本實(shí)用新型涉及氣體濃度檢測裝置，具體是一種動態(tài)監(jiān)測卷煙抽吸過程中煙氣組分濃度的裝置。

背景技術(shù)：

卷煙在抽吸過程中，在高溫燃燒區(qū)、蒸餾裂解區(qū)或是低溫冷凝區(qū)，均包含一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)變化。卷煙煙氣是卷煙燃燒過程中產(chǎn)生的一種氣溶膠，是已知組成最為復(fù)雜的體系之一。其中主流煙氣是抽吸時從卷煙的濾嘴端通過的煙氣，其有害成分可直接作用于人體器官，有害成分的類別和含量一起被用來判斷煙氣毒性，相關(guān)煙氣組分的釋放量可以用來反應(yīng)煙支燃燒狀態(tài)。但是，卷煙煙氣組分與濃度隨著抽吸過程的進(jìn)行，一直處于動態(tài)變化的過程之中。卷煙燃燒狀態(tài)又與煙氣化學(xué)具有密切的相關(guān)性。因此，檢測卷煙在抽吸過程中主流煙氣內(nèi)有害煙氣成分的實(shí)時動態(tài)變化，對深入探索煙支燃燒熱解機(jī)理、評估煙氣毒性具有非常重要的意義。設(shè)計(jì)一種用于實(shí)時在線監(jiān)測抽吸過程中煙氣組分濃度的裝置很有必要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型主要解決的技術(shù)問題在于，針對現(xiàn)有技術(shù)中樣品前處理耗時，檢測步驟繁瑣，且未能準(zhǔn)確反映煙氣組分動態(tài)變化的缺點(diǎn)，提供一種便捷、快速，用于表征煙氣組分動態(tài)濃度的裝置。

本實(shí)用新型的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：

一種動態(tài)監(jiān)測卷煙抽吸過程中煙氣組分濃度的裝置，按煙氣抽吸流向包括依次連通的吸煙機(jī)、吸煙機(jī)兩通閥、多次反射氣體吸收池、濾片、三通閥及煙支夾持器，在多次反射氣體吸收池的光線入射端連接有光纖準(zhǔn)直器、激光器以及激光電流控制器和激光溫度控制器，在多次反射氣體吸收池的光線接收端連接有光電探測器，所述激光電流控制器、激光溫度控制器均與計(jì)算機(jī)相連接，所述光電探測器通過數(shù)據(jù)采集卡與計(jì)算機(jī)相連接，在吸煙機(jī)兩通閥與多次反射氣體吸收池之間的氣路上通過真空泵兩通閥連接有真空泵。

所述吸煙機(jī)為直線式吸煙機(jī)或轉(zhuǎn)盤式吸煙機(jī)，吸煙機(jī)可為單通道或多通道。所述吸煙機(jī)的抽吸動力源為步進(jìn)電機(jī)。

所述濾片為聚四氟乙烯（PTFE）薄膜濾片或劍橋?yàn)V片。

所述光纖準(zhǔn)直器與多次反射氣體吸收池之間通過一準(zhǔn)直器端法蘭固定調(diào)節(jié)座相連接，在該準(zhǔn)直器端法蘭固定調(diào)節(jié)座圓周方向上均布有三個腰型孔，多次反射氣體吸收池端面上相應(yīng)加工有三個螺紋孔；同時，準(zhǔn)直器端法蘭固定調(diào)節(jié)座一個端面設(shè)計(jì)成斜面，此斜面用于貼合多次反射氣體吸收池的一個端面；三個螺釘分別裝入準(zhǔn)直器端法蘭固定調(diào)節(jié)座在圓周上三個均布的腰型孔中，同時使準(zhǔn)直器端法蘭固定調(diào)節(jié)座斜面與多次反射氣體吸收池端面貼合，并通過三個螺釘連接；當(dāng)光線從光纖準(zhǔn)直器中心線入射，沿著準(zhǔn)直器端法蘭固定調(diào)節(jié)座上中心孔的中心線傳播。由于準(zhǔn)直器端法蘭固定調(diào)節(jié)座的貼合面是個斜面，如果此時調(diào)松準(zhǔn)直器端法蘭固定調(diào)節(jié)座上的螺釘，把準(zhǔn)直器端法蘭固定調(diào)節(jié)座旋轉(zhuǎn)一定的角度，則入射光線就會在一個更小的弧度上旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度，與此同時入射光線的入射點(diǎn)的位置也發(fā)生了變化。

所述光電探測器與多次反射氣體吸收池之間通過一探測器端法蘭固定調(diào)節(jié)座相連接，在該探測器端法蘭固定調(diào)節(jié)座圓周方向上均布有三個腰型孔，多次反射氣體吸收池端面上相應(yīng)加工有三個螺紋孔；同時，探測器端法蘭固定調(diào)節(jié)座一端面設(shè)計(jì)成斜面，此斜面用于貼合多次反射氣體吸收池的一個端面；三個螺釘分別裝入探測器端法蘭固定調(diào)節(jié)座在圓周上三個均布的腰型孔中，同時使探測器端法蘭固定調(diào)節(jié)座斜面與多次反射氣體吸收池端面貼合，并通過三個螺釘連接；當(dāng)光線從吸收池中出射時，沿著準(zhǔn)探測端法蘭固定調(diào)節(jié)座上中心孔的中心線傳播，由于探測器端法蘭固定調(diào)節(jié)座的貼合面是個斜面，如果此時調(diào)松探測器端法蘭固定調(diào)節(jié)座上的螺釘，把探測器端法蘭固定調(diào)節(jié)座旋轉(zhuǎn)一定的角度，則出射光線就會在一個更小的弧度上旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度，與此同時出射光線的出射點(diǎn)的位置也發(fā)生了變化。

上述準(zhǔn)直器端法蘭固定調(diào)節(jié)座與探測器端法蘭固定調(diào)節(jié)座的不同之處是，準(zhǔn)直器端法蘭固定調(diào)節(jié)座中間設(shè)計(jì)的尺寸孔為光孔，而光電探測器端法蘭固定調(diào)節(jié)座孔為螺紋孔，因?yàn)楣怆娞綔y器上有相應(yīng)的外螺紋，所以螺紋孔用于連接探測器。

所述多次反射氣體吸收池的型號為集成式多次反射氣體吸收池，其由探測器、光纖準(zhǔn)直器和多次反射氣體吸收池集成為一體。光纖準(zhǔn)直器、光電探測器分別通過相應(yīng)的準(zhǔn)直器端法蘭固定調(diào)節(jié)座、光電探測器端法蘭固定調(diào)節(jié)座與多次反射氣體吸收池集成為一體。

多次反射氣體吸收池可以為赫里奧特氣體吸收池以及懷特池其中的一種，體積在50-1000mL之間。

所述數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)部設(shè)置有鎖相放大器、A/D轉(zhuǎn)換器。通過信號放大、二倍頻諧波解調(diào)得到的二次諧波吸收信號，再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸送至計(jì)算機(jī)，以完成處理和顯示。

本裝置的工作機(jī)理及過程如下：吸煙機(jī)對卷煙進(jìn)行抽吸，卷煙主流煙氣經(jīng)濾片過濾后進(jìn)入多次反射氣體吸收池。同時，經(jīng)光纖準(zhǔn)直器準(zhǔn)直后的光束從多次反射氣體吸收池入光孔入射，在吸收池內(nèi)經(jīng)多次反射后從出光孔出射，進(jìn)而被光電探測器接收。光電探測器把光信號轉(zhuǎn)化為電信號，電信號送入數(shù)據(jù)采集卡，信號經(jīng)過鎖相放大器進(jìn)行放大、二倍頻解調(diào)處理、前置放大器放大和數(shù)模轉(zhuǎn)化后進(jìn)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示。動態(tài)抽吸檢測完成后，通過協(xié)調(diào)控制真空泵、兩通閥和三通閥，并且利用氮?dú)鈱Χ啻畏瓷錃怏w吸收池中的待測氣體和抽吸管道中殘留氣體進(jìn)行清洗。

所述激光器控制過程及原理如下，激光器由激光電流控制器和激光溫度控制器控制。激光溫度控制器在設(shè)定所需要的溫度后，激光器產(chǎn)生特定波長的激光光束。激光電流控制器產(chǎn)生數(shù)十Hz的鋸齒波信號，鋸齒波信號控制一個慢的掃描電流，完成對特定中心波長待測氣體吸收峰的掃描。掃描的范圍由控制界面設(shè)置不同的起始電流和終止電流來進(jìn)行控制。調(diào)制信號發(fā)生器產(chǎn)生數(shù)十kHz正弦波信號進(jìn)行調(diào)制。

本實(shí)用新型的特點(diǎn)在于：集成式多次反射氣體吸收池能節(jié)省調(diào)整光路的時間，同時由于光路在實(shí)驗(yàn)過程中固定，不易受到機(jī)械振動等因素干擾，讓光電探測器探測到的輸出光束非常穩(wěn)定，不至于失去數(shù)據(jù)實(shí)時檢測的準(zhǔn)確性和可比性。這對動態(tài)檢測尤為重要。準(zhǔn)直器端法蘭固定調(diào)節(jié)座、光電探測器端法蘭固定調(diào)節(jié)座可以在一定角度旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行角度的微調(diào)，這使得在微調(diào)光路更加便捷。激光掃描范圍可調(diào)。通過設(shè)置不同的掃描頻率，可以實(shí)現(xiàn)高時間分辨率的氣體濃度檢測，也就是在可檢測卷煙在抽吸過程中實(shí)時動態(tài)分析主流煙氣內(nèi)有害煙氣成分的變化狀況。本實(shí)用新型裝置操作簡便，檢測步驟簡單，能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確地動態(tài)監(jiān)測，監(jiān)測的結(jié)果對深入探索煙支燃燒熱解機(jī)理、評估煙氣毒性具有非常重要的意義。

附圖說明

圖1是卷煙抽吸中煙氣組分濃度在線檢測裝置示意圖；

圖1中：1.步進(jìn)電機(jī)，2.吸煙機(jī)，3.真空泵兩通閥，4.真空泵，5.光電探測器，6.多次反射氣體吸收池，7.計(jì)算機(jī)，8.激光電流控制器，9.激光器，10.溫度控制器，11.光纖，12.光纖準(zhǔn)直器，13.三通閥，14.煙支夾持器，15.煙支，16.濾片，17.吸煙機(jī)兩通閥，18.數(shù)據(jù)采集卡。

圖2是集成吸收池光電探測器連接端示意圖，

圖2中：19.出氣孔，20.光電探測器端法蘭固定調(diào)節(jié)座，20-1.螺紋孔，20-2.腰型孔。

圖3是集成吸收池光纖準(zhǔn)直器連接端示意圖，

圖3中：21.進(jìn)氣孔，22. 光纖準(zhǔn)直器端法蘭固定調(diào)節(jié)座，22-1.光孔，22-2.腰型孔。

圖4是為光電探測器端法蘭固定調(diào)節(jié)座結(jié)構(gòu)示意圖,c,d,e分別為其全剖視圖、主視圖和左視圖。

圖5為光纖準(zhǔn)直器端法蘭固定調(diào)節(jié)座結(jié)構(gòu)示意圖，f,g,h分別為其全剖視圖、主視圖和左視圖。

圖6 是二次諧波調(diào)諧原理圖。

圖7 是TDLAS（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy）計(jì)算機(jī)控制面板界面。

圖8 是卷煙抽吸過程中煙氣組分濃度的動態(tài)檢測曲線。

圖9 是卷煙抽吸過程中煙氣組分濃度的動態(tài)檢測曲線的差分曲線。

具體實(shí)施方式

本實(shí)用新型以下結(jié)合附圖做進(jìn)一步描述：

如圖1所示：一種動態(tài)監(jiān)測卷煙抽吸過程中煙氣組分濃度的裝置，按煙氣抽吸流向包括依次連通的吸煙機(jī)2、吸煙機(jī)兩通閥17、多次反射氣體吸收池6、濾片16、三通閥13及煙支夾持器14，在多次反射氣體吸收池6的光線入射端連接有光纖準(zhǔn)直器12、激光器9以及激光電流控制器8和激光溫度控制器10，在多次反射氣體吸收池的光線接收端連接有光電探測器5，所述激光電流控制器8、激光溫度控制器10均與計(jì)算機(jī)7相連接，所述光電探測器5通過數(shù)據(jù)采集卡18與計(jì)算機(jī)7相連接，在吸煙機(jī)兩通閥17與多次反射氣體吸收池6之間的氣路上通過兩通閥3連接有真空泵4。

在本實(shí)用新型中，光纖準(zhǔn)直器12與多次反射氣體吸收池6之間通過一光纖準(zhǔn)直器法蘭固定調(diào)節(jié)座22相連接，光電探測器5與多次反射氣體吸收池6之間通過一光電探測器法蘭固定調(diào)節(jié)座20相連接，在光纖準(zhǔn)直器法蘭固定調(diào)節(jié)座22和光電探測器法蘭固定調(diào)節(jié)座20上均對稱加工有三個弧狀腰型孔，以增加法蘭盤安裝時的轉(zhuǎn)動角度。準(zhǔn)直器端法蘭固定調(diào)節(jié)座22在圓周上均布有三個腰型孔22-2，多次反射氣體吸收池端面上相應(yīng)的加工有三個螺紋孔，同時準(zhǔn)直器端法蘭固定調(diào)節(jié)座一端設(shè)計(jì)成斜面，此斜面用于貼合多次反射氣體吸收池的一個端面。三個螺釘分別裝入準(zhǔn)直器端法蘭固定調(diào)節(jié)座在圓周上三個均布的腰型孔中，同時使準(zhǔn)直器端法蘭固定調(diào)節(jié)座斜面與多次反射氣體吸收池端面貼合，此時緊固三個螺釘以兩個端面的連接。光線從光纖準(zhǔn)直器中心線入射，沿著準(zhǔn)直器端法蘭固定調(diào)節(jié)座上中心孔的中心線傳播。由于準(zhǔn)直器端法蘭固定調(diào)節(jié)座的貼合面是個斜面，如果此時調(diào)松準(zhǔn)直器端法蘭固定調(diào)節(jié)座上的螺釘，把準(zhǔn)直器端法蘭固定調(diào)節(jié)座旋轉(zhuǎn)一定的角度，則入射光線就會在一個更小的弧度上旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度，與此同時入射光線的入射點(diǎn)的位置也發(fā)生了變化。光電探測器端法蘭固定調(diào)節(jié)座與準(zhǔn)直器端法蘭固定調(diào)節(jié)座除去一處不同，其他細(xì)節(jié)完全相同。不同之處是，準(zhǔn)直器端法蘭固定調(diào)節(jié)座22中間設(shè)計(jì)的尺寸孔為光孔22-1，而光電探測器端法蘭固定調(diào)節(jié)座20孔為螺紋孔20-1，因?yàn)楣怆娞綔y器5上有相應(yīng)的外螺紋，所以螺紋孔用于連接探測器。從圖4中的全剖視圖c和圖5中的全剖視圖f可以清晰地看出結(jié)構(gòu)的差異，全剖視圖c中的孔為螺紋孔，全剖視圖f中的孔為光孔。光電探測器端法蘭固定調(diào)節(jié)座的螺紋孔可以直接和具有外螺紋的光電探測器連接，而光孔是用來穿過光纖準(zhǔn)直器，之后由光纖準(zhǔn)直器上的螺紋孔與光纖準(zhǔn)直器法蘭固定調(diào)節(jié)座連接。

光纖準(zhǔn)直器12、光電探測器5分別通過相應(yīng)的準(zhǔn)直器端法蘭固定調(diào)節(jié)座22、光電探測器端法蘭固定調(diào)節(jié)座20與多次反射氣體吸收池6集成為一體。具體結(jié)構(gòu)參見圖2、3、4、5。

本裝置的檢測過程及工作原理說明如下：

煙氣采樣系統(tǒng)建立在商用吸煙機(jī)2的基礎(chǔ)上。實(shí)驗(yàn)按照ISO要求采用限制性抽吸模式，即對每支卷煙進(jìn)行逐口抽吸,每口抽吸時間為2s，抽吸體積為35mL煙氣，間隔58s后進(jìn)行下一口抽吸,每支卷煙固定抽吸6口。為消除點(diǎn)煙帶來的干擾，實(shí)驗(yàn)中采用電子自動點(diǎn)煙方式。卷煙的抽吸由步進(jìn)電機(jī)1驅(qū)動活塞完成。PTFE濾片可以濾除大于等于0.22um的顆粒物。劍橋?yàn)V片可以濾除大于等于0.30um DOP標(biāo)準(zhǔn)顆粒的截留率大于99.9%，它是全球香煙標(biāo)準(zhǔn)“劍橋?yàn)V片法”的專用過濾介質(zhì)，方法是利用吸煙機(jī)模擬人抽煙過程，通過劍橋?yàn)V片截留卷煙抽吸過程中的顆粒物和煙堿，通過HPLC測定焦油和尼古丁含量。抽吸的煙氣首先通過劍橋?yàn)V片或者聚四氟乙烯（PTFE）薄膜濾片過濾掉顆粒物，以防止污染光學(xué)系統(tǒng)，然后經(jīng)由三通閥13進(jìn)入多次反射氣體吸收池6。

多次反射氣體吸收池6同時可用于固定和開放光程氣體濃度的檢測。多次反射氣體吸收池6可為型號為HT-3S、HT-10M、HT-15L氣體吸收池或其他赫里奧特氣體吸收池以及懷特池其中的一種。多次反射氣體吸收池體積在50-1000mL之間。

激光電流控制器8和溫度控制器10向激光器9提供50Hz的鋸齒波掃描信號和40KHz的正弦波調(diào)制信號，激光器9輸出波長在待測氣體中心吸收波長附近掃描。激光光束通過多次反射氣體吸收池6，經(jīng)多次反射后被聚焦到光電探測器5上。光電探測器5捕捉到的微弱信號經(jīng)過鎖相放大器進(jìn)行放大處理和二倍頻諧波解調(diào)得到二次諧波吸收信號。最后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換送至計(jì)算機(jī)7進(jìn)行處理。

檢測完成之后，將兩通閥17關(guān)閉，兩通閥3開啟，三通閥13切換位置與氮?dú)馄窟B接，在真空泵4抽吸作用下完成多次反射氣體吸收池6的清洗工作，為下一口煙氣的檢測做好準(zhǔn)備。

如圖2、3所示，光纖準(zhǔn)直器通過光纖準(zhǔn)直器法蘭固定調(diào)節(jié)座連接在多次反射氣體吸收池6的光線入射端，光電探測器5通過光電探測器端法蘭固定調(diào)節(jié)座固定在多次反射氣體吸收池6的光線出射端，這種新型設(shè)計(jì)節(jié)省調(diào)整光路的時間，同時由于光路在實(shí)驗(yàn)過程中固定，不易受到機(jī)械振動等因素干擾，讓探測器探測到的輸出光束非常穩(wěn)定，不至于失去數(shù)據(jù)實(shí)時檢測的準(zhǔn)確性和可比性。

當(dāng)光線從光纖準(zhǔn)直器入射時，光線就沿著圖5的中心點(diǎn)劃線傳播，如果此時調(diào)節(jié)圖5上的螺釘，把圖5中的光纖準(zhǔn)直器法蘭固定調(diào)節(jié)座旋轉(zhuǎn)一定的角度，則入射光線就會在更小的弧度上旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度。通過改變旋轉(zhuǎn)圖5角度的大小，即可調(diào)節(jié)入射光線射入的角度，當(dāng)然入射點(diǎn)的位置在調(diào)節(jié)過程中也相應(yīng)的變化了。與此同時，在光線出射端，旋轉(zhuǎn)圖4中的光電探測器端法蘭固定調(diào)節(jié)座，同樣可以微調(diào)光電探測器上的方形感光面的位置和角度，進(jìn)而使光電探測器感光面接收到出射光線，實(shí)現(xiàn)光線的接收和光電轉(zhuǎn)換。

如圖6和7所示，在控制面板上設(shè)置控制器溫度，從而激光器產(chǎn)生一定中心波長的激光光束。同時在掃描電流調(diào)節(jié)面板設(shè)置起始電流和截止電流用來實(shí)現(xiàn)在中心波長周圍小范圍的掃描。中心波長對應(yīng)著待測氣體的波長，掃面電流的范圍按待測氣體的吸收線型函數(shù)的半寬和避免其他氣體的交叉干擾而定。

激光器由激光電流控制器和激光溫度控制器控制。激光溫度控制器在設(shè)定所需要的溫度后，激光器產(chǎn)生特定波長的激光光束。激光電流控制器產(chǎn)生數(shù)十Hz的鋸齒波信號，鋸齒波信號控制一個慢的掃描電流，完成對特定中心波長待測氣體吸收峰的掃描。掃描的范圍由控制界面設(shè)置不同的起始電流和終止電流來進(jìn)行控制。調(diào)制信號發(fā)生器產(chǎn)生數(shù)十kHz正弦波信號進(jìn)行調(diào)制。調(diào)制信號驅(qū)動激光器產(chǎn)生相應(yīng)的光束，在多次反射氣體吸收池內(nèi)經(jīng)多次反射后從出光孔出射，進(jìn)而被光電探測器接收。光電探測器把光信號轉(zhuǎn)化為電信號，電信號送入數(shù)據(jù)采集卡，信號經(jīng)過鎖相放大器進(jìn)行放大、二倍頻解調(diào)處理、前置放大器放大和數(shù)模轉(zhuǎn)化后進(jìn)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并顯示。之后經(jīng)過濃度標(biāo)定后即可獲得氣體濃度。

整個監(jiān)測的效果圖如圖8，圖9所示。圖8為卷煙抽吸過程中煙氣組分濃度的動態(tài)檢測曲線，反映在卷煙抽吸過程中煙氣組分濃度的動態(tài)變化趨勢。圖9 是卷煙抽吸過程中煙氣組分濃度的動態(tài)檢測曲線的差分曲線，反應(yīng)氣體組分濃度的變化速率。本實(shí)用新型裝置操作簡便，檢測步驟簡單，能實(shí)現(xiàn)氣體準(zhǔn)確地動態(tài)監(jiān)測，監(jiān)測的結(jié)果對深入探索煙支燃燒熱解機(jī)理具有重要意義，同時檢測卷煙煙氣中有害氣體能較好地評估煙氣毒性。