专利名称：卷烟燃吸温度分布检测仪及其自动控制方法
技术领域：
本发明属于卷烟燃吸指标检测技术领域，具体涉及一种卷烟燃吸过程中温度分布 检测仪及其自动控制方法。
背景技术：
卷烟燃吸温度分布是影响卷烟烟气化学形成的重要因素，是反映烟草发生何种种 类和程度化学反应和物理过程的重要指标，是反映卷烟品质最重要的参数之一，同时也是 反映卷烟材料、添加剂、吸食环境等对感官质量影响的重要指标之一。测定卷烟燃吸过程中 温度分布对研究卷烟烟气气溶胶的形成、传递以及最终烟气的组成都具有重要意义。国外 此类工作开展较早，英美烟草公司R. R. Baker测绘出燃烧的卷烟在阴燃和抽吸时的温度分 布，国内主要是郑州烟草研究院李斌、江威等、上海烟草公司郑赛晶等利用微细热电偶检测 得到燃烧过程中温度分布。并分析了燃烧温度与气相温度的关系。目前在卷烟燃吸过程温 度场测试方面，尚没有商业化的测试仪器。通过文献调研，用于测定卷烟燃烧温度的方法可 分为两种第一，接触式测温，即通过温度传感器与数据采集系统以及对数据的后处理联合 测试。第二，非接触式测温，通过红外热成像仪对卷烟燃烧锥温度场进行测试。两种方法所 测试的内容是相互补充的，第一种方法是测试卷烟燃吸过程中内部气相温度，而第二种方 法是依据物质自身辐射的红外能量来测量，只能测试卷烟燃烧锥表面温度，不能直接测量 内部温度。由于第一种方法在实施过程中需要用到数支(> 6)较细的温度传感器，即微细 热电偶或是微细的光导纤维，所以在实验中人为或环境的微小波动会引起温度传感器位置 的波动，造成测试数据的偏差。基于这两种检测方法，前人做了大量的研究工作，形成了一些研究用的检测装置 和方法。英美烟草公司R. R. Baker (nature, 1974)利用多支石英管隔离钼铑与钼形成热电 偶与微细的光导纤维(< Φ0.5πιπι)检测了卷烟燃吸中的温度分布，这为卷烟燃吸过程中内 部温度分布的测定确定了基本的方法。在应用时的主要不足是由于使用的温度传感器过于 微细(< Φ0. 5mm)，操作时容易造成石英管和感温焊点的断裂。同时对测量位置的准确判 断造成相当大的困难，因此该方法仅在实验室中使用，而不利于作为常规检测和检测方法 的商品化。由云南瑞升烟草技术有限公司申请的发明专利(2006100010926.4)和上海烟 草(集团)公司的实用新型O00420114253.3)开发了一种用于卷烟燃吸过程温度的检 测元器件(即微细热电偶)，其制作的技术方案为采用钼丝与钼铑合金丝，其中绝缘材 料采用石英毛细管。优点为耐高温，性能稳定，不易氧化等。此类传感器的发明为检测卷 烟燃吸温度提供的基本元器件，是检测温度时传感器选择时的方案之一。同时发明专利 (2006100010926. 4)中介绍了如何将薄膜绝缘感温探头应用于测定卷烟燃吸中内部动态温 度，即燃烧温度的测量，其主要描述为感温探头的信号端输入到温度捕集器的模数转换电 路的输入端组，输出信号进入数字信号处理器进行信号处理，再经模数转换电路传输到控制计算器。该发明的优点为能够动态的将燃烧温度动态采集。同时未能明确的内容是如何 将多支热电偶插入检测位，精度多少以及数据是否为同时采集等技术内容，即从实施例用 可以看出，测试装置中无定位信息，仅说明插入深度为卷烟圆周半径，如何定位，定位精度 是多少，数采是否同时或近似同时等信息。如果需要测试卷烟燃吸过程中的温度分布，则需要测量卷烟在燃吸过程中不同位 置，即不同的轴向位置和不同的径向位置的温度信息。不同的轴向位置可以通过设置多个 温度传感器(即热电偶)来得到实现；不同的径向位置可以通过检测不同插入深度的相同 卷烟来实现。上海烟草(集团)公司的实用新型O00420114252.9)研制了一种卷烟测温 夹持装置，该装置包括固定板、主支架、滑轨和端盖，所述主支架套在吸烟机夹持器上，主支 架的上面开有一道截面为T形的狭长缺口，所述滑轨嵌在T形缺口中与主支架滑动配合，滑 动上有若干沿垂直方向的细小通孔，所述端盖装在主支架的前端，端盖上有一个圆孔，圆孔 的直径与卷烟的直径相同，所述固定板固定在滑轨的上方。本实用新型的夹持装置直接固 定在吸烟机上，安装方便；滑轨上的细小通孔用来夹持细小的测温探头，并能保证测温探头 间隔一定的距离垂直插入卷烟中；滑轨可以前后滑动，便于调节测温探头的插入位置。该 专利主要优点是通过上滑道的灵活设置，方便的确定卷烟测量时的轴向位置(位移)，不足 之处，一是端盖上的圆孔(与卷烟的直径相同)和与之连接的弧形槽离燃吸中的卷烟过近， 能够影响卷烟燃吸过程中空气在卷烟周围的自然对流(即空气的扩散、侧流烟气的扩散及 滤嘴处的通风作用等)；二是未能体现对径向位置的准确定位(即热电偶的插入深度)。郑 州烟草研究院的实用新型O00520143744. 5)研制了一种卷烟气相温度场测量用微细热电 偶夹持装置。其装置包括底板和固定在底板上的立柱，立柱上端设置有滑道板，多支热电偶 等距固定在该滑道板上且可以上下移动，轴向与径向定位后(卡尺定位)，可固定于滑道板 上。该专利的主要优点是较好的保证了热电偶在测温过程中位置的稳定；可以满足温度场 测试中对热电偶在卷烟中放置不同测温点的准确定位放置的要求。不足之处，一是插入深 度卡尺检测准确度不高，为使其不影响卷烟燃吸过程中空气在卷烟周围的自然对流，热电 偶的较长距离，易造成感温部位的等间距位置的偏移，造成检测的人为偏差；二是滤嘴部分 的卡槽易对滤嘴处的通风作用产生影响。关于卷烟温度检测其他专利还有上海烟草(集团)公司的发明专利(公开中 200910053075.幻，该发明公开了一种卷烟红外测温同步移动装置。其发明结合红外摄像仪 能够真实、直观地动态记录卷烟的燃烧过程。其不足为基本方法上的弱点，即只能跟踪表面 温度的变化，且容易受到卷烟燃吸中外层形成烟灰的影响。由于卷烟燃吸中温度分布的检测是在吸烟机上进行，测温装置与各种形式的吸烟 机如何匹配的问题，在相关文献与专利说明方面未见报道。综上所述，前人开发的种种方法，由于各种原因，仍然停留在实验室专业人员研究 阶段，限制了该项检测指标在更广泛的范围内进行应用。其需要解决的关键技术内容为 1、测试卷烟的热电偶的轴向与径向的定位(位置检测精度应大于0. Imm) ；2、热电偶的插入 不能或较小影响卷烟燃吸过程中空气在卷烟周围的自然对流；3、热电偶在插入过程中无伤 害，无变形；4、热电偶夹持装置应能够与各种类型的吸烟机较好匹配；5、数据采集系统准 确、快速、稳定、无衰减，同时数采设置的工艺参数需要与吸烟机联用等；6、整个检测过程实 现自动化、标准化、最小的人为影响等。本发明针对以上分析得到的需要解决的关键技术问
4题，开发了自动化程度较高的卷烟燃吸温度分布检测仪
发明内容
本发明的目的正是针对以上分析得到的需要解决的关键技术问题，提供一种自动 化程度较高的卷烟燃吸温度分布检测仪及其自动控制方法，以满足研究者和质量检测人员 检测卷烟燃吸过程中温度分布的需要。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的卷烟燃吸温度分布检测仪，包括温 度分布检测装置和该检测装置的自动控制系统，所述自动控制系统是由操作面板、PLC、PLC 执行单元、感应元件以及受控制程序支配的电磁阀驱动气缸系统组成，所述温度分布检测 装置包括温度传感器自动进位装置、温度传感器进位深度限位装置和与吸烟机匹配的卷烟 夹持装置；所述温度传感器自动进位装置包括预打孔针器组、设置在针器组上方云台上的温 度传感器组、预打孔针器组与温度传感器组插入执行元件和自动切换元件、吸烟机配合插 件与温度传感器连接部件、物体感应元件和物体感应锁紧元件组成；所述温度传感器进位深度限位装置包括限位单元云台、螺旋测微器、设置在限位 单元云台上的位移固定挡块和卷烟扶持器、联动负压锁紧机构、整体位置调整部件组成；所述与吸烟机匹配的卷烟夹持装置包括夹持单元云台、插装在单元云台上的配合 插件、横向纵向螺旋测微器、物体感应元件、动作执行元件组成，夹持单元云台通过横向纵 向螺旋测微器、移动位置。在本发明中，所述PLC执行单元分别通过连接线与温度传感器自动进位单元、温 度传感器进位深度限位单元、卷烟夹持单元相连接。本发明仪器主要的实现过程是，在温度分布检测部件制作的自动控制方法指导 下，其自动控制方法可以通过系统的操作面板对检测过程进行操作，操作面板可采用触摸 屏控制、机械按键控制或计算机控制来实现。首先将吸烟机的配合插件从吸烟机中取下，在 配合插件上放置被测卷烟后，一同放置于卷烟夹持装置中，夹持装置自动感应到此插件后， 自动锁紧插件，同时联动限位装置，将卷烟锁紧固定；按键启动温度传感器自动进位装置， 其装置中的预打孔针器组开始工作，在卷烟设定位置打入被测卷烟半径深度的导向孔；将 温度传感器放置于进位装置上固定；按键启动插入温度传感器，将温度传感器定位插入卷 烟烟支中；将吸烟机配合插件(包括已经插入温度传感器烟支)与温度传感器进行连接； 控制退出夹持器的制作程序，将连接好的吸烟机配合插件、温度传感器与被测卷烟一起转 移安装至吸烟机；启动吸烟机工作模式，开始按设定要求吸烟；当吸烟机运行至设定时刻， 程序将按工艺参数设定开启数据采集与控制系统，将此状态下的轴向温度数据采集至控制 计算机中，实验完成后，保存该次数据，以便对数据进行后处理。本发明中所述卷烟夹持装置包括针对个性化的吸烟机设置的配合插件(与吸烟 机匹配)、横纵两螺旋测微器和物体感应锁紧装置等组成。该装置的工作过程可描述为，在 控制程序的指导下，将吸烟机的配合插件取下，在配合插件上放置被测卷烟后，一同放置于 该装置中，该装置的物体感应锁紧装置感应到此插件后，自动锁紧该插件，在控制程序的指 导下，完成预打孔、定位，温度传感器组定量插入等步骤后，将吸烟机配合插件与温度传感 器连接部件连接，松开该装置对吸烟机配合插件的锁紧，该装置的工作过程结束。
本发明中所述温度传感器组进位深度限位装置包括螺旋测微器、位移固定挡块、 卷烟扶持器及联动负压锁紧装置以及整体位置调整部件等组成，其中扶持器可根据被测卷 烟直径调整扶持器的种类(目的为适应不同直径的被测卷烟)，即通过调整可以检测细支 烟，正常卷烟以及雪茄烟等种类的卷烟样品。该装置的工作过程可描述为，在控制程序的指 导下，将配合插件与被测卷烟一同放置于卷烟夹持装置中，夹持装置自动感应到此插件后， 自动启动夹持装置中的锁紧插件，同时联动温度传感器组进位深度限位装置中的卷烟扶持 器的联动负压锁紧装置，将被测卷烟固定，紧贴于扶持器上，当导向针孔完成后，旋转螺旋 测微器旋钮，定量移动(位移精度为0. Olmm)位移固定挡块(即设置温度传感器的插入深 度)，该装置的工作过程结束。本发明中所述卷烟燃吸温度分布检测用温度传感器自动进位装置包括预打孔针 器组装置(包括6 10支针器，等间距排列)、温度传感器组(包括6 10支温度传感 器，等间距排列)、预打孔针器与温度传感器组自动切换装置、吸烟机配合插件与温度传感 器连接部件和物体感应锁紧装置等组成。该装置的工作过程可描述为在控制程序的指导 下，启动该装置后，首先预打孔针器组装置开始工作，在卷烟设定位置打入被测卷烟半径深 度的导向孔，然后装入吸烟机配合插件与温度传感器连接部件，物体感应锁紧装置将感应 到该部件的存在，将其锁紧；将温度传感器组按照设定温度传感器进位深度限位装置的限 位装入吸烟机配合插件与温度传感器连接部件，而后预打孔针器与温度传感器组自动切换 装置启动，将温度传感器组插入被测卷烟中，固定吸烟机配合插件与温度传感器连接部件， 该装置的工作过程结束。其中，在控制程序的指导下，预打孔针器组装置可被选择不参与工 作，而温度传感器组可以在定位后，直接插入被测卷烟中，即温度传感器组在控制程序的指 导下可独立完成对被测卷烟的定位插入。本发明自动控制原理方法是通过操作面板、PLC、电磁阀、气缸及感应元件组合实 现。其工作过程可描述为首先对温度分布检测仪各单元工作过程通过PLC编制控制程序； 其次操作面板执行控制程序，控制程序控制电磁阀驱动气缸实现需要执行的动作。其中某 些特定步骤中感应元件的信号输出给控制程序，控制程序控制电磁阀驱动气缸实现需要执 行的动作。本发明具有如下优点1、PLC、计算机以及与吸烟机的配合使用(联用)实现了卷烟燃吸温度分布检测的
自动化。2、能够精确控制温度传感器在被测卷烟中的位置，其位置精度为0. 01mm。3、温度传感器组的远距离插入不影响卷烟燃吸过程中空气在卷烟周围的自然对 流，同时与吸烟机配合插件设计不影响通风滤嘴的吸烟结果。4、温度传感器组的模块化、预打孔和自动的快速插入设计降低了制作过程中对温 度传感器损害，延长温度传感器的使用寿命。5、能够与各种类型的吸烟机较好匹配，同时可以对通过改变卷烟扶持器实现对不 同直径的卷烟实现燃吸温度分布的检测。6、数据采集与控制系统的设计实现了准确、快速、稳定、无衰减数据采集，同时能 够根据用户需要设定采集的工艺参数，实现了该检测仪与吸烟机的工作条件的有效联用， 克服了人为操作中对检测结果的影响。其中时间的控制精度小于0. Is
7、卷烟燃吸温度分布检测部件制作过程中的安全保护装置的设置，有效保护了操 作者的安全。8、一体化的温度传感器组真正实现了检测过程安装时的即插即用，即保护了微细 温度传感器组，同时方便了使用者的使用。9、该装置能够为研究者与质量检测者提供个性化的设置与操作。
图1为本发明卷烟燃吸温度分布检测仪结构及控制关系示意图。图1中图1中1.操作面板(触摸屏式、键盘式或计算机式)；2.可编程控制器 (PLC) ；3. PLC执行单元(气动模式下为电磁阀，电动模式下为伺服驱动单元)；4. PLC执行 单元与具体动作执行单元接口(图中为其中一个接口)；5.卷烟燃吸温度分布检测用温度 传感器自动进位装置；6.传感器进位深度限位装置；7.卷烟夹持装置(与吸烟机匹配)； 8_1 8_5.压缩空气管路或电缆线；9_1 9_3.电缆线；43.被测卷烟图2为卷烟夹持装置(与相应吸烟机匹配)结构轴侧图。图2-A为图2的主视图。图2-B为图2的侧视图。图2-C为图2的俯视图。图2中10_1.云台；11.夹持装置中动作执行元件(气缸或步进电机)；12.联用 式配合插件；12_1.卷烟固定嘴及烟气通道；12_2.联用式捕集器；12_3.剑桥滤片；12_4. 剑桥滤片尾端封盖；13.夹持装置中横向螺旋测微器；14.夹持装置中纵向螺旋测微器； 15.夹持装置中物体感应装置图3为温度传感器组进位深度限位单元结构轴测图。图3-A为图3的主视图。图3-B为图3的侧视图。图3-C为图3的俯视图。图3中10_3云台；16.进位深度限位装置中螺旋测微器；17.位移固定挡块； 18.卷烟扶持器；19.联动负压锁紧装置；20.进位深度限位装置中整体位置调整部件图4为温度传感器自动进位单元轴侧图。图4-A为图4的主视图。图4-B为图4的侧视图。图4-C为图4的俯视图。图4中10_2云台；21.预打孔针器组(包括6 10支针器，等间距排列)；22.温 度传感器组(包括6 10支温度传感器，等间距排列)；23.吸烟机配合插件与温度传感器 连接部件；24.温度传感器进位装置中物体感应装置；25.吸烟机配合插件与温度传感器连 接部件的锁紧执行元件；26_1预打孔针器组和温度传感器组插入执行元件；沈_2预打孔针 器与温度传感器组切换执行元件图5为卷烟燃吸温度分布检测仪控制原理图。图6为卷烟燃吸温度分布检测仪操作面板操作流程7为多组温度传感器组检测中的数据采集装置及控制系统示意图
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图7中27.吸烟机；28. η组(用户根据检测要求设置或安装连接)温度传感器； 29.补偿导线；30.信号调理模块；31.高速采集卡(> 100MHz) ；31_1.高速采集卡中模拟 量采集端口 ；31_2.高速采集卡I/O通道；32计算机及测试控制软件；33.感应元件图8为多组温度传感器组检测中的数据采集及控制原理9为多组温度传感器组检测中的数据采集控制软件主界面图9中34.工艺参数设置；35.程序运行开始停止开关；36.数据记录图10为多组温度传感器检测数据表截11为针对卷烟燃吸检测后的得到的温度分布后图像处理分析12为温度分布检测部件制作的安全保护装置图12中37.安全指示灯；38.蜂鸣器；39.感应元件图13为温度分布检测部件制作中安全保护装置控制方案一的原理14为温度分布检测部件制作中安全保护装置控制方案二的原理15为一体化的温度传感器组示意15中40.微细温度传感器；41.固定的金属夹块；42.多针快插接头图16为温度分布检测部件示意16中43.被测卷烟；44.温度传感器组压板；45.固定螺母
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步详细说明。本发明卷烟燃吸温度分布检测仪，包括温度分布检测装置和该检测装置的自动控 制系统，自动控制系统是由操作面板(1)、PLC(幻、PLC执行单元(3)、感应元件以及受控制 程序支配的电磁阀驱动气缸系统组成，其中温度分布检测装置包括温度传感器自动进位 装置(5)、温度传感器进位深度限位装置(6)和与吸烟机匹配的卷烟夹持装置(7)。所述 PLC执行单元C3)分别通过连接线(8)与温度传感器自动进位装置(5)、温度传感器进位深 度限位装置(6)、卷烟夹持装置(7)相连接。各部分之间的连接关系为控制硬件中操作面板(1)通过电缆与控制硬件中的 PLC(2)连接；PLC通过电缆与PLC执行单元(3)(气动模式下为电磁阀，电动模式下为伺服 驱动单元)连接；PLC执行单元C3)通过连接线(8)分别与卷烟夹持装置(与相应吸烟机 匹配)(图2所示)、温度传感器组进位深度限位装置(图3所示)和温度传感器自动进位 装置(图4所示)等相连。该发明实现的工作过程是在卷烟燃吸温度分布检测用部件制作控制方法(图5) 的指导下，通过操作面板1对测试过程进行操作，操作面板1可采用触摸屏式控制、机械按 键式控制或计算机式控制来实现。首先将吸烟机的联用式配合插件12从吸烟机27中取下， 该联用式配合插件12是指该仪器在使用时，需要针对不同类型的吸烟机27制作相对应的 配合插件12，市场中常用的吸烟机类型为20通道的直线型吸烟机，其卷烟在检测时直接插 入吸烟机的吸烟部位，本实施方式的说明中是以此吸烟机27为具体实施例进行描述操作 过程。该部分如图2所示，该部分包括卷烟固定嘴及烟气通道12_1、联用式捕集器12_2、剑 桥滤片12_3和剑桥滤片尾端封盖12_4组成，该配合插件的关键技术在于对联用式捕集器 12_2的设计，即可针对不同的吸烟机卷烟固定嘴设计相应的配合插件12，期间各部分的连接是通过紧密卡槽的扣式配合连接。在配合插件12的固定嘴12_1上放置被测卷烟43后， 一同放置于卷烟夹持装置(图2、中，夹持装置中物体感应装置15自动感应到此配合插件 12后，启动夹持装置中动作执行元件11，自动锁紧配合插件，同时联动限位装置(图3)，启 动该装置(图幻中的联动负压锁紧装置19将被测卷烟43利用负压锁紧固定；在自动制样 装置控制系统(图5)的指导下，在操作面板1上按键启动卷烟燃吸温度分布检测仪用温度 传感器自动进位装置(图4)，该装置中的预打孔针器组21开始工作，即启动预打孔针器组 和温度传感器组插入执行元件26_1，利用预打孔针器组21在卷烟设定位置打入被测卷烟 43半径深度的导向孔，动作结束后，启动预打孔针器与温度传感器组切换执行元件沈_2 ； 将温度传感器组22放置于进位装置(图4)上定位固定(插入深度依据进位深度限位装置 (图3)的设置)；启动自动进位装置(图4)中预打孔针器组和温度传感器组插入执行元件 26_1，将固定好的温度传感器组22插入被测卷烟43 ；将吸烟机配合插件与温度传感器组连 接部件23连接；在自动制样装置控制系统(图幻的指导下，在操作面板1上按键退出卷烟 燃吸温度分布检测用部件制作程序(图幻。将固定在一起的吸烟机配合插件12、温度传感 器组22和其两者间的连接部件23与被测卷烟转移，安装至吸烟机27 ；启动吸烟机27工作 模式，开始按设定要求吸烟；当吸烟机27运行至数据采集设定时刻，开启数据采集与控制 系统(图7、图8和图9)，将此状态下的轴向温度数据采集至控制计算机中，实验完成后，保 存该次数据(图10)，以便对多组数据进行后处理(图11)。 所述卷烟燃吸温度分布检测仪用卷烟夹持装置(与相应吸烟机匹配)(图幻包括 云台10_1、针对个性化的吸烟机设置的配合插件12、夹持装置中横向纵向两个螺旋测微器 13和14、物体感应装置15和动作执行元件11等组成。针对个性化的吸烟机设置的配合插 件12需要针对不同类型的吸烟机制作相对应的配合插件12，针对市场中常用的20通道的 直线型吸烟机，如图2所示，该配合插件12包括卷烟固定嘴及烟气通道12_1、联用式捕集器 12_2、剑桥滤片12_3和剑桥滤片尾端封盖12_4组成，该配合插件的关键技术在于对联用式 捕集器122的设计，即可针对不同的吸烟机卷烟固定嘴设计相应的配合插件12。夹持装置 (图2)中横向螺旋测微器13与纵向螺旋测微器14，分别固定在云台10_1上，以此根据被测 卷烟尺寸和设定插入位置调整云台10_1位置，精度在0. 01mm，夹持装置中物体感应装置15 固定安装在云台10_1中方便检测联用式配合插件12是否放入的位置。该装置的工作过程 可描述为，在卷烟燃吸温度分布检测用部件制作控制方法(图幻的指导下，通过操作面板1 对测试过程进行操作。首先，根据被测卷烟43的直径，调整该夹持装置(图幻中横向螺旋 测微器13，使云台10_1横向移动，使之满足被测卷烟直径的要求，该云台10_1的横向位移 精度为0.01mm;而后，根据被测卷烟需要检测的位置，调整该夹持装置(图2)中纵向螺旋 测微器14，使云台10_1纵向移动，使之满足被测卷烟需要检测位置的要求，该云台10的纵 向位移精度为0. Olmm ；然后，将吸烟机的配合插件12从吸烟机中取下，和在配合插件12的 固定嘴12_1上放置被测卷烟43后，一同放置于卷烟夹持装置(图幻中，夹持装置中物体 感应装置15自动感应到此配合插件12后，启动夹持装置中动作执行元件11，自动锁紧配合 插件12，同时联动限位装置(图幻，启动该装置中的联动负压锁紧装置19将卷烟在卷烟扶 持器18位置利用负压锁紧固定，其中在启动夹持装置中动作执行元件11时，为了便于将配 合插件稳定、安全放置制定位置，在卷烟燃吸温度分布检测用部件制作控制方法(图5)中 可用户自行设置延时动作执行时间，其范围为0秒 4秒，控制方法中的默认延时时间为2秒；在控制方法(图幻的指导下，完成预打孔、定位，温度传感器组定量插入等步骤后，将吸 烟机配合插件与温度传感器连接部件固定连接，松开该装置对吸烟机配合插件12的固定， 该装置的工作过程结束。所述的卷烟燃吸温度分布检测仪用温度传感器组进位深度限位装置(图幻包括 云台10_3、进位深度限位装置中螺旋测微器16、位移固定挡块17、卷烟扶持器18、.联动负 压锁紧装置19和进位深度限位装置中整体位置调整部件20组成。该装置中的卷烟扶持器 18可根据被测卷烟直径调整扶持器18的种类，即通过调整可以检测细支烟，正常卷烟以及 雪茄烟等种类的卷烟样品，可设置若干了卷烟扶持器18，来满足不同类型卷烟样品的检测 要求，测试中选择半径略大于卷烟半径的扶持器18安装在该装置(图幻中。进位深度限 位装置中螺旋测微器16、卷烟扶持器18和联动负压锁紧装置19、进位深度限位装置中整体 位置调整部件20分别通过固定螺栓紧密连接于云台10_3上中下三个部位。该装置的工作 过程可描述为首先在检测前，根据被测卷烟选择合适的卷烟扶持器18，安装在该装置(图 3)中，调整该装置中整体位置调整部件20，使其处于设定位置后，准备工作结束。然后在卷 烟燃吸温度分布检测用部件制作控制方法(图5)的指导下，将吸烟机的配合插件12从吸 烟机中取下，和在配合插件12的固定嘴12_1上放置被测卷烟后，一同放置于卷烟夹持装置 (图2)中，夹持装置中物体感应装置15自动感应到此配合插件12后，启动夹持装置中动作 执行元件11，自动锁紧配合插件12，同时联动限位装置(图幻，启动该装置中的联动负压锁 紧装置19将卷烟在卷烟扶持器18位置利用负压锁紧固定，紧贴于扶持器上18，当被测卷烟 设定位置导向针孔完成后，根据卷烟检测需要的插入深度要求(经精确至0. Olmm)，旋转螺 旋测微器16旋钮，定量移动(位移精度为0. Olmm)位移固定挡块，即可准确控制温度传感 器组的插入深度。该装置(图3)的工作过程结束。本发明中所述卷烟燃吸温度分布检测用温度传感器自动进位装置包括云台102、 预打孔针器组(包括6 10支针器，等间距排列，间距可定制，其间距等于温度传感器组的 间距)21、温度传感器组(包括6 10支温度传感器，等间距排列，间距可定制)22、预打孔 针器与温度传感器组切换执行元件26、吸烟机配合插件与温度传感器连接部件23、温度传 感器进位装置中物体感应装置M和吸烟机配合插件与温度传感器连接部件的锁紧执行元 件25等组成。其中温度传感器组的需要远距离插入(不小于IOmm)和固定，即吸烟机配合 插件与温度传感器连接部件与被测卷烟的距离不小于10mm，此时可保证该连接不影响卷烟 燃吸过程中空气在卷烟周围的自然对流，同时与吸烟机配合插件设计不影响通风滤嘴的吸 烟结果。自动进位装置(图4)中各部件的连接关系可描述为，预打孔针器组21固定与云 台10_2的下部(预打孔针器组和温度传感器组插入执行元件的上部)，云台10_2与 预打孔针器、预打孔针器组和温度传感器组插入执行元件26_1和温度传感器组切换执行 元件沈_2上中下通过固定螺栓紧密连接。该装置的工作过程可描述为在控制方法(图5) 的指导下，启动该装置后，选择确认后，首先预打孔针器组21开始工作，即启动预打孔针器 组和温度传感器组插入执行元件沈_1，利用预打孔针器组21在卷烟设定位置打入被测卷 烟43半径深度的导向孔；然后装入吸烟机配合插件与温度传感器连接部件23，温度传感器 进位装置中物体感应装置M感应到连接部件23已经进行合适位置，启动吸烟机配合插件 与温度传感器连接部件的锁紧执行元件25，将自动锁紧该连接部件23，根据温度传感器进 位深度的限位装置(图幻的设置，将温度传感器组22安装至设定位置，同时固定；其中在启动吸烟机配合插件与温度传感器连接部件的锁紧执行元件25时，为了便于将配合插件 稳定、安全放置制定位置，在卷烟燃吸温度分布检测用部件制作控制方法(图幻中在此处 提供给用户自行设置延时动作执行时间，其范围为0秒 4秒，控制方法中的默认延时时间 为2秒；然后，在操作面板上按钮执行下一步操作，启动预打孔针器与温度传感器组切换执 行元件沈，将温度传感器组22快速插入设定进位深度的被测卷烟43中，而后固定吸烟机配 合插件与温度传感器连接部件23到配合插件12上。该装置(图4)与卷烟夹持装置(与 相应吸烟机匹配)(图2) —起离开此位置，方便将制作的检测部件12、22、23取出。该装置 的工作过程结束。 卷烟燃吸温度分布检测部件制作的自动控制方法的实现主要通过硬件(图1)和 控制方法设计(控制原理见图幻两部分组成。卷烟燃吸温度分布检测部件制作的自动控 制方法所涉及到的硬件主要包括操作面板1 (触摸屏式、键盘式或计算机式)、可编程控制 器(PLC)2、PLC执行单元(气动模式下为电磁阀，电动模式下为伺服驱动单元)3、动作执行 单元(气缸或步进电机)4、卷烟燃吸温度分布检测用温度传感器自动进位装置5、传感器 进位深度限位装置6、卷烟夹持装置(与吸烟机匹配)7、压缩空气管路或电缆线8_1 8_5 和电缆线9_1和9_2等组成。附图5为卷烟燃吸温度分布检测仪用自动制样装置控制原理 图，附图6为卷烟燃吸温度分布检测仪用自动制样装置的操作面板控制的操作流程图。卷 烟燃吸温度分布检测部件制作的自动控制方法的实现过程可描述为按照控制原理图(图 5)设计操作面板控制的操作流程图(图6)，首先根据软件人机交互界面或信号提示进入系 统；而后，点击制样开始按钮(图6)，程序开始运行，夹持装置中物体感应装置15此时需要 感应判断夹持装置中是否放置了配合插件12，当感应到配合插件12后，并将信息传输至可 编程控制器(PLC)2中，判断是否启动夹持装置中动作执行元件11，若是，则启动夹持装置 中动作执行元件11，自动锁紧配合插件，同时联动限位装置(图幻，启动该装置中的联动负 压锁紧装置将卷烟利用负压锁紧固定，若否，继续等待，并在一定的时间内给出操作提示， 并继续等待；第三，点击通过判断是否启动预打孔(图6)按钮，若选择启动，则通过可编程 控制器(PLC) 2，可编程控制器(PLC) 2发出指令给PLC执行单元(气动模式下为电磁阀，电 动模式下为伺服驱动单元)3，PLC执行单元(气动模式下为电磁阀，电动模式下为伺服驱 动单元)3控制动作执行单元(气缸或步进电机)4指令预打孔针器组和温度传感器组插入 执行元件沈_1，将预打孔针器组21在已经固定好的卷烟的设定位置打出若干个(6个 10 个)被测卷烟43半径深度的导向孔，若选择不进行预打孔，则可直接进入下一程序，并在操 作面板1上信号提示；待完成该操作后，调节在温度传感器进位深度限位装置(图幻中螺 旋测微器16，安装温度传感器组22。第四，点击温度传感器插入(图6)按钮，则通过可编 程控制器(PLC) 2，可编程控制器(PLC) 2发出指令给PLC执行单元(气动模式下为电磁阀， 电动模式下为伺服驱动单元)3，PLC执行单元(气动模式下为电磁阀，电动模式下为伺服驱 动单元)3控制动作执行单元(气缸或步进电机)4指令预打孔针器组和温度传感器组插入 执行元件，将温度传感器组22快速插入设定进位深度的被测卷烟43中，而后固定吸烟 机配合插件与温度传感器连接部件23到配合插件12上，固定好相关连接后，点击操作完成 (图6)按钮，则通过可编程控制器(PLC) 2，可编程控制器(PLC) 2发出指令给PLC执行单元 (气动模式下为电磁阀，电动模式下为伺服驱动单元)3，PLC执行单元(气动模式下为电磁 阀，电动模式下为伺服驱动单元)3控制动作执行单元(气缸或步进电机)4启动执行松开配合插件12等动作。控制过程结束。其中信号传输与指令动作的执行通过连接与各部件 间的压缩空气管路或电缆线8_1 8_5和电缆线9_1和9_2连接。卷烟燃吸温度分布检测中的数据采集及控制方法(图7，8，9)通过η组(用户根 据检测要求设置或安装连接)温度传感器观、补偿导线四、信号调理模块30、高速采集卡 (> 100MHz) 31、计算机及测试控制软件32、吸烟机27、感应元件33组合实现。其间各部件 的连接与传输是通过连接电缆9_3连接。结合图7，8，9其工作过程可描述为首先对打开 计算机中的测试控制软件32，进入系统操作界面(图9)，对本次测试中所采用的工艺参数 设置34进行人工输入(工艺参数设置34如开始采集口数或时间、中止采集口数或时间、 数采频率等信息)(图9)，然后，在吸烟机27中装载测试样品，启动吸烟机27，开始工作，感 应元件33将吸烟机27相关信息采集至高速采集卡31内，通过高速采集卡I/O通道31_2， 将此信息传输至计算机中的控制程序32，与工艺参数34的设定相比，若满足条件后，开始 数据记录36，若不满足，则继续等待。其数据信息的来源是通过多组温度传感器观经补偿 导线四传输至信号调理模块30，对信号调理后，将信号传输至高速采集卡中模拟量采集端 口 31_1，由高速采集卡31传输至计算机测试控制软件32中，将满足工艺参数设置34要求 的数据记录36保存，当达到工艺参数设置34要求的停止条件时，中止数据采集，测试控制 程序将按要求保存结果(图10)，保存的多组结果可以方便进行后处理分析(图11，数据分 析的条件为8支不同卷烟纸透气度的卷烟第三口抽吸过程中Is时刻的温度分布对比图)。所述温度分布检测部件制作过程中的安全保护装置是通过以下两种方案实现。1、 在操作面板上分步操作时显示明显的安全警示标语和信号指示灯；其操作可以对让使用者 自行选择安全运行模式(安全级别设置为中级)，可将此安全运行方案加入卷烟燃吸温度 分布检测部件制作的自动控制方法中得到实现。附图13为温度分布检测部件制作中安全 保护装置控制方案一的原理图。方案一中将安全指示灯37和蜂鸣器38可固定安装在操作 面板。方案一的实现过程可以描述为按照控制原理图(图5)设计操作面板控制的操作 流程图(图6)，首先根据软件人机交互界面或信号提示进入系统；而后，点击制样开始按钮 (图6)，程序开始运行，夹持装置中物体感应装置15感应判断夹持装置中是否放置了配合 插件12当感应到此配合插件12后，并将信息传输至可编程控制器(PLC)2中，判断是否启 动夹持装置中动作执行元件11，若是，则启动夹持装置中动作执行元件11，自动锁紧配合 插件，同时联动限位装置(图幻，启动该装置中的联动负压锁紧装置将卷烟利用负压锁紧 固定，若否，继续等待，并在一定的时间内给出操作提示，并继续等待；当控制程序允许进行 下一步操作时，操作面板上安全指示灯37亮起，同时蜂鸣器38响起，若有操作面板为触摸 屏或是计算机时，同时在显示的明显位置提示安全信息，请操作者注意安全操作；第三，点 击启动预打孔(图6)按钮，点击后，操作面板上安全指示灯37灭，同时蜂鸣器38关闭，若 有操作面板为触摸屏或是计算机时，显示在明显位置的安全信息自动取消，接下来通过可 编程控制器(PLC) 2，可编程控制器(PLC) 2发出指令给PLC执行单元(气动模式下为电磁 阀，电动模式下为伺服驱动单元)3，PLC执行单元(气动模式下为电磁阀，电动模式下为伺 服驱动单元)3控制动作执行单元(气缸或步进电机)4将启动预打孔针器组21，在已经固 定好的卷烟的设定位置打出若干个(6个 10个)被测卷烟半径深度的导向孔；待完成该 操作后，调节在温度传感器进位深度限位装置(图幻中螺旋测微器16，安装温度传感器组 22，等该动作完成后，同时控制程序允许进行下一步操作时，操作面板上安全指示灯37亮起，同时蜂鸣器38响起，若有操作面板为触摸屏或是计算机时，同时在显示的明显位置提 示安全信息，请操作者注意安全操作；第四，点击温度传感器插入(图6)按钮，点击后，操作 面板上安全指示灯37灭，同时蜂鸣器38关闭，若有操作面板为触摸屏或是计算机时，显示 在明显位置的安全信息自动取消，接下来通过可编程控制器(PLC)2，可编程控制器(PLC)2 发出指令给PLC执行单元(气动模式下为电磁阀，电动模式下为伺服驱动单元)3，PLC执行 单元(气动模式下为电磁阀，电动模式下为伺服驱动单元)3控制动作执行单元(气缸或步 进电机)4将启动温度传感器组22，将温度传感器组22快速插入设定进位深度的被测卷烟 中，而后固定吸烟机配合插件与温度传感器连接部件23到配合插件12上，待固定好相关连 接后，点击操作完成(图6)按钮，则通过可编程控制器(PLC) 2，可编程控制器(PLC) 2发出 指令给PLC执行单元(气动模式下为电磁阀，电动模式下为伺服驱动单元)3，PLC执行单元 (气动模式下为电磁阀，电动模式下为伺服驱动单元)3控制动作执行单元(气缸或步进电 机)4启动执行松开配合插件12等动作。控制过程结束。 2、在预打孔针器组和温度传感器组周围设置物体感应元件。其操作可以对让使用 者自行选择安全运行模式(安全级别设置为高级)，可将此安全运行方案加入卷烟燃吸温 度分布检测部件制作的自动控制方法中得到实现。附图14为温度分布检测部件制作中安 全保护装置控制方案二的原理图。方案二中感应元件39固定安装在卷烟燃吸温度分布检 测仪用部件制作装置中可能造成危险位置。方案二的实现过程可以描述为按照控制原理 图(图5)设计操作面板控制的操作流程图(图6)，首先根据软件人机交互界面或信号提 示进入系统；而后，点击制样开始按钮(图6)，程序开始运行，夹持装置中物体感应装置15 感应判断夹持装置中是否放置了配合插件12当感应到此配合插件12后，并将信息传输至 可编程控制器(PLC)2中，判断是否启动夹持装置中动作执行元件11，若是，则启动夹持装 置中动作执行元件11，自动锁紧配合插件，同时联动限位装置(图3)，启动该装置中的联 动负压锁紧装置将卷烟利用负压锁紧固定，若否，继续等待，并在一定的时间内给出操作提 示，并继续等待；当控制程序允许进行下一步操作时，此时设置在在预打孔针器组21和温 度传感器组22周围的物体感应元件39启动，并将感应信号传输支控制程序，由控制程序进 行安全性判断，若周围有物体存在，则控制程序不能执行下一步操作，同时若有操作面板为 触摸屏或是计算机时，同时在显示的明显位置提示安全信息，请操作者注意安全操作，当操 作环境安全时，可进行下一步操作；第三，点击启动预打孔(图6)按钮，通过可编程控制器 (PLC) 2，可编程控制器(PLC) 2发出指令给PLC执行单元(气动模式下为电磁阀，电动模式 下为伺服驱动单元)3，PLC执行单元(气动模式下为电磁阀，电动模式下为伺服驱动单元)3 控制动作执行单元(气缸或步进电机)4将启动预打孔针器组21，在已经固定好的卷烟的 设定位置打出若干个(6个 10个)被测卷烟半径深度的导向孔；在整个预插孔的操作中， 安全设置的物体感应器39始终处于开启状态，当该动作完成后，自动关闭安全设置的物体 感应器39，同时在明显位置显示的安全信息自动取消，等待控制程序进行下一步操作；调 节在温度传感器进位深度限位装置(图幻中螺旋测微器16，安装温度传感器组22，等该动 作完成后，同时控制程序允许进行下一步操作时，此时设置在在预打孔针器组21和温度传 感器组22周围的物体感应元件39启动，并将感应信号传输支控制程序，由控制程序进行安 全性判断，若周围有物体存在，则控制程序不能执行下一步操作，同时若有操作面板为触摸 屏或是计算机时，同时在显示的明显位置提示安全信息，请操作者注意安全操作，当操作环
13境安全时，可进行下一步操作；第四，点击温度传感器插入(图6)按钮，通过可编程控制器 (PLC) 2，可编程控制器(PLC) 2发出指令给PLC执行单元(气动模式下为电磁阀，电动模式 下为伺服驱动单元)3，PLC执行单元(气动模式下为电磁阀，电动模式下为伺服驱动单元)3 控制动作执行单元(气缸或步进电机)4将启动温度传感器组22，将温度传感器组22快速 插入设定进位深度的被测卷烟中，在整个温度传感器组插入卷烟设定位置的操作中，安全 设置的物体感应器39始终处于开启状态，当该动作完成后，自动关闭安全设置的物体感应 器39，同时在明显位置显示的安全信息自动取消，等待控制程序进行下一步操作；而后固 定吸烟机配合插件与温度传感器连接部件23到配合插件12上，待固定好相关连接后，点击 操作完成(图6)按钮，则通过可编程控制器(PLC) 2，可编程控制器(PLC) 2发出指令给PLC 执行单元(气动模式下为电磁阀，电动模式下为伺服驱动单元)3，PLC执行单元(气动模式 下为电磁阀，电动模式下为伺服驱动单元)3控制动作执行单元(气缸或步进电机)4启动 执行松开配合插件12等动作。控制过程结束。 一体化的温度传感器组包括微细温度传感器40、固定的金属夹块41、补偿导线四 和多针快插接头42等部分组成。是实现方式可描述为多支微细温度传感器40 (可以是任 意类型的温度传感器，需要满足的要求为微细温度传感器的外经不大于0. 5mm，测温范围不 低于900°C )；本实施例中温度传感器组22采用的温度传感器40为8支K型微细热电偶 40，其直径为0. 3mm。多支温度传感器40通过固定的金属夹块41能够等距的将温度传感器 40固定，其之间的距离可根据使用者的需要制作；而后将温度传感器40的末端通过补偿导 线四软连接出来(之间的连接可以是插接件或是永久性接头)，连接出的补偿导线四固定 接入多针快插接头42，方便与多组温度传感器组22检测中的数据采集及控制系统装置(图 7)中的信号调理单元30分离操作和快速连接。
权利要求
1.一种卷烟燃吸温度分布检测仪，其特征在于包括温度分布检测装置和该检测装置 的自动控制系统，所述自动控制系统是由操作面板(1)、PLC(2)、PLC执行单元(3)、感应元 件以及受控制程序支配的电磁阀驱动气缸系统组成，所述温度分布检测装置包括温度传感 器自动进位装置(5)、温度传感器进位深度限位装置(6)和与吸烟机匹配的卷烟夹持装置 (7)；所述温度传感器自动进位装置( 包括预打孔针器组(21)、设置在针器组上方云台 (10-2)上的温度传感器组(22)、预打孔针器组与温度传感器组插入执行元件Q6-1)和自 动切换元件(沈-2)、吸烟机配合插件与温度传感器连接部件(23)、物体感应元件(M)、物 体感应锁紧元件0 组成；所述温度传感器进位深度限位装置(6)包括限位单元云台(10-3)、螺旋测微器(16)、 设置在限位单元云台上的位移固定挡块(17)和卷烟扶持器(18)、联动负压锁紧机构(19)、 整体位置调整部件OO)组成；所述与吸烟机匹配的卷烟夹持装置(7)包括夹持单元云台(10-1)、插装在单元云台上 的配合插件(1 、横向纵向螺旋测微器(13、14)、物体感应元件(1 、动作执行元件(11)组 成，夹持单元云台通过横向纵向螺旋测微器13、14)移动位置。
2.根据权利要求1所述的卷烟燃吸温度分布检测仪，其特征在于PLC执行单元(3)分 别通过连接线(8)与温度传感器自动进位装置(5)、温度传感器进位深度限位装置(6)、卷 烟夹持装置(7)相连接。
3.—种权利要求1所述的卷烟燃吸温度分布检测仪的自动控制方法，其特征在于通 过系统的操作面板(1)对检测过程进行操作，操作面板采用触摸屏控制、机械按键控制或 计算机控制来实现，首先将吸烟机的配合插件从吸烟机中取下，在配合插件上放置被测卷 烟^幻后，一同放置于卷烟夹持装置(7)中，夹持装置自动感应到此插件后，自动锁紧插 件，同时联动限位装置(6)，将卷烟锁紧固定；按键启动温度传感器自动进位装置(5)，其装 置中的预打孔针器组开始工作，在卷烟设定位置打入被测卷烟半径深度的导向孔；将温度 传感器放置于进位装置上固定；按键启动插入温度传感器，将温度传感器定位插入卷烟烟 支中；将吸烟机配合插件(包括已经插入温度传感器烟支)与温度传感器进行连接；控制 退出夹持器的制作程序，将连接好的吸烟机配合插件、温度传感器与被测卷烟一起转移安 装至吸烟机；启动吸烟机工作模式，开始按设定要求吸烟；当吸烟机运行至设定时刻，程序 将按工艺参数设定开启数据采集与控制系统，将此状态下的轴向温度数据采集至控制计算 机中，实验完成后，保存该次数据，以便对数据进行后处理。
全文摘要
一种卷烟燃吸温度分布检测仪，其特征在于包括温度分布检测装置和该检测装置的自动控制系统，所述自动控制系统是由操作面板(1)、PLC(2)、PLC执行单元(3)、感应元件以及受控制程序支配的电磁阀驱动气缸系统组成，所述温度分布检测装置包括温度传感器自动进位装置(5)、温度传感器进位深度限位装置(6)和与吸烟机匹配的卷烟夹持装置(7)。本发明的优点在于PLC、计算机以及与吸烟机的配合使用(联用)实现了卷烟燃吸温度分布检测的自动化，能够精确控制温度传感器在被测卷烟中的位置，提供了一种自动化程度较高的卷烟燃吸温度分布检测仪及其自动控制方法，可满足研究者和质量检测人员检测卷烟燃吸过程中温度分布的需要。
文档编号G01K13/00GK102109393SQ201010564689
公开日2011年6月29日 申请日期2010年11月30日 优先权日2010年11月30日
发明者刘民昌, 张彩云, 徐大勇, 李斌, 王兵, 罗登山, 袁东伟, 赵静芬 申请人:中国烟草总公司郑州烟草研究院