一种用于动态监测卷烟抽吸过程中烟气组分浓度的装置的制作方法

本实用新型涉及气体浓度检测装置，具体是一种动态监测卷烟抽吸过程中烟气组分浓度的装置。

背景技术：

卷烟在抽吸过程中，在高温燃烧区、蒸馏裂解区或是低温冷凝区，均包含一系列复杂的物理、化学变化。卷烟烟气是卷烟燃烧过程中产生的一种气溶胶，是已知组成最为复杂的体系之一。其中主流烟气是抽吸时从卷烟的滤嘴端通过的烟气，其有害成分可直接作用于人体器官，有害成分的类别和含量一起被用来判断烟气毒性，相关烟气组分的释放量可以用来反应烟支燃烧状态。但是，卷烟烟气组分与浓度随着抽吸过程的进行，一直处于动态变化的过程之中。卷烟燃烧状态又与烟气化学具有密切的相关性。因此，检测卷烟在抽吸过程中主流烟气内有害烟气成分的实时动态变化，对深入探索烟支燃烧热解机理、评估烟气毒性具有非常重要的意义。设计一种用于实时在线监测抽吸过程中烟气组分浓度的装置很有必要。

技术实现要素：

本实用新型主要解决的技术问题在于，针对现有技术中样品前处理耗时，检测步骤繁琐，且未能准确反映烟气组分动态变化的缺点，提供一种便捷、快速，用于表征烟气组分动态浓度的装置。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种动态监测卷烟抽吸过程中烟气组分浓度的装置，按烟气抽吸流向包括依次连通的吸烟机、吸烟机两通阀、多次反射气体吸收池、滤片、三通阀及烟支夹持器，在多次反射气体吸收池的光线入射端连接有光纤准直器、激光器以及激光电流控制器和激光温度控制器，在多次反射气体吸收池的光线接收端连接有光电探测器，所述激光电流控制器、激光温度控制器均与计算机相连接，所述光电探测器通过数据采集卡与计算机相连接，在吸烟机两通阀与多次反射气体吸收池之间的气路上通过真空泵两通阀连接有真空泵。

所述吸烟机为直线式吸烟机或转盘式吸烟机，吸烟机可为单通道或多通道。所述吸烟机的抽吸动力源为步进电机。

所述滤片为聚四氟乙烯（PTFE）薄膜滤片或剑桥滤片。

所述光纤准直器与多次反射气体吸收池之间通过一准直器端法兰固定调节座相连接，在该准直器端法兰固定调节座圆周方向上均布有三个腰型孔，多次反射气体吸收池端面上相应加工有三个螺纹孔；同时，准直器端法兰固定调节座一个端面设计成斜面，此斜面用于贴合多次反射气体吸收池的一个端面；三个螺钉分别装入准直器端法兰固定调节座在圆周上三个均布的腰型孔中，同时使准直器端法兰固定调节座斜面与多次反射气体吸收池端面贴合，并通过三个螺钉连接；当光线从光纤准直器中心线入射，沿着准直器端法兰固定调节座上中心孔的中心线传播。由于准直器端法兰固定调节座的贴合面是个斜面，如果此时调松准直器端法兰固定调节座上的螺钉，把准直器端法兰固定调节座旋转一定的角度，则入射光线就会在一个更小的弧度上旋转相应的角度，与此同时入射光线的入射点的位置也发生了变化。

所述光电探测器与多次反射气体吸收池之间通过一探测器端法兰固定调节座相连接，在该探测器端法兰固定调节座圆周方向上均布有三个腰型孔，多次反射气体吸收池端面上相应加工有三个螺纹孔；同时，探测器端法兰固定调节座一端面设计成斜面，此斜面用于贴合多次反射气体吸收池的一个端面；三个螺钉分别装入探测器端法兰固定调节座在圆周上三个均布的腰型孔中，同时使探测器端法兰固定调节座斜面与多次反射气体吸收池端面贴合，并通过三个螺钉连接；当光线从吸收池中出射时，沿着准探测端法兰固定调节座上中心孔的中心线传播，由于探测器端法兰固定调节座的贴合面是个斜面，如果此时调松探测器端法兰固定调节座上的螺钉，把探测器端法兰固定调节座旋转一定的角度，则出射光线就会在一个更小的弧度上旋转相应的角度，与此同时出射光线的出射点的位置也发生了变化。

上述准直器端法兰固定调节座与探测器端法兰固定调节座的不同之处是，准直器端法兰固定调节座中间设计的尺寸孔为光孔，而光电探测器端法兰固定调节座孔为螺纹孔，因为光电探测器上有相应的外螺纹，所以螺纹孔用于连接探测器。

所述多次反射气体吸收池的型号为集成式多次反射气体吸收池，其由探测器、光纤准直器和多次反射气体吸收池集成为一体。光纤准直器、光电探测器分别通过相应的准直器端法兰固定调节座、光电探测器端法兰固定调节座与多次反射气体吸收池集成为一体。

多次反射气体吸收池可以为赫里奥特气体吸收池以及怀特池其中的一种，体积在50-1000mL之间。

所述数据采集卡，数据采集卡内部设置有锁相放大器、A/D转换器。通过信号放大、二倍频谐波解调得到的二次谐波吸收信号，再经过模数转换后输送至计算机，以完成处理和显示。

本装置的工作机理及过程如下：吸烟机对卷烟进行抽吸，卷烟主流烟气经滤片过滤后进入多次反射气体吸收池。同时，经光纤准直器准直后的光束从多次反射气体吸收池入光孔入射，在吸收池内经多次反射后从出光孔出射，进而被光电探测器接收。光电探测器把光信号转化为电信号，电信号送入数据采集卡，信号经过锁相放大器进行放大、二倍频解调处理、前置放大器放大和数模转化后进入计算机进行数据处理和显示。动态抽吸检测完成后，通过协调控制真空泵、两通阀和三通阀，并且利用氮气对多次反射气体吸收池中的待测气体和抽吸管道中残留气体进行清洗。

所述激光器控制过程及原理如下，激光器由激光电流控制器和激光温度控制器控制。激光温度控制器在设定所需要的温度后，激光器产生特定波长的激光光束。激光电流控制器产生数十Hz的锯齿波信号，锯齿波信号控制一个慢的扫描电流，完成对特定中心波长待测气体吸收峰的扫描。扫描的范围由控制界面设置不同的起始电流和终止电流来进行控制。调制信号发生器产生数十kHz正弦波信号进行调制。

本实用新型的特点在于：集成式多次反射气体吸收池能节省调整光路的时间，同时由于光路在实验过程中固定，不易受到机械振动等因素干扰，让光电探测器探测到的输出光束非常稳定，不至于失去数据实时检测的准确性和可比性。这对动态检测尤为重要。准直器端法兰固定调节座、光电探测器端法兰固定调节座可以在一定角度旋转，进行角度的微调，这使得在微调光路更加便捷。激光扫描范围可调。通过设置不同的扫描频率，可以实现高时间分辨率的气体浓度检测，也就是在可检测卷烟在抽吸过程中实时动态分析主流烟气内有害烟气成分的变化状况。本实用新型装置操作简便，检测步骤简单，能实现准确地动态监测，监测的结果对深入探索烟支燃烧热解机理、评估烟气毒性具有非常重要的意义。

附图说明

图1是卷烟抽吸中烟气组分浓度在线检测装置示意图；

图1中：1.步进电机，2.吸烟机，3.真空泵两通阀，4.真空泵，5.光电探测器，6.多次反射气体吸收池，7.计算机，8.激光电流控制器，9.激光器，10.温度控制器，11.光纤，12.光纤准直器，13.三通阀，14.烟支夹持器，15.烟支，16.滤片，17.吸烟机两通阀，18.数据采集卡。

图2是集成吸收池光电探测器连接端示意图，

图2中：19.出气孔，20.光电探测器端法兰固定调节座，20-1.螺纹孔，20-2.腰型孔。

图3是集成吸收池光纤准直器连接端示意图，

图3中：21.进气孔，22. 光纤准直器端法兰固定调节座，22-1.光孔，22-2.腰型孔。

图4是为光电探测器端法兰固定调节座结构示意图,c,d,e分别为其全剖视图、主视图和左视图。

图5为光纤准直器端法兰固定调节座结构示意图，f,g,h分别为其全剖视图、主视图和左视图。

图6 是二次谐波调谐原理图。

图7 是TDLAS（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy）计算机控制面板界面。

图8 是卷烟抽吸过程中烟气组分浓度的动态检测曲线。

图9 是卷烟抽吸过程中烟气组分浓度的动态检测曲线的差分曲线。

具体实施方式

本实用新型以下结合附图做进一步描述：

如图1所示：一种动态监测卷烟抽吸过程中烟气组分浓度的装置，按烟气抽吸流向包括依次连通的吸烟机2、吸烟机两通阀17、多次反射气体吸收池6、滤片16、三通阀13及烟支夹持器14，在多次反射气体吸收池6的光线入射端连接有光纤准直器12、激光器9以及激光电流控制器8和激光温度控制器10，在多次反射气体吸收池的光线接收端连接有光电探测器5，所述激光电流控制器8、激光温度控制器10均与计算机7相连接，所述光电探测器5通过数据采集卡18与计算机7相连接，在吸烟机两通阀17与多次反射气体吸收池6之间的气路上通过两通阀3连接有真空泵4。

在本实用新型中，光纤准直器12与多次反射气体吸收池6之间通过一光纤准直器法兰固定调节座22相连接，光电探测器5与多次反射气体吸收池6之间通过一光电探测器法兰固定调节座20相连接，在光纤准直器法兰固定调节座22和光电探测器法兰固定调节座20上均对称加工有三个弧状腰型孔，以增加法兰盘安装时的转动角度。准直器端法兰固定调节座22在圆周上均布有三个腰型孔22-2，多次反射气体吸收池端面上相应的加工有三个螺纹孔，同时准直器端法兰固定调节座一端设计成斜面，此斜面用于贴合多次反射气体吸收池的一个端面。三个螺钉分别装入准直器端法兰固定调节座在圆周上三个均布的腰型孔中，同时使准直器端法兰固定调节座斜面与多次反射气体吸收池端面贴合，此时紧固三个螺钉以两个端面的连接。光线从光纤准直器中心线入射，沿着准直器端法兰固定调节座上中心孔的中心线传播。由于准直器端法兰固定调节座的贴合面是个斜面，如果此时调松准直器端法兰固定调节座上的螺钉，把准直器端法兰固定调节座旋转一定的角度，则入射光线就会在一个更小的弧度上旋转相应的角度，与此同时入射光线的入射点的位置也发生了变化。光电探测器端法兰固定调节座与准直器端法兰固定调节座除去一处不同，其他细节完全相同。不同之处是，准直器端法兰固定调节座22中间设计的尺寸孔为光孔22-1，而光电探测器端法兰固定调节座20孔为螺纹孔20-1，因为光电探测器5上有相应的外螺纹，所以螺纹孔用于连接探测器。从图4中的全剖视图c和图5中的全剖视图f可以清晰地看出结构的差异，全剖视图c中的孔为螺纹孔，全剖视图f中的孔为光孔。光电探测器端法兰固定调节座的螺纹孔可以直接和具有外螺纹的光电探测器连接，而光孔是用来穿过光纤准直器，之后由光纤准直器上的螺纹孔与光纤准直器法兰固定调节座连接。

光纤准直器12、光电探测器5分别通过相应的准直器端法兰固定调节座22、光电探测器端法兰固定调节座20与多次反射气体吸收池6集成为一体。具体结构参见图2、3、4、5。

本装置的检测过程及工作原理说明如下：

烟气采样系统建立在商用吸烟机2的基础上。实验按照ISO要求采用限制性抽吸模式，即对每支卷烟进行逐口抽吸,每口抽吸时间为2s，抽吸体积为35mL烟气，间隔58s后进行下一口抽吸,每支卷烟固定抽吸6口。为消除点烟带来的干扰，实验中采用电子自动点烟方式。卷烟的抽吸由步进电机1驱动活塞完成。PTFE滤片可以滤除大于等于0.22um的颗粒物。剑桥滤片可以滤除大于等于0.30um DOP标准颗粒的截留率大于99.9%，它是全球香烟标准“剑桥滤片法”的专用过滤介质，方法是利用吸烟机模拟人抽烟过程，通过剑桥滤片截留卷烟抽吸过程中的颗粒物和烟碱，通过HPLC测定焦油和尼古丁含量。抽吸的烟气首先通过剑桥滤片或者聚四氟乙烯（PTFE）薄膜滤片过滤掉颗粒物，以防止污染光学系统，然后经由三通阀13进入多次反射气体吸收池6。

多次反射气体吸收池6同时可用于固定和开放光程气体浓度的检测。多次反射气体吸收池6可为型号为HT-3S、HT-10M、HT-15L气体吸收池或其他赫里奥特气体吸收池以及怀特池其中的一种。多次反射气体吸收池体积在50-1000mL之间。

激光电流控制器8和温度控制器10向激光器9提供50Hz的锯齿波扫描信号和40KHz的正弦波调制信号，激光器9输出波长在待测气体中心吸收波长附近扫描。激光光束通过多次反射气体吸收池6，经多次反射后被聚焦到光电探测器5上。光电探测器5捕捉到的微弱信号经过锁相放大器进行放大处理和二倍频谐波解调得到二次谐波吸收信号。最后经过A/D转换送至计算机7进行处理。

检测完成之后，将两通阀17关闭，两通阀3开启，三通阀13切换位置与氮气瓶连接，在真空泵4抽吸作用下完成多次反射气体吸收池6的清洗工作，为下一口烟气的检测做好准备。

如图2、3所示，光纤准直器通过光纤准直器法兰固定调节座连接在多次反射气体吸收池6的光线入射端，光电探测器5通过光电探测器端法兰固定调节座固定在多次反射气体吸收池6的光线出射端，这种新型设计节省调整光路的时间，同时由于光路在实验过程中固定，不易受到机械振动等因素干扰，让探测器探测到的输出光束非常稳定，不至于失去数据实时检测的准确性和可比性。

当光线从光纤准直器入射时，光线就沿着图5的中心点划线传播，如果此时调节图5上的螺钉，把图5中的光纤准直器法兰固定调节座旋转一定的角度，则入射光线就会在更小的弧度上旋转相应的角度。通过改变旋转图5角度的大小，即可调节入射光线射入的角度，当然入射点的位置在调节过程中也相应的变化了。与此同时，在光线出射端，旋转图4中的光电探测器端法兰固定调节座，同样可以微调光电探测器上的方形感光面的位置和角度，进而使光电探测器感光面接收到出射光线，实现光线的接收和光电转换。

如图6和7所示，在控制面板上设置控制器温度，从而激光器产生一定中心波长的激光光束。同时在扫描电流调节面板设置起始电流和截止电流用来实现在中心波长周围小范围的扫描。中心波长对应着待测气体的波长，扫面电流的范围按待测气体的吸收线型函数的半宽和避免其他气体的交叉干扰而定。

激光器由激光电流控制器和激光温度控制器控制。激光温度控制器在设定所需要的温度后，激光器产生特定波长的激光光束。激光电流控制器产生数十Hz的锯齿波信号，锯齿波信号控制一个慢的扫描电流，完成对特定中心波长待测气体吸收峰的扫描。扫描的范围由控制界面设置不同的起始电流和终止电流来进行控制。调制信号发生器产生数十kHz正弦波信号进行调制。调制信号驱动激光器产生相应的光束，在多次反射气体吸收池内经多次反射后从出光孔出射，进而被光电探测器接收。光电探测器把光信号转化为电信号，电信号送入数据采集卡，信号经过锁相放大器进行放大、二倍频解调处理、前置放大器放大和数模转化后进入计算机进行数据处理并显示。之后经过浓度标定后即可获得气体浓度。

整个监测的效果图如图8，图9所示。图8为卷烟抽吸过程中烟气组分浓度的动态检测曲线，反映在卷烟抽吸过程中烟气组分浓度的动态变化趋势。图9 是卷烟抽吸过程中烟气组分浓度的动态检测曲线的差分曲线，反应气体组分浓度的变化速率。本实用新型装置操作简便，检测步骤简单，能实现气体准确地动态监测，监测的结果对深入探索烟支燃烧热解机理具有重要意义，同时检测卷烟烟气中有害气体能较好地评估烟气毒性。