一种电子烟扩尺实验台及其搭建方法、测试方法

技术领域

本发明涉及电子烟测试领域，特别涉及一种电子烟扩尺实验台及其搭建方法、测试方法。

背景技术

随着人们对健康的日益关注，人们都意识到传统卷烟对健康有一定的危害，电子烟是近些年来发展最为迅速的一种新型烟草制品，受到广大消费者的青睐。近年来电子烟产品层数不穷，随之而来，产品的品质也是鱼龙混杂，因此通过测量电子烟的相关参数来评价其性能以实现电子烟品质的优化变得十分必要。但是由于电子烟的几何尺寸十分有限，造成某些实验参数的测量过程比较复杂，不利于相关技术人员进行电子烟的研发设计与产品优化。

发明内容

本发明提供了一种电子烟扩尺实验台及其搭建方法、测试方法，用于解决由于电子烟几何尺寸有限造成的电子烟产品参数测量不便的问题。

本发明的第一发明目的是提供一种电子烟扩尺实验台的搭建方法，包括以下步骤：

设定电子烟扩尺实验台与电子烟实际原型的扩大比尺；

根据雷诺数相似以及抽吸容量相似，确定电子烟扩尺实验台与电子烟实际原型的抽吸流量的比尺；

根据相似性边界条件，确定电子烟扩尺实验台与电子烟实际原型的抽吸时间比尺、抽吸间隔时间比尺和加热功率比尺；

搭建电子烟扩尺实验台。

进一步地，该电子烟扩尺实验台的搭建方法包括以下步骤：

设定电子烟扩尺实验台与电子烟实际原型的雾化芯长度、气流通道长度、雾化芯半径以及气流通道直径的扩大比尺为λ

根据雷诺数相似以及抽吸容量相似，确定电子烟扩尺实验台与电子烟实际原型的抽吸流量的比尺为λ

根据相似性边界条件，确定电子烟扩尺实验台与电子烟实际原型的抽吸时间比尺和抽吸间隔时间比尺为λ

可选地，从材料易于获取，并且为了保证扩大模型的电加热丝的材料与电子烟原型的材料性能一致，确保物理现象相似。在本发明的又一优选实施例中，将电子烟扩尺实验台的电加热丝半径设置为与电子烟实际原型的电加热丝半径相同，根据加热区面积所需的扩大比尺，确定电子烟扩尺实验台与电子烟实际原型中电加热丝缠绕在雾化芯上的圈数的扩大比尺为λ

本发明的另一发明目的在于提供一种根据上述方法搭建的电子烟扩尺实验台，包括：抽吸组件、雾化组件、捕集组件、控制组件以及气流通道；

雾化组件及气流通道为电子烟实际原型基于相似原理按照设定的扩大比尺扩大后的模型；

雾化组件用于产生气溶胶；

抽吸组件将雾化组件产生的气溶胶经由气流通道抽吸至捕集组件；

控制组件用于控制雾化组件及抽吸组件；

捕集组件用于捕集气溶胶总粒相物。

可选地，雾化组件包括雾化芯和缠绕在雾化芯上的电加热丝。

可选地，电加热丝的半径相对于电子烟实际原型不变，电加热丝的圈数按照扩大比尺扩大。

可选地，实验台还包括石英管，石英管内形成有气流通道。

可选地，控制组件包括：抽吸控制组件和电功率控制组件，

抽吸控制组件用于控制抽吸组件的抽吸流量、抽吸时间和抽吸间隔时间；

电功率控制组件用于调整电功率后，将电能提供给雾化组件。

可选地，抽吸控制组件包括：秒表和气体流量计；

气体流量计用于控制抽吸组件的抽吸流量；

秒表用于控制抽吸组件的抽吸时间与抽吸间隔时间。

可选地，还包括测量组件，测量组件用于测量雾化组件、实验环境及气溶胶的温度；

和/或测量捕集到的气溶胶总粒相物的质量。

可选地，测量组件包括：热电偶探针、温度记录仪和电子天平；

热电偶探针与温度记录仪连接，用于测量雾化组件、气溶胶和实验环境的温度；

电子天平用于测量捕集组件的重量。

可选地，捕集组件为剑桥滤片。

可选地，抽吸组件为真空抽气泵。

本发明的又一发明目的在于提供一种利用上述的电子烟扩尺实验台进行的测试方法，该测试方法步骤包括：

S1、向雾化组件添加液态烟油直至饱和状态；

S2、测量捕集组件的重量并记录；

S3、将捕集组件置于气流通道内；

S4、开启抽吸组件，控制抽吸组件的抽吸流量至抽吸流量目标值；

S5、控制雾化组件的加热功率至目标值，并且开始计时；

S6、每隔一段时间，测量并记录气流通道内的气溶胶温度；

S7、加热时间达到抽吸时间目标值后，关闭雾化组件与抽吸组件并再次开始计时，直至达到抽吸间隔时间目标值，再次开启雾化组件与抽吸组件；

S8、重复步骤S4-S7；

S9、关闭雾化组件与抽吸组件，测量并记录捕集组件的重量。

本发明有益效果如下：

本发明实施例提供的电子烟扩尺实验台及其搭建方法、测试方法，基于相似性原理以及相似边界条件分析得到电子烟扩尺实验台与电子烟实际原型的几何比尺、电功率比尺、抽吸流量比尺、抽吸时间比尺和抽吸间隔时间比尺，搭建与电子烟实际原型成比例的电子烟扩尺实验台，并利用控制电子烟扩尺实验台的抽吸流量、加热功率、抽吸时间以及抽吸间隔时间，来模拟电子烟的实际抽吸过程，而后测量实验中产生的气溶胶温度以及捕集组件捕集到的气溶胶总粒相物的质量，得到实验所需的测量参数，解决了现有技术中因电子烟尺寸限制而不便测量实验参数的问题。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种电子烟扩尺实验台的搭建方法流程图；

图2为本发明实施例提供的一种电子烟扩尺实验台的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的另一种电子烟扩尺实验台的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种电子烟扩尺实验台的具体结构示意图；

图5为本发明实施例提供的利用电子烟扩尺实验台进行的测试方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的，技术方案和优点更加清楚，下面结合附图，对本发明实施例提供的电子烟扩尺实验台及其搭建方法、测试方法的具体实施方式进行详细地说明。应当理解，下面所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。并且在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

附图中各物体的尺寸与形状不反映电子烟扩尺实验台的真实比例，目的只是示意说明本发明内容。

电子烟是通过电驱动雾化组件将电子烟油转化为可吸入气溶胶的装置，虽然电子烟在抽吸的过程中不燃烧烟丝，有害成分的释放量低于传统卷烟，但是电子烟仍会产生烟碱等气溶胶粒相物，这些物质依旧会对人体产生影响，因此研究电子烟释放的烟碱等气溶胶粒相物对于改进电子烟的品质十分重要，然而由于电子烟尺寸相对较小，造成实验人员直接测量实验参数十分不便。

基于此，本发明实施例提供了一种电子烟扩尺实验台的搭建方法，该搭建方法基于相似性原理的设计思想。

如图1所示，电子烟扩尺实验台的搭建方法步骤包括：

设定电子烟扩尺实验台与电子烟实际原型的扩大比尺；

根据雷诺数相似以及抽吸容量相似，确定电子烟扩尺实验台与电子烟实际原型的抽吸流量的比尺；

根据相似性边界条件，确定电子烟扩尺实验台与电子烟实际原型的抽吸时间比尺、抽吸间隔时间比尺和加热功率比尺；

搭建电子烟扩尺实验台。

进一步地，具体来说，搭建的方法步骤包括：

用λ

因此，l可表示的电子烟实际原型的雾化芯长度或气流通道的长度；l’可表示的电子烟扩尺实验台的雾化芯长度或气流通道的长度；

R表示的电子烟实际原型的雾化芯半径；R’表示的电子烟扩尺实验台的雾化芯半径；

D表示的电子烟实际原型的气流通道直径；D’表示的电子烟扩尺实验台的气流通道直径；

A表示的电子烟实际原型的加热区面积；A’表示的电子烟扩尺实验台的加热区面积；

r

n表示的电子烟实际原型的电加热丝的圈数；n’表示的电子烟扩尺实验台的电加热丝的圈数；

υ表示的电子烟实际原型的抽吸速率；υ’表示的电子烟扩尺实验台的抽吸速率；

η表示的电子烟实际原型的抽吸流量；η’表示的电子烟扩尺实验台的抽吸流量；

T

P表示的电子烟实际原型的加热功率；P’表示的电子烟扩尺实验台的加热功率，

在此基础上,首先确定电子烟扩尺实验台与电子烟实际原型的雾化芯长度比尺和气流通道长度比尺为

将电子烟扩尺实验台的电加热丝半径设置为与电子烟实际原型的电加热丝半径相同，即

因此可以确定电子烟扩尺实验台与电子烟实际原型中电加热丝的圈数的比尺

确定电子烟扩尺实验台与电子烟实际原型的抽吸速率的比尺为

根据粘滞力相似准则(雷诺相似准则R

确定电子烟扩尺实验台与电子烟实际原型的抽吸流量的比尺为

根据抽吸流量的定义：

确定电子烟扩尺实验台与电子烟实际原型的抽吸时间比尺

可将雾化芯简化为一圆柱体，用L表示雾化芯加热区域的长度，R表示雾化芯半径，假设雾化芯的局部热平衡成立(即导油棉固体纤维与液态烟油局部温度相等)，此时雾化芯的能量守恒方程式为：

其中，ρ

当τ＝0时，初始条件为T＝T

则在雾化芯的可加热区域内的外径边缘上，即r＝±R处，存在边界条件：

其中，h代表对流换热系数，h

由电子烟扩尺实验台与电子烟实际原型的流动性相似，可知，其均满足上述边界条件式(5)，因此有以下式子：

式子(7)可以整理为

将式(6)带入式(8)中，整理得

式(9)等号两边对应相等，可得

所以

另外，还可以通过傅里叶数相似得到时间比尺：

傅里叶数公式为

为保证电子烟扩尺实验台与电子烟实际原型在测试过程中物理现象一致，因此测试过程中相应的傅里叶数也应该相等，即

因此

最后，根据上述结果搭建电子烟扩尺实验台。

进一步地，本发明实施例还提供了一种根据上述方法搭建的电子烟扩尺实验台，如图2至图5所示，包括：抽吸组件500、雾化组件200、捕集组件300、控制组件以及气流通道600；

雾化组件200及气流通道600为电子烟实际原型基于相似原理按照设定的扩大比尺扩大后的模型，

雾化组件200用于产生气溶胶；

抽吸组件500将雾化组件200产生的气溶胶经由气流通道600抽吸至捕集组件300；

控制组件用于控制雾化组件200及抽吸组件500；

捕集组件300用于捕集气溶胶总粒相物。

具体地，在本发明实施例提供的上述电子烟扩尺实验台中，雾化组件200包括雾化芯3和缠绕在雾化芯3上的电加热丝2。

具体地，在本发明实施例提供的上述电子烟扩尺实验台中，电加热丝2的半径相对于电子烟实际原型不变，电加热丝2的圈数按照扩大比尺扩大。

具体地，在本发明实施例提供的上述电子烟扩尺实验台中，实验台还包括石英管4，石英管4内形成有气流通道600。

具体地，在本发明实施例提供的上述电子烟扩尺实验台中，控制组件包括：抽吸控制组件400和电功率控制组件100；

抽吸控制组件400用于控制抽吸组件500的抽吸流量、抽吸时间和抽吸间隔时间；

电功率控制组件100用于调整电功率后，将电能提供给雾化组件200。

可选地，所述抽吸控制组件400包括秒表10和气体流量计6；

气体流量计6用于控制抽吸组件500的抽吸流量；

秒表10用于控制抽吸组件500的抽吸时间与抽吸间隔时间。

具体地，在本发明实施例提供的上述电子烟扩尺实验台中，还包括测量组件700，测量组件用于测量雾化组件200、实验环境及气溶胶的温度；

和/或测量捕集到的气溶胶总粒相物的质量。

具体地，在本发明实施例提供的上述电子烟扩尺实验台中，测量组件700包括：热电偶探针8、温度记录仪9、电子天平11；

热电偶探针8与温度记录仪9连接，通过石英管6上开设的若干小孔插入石英管内，用于测量雾化组件200、气溶胶和实验环境的温度；

电子天平11用于测量捕集组件300的重量。

具体地，在本发明实施例提供的上述电子烟扩尺实验台中，捕集组件300为剑桥滤片。

具体地，在本发明实施例提供的上述电子烟扩尺实验台中，抽吸组件500为真空抽气泵。

具体地，在本发明实施例提供的上述电子烟扩尺实验台中，电功率控制组件100为直流稳压电源。

以上仅是举例说明本发明实施例提供的电子烟扩尺实验台的具体结构，在在具体实施时，上述各组件的具体结构不仅限于本发明实施例提供的上述结构，还可以是本领域技术人员可知的其他结构，在此不作限定。

下面结合图4，以电子烟扩尺实验台与电子烟实际原型的扩尺比为5:1为例，对本发明实施例提供的电子烟扩尺实验台的搭建及其测试方法做以详细的描述。

该电子烟扩尺实验台由电功率控制组件100、电加热丝2、雾化芯3、石英管4、真空抽气泵500、气体流量计6、剑桥滤片7、热电偶探针8、温度记录仪9、秒表10、电子天平11组成的，其中电功率控制组件100通过导线13与电加热丝2连接，电加热丝2缠绕在雾化芯3上，一起置于石英管4的一端，石英管4的另一端嵌入剑桥滤片7，通过管道12与气体流量计6连通，气体流量计6又与真空抽气泵500连通，热电偶探针8的一端与温度记录仪9连接，另一端通过石英管4管壁上的小孔，探测石英管4内部的温度。

电功率控制组件100为电加热丝2提供电能，使电加热丝2发热，从而使雾化芯3中的烟油气化成气溶胶，真空抽气泵500抽气，使得气溶胶通过石英管4内部的剑桥滤片7,从而使气溶胶中的部分粒相物被剑桥滤片7捕集。

电子烟扩尺实验台中由电加热丝2、雾化芯3以及石英管4是按照与原型成5:1的扩尺比例设置的。

表1电子烟扩尺实验台与原型的几何尺寸参数

理论上按照电子烟扩尺实验台与电子烟原型的扩尺比5:1，应将电加热丝的线径放大5倍，电加热丝圈数不变，则加热区面积变为A'＝n'πD1'×d'＝25A；而表中数据是将电加热丝线径不变，电加热丝圈数放大5倍，则加热区面积为A'＝n'πD1'×d'＝5n×π×5D1×d＝25A，通过比较可知，将电加热丝的线径放大5倍，电加热丝圈数不变与电加热丝线径不变，电加热丝圈数放大5倍，所实现的技术效果是一样的，都可以作为本发明的实施方式之一。为实验方便，本发明实施例，采用的是将电加热丝线径不变，电加热丝圈数放大5倍。

进一步地,电子烟扩尺实验台实验与原型实验的物理参数如表2所示。

表2电子烟扩尺实验台实验与原型实验的物理参数

注：原型实验中电子烟抽吸方式采用国际烟草研究合作中心(CORESTA)工作小组推荐的电子烟抽吸方式：抽吸流速一定，抽吸容量为55ml，抽吸时间为3s，抽吸间隔为30s。

表中各数据是通过如下方式求解出的：

由抽吸容量Q、抽吸时间τ

根据雷诺数相似准则

根据抽吸速率与气体流通内径，可得出电子烟扩尺实验台模型实验中的抽吸流量为

根据能量守恒方程的边界条件，可得电子烟扩尺实验台模型实验中的抽吸时间为T

进一步地，本发明还公开了一种电子烟扩尺实验台的试验方法如下：S1、用滴定管往雾化芯3添加液态烟油，待雾化芯3吸附烟油达到饱和状态停止滴加；

S2、用电子天平11对未使用过的剑桥滤片300进行称重记录，

S3、然后将剑桥滤片300加装至石英管4内；

S4、将热电偶探针8一端与温度记录仪9连接，另一端根据实验目标需要测量的温度，布置相应的热电偶探针8测点，并开启温度记录仪9；开启真空抽气泵500，调节气体流量计6使真空抽气泵500的抽吸流量为91.5ml/s；

S5、开启直流稳压电源，电加热丝2加热，通过调节电压或电流值使该电源的输出电功率为原型试验电功率的5倍，然后用秒表10开始记录电加热丝2的通电加热时间；

S6、热电偶探针8置入石英管4上的小孔内，每隔一段时间记录管内气溶胶的温度；

S7、待计时达到75s时，关闭直流稳压电源电源和真空抽气泵500，并用秒表再次开始计录抽吸间隔时间，待间隔时间达到750s时，再次开启直流稳压电源与真空抽气泵500；S8、重复步骤S4-S7；

S9、实验结束后，关闭直流稳压电源电源和真空抽气泵500，将石英管4内的剑桥滤片7取出，并用电子天平11对剑桥滤片7进行称重记录，可计算得到剑桥滤片7捕集到的气溶胶总粒相物的质量，即滤片增重量＝实验后称重量-实验前称重量。

综上所述，本发明实施例提供的电子烟扩尺实验台的搭建方法是基于相似性原理以及相似边界条件分析得到电子烟扩尺实验台与电子烟实际原型的几何比尺、电功率比尺、抽吸流量比尺、抽吸时间比尺和抽吸间隔时间比尺，搭建与电子烟实际原型成比例的电子烟扩尺实验台，并利用控制电子烟扩尺实验台的抽吸流量、加热功率、抽吸时间以及抽吸间隔时间，来模拟电子烟的实际抽吸过程，而后测量实验中产生的的气溶胶温度以及捕集组件捕集到的气溶胶总粒相物的质量，得到实验所需的测量参数，解决了现有技术中因电子烟尺寸限制而不便测量实验参数的问题

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。