ie(k)+K_D[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

其中：k为取样信号，取值为0,1,2，…；

e(k)为第k次取样的偏差值，e(k-1)为第k-1次的取样偏差值；

u(k)为PID控制器的第k次输出值；

K_p为比例系数，K_I为积分系数，K_D为微分系数；

Δu(k)为第k次相对于第k-1次的控制量的增量。

具体实现过程为：控制系统每隔100ms通过PT-100铂电阻温度传感器检测一次当前温度值，然后每隔500ms进行一次增量型PID计算，通过实时温度变化以及所设置的目标温度计算得到温度控制增量，然后通过嵌入式控制中枢分析处理，实现温度的精确调节。最后，所采用的K_p＝2.0，K_I＝3.0，K_D＝2.0。

本实用新型所提出的这种腔体可调型智能温控烟草干式低温加热生烟装置采用独立于加热器的可替换的不同型号的试验管实现烟草的盛放与烟雾的收集，通过三个分布均匀且独立工作的陶瓷加热片对试验管均匀加热，精确调节控制温度，有效对烟草进行均匀，迅速的加热。并且采用四个温度传感器实现温度的实时反馈及显示。所以，本实用新型有效的克服了现有烟草加热装置的种种缺点，从而具有更高的使用价值。

上述仅为示例性的说明本实用新型的原理及功能作用，而非用于限制本实用新型。希望任何熟悉此技术的人士都不可违背本实用新型的精神及范畴下，进行修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所覆盖。