一种卷烟及再造烟叶燃烧温度分布的测试表征方法

摘要

一种卷烟及再造烟叶燃烧温度分布的测试表征方法，具体步骤如下：（1）将制备好的卷烟及再造烟叶样品，在设定的温度、湿度环境条件下，用吸烟机按规定抽吸程序抽吸；（2）采用加配显微镜头的红外热像仪对烟支燃烧锥进行拍摄；（3）采用计算机软件系统采集、统计、计算卷烟及再造烟叶燃烧温度分布变化规律。本发明提供了一种可表征抽吸过程卷烟及再造烟叶快速改变和不均一的温度分布变化规律的方法，可为研究卷烟及再造烟叶抽吸过程发生的复杂物理、化学变化提供数据支撑，指导降低有害成分的卷烟配方材料开发。

说明书

技术领域

本发明属于卷烟燃吸指标检测技术领域，具体涉及一种卷烟及再造烟叶燃烧温度分布的方法。

技术背景

从卷烟抽吸结果看，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；深入分析影响卷烟燃烧特性的因素，可以发现卷烟配方材料是影响烟支燃烧温度、燃烧锥温度分布及变化的主要因素；更多研究结果表明，卷烟抽吸过程中释放的有害成分与烟支燃烧温度关系密切。测定卷烟燃吸过程中温度分布不仅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，也是开发降低有害成分的卷烟配方材料不可或缺的重要手段。

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变化，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。

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（200420114253.3）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：采用铂丝与铂铑合金丝，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。但该专利并未详细说明数据采集的频率，采集时间如何确定，采集方法能否与吸烟机的吸烟过程联用等等，这些均会造成在采集数据时人为误差的影响。

中国专利CN102103025A公开了一种卷烟燃吸温度分布检测的数据采集、控制方法及其系统，其特征在于：通过n 组温度传感器组、补偿导线、信号调理模块、高速采集卡、计算机及测试控制软件、吸烟机、感应元件组合实现。该发明的优点在于提供了一种与吸烟机运行程序联用的卷烟燃吸温度分布检测的数据采集、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，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。该技术对前面所述技术系统集成基础上，准确检测、分析烟支吸燃时热电偶附近的气相温度分布情况，由于受测量仪器影响，也只能检测到测量热电偶附近的烟支燃烧气相温度。

由于影响因素较多，且燃烧区域较小，温度变化大，变化速度快；到目前为止，国内外对卷烟烟支燃烧过程温度测量手段、方法得到长足发展，但在如何表征烟支抽吸过程中温度分布变化规律方面，尚未见文献报道。

本发明目的在于：开发一种表征卷烟及再造烟叶抽吸过程中温度分布变化规律方法，进而建立表征卷烟燃烧特性指标，运用于生产实际。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，建立一种可表征卷烟及再造烟叶抽吸过程中温度分布变化规律的方法，进而建立表征卷烟燃烧特性指标，运用于生产实际。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种卷烟及再造烟叶燃烧温度分布的测试表征方法，具体步骤如下：

（1）将制备好的卷烟及再造烟叶样品，在设定的温度、湿度环境条件下，用吸烟机按规定抽吸程序抽吸； 

（2）采用加配显微镜头的红外热像仪对烟支燃烧锥进行拍摄；

（3）采用计算机软件系统采集、统计、计算卷烟及再造烟叶燃烧温度分布变化规律。

采用本发明方法，先将卷烟及再造烟叶样品进行重量、吸阻挑选，编号，挑选样品数量不少于10支；用吸烟机抽吸卷烟及再造烟叶样品前，在标准环境条件即温度22±1℃、湿度60±2%RH下平衡48小时，在卷烟及再造烟叶样品上作长度标记，作起始标记及终止测试标记，测量整支烟的燃烧温度；然后按标准程序抽吸，抽吸时间t在40S～480S；抽吸标准程序是每口间隔60s，持续时间2s，抽吸容量35ml。所述在卷烟及再造烟叶样品上作长度标记，起始标记以点燃烟支抽吸后烟支可以自由燃烧为好，终止测试标记按照标准方法标记，标准方法是以水松纸长度+3mm、滤棒长度+8mm比较水松纸和滤棒的长度，取数值大者为终止标记线。

本发明所述采集、统计、计算卷烟及再造烟叶燃烧温度分布变化规律的方法步骤如下：所述采用相应计算机软件系统采集、统计、计算抽吸过程中卷烟及再造烟叶燃烧温度分布变化规律，其特征在于：

a．按如下公式计算红外热像仪检测到卷烟及再造烟叶吸燃t时点的温度图像中T₁至T₂温度段所占比例：

如                                               ，则：

如，则：

其中：

为红外热像仪检测卷烟及再造烟叶吸燃t时点T₁至T₂温度段所占比例；

为红外温度图像第t*N帧T₁至T₂温度段像素点总和；T₂-T₁温度段为10℃～50℃；

为红外热像仪总像素点减去低于150℃像素点；

N为测试红外热像仪帧频；即每秒记录烟支燃烧温度图像数；

b．按如下公式计算红外热像仪检测到卷烟及再造烟叶第j口2S抽吸过程T₁至T₂温度段所占比例：：

其中：

为红外热像仪检测到到卷烟及再造烟叶2S抽吸过程T₁至T₂温度段所占比例；

为2S抽吸过程红外温度图像第i帧T₁至T₂温度像素点总和；T₂-T₁温度段为10℃～50℃；

为2S抽吸过程红外温度图像第i帧总像素点减去低于150℃像素点总和；

为测试红外热像仪帧频；即每秒记录烟支燃烧温度图像数；

c．在150℃～800℃温度范围内，以10℃～50℃为一个温度段进行分段，按如下公式计算150℃～800℃温度范围的卷烟及再造烟叶温度分布 ；

其中：

为红外热像仪检测到到卷烟及再造烟叶样品2S抽吸过程T₁至T₂温度段所占比例；

为红外热像仪检测到到第m支卷烟及再造烟叶样品第j口2S抽吸过程T₁至T₂温度段所占比例；

为测试烟支数量，应≥10支；

同时，按如下公式计算≥800℃温度区域所占比例：

其中：

为红外热像仪检测到到卷烟及再造烟叶样品2S抽吸过程≥800℃温度区域所占比例；

为红外热像仪检测到到第m支卷烟及再造烟叶样品第j口2S抽吸过程T₁至T₂温度段所占比例；

d.然后绘制温度分布图，以温度分布图表征卷烟及再造烟叶燃烧温度分布。

本发明提供了一种可表征抽吸过程卷烟及再造烟叶快速改变和不均一的温度分布变化规律的方法，为研究卷烟及再造烟叶抽吸过程发生的复杂物理、化学变化提供数据支撑，指导降低有害成分的卷烟配方材料开发。

附图说明

图1为测试前在卷烟及再造烟叶烟支上作长度标记示意图；

图2为再造烟叶样品0#2S抽吸过程燃烧温度分布图；

图3为再造烟叶样品1#2S抽吸过程燃烧温度分布图；

图4为再造烟叶样品2#2S抽吸过程燃烧温度分布图；

图5为某牌号卷烟样品2S抽吸过程燃烧温度分布图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的阐述。

实施例1： 0#再造烟叶样品抽吸温度分布测试

（1）将0#再造烟叶样品进行重量、吸阻挑选，挑选出10支样品，编号，在标准环境（22±1℃，60±2%RH）下平衡48小时。

（2）测试前在0#再造烟叶样品上作长度标记，如图1所示，作起始标记1及终止标记2，测量整支烟的燃烧温度，起始标记为距离起始端5mm；终止标记可按照标准方法来标记，以水松纸长度+3mm、滤棒长度+8mm比较两者的长度，取数值大者为终止标记线。

（3）按标准程序抽吸（每口间隔60s，持续时间2s，抽吸容量35ml），测试环境温度为22±1℃，相对湿度为60±2%。

（4）采用加配显微镜头的红外热像仪对烟支燃烧锥进行拍摄。

（5） 红外热像仪检测到0#再造烟叶吸燃40S时温度图像中150℃至160℃的温度段所占比例按如下公式计算：

由于；则

其中：

为红外热像仪检测到0#再造烟叶40S时150℃至160℃温度段所占比例；

为红外温度图像第2400帧中150℃至160℃温度像素点总和，T₂-T₁温度段为10℃；

为红外热像仪第2400帧中总像素点减去低于150℃像素点；

N=60为测试红外热像仪帧频；即每秒记录烟支燃烧温度图像数。

（6）红外热像仪检测到第j口0#再造烟叶2S抽吸过程150℃至160℃温度段所占比例按如下公式计算：

其中：

为红外热像仪检测到0#再造烟叶2S抽吸过程150℃至160℃温度段所占比例；

为2S抽吸过程红外温度图像第i帧150℃至160℃温度像素点总和，T₂-T₁温度段为10℃；

 为2S抽吸过程红外温度图像第i帧总像素点减去低于150℃像素点总和。

=60为测试红外热像仪帧频；即每秒记录烟支燃烧温度图像数。

抽吸时间在40S～300S。

（7） 红外热像仪检测到0#再造烟叶2S抽吸过程150℃至160℃温度段所占比例按如下公式计算：

其中：

 为红外热像仪检测到到0#再造烟叶样品2S抽吸过程150℃至160℃温度段所占比例；

为红外热像仪检测到到第m支0#再造烟叶样品第j口2S抽吸过程150℃至160℃温度段所占比例；

为测试烟支数量为10支；

抽吸时间在40S～300S。

（8）在150℃～800℃温度范围内，以10℃为一个温度段进行分段，按如下公式计算150℃～800℃温度范围的卷烟及再造烟叶温度分布；

其中：

为红外热像仪检测到到卷烟及再造烟叶样品2S抽吸过程T₁至T₂温度段所占比例；

为红外热像仪检测到到第m支卷烟及再造烟叶样品第j口2S抽吸过程T₁至T₂温度段所占比例；

为测试烟支数量应为10支；

同时，按如下公式计算≥800℃温度区域所占比例：

其中：

为红外热像仪检测到到卷烟及再造烟叶样品2S抽吸过程≥800℃温度区域所占比例；

为红外热像仪检测到到第m支卷烟及再造烟叶样品第j口2S抽吸过程T₁至T₂温度段所占比例。

(9) 然后绘制温度分布图，以温度分布图表征卷烟及再造烟叶燃烧温度分布图，如图2所示。

实施例2： 1#再造烟叶样品抽吸温度分布

（1）将1#再造烟叶样品进行重量、吸阻挑选，挑选出15支样品，编号，在标准环境（22±1℃，60±2%RH）下平衡48小时。

（2）测试前在1#再造烟叶样品上作长度标记，作起始及终止测试标记，测量整支烟的燃烧温度，起始标记距离起始端5mm；终止标记可按照标准方法来标记，以水松纸长度+3mm、滤棒长度+8mm比较两者的长度，取数值大者为终止标记线。

（3）按标准程序抽吸（每口间隔60s，持续时间2s，抽吸容量35ml），测试环境温度为22±1℃，相对湿度为60±2%。

（4）采用加配显微镜头的红外热像仪对烟支燃烧锥进行拍摄。

（5）红外热像仪检测到再造烟叶吸燃300S时温度图像中400℃至450℃温度段所占比例按如下公式计算：

如；

其中：

为红外热像仪检测到1#再造烟叶吸燃300S时400℃至450℃温度段所占比例；

为红外温度图像第13500帧400℃至450℃温度像素点总和，INT（300*45）为舍去小数后取整；

为红外温度图像第13500帧总像素点减去低于150℃像素点；

N=45为测试红外热像仪帧频；即每秒记录烟支燃烧温度图像数；

抽吸时间t在40S﹣300S。

（6）红外热像仪检测到1#再造烟叶抽吸第j口2S抽吸过程400℃至450℃温度段所占比例按如下公式计算：

其中：

为红外热像仪检测到到1#再造烟叶2S抽吸过程400℃至450℃温度段所占比例；

为在2S抽吸过程红外温度图像第i帧中400℃至450℃温度像素点总和，T₂-T₁温度段为50℃；

为在2S抽吸过程红外温度图像第i帧中总像素点减去低于150℃像素点总和；

为测试红外热像仪帧频；即每秒记录烟支燃烧温度图像数；

抽吸时间t在40S﹣300S。

（7）红外热像仪检测到1#再造烟叶2S抽吸过程400℃至450℃温度段所占比例按如下公式计算：

其中：

为红外热像仪检测到到1#再造烟叶2S抽吸过程400℃至450℃温度段所占比例；

为红外热像仪检测到到第m支1#再造烟叶样品第j口2S抽吸过程400℃至450℃温度段所占比例，T₂-T₁温度段为50℃；

为测试烟支数量为15支；

抽吸时间t在40S﹣300S。

（8）在150℃～800℃温度范围内，以50℃为一个温度段进行分段，按如下公式计算150℃～800℃温度范围的卷烟及再造烟叶温度分布；

其中：

为红外热像仪检测到到卷烟及再造烟叶样品2S抽吸过程T₁至T₂温度段所占比例；

为红外热像仪检测到到第m支卷烟及再造烟叶样品第j口2S抽吸过程T₁至T₂温度段所占比例；

为测试烟支数量为15支。

同时，按如下公式计算≥800℃温度区域所占比例：

其中：

为红外热像仪检测到到卷烟及再造烟叶样品2S抽吸过程≥800℃温度区域所占比例；

为红外热像仪检测到到第m支卷烟及再造烟叶样品第j口2S抽吸过程T₁至T₂温度段所占比例。

(9) 然后绘制温度分布图，以温度分布图表征卷烟及再造烟叶燃烧温度分布分布图，如图3所示。

实施例3： 2#再造烟叶样品抽吸温度分布测试

（1）将2#再造烟叶制品进行重量、吸阻挑选，挑选出20支，在22±1℃、相对湿度60±2%条件下平衡2天后。

（2）测试前在2#再造烟叶样品上作长度标记，作起始及终止测试标记，测量整支烟的燃烧温度，起始标记距离起始端5mm，；终止标记可按照标准方法来标记，以水松纸长度+3mm、滤棒长度+8mm比较两者的长度，取数值大者为终止标记线。

（3）在吸烟机中装载测试样品后，按标准程序抽吸（每口间隔60s，持续时间2s，抽吸容量35ml），测试环境温度为22±1℃；相对湿度为60±2%； 

（4）采用加配显微镜头的红外热像仪对烟支燃烧锥进行拍摄。

（5）红外热像仪检测到再造烟叶吸燃过程150.220S温度图像中775℃至800℃温度段所占比例按如下公式计算：

，则

其中：

为红外热像仪检测到的2#再造烟叶吸燃150.220S时775℃至800℃温度段所占比例；

为红外温度图像第9013、9014帧750℃至800℃温度像素点总和；

为红外温度图像第9013、9014帧总像素点减去低于150℃像素点；

N=60为测试红外热像仪帧频；即每秒记录烟支燃烧温度图像数；

抽吸时间t在40S﹣300S。

（6） 红外热像仪检测到2#再造烟叶第j口2S抽吸过程775℃至800℃温度段所占比例按如下公式计算：

；

其中：

为红外热像仪检测到到2#再造烟叶2S抽吸过程775℃至800℃温度段所占比例；

为2S抽吸过程红外温度图像第i帧中775℃至800℃温度像素点总和；

为2S抽吸过程红外温度图像第i帧中总像素点减去低于150℃像素点总和；

为测试红外热像仪帧频；即每秒记录烟支燃烧温度图像数；

抽吸时间t在40S﹣300S。

（7）红外热像仪检测到2#再造烟叶2S抽吸过程775℃至800℃温度段所占比例按如下公式计算：

；

其中：

为红外热像仪检测到2#再造烟叶2S抽吸过程775℃至800℃温度段所占比例；

为红外热像仪检测到第m支再造烟叶样品第j口2S抽吸过程775℃至800℃温度段所占比例；

为测试烟支数量为20支；

抽吸时间t在40S﹣300S。

（8）在150℃～800℃温度范围内，以25℃为一个温度段进行分段，按如下公式计算150℃～800℃温度范围的卷烟及再造烟叶温度分布；

其中：

为红外热像仪检测到到卷烟及再造烟叶样品2S抽吸过程T₁至T₂温度段所占比例；

为红外热像仪检测到到第m支卷烟及再造烟叶样品第j口2S抽吸过程T₁至T₂温度段所占比例；

为测试烟支数量为20支。

同时，按如下公式计算≥800℃温度区域所占比例：

其中：

为红外热像仪检测到到卷烟及再造烟叶样品2S抽吸过程≥800℃温度区域所占比例；

为红外热像仪检测到到第m支卷烟及再造烟叶样品第j口2S抽吸过程T₁至T₂温度段所占比例。

(9) 然后绘制温度分布图，以温度分布图表征卷烟及再造烟叶燃烧温度分布图，如图4所示。

实施例4：某牌号卷烟烟支抽吸温度分布测试

（1）将某牌号卷烟样品进行重量、吸阻挑选，挑选出20支，编号，在22±1℃、相对湿度（60±2）%条件下平衡2天后，

（2）测试前在卷烟上作长度标记，作起始及终止测试标记，测量整支烟的燃烧温度，起始标记距离起始端5mm；终止标记可按照标准方法来标记，以水松纸长度+3mm、滤棒长度+8mm比较两者的长度，取数值大者为终止标记线。

（3）在吸烟机中装载测试样品后，按标准程序抽吸（每口间隔60s，持续时间2s，抽吸容量35ml），测试环境温度为22±1℃；相对湿度为60±2%。

（4）采用加配显微镜头的红外热像仪对烟支燃烧锥进行拍摄。

（5）红外热像仪检测到某牌号卷烟吸燃480S时温度图像中≥800℃温度区域所占比例按如下公式计算：

，则：

其中：

为红外热像仪检测到的某牌号卷烟吸燃480S时≥800℃温度区域所占比例；

为红外温度图像第14400帧≥800℃温度像素点总和；

为红外热像仪第14400帧总像素点减去低于150℃像素点；

N=30为测试红外热像仪帧频；即每秒记录烟支燃烧温度图像数；

抽吸时间t在40S﹣480S。

（6） 红外热像仪检测到某牌号卷烟第j口2S抽吸过程≥800℃温度区域所占比例按如下公式计算：

其中：

为红外热像仪检测到某牌号卷烟2S抽吸过程T₁至T₂温度段所占比例；

为2S抽吸过程红外温度图像第i帧中T₁至T₂温度像素点总和；

为2S抽吸过程红外温度图像第i帧中总像素点减去低于150℃像素点总和；

=30为测试红外热像仪帧频；即每秒记录烟支燃烧温度图像数；

抽吸时间t在40S﹣480S。

（7）红外热像仪检测到卷烟2S抽吸过程≥800℃温度区域所占比例按如下公式计算：

其中：

为红外热像仪检测到某牌号卷烟2S抽吸过程≥800℃温度区域所占比例；

为红外热像仪检测到某牌号卷烟第j口2S抽吸过程≥800℃温度区域所占比例；

为测试烟支数量为20支；

抽吸时间t在40S～480S。

（8）在150℃～800℃温度范围内，以50℃为一个温度段进行分段，按如下公式计算150℃～800℃温度范围的卷烟及再造烟叶温度分布 ；

其中：

为红外热像仪检测到到卷烟及再造烟叶样品2S抽吸过程T₁至T₂温度段所占比例；

为红外热像仪检测到到第m支卷烟及再造烟叶样品第j口2S抽吸过程T₁至T₂温度段所占比例；

。

同时，按如下公式计算≥800℃温度区域所占比例：

其中：

为红外热像仪检测到到卷烟及再造烟叶样品2S抽吸过程≥800℃温度区域所占比例；

为红外热像仪检测到到第m支卷烟及再造烟叶样品第j口2S抽吸过程T₁至T₂温度段所占比例。

(9) 然后绘制温度分布图，以温度分布图表征卷烟及再造烟叶燃烧温度分布图，如图5所示。