УСТРОЙСТВО, ГЕНЕРИРУЮЩЕЕ АЭРОЗОЛЬ, И СИСТЕМА, СОДЕРЖАЩАЯ ПИРОМЕТР
AEROSOL-GENERATING APPARATUS AND SYSTEM CONTAINING A PYROMETER

Настоящее изобретение относится к устройству, генерирующему аэрозоль, для генерирования вдыхаемого аэрозоля посредством нагрева субстрата, образующего аэрозоль. Настоящее изобретение также относится к системе, генерирующей аэрозоль, содержащей такое устройство.
Из уровня техники, как правило, известны устройства, генерирующие аэрозоль, для генерирования вдыхаемого аэрозоля посредством нагрева субстрата, образующего аэрозоль. В таких устройствах субстрат, образующий аэрозоль, нагревается либо химически, например, тепловой энергией, генерируемой экзотермической химической реакцией, либо электрически, например, резистивным или индукционным нагревателем. Точное регулирование температуры процесса нагрева является критически важным, поскольку субстрат, образующий аэрозоль, должен только нагреваться, а не сгорать, чтобы гарантировать, что высвобождаются только требуемые летучие соединения, образующие аэрозоль. Точное регулирование температуры, в свою очередь, основывается на точном отслеживании температуры. Для резистивных устройств температура нагрева может быть определена в пределах достаточного диапазона известного соотношения температуры и удельного сопротивления нагревательного элемента. Однако, для индукционных устройств может быть определено лишь пороговое значение температуры, например, когда магнитные свойства материала, подвергаемого нагреву, изменяются от ферромагнитных до парамагнитных по температуре Кюри нагревательного материала. Аналогично термопары или другие датчики температуры используются для отслеживания температуры. Как правило, такие датчики обеспечивают тепловой контакт с объектом, подлежащим измерению, например, с нагревательным элементом, расположенным внутри субстрата, образующего аэрозоль. Однако, результаты измерения теплового контакта могут отсутствовать, например, когда датчик температуры разрушен, или когда датчик температуры не осуществляет надлежащего теплового контакта с нагревательным элементом при вставке вместе с субстратом в устройство, генерирующее аэрозоль.
Следовательно, было бы желательно иметь устройство, генерирующее аэрозоль, и систему, генерирующую аэрозоль, обеспечивающую надежное, быстрое и воспроизводимое отслеживание температуры процесса нагрева, используемого для образования аэрозоля.
Согласно настоящему изобретению предлагается устройство, генерирующее аэрозоль, выполненное с возможностью генерирования аэрозоля посредством нагрева субстрата, образующего аэрозоль. Устройство содержит корпус устройства для размещения субстрата, образующего аэрозоль, подлежащего нагреву. Согласно настоящему изобретению устройство дополнительно содержит пирометр для определения температуры нагреваемой целевой поверхности внутри корпуса устройства.
Использование пирометра для отслеживания температуры внутри устройства, генерирующего аэрозоль, является преимущественным в отношении многих аспектов. Во-первых, пирометры обеспечивают дистанционное измерение температуры без контакта. Таким образом, пирометры обеспечивают высоконадежные и воспроизводимые результаты, поскольку исключаются нарушения функций из-за неправильного или разрываемого теплового контакта. Во-вторых, благодаря возможности дистанционных измерений, пирометр не мешает нагреву нагреваемой целевой поверхности. Таким образом, отсутствует нежелательное воздействие температуры на целевую поверхность вследствие теплопроводности от целевой поверхности к пирометру. Это также делает измерение очень надежным. В то же время снижается нежелательная теплопередача на другие компоненты устройства, генерирующего аэрозоль, например, к электрической цепи. В-третьих, способность бесконтактного измерения температуры облегчать замену нагреваемой целевой поверхности. Например, целевая поверхность может представлять собой площадь поверхности нагревательного элемента, являющегося частью изделия, генерирующего аэрозоль, которое содержит субстрат, образующий аэрозоль, нагреваемый нагревательным элементом. В-четвертых, пирометры обеспечивают возможность быстрого измерения температуры в миллисекундах и, таким образом, непрерывного отслеживания температуры целевой поверхности. В-пятых, пирометры способны измерять высокие температуры, по меньшей мере такие температуры, которые являются типичными для образования аэрозоля табакосодержащих субстратов, образующих аэрозоль. В-шестых, пирометр не оказывает механического воздействия на целевую поверхность вследствие бесконтактного характера измерения температуры. Таким образом, также могут быть измерены мягкие или хрупкие целевые поверхности, например, фольга токоприемника или сетки токоприемника без риска механических повреждений. В-седьмых, из-за оптической природы измерения можно выполнить локальные точечные измерения температуры на целевой поверхности с поперечным разрешением до диапазона микрометра. Аналогично двумерное распределение температуры можно измерять с помощью пирометра визуализации.
Предпочтительно пирометр выполнен с возможностью отслеживания температуры от 150 градусов по Цельсию до 400 градусов по Цельсию, в частности, от 200 градусов по Цельсию до 350 градусов по Цельсию. Эти температуры являются типичными рабочими температурами устройств, генерирующих аэрозоль.
В пирометрах формула Планка или приближение Вина используются для определения температуры целевой поверхности на основе измеренной спектральной тепловой энергии целевой поверхности с учетом излучательной способности нагретой целевой поверхности, то есть эффективности целевой поверхности в испускании энергии в виде теплового излучения. Для определения температуры на основе измеренного излучения необходимо знать или определить излучательную способность нагретой целевой поверхности. В целом, излучательная способность может быть измерена с помощью устройства, которое, например, содержит куб Лесли в сочетании с детектором теплового излучения, таким как термостолбик или болометр. Устройство сравнивает тепловое излучение с целевой поверхности, подлежащей испытанию, с тепловым излучением из почти идеального черного образца.
В случае если пирометр должен использоваться для отслеживания лишь небольшого диапазона типовых рабочих температур, например, диапазона, имеющего ширину порядка десяти градусов Кельвина, излучательная способность целевой поверхности может считаться постоянной в пределах этого диапазона. Соответственно, излучательная способность целевой поверхности может быть определена один раз для данного температурного диапазона в отдельном измерении и, следовательно, использована для калибровки пирометра.
Для измерения теплового излучения, испускаемого нагреваемой целевой поверхностью, пирометр может содержать детектор для преобразования принятого теплового излучения в электрический выходной сигнал. Преимущественно детектор содержит диапазон спектральной чувствительности, соответствующий спектру теплового излучения целевой поверхности при определенной температуре или представляющем интерес температурном диапазоне.
Предпочтительно детектор может представлять собой фотодетектор (иногда также называемый квантовым детектором). Фотодетекторы или квантовые детекторы взаимодействуют непосредственно с налетающими фотонами теплового излучения, что приводит к образованию пар электронов и, таким образом, электрического выходного сигнала. Предпочтительно фотодетектор может представлять собой один или несколько фотодиодов или может содержать один или несколько фотодиодов. Например, один или несколько фотодиодов могут содержать фоточувствительный материал, выбранный из по меньшей мере одного из: Si (кремний), Ge (германий), InGaAs (арсенид индия-галлия), InAs (арсенид индия), InSb (антимонид индия), InAsSb (антимонид арсенида индия) или PbS (сульфид свинца(II)). Диапазоны спектральной чувствительности этих материалов являются преимущественными относительно спектра теплового излучения, которое обычно испускается при температурах от 200 градусов Цельсия до 350 градусов Цельсия с помощью нагревательного элемента, используемого в устройстве, генерирующем аэрозоль. Диапазоны спектральной чувствительности вышеприведенных материалов являются следующими: Si чувствителен к длинам волн от 0,2 микрометра до 1,1 микрометра, Ge чувствителен к длинам волн от 0,4 микрометра до 1,7 микрометра, InGaAs чувствителен к длинам волн от 0,9 микрометра до 1,7 микрометра, InAs чувствителен к длинам волн от 0,9 микрометра до 3,5 микрометра, InSb чувствителен к длинам волн от 1,2 микрометра до 7 микрометров, InAsSb чувствителен к длинам волн от 1,0 до 5,5 микрометра, и PbS чувствителен к длинам волн от 0,3 микрометра до 3 микрометров. Соответствующая верхняя граница этих диапазонов, т. е. длинноволновой конец диапазона спектральной чувствительности по существу определяется с помощью энергии свободного электрона соответствующего полупроводникового материала.
Фотодиоды InGaAs предпочтительны как имеющие более быстрое время отклика, более высокую квантовую эффективность и меньший темновой ток для одной и той же области датчика по сравнению с другими материалами, такими как Ge.
Вместо фотодиодов фотодетектор может содержать по меньшей мере один фоторезистор, например, содержащий PbS (сульфид свинца(II)).
В качестве альтернативы детектор может представлять собой термодетектор, например, болометр, пироэлектрический инфракрасный датчик или термостолбик, состоящий из множества термопар. Термодетекторы подвергаются изменению температуры в зависимости от воздействия теплового излучения, которое, в свою очередь, создает электрическое выходное напряжение.
Пирометр может содержать оптическую систему для сбора теплового излучения, испускаемого с нагреваемой целевой поверхности, и направления теплового излучения к детектору. В частности, оптическая система может содержать по меньшей мере одну линзу или систему линз для переноса теплового излучения с целевой поверхности на детектор пирометра. Оптическая система предпочтительно имеет боковое разрешение (на целевой поверхности) 1 миллиметр или меньше, в частности, 100 микрометров или меньше, предпочтительно 10 микрометров или меньше, наиболее предпочтительно 5 микрометров и меньше, например, приблизительно 3 микрометра или приблизительно 2 микрометра.
Оптическая система предпочтительно может иметь полное поле обзора (диаметр объекта на целевой поверхности), имеющее диаметр по меньшей мере 0,1 миллиметра, в частности, по меньшей мере 1 миллиметр, предпочтительно по меньшей мере 3 миллиметра, наиболее предпочтительно по меньшей мере 5 миллиметров. Другими словами, оптическая система предпочтительно выполнена с возможностью сбора теплового излучения, испускаемого из области нагреваемой целевой поверхности, имеющей диаметр по меньшей мере 0,1 миллиметра, в частности, по меньшей мере 1 миллиметр, предпочтительно по меньшей мере 3 миллиметра, наиболее предпочтительно по меньшей мере 5 миллиметров.
Пирометр может также содержать средства для ограничения спектрального диапазона теплового излучения, воспринимаемого детектором. Соответственно, пирометр может содержать по меньшей мере один фильтр. В частности, по меньшей мере один фильтр может представлять собой оптический полосовой или оптический длинноволновой фильтр или оптический коротковолновой фильтр. Пирометр может также содержать комбинацию таких фильтров. По меньшей мере один фильтр может представлять собой фильтр для подавления помех, абсорбционный фильтр или дифракционный оптический фильтр. В частности, фильтр может представлять собой встроенный фильтр детектора. Дополнительные подробности о конкретных конфигурациях фильтра описаны ниже.
Пирометр может дополнительно содержать электрическую схему для преобразования выходного сигнала детектора в сигнал, указывающий температуру целевой поверхности. Подобным образом, электрическая схема может быть частью контроллера всего устройства, генерирующего аэрозоль, используемого для управления процессом нагрева устройства. В частности, пирометр, то есть температура, определяемая пирометром, может быть использована для управления с обратной связью процессом нагрева устройства.
Электрическая схема может содержать по меньшей мере одно из следующего: усилитель напряжения, управляемый током, для преобразования тока в напряжение, усилитель преобразования сигнала, преобразователь несимметричного сигнала в дифференциальный, аналого-цифровой преобразователь и микроконтроллер.
В общем, пирометр согласно настоящему изобретению может представлять собой одноволновой пирометр, двухволновой пирометр или многоволновой пирометр.
В случае одноволнового пирометра он выполнен с возможностью обнаружения теплового излучения, испускаемого нагреваемой целевой поверхностью в одном диапазоне длин волн. Одноволновой пирометр обеспечивает преимущество благодаря его простой и дешевой конструкции. Например, одноволновой пирометр может содержать один фотодетектор, имеющий один фотодиод и одноэлементную оптическую систему, например, одну собирающую линзу, расположенную перед фотодиодом. Кроме того, одноволновой пирометр может содержать фильтр, в частности полосовой фильтр спереди детектора для ограничения спектрального диапазона излучения, воспринимаемого детектором. Преимущественно фильтрация снижает нежелательные эффекты вследствие спектрального изменения излучательной способности, что должно быть обязательно известно или определено при использовании одноволнового пирометра. Как описано выше, одноволновые пирометры особенно подходят для отслеживания целевых поверхностей с известной излучательной способностью в небольшом диапазоне рабочих температур.
В качестве альтернативы пирометр может представлять собой двухволновой пирометр. Двухволновые пирометры обнаруживают тепловое излучение, испускаемое целевой поверхностью в двух диапазонах длин волн. Отношение двух спектральных излучений варьируется монотонно (фактически, почти пропорционально) до температуры и, таким образом, может быть преобразовано в точное значение температуры. Соответственно, при использовании двухволнового пирометра измерение температуры зависит только от соотношения двух измеренных излучений, а не от их абсолютных значений. Более конкретно, температура целевой поверхности зависит как от соотношения двух значений излучения, измеренных в двух диапазонах длин волн, так и от соотношения соответствующих значений излучательной способности в двух диапазонах длин волн. По этой причине, двухволновые пирометры также называют пирометрами спектрального соотношения. Кроме того, любой параметр, такой как соотношение размера целевой поверхности и поля зрения (FOV) детектора, который влияет на абсолютное значение излучения на двух длинах волн или диапазонах длин волн на равном процентном содержании, не влияет на измерение температуры. Следовательно, использование двухволнового пирометра делает измерение температуры независимым от размера целевой поверхности. Аналогично изменение характеристик пропускания в пути измерения между целевой поверхностью и детектором устраняется тем же способом, что и измеренная температура, которая зависит только от соотношения двух измеренных излучений. Это особенно полезно в отношении отслеживания температуры внутри устройства, генерирующего аэрозоль, в котором генерируемый аэрозоль или пыль на линии видимости пирометра могут уменьшать абсолютное значение теплового излучения, измеряемого детектором. Кроме того, когда значения излучательной способности в двух диапазонах волн по существу равны, соотношение соответствующих значений излучательной способности в двух диапазонах волн является по существу единым. Следовательно, излучательную способность не учитывают в температурной функции, используемой для расчета температуры целевой поверхности. Соответственно, двухволновой пирометр отображает истинную температуру целевой поверхности независимо от фактической величины излучательной способности целевой поверхности.
В целом, двухволновой пирометр может быть выполнен с возможностью измерения теплового излучения по меньшей мере в двух диапазонах длин волн, которые являются отдельными и отличаются друг от друга. Другими словами, первый диапазон длин волн и второй диапазон длин волн могут быть отдельными и отличаться друг от друга. Эта конфигурация соответствует двухволновому пирометру в его классическом значении. В качестве альтернативы двухволновой пирометр может быть выполнен с возможностью измерения теплового излучения по меньшей мере в двух диапазонах длин волн, которые частично перекрывают друг друга, или при этом один из двух диапазонов длин волн представляет собой подгруппу другого диапазона длин волн. Эта конфигурация соответствует двухволновому пирометру, который иногда также называют двухцветным пирометром. Другими словами, первый диапазон длин волн и второй диапазон длин волн могут частично перекрывать друг друга или первый диапазон длин волн может представлять собой подгруппу второго диапазона длин волн.
Для обеспечения по существу одинаковых излучательных способностей в двух диапазонах длин волн или для по меньшей мере сведения к минимуму зависящих от длины волны отклонений излучательной способности, два диапазона длин волн предпочтительно выбирают так, чтобы они были рядом друг с другом, и предпочтительно они являются узкополосными (предполагаемые характеристики серого тела). Даже если излучательная способность целевого объекта изменяется до одинаковой величины в обоих диапазонах длин волн, результат измерения не будет изменен. Отклонения от истинной температуры в результате постоянных различий или линейной связи между двумя значениями излучательной способности могут быть скорректированы путем установки соотношения излучательной способности на пирометре (так называемому «наклону излучательной способности»).
Увеличение расстояния между двумя диапазонами длин волн может быть использовано для снижения неопределенности измерения температуры. Тем не менее, с увеличением разделения предполагаемые характеристики серого тела целевой поверхности могут стать менее эффективными. Следовательно, выбор двух диапазонов длин волн должен быть компромиссом между характеристиками серого тела и неточностью измерения температуры.
В заключение, двухволновые пирометры являются по своей природе точными, поскольку они позволяют компенсировать изменения излучательной способности, частично заполненные поля обзора и оптические препятствия между целевой поверхностью и детектором пирометра.
Два диапазона длин волн могут иметь одинаковую ширину полосы или разные ширины полосы. Другими словами, вместо измерения в двух узких диапазонах длин волн, двухволновой пирометр может быть выполнен с возможностью измерения теплового излучения в первом диапазоне длин волн и втором диапазоне длин волн, при этом второй диапазон длин волн больше первого диапазона длин волн. Тем самым, разность между соответствующими значениями теплового излучения, измеренными в этих диапазонах длин волн, увеличивается, что преимущественно улучшает уровень сигнала, который необходимо измерить. В других случаях, если два диапазона длин волн находятся близко друг к другу, соответствующие значения теплового излучения, измеренные в этих диапазонах длин волн, незначительно отличаются друг от друга. Таким образом, соотношение двух почти идентичных значений излучения изменяется только немного в отношении температуры целевой поверхности. Следовательно, электрическая схема предпочтительно выполнена с возможностью обеспечения большого коэффициента усиления для обнаружения таких небольших изменений сигнала.
В случае измерения не на отдельной длине волны или не в узком диапазоне длин волн детектор измеряет объединенное излучение в диапазоне длин волн. Однако, большинство формул, используемых для получения температуры целевой поверхности, относятся к спектральному тепловому излучению при конкретной длине волны или в пределах узкого диапазона длин волн. Для того чтобы все еще получить температуру, объединенное излучение может быть получено путем вычисления излучения на так называемой эффективной длине волны, которая представляет среднее значение излучения при заданном излучении, измеренном посредством спектрального ответа детектора и возможных фильтров перед детектором. В отношении определения эффективной длины волны осуществляют дополнительную ссылку, например, на статью «Effective wavelength for multicolor/pyrometry» by J. L. Gardner, Applied Optics, Vol. 19, Issue 18, pp. 3088-3091 (1980).
В качестве альтернативы определению эффективной длины волны пирометр может быть откалиброван по диапазону длин волн или даже по всему спектру длин волн. Таким образом, возможные изменения прозрачности оптической системы или прозрачности входного окна пирометра преимущественно автоматически учитываются. Калибровку можно осуществлять, например, с использованием излучателя абсолютно черного тела при различных известных температурах абсолютно черного тела. После калибровки пирометра больше нет необходимости знать излучательную способность нагреваемой целевой поверхности.
Для обнаружения излучения в соответствующих первом и втором диапазонах длин волн, пирометр может содержать детектор, содержащий по меньшей мере первый и второй датчик. Первый и второй датчики расположены и выполнены таким образом, чтобы независимо обнаружить соответствующую часть теплового излучения, испускаемого целевой поверхностью. Например, фотодетектор может содержать по меньшей мере первый и второй фотодиод, которые не зависят друг от друга. Подобным образом, фотодетектор может содержать один фотодиод, имеющий по меньшей мере первую и вторую области датчика (действуя как первый и второй датчики) для независимого измерения соответствующей части испускаемого теплового излучения. Первый и второй датчики могут быть расположены смежно друг с другом, в частности, в одной плоскости обнаружения. В качестве альтернативы первый и второй датчики могут быть расположены перед другой плоскостью в конфигурации сэндвич-конструкции. В этой конфигурации соответствующий передний датчик может предпочтительно представлять фильтр для соответствующего заднего датчика.
Для выбора двух соответствующих диапазонов длин волн двухволновой пирометр может содержать первый полосовой, или длинноволновой, или коротковолновой фильтр. Дополнительно или альтернативно двухволновой пирометр может содержать второй полосовой, или длинноволновой, или коротковолновой фильтр.
Что касается использования полосовых фильтров, ширина полосы предпочтительно соответствует первой или второй длине волны/диапазону длин волн соответственно. Ширина полосы первого полосового фильтра может быть меньше или больше ширины полосы второго полосового фильтра. Предпочтительно по меньшей мере один из первого и второго полосовых фильтров является узкополосным. Другими словами, по меньшей мере один из первого и второго полосовых фильтров может иметь ширину полосы не более 200 нанометров, в частности не более 150 нанометров, предпочтительно не более 100 нанометров.
Что касается использования длинноволновых или коротковолновых фильтров, критическая длина волны длинноволнового фильтра может быть выбрана таким образом, чтобы она была ниже длинноволнового конца диапазона спектральной чувствительности детектора, в частности, соответствующего первого или второго датчика. Подобным образом, критическая длина волны коротковолнового фильтра может быть выбрана таким образом, чтобы она была выше коротковолнового конца диапазона спектральной чувствительности детектора, в частности, соответствующего первого или второго датчика. Критическая длина волны длинноволнового фильтра и длинноволновой конец диапазона спектральной чувствительности детектора могут быть выбраны так, чтобы определять конкретный диапазон длин волн для ограничения спектра теплового излучения, воспринимаемого длиной волны детектора. Подобным образом, критическая длина волны коротковолнового фильтра и коротковолновой конец диапазона спектральной чувствительности детектора могут быть выбраны таким образом, чтобы определить конкретный диапазон длин волн. Другими словами, детектор в комбинации с длинноволновым фильтром или коротковолновым фильтром может выступать в качестве полосового фильтра. Критическая длина волны длинноволнового фильтра может составлять не более 200 нанометров, в частности не более 150 нанометров, предпочтительно не более 100 нанометров, ниже длинноволнового конца диапазона спектральной чувствительности детектора. Подобным образом, критическая длина волны коротковолнового фильтра может составлять не более 200 нанометров, в частности не более 150 нанометров, предпочтительно не более 100 нанометров, выше коротковолнового конца диапазона спектральной чувствительности детектора. Если детектор содержит фотодиод, длинноволновой конец диапазона спектральной чувствительности в основном определяется посредством энергии свободного электрона фоточувствительного полупроводникового материала фотодиода. Соответственно, материал фотодиода может быть выбран относительно длинноволнового конца его диапазона спектральной чувствительности таким образом, чтобы определить верхнюю границу диапазона длин волн, подлежащего отслеживанию. Например, если верхний предел диапазона длин волн, подлежащего отслеживанию, составляет приблизительно 1,7 микрометра, детектор предпочтительно представляет собой фотодиод InGaAs, имеющий диапазон спектральной чувствительности от 0,9 микрометра до 1,7 микрометра, или содержит его.
Если детектор имеет по меньшей мере первый и второй датчики, первый полосовой фильтр, или первый длинноволновой фильтр, или первый коротковолновой фильтр могут быть расположены перед первым датчиком. Альтернативно или дополнительно второй полосовой фильтр, или второй длинноволновой фильтр, или второй коротковолновой фильтр могут быть расположены перед вторым датчиком.
Согласно одному примеру пирометр может содержать первый и второй полосовые фильтры, расположенные перед первым и вторым датчиками детектора соответственно. Для осуществления двухволнового пирометра диапазон длин волн первого полосового фильтра отличается от диапазона длин волн второго полосового фильтра, соответствующего желаемым первому и второму диапазонам длин волн. Предпочтительно по меньшей мере один из первого и второго полосовых фильтров является узкополосным.
Альтернативно одноволновому или двухволновому пирометру, пирометр может представлять собой многоволновой пирометр. Многоволновой пирометр является преимущественным, чтобы отслеживать температуру целевой поверхности, обладающей излучательной способностью, которая изменяется в зависимости от длины волны, в частности нелинейно. Такие целевые поверхности называются телами, отличными от серых. Многоволновой пирометр выполнен с возможностью определения теплового излучения и излучательной способности на протяжении измеренных длин волн для точного определения как фактической температуры, так и излучательной способности материала тела, отличного от серого. Для этого многоволновой пирометр содержит детектор, имеющий более двух датчиков, то есть по меньшей мере три датчика. В целом, если зависимость длины волны от излучательной способности может быть приблизительно подсчитана с помощью функции, имеющей N неизвестных параметров, многоволновой пирометр предпочтительно содержит по меньшей мере N детекторов.
Пирометр может содержать детектор, содержащий по меньшей мере первый, второй и третий датчик и предпочтительно также по меньшей мере четвертый датчик. Первый и второй датчики могут быть использованы для измерения двухволновой температуры, то есть использованы в качестве двухволнового пирометра, как описано выше. В отличие от этого, третий и необязательный четвертый датчики могут быть использованы для реализации дополнительных функциональных возможностей, в частности, в сочетании с соответствующими фильтрами перед третьим и необязательным четвертым датчиком. Например, третий и необязательный четвертый датчики могут быть использованы для определения излучательной способности тела, отличного от серого. В частности, третий и необязательный четвертый датчики могут быть использованы для реализации многоволнового пирометра, например, трехволнового пирометра или четырехволнового пирометра. Подобным образом, третий и необязательный четвертый датчики могут быть использованы для определения температуры наиболее горячего места на целевой поверхности, которая отличается от средней температуры целевой поверхности, определенной первым и вторым датчиками. Кроме того, третий и необязательный четвертый датчики могут быть использованы для определения количества пара или аэрозоля, производимого устройством, генерирующим аэрозоль.
Третий и необязательный четвертый датчики могут иметь отличный от других тип датчика, чем первый и второй датчики. Например, первый и второй датчики могут представлять собой фотодетекторы, такие как фотодиоды, тогда как третий и необязательный четвертый датчики могут представлять собой тепловые датчики, например, термостолбики. Подобным образом, третий и необязательный четвертый датчики могут быть одинакового типа, но с разной чувствительностью. Например, первый и второй датчики могут представлять собой фотодиоды InGaAs, а третий и необязательный четвертый датчики могут представлять собой фотодиоды Si.
Последняя конфигурация может быть преимущественно использована для обнаружения наиболее горячих мест. В такой конфигурации первый и второй датчики, в комбинации с соответствующими фильтрами, служат в качестве двухволнового пирометра для измерения средней температуры целевой поверхности. Третий и необязательный четвертый датчики, без фильтра, выполнены с возможностью измерения наиболее горячих мест на целевой поверхности. Что касается устройства, генерирующего аэрозоль, согласно настоящему изобретению, наиболее горячие места целевой поверхности представляют собой точечные области на целевой поверхности, температура которых выше требуемой максимальной температуры нагрева, например, выше 350 градусов Цельсия.
Разумеется, третий и четвертый датчики могут также быть идентичны первому и второму датчикам. В этой конфигурации детектор может представлять собой четырехволновой пирометр для определения как актуальной температуры, так и излучательной способности целевой поверхности тела, отличного от серого, например, алюминиевой целевой поверхности.
Альтернативно третий и четвертый датчики могут быть объединены с третьим и четвертым полосовыми фильтрами, т. е. третий полосовой фильтр расположен перед третьим датчиком, а четвертый полосовой фильтр расположен перед четвертым датчиком. Диапазон длин волн третьего полосового фильтра отличается от диапазона длин волн четвертого полосового фильтра. Предпочтительно диапазоны длин волн как третьего, так и четвертого полосовых фильтров являются узкополосными, например, с шириной полосы не более 200 нанометров, в частности не более 150 нанометров, предпочтительно не более 100 нанометров. Диапазон длин волн третьего полосового фильтра может быть выбран таким образом, чтобы соответствовать пику поглощения или превосходить пик поглощения газообразной среды на линии видимости детектора. В этой конфигурации третий и четвертый датчики могут быть использованы в качестве спектрометра.
Например, вода имеет заявленный пик поглощения приблизительно 1,45 микрометра. Для обнаружения количества инфракрасного излучения, испускаемого целевой поверхностью, которое поглощается водяным паром/паром, содержащимся в аэрозоле на линии видимости пирометра, детектор может содержать фотодиоды InGaAs в качестве третьего и четвертого датчиков, и дополнительно третий полосовой фильтр перед третьим датчиком, имеющим диапазон длин волн при приблизительно 1,45 микрометра, и четвертый полосовой фильтр перед четвертым датчиком, имеющим диапазон длин волн при приблизительно 1,45 микрометра. Следовательно, это позволяет оценить объем аэрозоля, генерируемого устройством, генерирующим аэрозоль, при конкретной температуре. Температуру целевой поверхности определяют с помощью первого и второго датчиков в качестве двухволнового пирометра.
Для двухволновых, а также для многоволновых пирометров оптическая система пирометра может содержать по меньшей мере один расщепитель луча для расщепления, в частности, для равномерного расщепления теплового излучения, испускаемого целевой поверхностью на датчики пирометра. Преимущественно расщепитель луча представляет собой дихроичный расщепитель луча. Дихроический расщепитель луча обеспечивает две полосы фильтра (одну при отображении и одну при передаче) без поглощения или потери какого-либо падающего света. Альтернативно или дополнительно оптическая система может содержать по меньшей мере одну линзу или систему линз для направления и распределения теплового излучения на детекторы пирометра.
При использовании двухволнового и многоволнового пирометра критически важно во многих вариантах осуществления, что количество фотонов каждой длины волны, достигая соответствующих датчиков детектора пирометра, является приблизительно одинаковым. Однако в устройстве, генерирующем аэрозоль, согласно настоящему изобретению аэрозоль может вызывать накопление частиц и капель на поверхности оптической системы, которая подвергается воздействию аэрозоля, испаряемого из субстрата, образующего аэрозоль, при нагреве. Вследствие этого, количество фотонов, достигающих соответствующих датчиков, будет изменяться, и точность измерения может быть уменьшена. Для решения данной проблемы оптическая система может преимущественно содержать по меньшей мере одну рассеивающую линзу, то есть по меньшей мере одну линзу, имеющую по меньшей мере одну поверхность рассеивающей линзы. Предпочтительно по меньшей мере одна поверхность рассеивающей линзы находится на дальней стороне целевой поверхности. Поверхность рассеивания является негладкой поверхностью линзы, имеющей случайные неровности в отличие от гладкой поверхности линзы. Благодаря поверхности рассеивания рассеивающая линза рассеивает тепловое излучение, испускаемое целевой поверхностью во всех направлениях. Следовательно, соответствующие датчики детектора будут принимать по существу равное количество фотонов во всех длинах волн, несмотря на то, что часть поверхности оптической системы блокируется посредством отложений частиц или капель.
В дополнение к рассеивающей линзе оптическая система может содержать собирающую линзу для направления теплового излучения к детектору. Для этого собирающая линза расположена между рассеивающей линзой и детектором.
Для одной и той же цели оптическая система может также содержать по меньшей мере одну линзу Френеля. В частности, оптическая система может содержать систему линз Френеля, содержащую по меньшей мере две линзы Френеля, имеющие ступенчатые поверхности, обращенные друг к другу. Линзы Френеля являются преимущественными благодаря своему тонкому и легкому конструктивному исполнению линз. Предпочтительно по меньшей мере одна линза Френеля представляет собой сферическую линзу Френеля.
При использовании рассеивающей линзы или линзы Френеля оптическая система предпочтительно представляет собой оптическую систему без визуализации, то есть оптическую систему, которая оптимизирована для передачи оптического излучения с целевой поверхности на детектор, а не для формирования изображения. Например, при использовании линзы Френеля для системы без визуализации линза должна быть предназначена для смешивания излучения, поступающего из целевой поверхности, вместо воспроизведения ее изображения, чтобы уменьшить неблагоприятные эффекты накопления пыли на поверхности линзы.
2
Для оптимизации оптического переноса излучения оптический материал прозрачных элементов (например, линзы, расщепители луча) оптической системы является, в частности, прозрачным для длины волны в близком к середине инфракрасном спектре. Подходящими материалами являются CaF (фторид кальция), PC (поликарбонат), ABS (акрилонитрил-бутадиен-стирол), PMMA (полиметилметакрилат) или COC (циклический олефиновый сополимер). Эти материалы характеризуются прозрачностью, составляющей по меньшей мере 80 процентов в инфракрасном диапазоне, до длины волны 1,6 микрометра. В частности, пластмассы, полученные литьем под давлением, такие как COC, предпочтительны как обеспечивающие массовое производство.
Оптическая система может содержать гидрофобное покрытие по меньшей мере на поверхности, подвергаемой воздействию аэрозоля, испаряемого из субстрата, образующего аэрозоль, при нагреве. Гидрофобное покрытие преимущественно препятствует или даже предотвращает осаждение пыли и аэрозоля на покрытой поверхности. Кроме того, гидрофобное покрытие способствует легкой очистке покрытой поверхности.
Пирометр может содержать кожух для вмещения элементов пирометра, в частности, для вмещения детектора и оптической системы, и, возможно, также электрической схемы пирометра. Кожух предпочтительно является непроницаемым или непрозрачным, т.е. является светоустойчивым или непроницаемым для света. Таким образом, кожух обеспечивает оптическую защиту от окружающего света, что преимущественно повышает чувствительность и, таким образом, точность пирометра. Кроме того, кожух преимущественно защищает элементы пирометра от отложений аэрозоля. Кожух может содержать входное отверстие, позволяющее тепловому излучению проникать в пирометр. Вход может быть покрыт прозрачным входным окном, которое предпочтительно выполнено из инфракрасного прозрачного материала, как описано выше. В качестве альтернативы элемент оптической системы, в частности линза, может покрывать или герметизировать входное отверстие кожуха.
С помощью современных технологий можно создавать такой пирометр в пределах объема 2×4 x 4 в кубических миллиметрах, например, с использованием литья под давлением для получения оптической структуры, и технологии перевернутого кристалла для детектора и электрической схемы.
Дополнительно или в качестве альтернативы кожуху устройство, генерирующее аэрозоль, может содержать дополнительный оптический защитный экран для защиты пирометра от окружающего света.
В контексте данного документа термин «устройство, генерирующее аэрозоль» используется для описания устройства, которое взаимодействует с субстратом, образующим аэрозоль, для генерирования аэрозоля посредством нагрева, в частности посредством электрического нагрева субстрата. Предпочтительно устройство, генерирующее аэрозоль, выполнено с возможностью генерирования аэрозоля, непосредственно вдыхаемого в легкие пользователя через рот пользователя. Предпочтительно устройство, генерирующее аэрозоль, представляет собой портативное устройство, в частности устройство, напоминающее форму обычных сигарет.
В контексте данного документа термин «субстрат, образующий аэрозоль» относится к субстрату, способному высвобождать летучие соединения, которые могут образовывать аэрозоль. Такие летучие соединения могут высвобождаться путем нагрева субстрата, образующего аэрозоль. Субстрат, образующий аэрозоль, для удобства может быть частью изделия, генерирующего аэрозоль, или курительного изделия. Субстрат, образующий аэрозоль, может представлять собой твердый или жидкий субстрат, образующий аэрозоль. Альтернативно субстрат, образующий аэрозоль, может содержать как твердые, так и жидкие компоненты. Субстрат, образующий аэрозоль, может содержать табакосодержащий материал, содержащий летучие вкусоароматические соединения табака, которые высвобождаются из субстрата при нагреве. Альтернативно субстрат, образующий аэрозоль, может содержать нетабачный материал. Субстрат, образующий аэрозоль, может дополнительно содержать вещество для образования аэрозоля, которое способствует образованию плотного и стабильного аэрозоля. Примерами подходящих веществ для образования аэрозоля являются глицерин и пропиленгликоль.
В контексте данного документа термин «изделие, генерирующее аэрозоль» относится к изделию для взаимодействия с устройством, генерирующим аэрозоль. Изделие содержит субстрат, образующий аэрозоль. Например, изделие, генерирующее аэрозоль, может представлять собой картридж, содержащий твердый или жидкий субстрат, образующий аэрозоль. Кроме того, изделие может содержать нагревательный элемент, который может быть выполнен с возможностью нагрева посредством устройства, генерирующего аэрозоль. Например, нагревательный элемент может представлять собой токоприемный элемент, который может быть выполнен с возможностью нагрева с помощью индукционного источника устройства, когда изделие вставлено в корпус устройства. В частности, изделие, генерирующее аэрозоль, может представлять собой расходный материал, например, для одноразового использования. Изделие, содержащее субстрат, образующий аэрозоль, содержащий твердый табак, может называться табачной палочкой.
Согласно настоящему изобретению пирометр выполнен с возможностью определения температуры нагреваемой целевой поверхности в корпусе устройства. Другими словами, нагреваемая целевая поверхность находится внутри корпуса устройства (по меньшей мере) при использовании устройства.
Предпочтительно при использовании устройства нагреваемая целевая поверхность находится на линии видимости пирометра. В качестве альтернативы пирометр может содержать оптическую систему на основе волокна, содержащую оптическое волокно для сбора и направления теплового излучения, испускаемого с целевой поверхности на детектор пирометра. Подобным образом, устройство может содержать по меньшей мере одно зеркало для направления теплового излучения, испускаемого с целевой поверхности на детектор пирометра.
Нагреваемая целевая поверхность может быть частью устройства, генерирующего аэрозоль, то есть устройство, генерирующее аэрозоль, может содержать нагреваемую целевую поверхность. Однако, нагреваемая целевая поверхность необязательно должна быть частью устройства, генерирующего аэрозоль, но может быть расположена только в корпусе устройства при использовании устройства.
Предпочтительно нагреваемая целевая поверхность является площадью поверхности нагревательного элемента, используемого для нагрева субстрата, образующего аэрозоль. Альтернативно нагреваемая целевая поверхность может находиться в тепловом контакте с таким нагревательным элементом.
Нагревательный элемент может быть частью устройства, генерирующего аэрозоль, в частности частью нагревателя устройства, генерирующего аэрозоль. В этой конфигурации нагревательный элемент предпочтительно неподвижно расположен в корпусе устройства, который относится к устройству, генерирующему аэрозоль. Разумеется, нагревательный элемент может также быть расположен с возможностью съема в корпусе устройства или выполнен с возможностью съемного расположения в нем. Другими словами, нагревательный элемент может быть выполнен с возможностью по меньшей мере частичного или даже полного замещения из корпуса устройства.
В качестве альтернативы нагревательный элемент может быть частью изделия, образующего аэрозоль, содержащего субстрат, образующий аэрозоль, подлежащий нагреву. В этой конфигурации нагревательный элемент не является частью устройства, генерирующего аэрозоль, а скорее выполнен с возможностью съемного расположения в корпусе устройства. Другими словами, нагревательный элемент может быть вставлен и извлечен из устройства, генерирующего аэрозоль, вместе с субстратом, образующим аэрозоль. В последней конфигурации использование пирометра особенно преимущественно из-за бесконтактного характера измерения температуры, исключая необходимость в тепловом контакте с нагревательным элементом.
Нагревательный элемент выполнен с возможностью нагрева благодаря электрически и/или химически генерируемой тепловой энергии. Таким образом, устройство, генерирующее аэрозоль, согласно настоящему изобретению может представлять собой электрически и/или химически нагреваемое устройство, генерирующее аэрозоль. Соответственно, нагрев нагревательного элемента обусловлен резистивным нагревом, индукционным нагревом и/или экзотермической химической реакцией.
В случае резистивного нагрева нагревательный элемент содержит электропроводный материал, который нагревается при пропускании через него электрического тока. Резистивный нагревательный элемент предпочтительно представляет собой часть устройства, генерирующего аэрозоль, в частности часть резистивного нагревателя устройства, генерирующего аэрозоль. Резистивный нагреватель может содержать, в дополнение к нагревательному элементу, электрический источник питания и контроллер, выполненный с возможностью управления подачей мощности от источника питания на нагревательный элемент.
В случае индукционного нагрева нагревательный элемент предпочтительно представляет собой токоприемный элемент. В контексте данного документа термин «токоприемный элемент» относится к элементу, содержащему материал, который способен индуктивно нагреваться внутри переменного электромагнитного поля. Это может быть результатом по меньшей мере одного из потерь на гистерезис или вихревых токов, индуцированных в токоприемнике, в зависимости от электрических и магнитных свойств материала токоприемника. Потери на гистерезис возникают в ферромагнитных или ферримагнитных токоприемниках в связи с перемагничиванием магнитных доменов внутри материала под воздействием переменного электромагнитного поля. Вихревые токи могут быть индуцированы, если токоприемник является электропроводным. При наличии электропроводного ферромагнитного токоприемника или электропроводного ферримагнитного токоприемника тепло может быть сгенерировано как благодаря вихревым токам, так и благодаря потерям на гистерезис. Соответственно, токоприемный элемент может содержать материал, который является электропроводным и/или одним из ферромагнитного или ферримагнитного. Токоприемный элемент может быть частью устройства, генерирующего аэрозоль, в частности частью индукционного нагревателя устройства, генерирующего аэрозоль. Индукционный нагреватель содержит, в дополнение к токоприемному элементу, источник индуктивности для генерирования переменного электромагнитного поля внутри корпуса устройства таким образом, чтобы индуцировать по меньшей мере один из генерирующих тепло вихревых токов или потерь на гистерезис в токоприемном элементе. Альтернативно токоприемный элемент может быть частью изделия, генерирующего аэрозоль, как описано выше. В этом случае токоприемный элемент расположен внутри изделия таким образом, чтобы взаимодействовать с переменным электромагнитным полем, генерируемым индукционным нагревателем, в частности источником индукции, устройства, генерирующего аэрозоль, когда изделие размещено в корпусе устройства, генерирующего аэрозоль. В любой конфигурации источник индукции предпочтительно содержит индукционную катушку, электрический источник питания и контроллер, функционально соединенные друг с другом, причем контроллер выполнен с возможностью генерирования переменного тока, проходящего через индукционную катушку.
Нагревательный элемент может иметь любую форму или конфигурацию. Нагревательный элемент может содержать по меньшей мере одно из следующего: стержень, пластину, ленту, полоску, рукав, сетку или фитиль, или может иметь конфигурацию в виде частиц. Например, нагревательный элемент может содержать нагревательную пластину или нагревательный стержень, выполненный с возможностью проникновения в субстрат, образующий аэрозоль, при вставке субстрата в корпус устройства. Подобным образом, нагревательный элемент может образовывать по меньшей мере часть приемной полости в корпусе устройства для размещения субстрата, образующего аэрозоль, подлежащего нагреву. Нагревательный элемент может также образовывать по меньшей мере часть изделия, генерирующего аэрозоль, например, картриджа, который содержит субстрат, образующий аэрозоль, и выполнен с возможностью размещения внутри корпуса устройства, генерирующего аэрозоль. Альтернативно, в частности, будучи частью изделия, генерирующего аэрозоль, нагревательный элемент может содержать нагревательную пластину, нагревательную полоску, нагревательный стержень, нагревательную ленту или нагревательный рукав, расположенные в непосредственной близости от субстрата, образующего аэрозоль, содержащегося в изделии, генерирующем аэрозоль. Нагревательный элемент может представлять собой нагревательную сетку или нагревательный фитиль, являющийся либо частью устройства, генерирующего аэрозоль, либо частью изделия, генерирующего аэрозоль. Конфигурация в виде сетки или фитиля особенно подходит для использования в жидких субстратах, образующих аэрозоль.
Согласно настоящему изобретению также предоставлена система, генерирующая аэрозоль, содержащая устройство, генерирующее аэрозоль, согласно настоящему изобретению и как описано выше. Система дополнительно содержит изделие, генерирующее аэрозоль, для использования с устройством, которое содержит субстрат, образующий аэрозоль, подлежащий нагреву. В частности, корпус устройства выполнен с возможностью по меньшей мере частичного вмещения изделия.
Согласно конкретному аспекту настоящего изобретения устройство содержит нагреватель, выполненный с возможностью генерирования тепла в нагревательном элементе. Нагревательный элемент расположен или выполнен с возможностью расположения в субстрате, образующем аэрозоль, изделия и содержит нагреваемую целевую поверхность, температуру которой отслеживают посредством пирометра устройства. Как описано выше в отношении устройства, генерирующего аэрозоль, нагревательный элемент и тем самым нагреваемая целевая поверхность могут быть либо частью устройства, либо изделия.
Дополнительные признаки и преимущества системы, генерирующей аэрозоль, согласно настоящему изобретению были описаны в отношении устройства, генерирующего аэрозоль, и изделия и повторно описываться не будут.
Настоящее изобретение далее будет описано исключительно в качестве примера со ссылкой на сопроводительные графические материалы, на которых:
На фиг. 1 показана схематическая иллюстрация устройства, генерирующего аэрозоль, согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения;
На фиг. 2 показана схематическая иллюстрация устройства, генерирующего аэрозоль, согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения в комбинации с изделием, генерирующим аэрозоль;
На фиг. 3 показан подробный вид изделия, генерирующего аэрозоль, используемого с устройством, генерирующим аэрозоль, согласно фиг. 2;
На фиг. 4 показана схематическая иллюстрация пирометра согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения; и
На фиг. 5 показана схематическая иллюстрация пирометра согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения;
На фиг. 1 схематически изображен первый вариант осуществления устройства 1, генерирующего аэрозоль, согласно настоящему изобретению. Устройство 1 выполнено с возможностью генерирования вдыхаемого аэрозоля посредством индукционного нагрева твердого субстрата, образующего аэрозоль. Для этого субстрат может быть расположен с возможностью размещения в приемной полости 4, образованной на ближнем конце 3 удлиненного корпуса 2 устройства 1. Субстрат может быть частью изделия, генерирующего аэрозоль (не показано), которое выполнено с возможностью по меньшей мере частичного размещения в приемной полости 4. В варианте осуществления настоящего изобретения устройство 1 содержит индукционный нагреватель 30 для нагрева субстрата. Индукционный нагреватель 30 содержит спиральную индукционную катушку 31, окружающую приемную полость 4, для генерирования переменного электромагнитного поля внутри приемной полости 4. Нагреватель 30 дополнительно содержит токоприемный нагревательный элемент 32. В варианте осуществления настоящего изобретения нагревательный элемент 32 представляет собой коническую пластину 32 токоприемника, выполненную из нержавеющей стали, которая расположена внутри приемной полости 4 и выполнена с возможностью проникновения в субстрат, образующий аэрозоль, при вставке изделия, генерирующего аэрозоль, внутрь приемной полости 4. При пропускании переменного тока возбуждения через индукционную катушку 31 переменное электромагнитное поле индуцирует потери на гистерезис и/или вихревые токи в пластине 32 токоприемника в зависимости от его электрических и магнитных свойств. Вследствие этого нагревательный элемент 32 нагревается, что, в свою очередь, нагревает субстрат, образующий аэрозоль, при тепловом контакте с пластиной 32 токоприемника. Для замены и очистки пластина 32 токоприемника может быть расположена с возможностью съема на дальнем конце приемной полости 4. Альтернативно пластина токоприемника может быть частью изделия, генерирующего аэрозоль, подлежащего вставке в приемную полость 4 устройства 1.
Разумеется, устройство согласно фиг. 1 может быть также выполнено с возможностью резистивного нагрева. Например, вместо пластины токоприемника устройство 1 может содержать резистивную или резистивно нагреваемую пластину нагревателя.
Устройство 1 дополнительно содержит электрическую схему 20, питаемую от батареи 10, которая выполнена, среди прочего, с возможностью генерирования переменного тока возбуждения. Электрическая схема 20 содержит контроллер (не показан) для управления процессом нагрева.
Управление температурой нагрева требует отслеживания температуры нагревательного элемента 32. Для этого устройство 1 согласно фиг. 1 содержит двухволновой пирометр 100 для измерения абсолютной температуры целевой поверхности 33 на нагревательном элементе 32. В варианте осуществления настоящего изобретения целевая поверхность 33 является частью задней поверхности пластины 32 токоприемника, которая находится на прямой линии видимости пирометра 100.
Как можно дополнительно увидеть на фиг. 1, пирометр 100 функционально соединен с электрической схемой 20 устройства. В варианте осуществления настоящего изобретения электрическая схема 20 также выполнена с возможностью оценивания выходного сигнала пирометра 100 с целью определения абсолютной температуры целевой поверхности 33. Электрическая схема может содержать по меньшей мере одно из следующего: усилитель напряжения, управляемый током, для преобразования тока в напряжение, усилитель преобразования сигнала, преобразователь несимметричного сигнала в дифференциальный, аналого-цифровой преобразователь и микроконтроллер.
Дополнительные детали относительно двухволнового пирометра 100 описаны ниже в отношении вариантов осуществления, показанных на фиг. 4 и 5.
На фиг. 2 схематически изображен второй вариант осуществления устройства 1, генерирующего аэрозоль, согласно настоящему изобретению. Как и устройство согласно фиг. 1, устройство согласно фиг. 2 выполнено с возможностью индукционного нагрева. Следовательно, подобные или идентичные признаки обозначены одинаковыми ссылочными номерами. В отличие от варианта осуществления, показанного на фиг. 1, токоприемный нагревательный элемент 232 не является частью устройства 1, а является частью изделия 200, генерирующего аэрозоль, которое содержит жидкий субстрат 210, образующий аэрозоль, подлежащий нагреву. В варианте осуществления настоящего изобретения токоприемный нагревательный элемент 232 представляет собой сетчатый токоприемник 232, изготовленный из нержавеющей стали, который расположен на дальнем конце подобного картриджу изделия 200. Когда изделие 200 размещено в приемной полости 4, образованной внутри корпуса 2 устройства, сетчатый токоприемник 232 может подвергаться переменному электромагнитному полю, генерируемому источником индукции устройства (не показано), что приводит к нагреву токоприемного материала сетки. Сетчатый токоприемник 232 выполнен так, чтобы жидкий субстрат, образующий аэрозоль, образовывал мениск на промежутках сетчатого токоприемника 232. При нагреве сетчатого токоприемника 232 жидкий субстрат, образующий аэрозоль, непрерывно испаряется из сетчатого токоприемника 23 в приемную полость 4. В этом случае аэрозоль образуется испаряемым субстратом и втягивается в канал воздушного потока, проходящий через полость 4 в направлении мундштука 5 на ближнем конце 3 устройства 1.
Разумеется, устройство согласно фиг. 2 может быть альтернативно выполнено с возможностью резистивного нагрева, например, с использованием настойчиво нагреваемой сетки или резистивной сетки, которая может быть частью устройства 1 или изделия 200.
Для измерения абсолютной температуры сетчатого токоприемника 232 устройство 1 согласно фиг. 2 также содержит двухволновой пирометр 100. Пирометр расположен на дальнем конце приемной полости 4 таким образом, чтобы непосредственно быть обращенным к сетчатому токоприемнику 232 при размещении изделия 200, генерирующего аэрозоль, в корпусе 2 устройства. Как можно видеть на фиг. 3, пирометр контролирует только часть 233 передней поверхности сетчатого токоприемника 232, который находится на прямой линии видимости пирометра 100. Целевая поверхность 233 измеряется как приблизительно 1 миллиметр умножить на 1 миллиметр.
В обоих вариантах осуществления согласно фиг. 1 и 2, пирометр отформован литьем под давлением в пластмассовой части, используемой для полного отделения приемной полости 4 от задней полости внутри корпуса 2 устройства, где расположены электрическая схема 20 и батарея 10. При таком расположении пирометр 100 может удерживаться в фиксированной линии видимости, противоположной целевой поверхности 33, 233, температуру которой необходимо измерить. Что касается варианта осуществления согласно фиг. 2, это решение также позволяет размещать дорогостоящий пирометр 100 с надежным устройством 1, оставляя при этом дешевый сетчатый токоприемник 232 с изделием для улучшения гигиены. Еще более важным в отношении фиг. 2, пирометр 100 обеспечивает возможность бесконтактного измерения температуры, тем самым избегая необходимости теплового контакта с нагревательным элементом. Необходимость в тепловом контакте будет технически нецелесообразна, поскольку нагревательный элемент является частью изделия и тем самым может быть удален с устройства.
На фиг. 4 схематически изображен первый вариант осуществления двухволнового пирометра 100, который может быть использован в устройствах 1, образующих аэрозоль, в соответствии с фиг. 1 и фиг. 2 для определения температуры соответствующей целевой поверхности 33, 233. В варианте осуществления настоящего изобретения двухволновой пирометр 100 содержит фотодетектор 120, который содержит первый и второй фотодиоды 121, 122 InGaAs, расположенные смежно. Фотодиоды InGaAs предпочтительны как имеющие более быстрое время отклика, более высокую квантовую эффективность и меньший темновой ток для одной и той же области датчика по сравнению с другими материалами, такими как Ge.
Двухволновая пирометрия требует измерения теплового излучения, испускаемого целевой поверхностью в двух длинах волн или диапазонах длин волн. В варианте осуществления настоящего изобретения это осуществляют с использованием длинноволнового фильтра 131, расположенного только перед первым датчиком 121. Длинноволновой фильтр 131 имеет критическую длину волны 1,6 микрометра. InGaAs чувствителен для длин волн от 0,9 микрометра до 1,7 микрометра. Таким образом, критическая длина волны длинноволнового фильтра 131 и длинноволновой конец диапазона спектральной чувствительности датчика 121 InGaAs обеспечивают эффективную полосовую фильтрацию теплового излучения, воспринимаемого первым датчиком 121 в диапазоне от 1,6 микрометра до 1,7 микрометра. В отличие от этого, второй датчик 122 не имеет фильтра спереди и, таким образом, отслеживает полную спектральную полосу в соответствии с чувствительностью InGaAs в диапазоне от 0,9 микрометра до 1,7 микрометра. Следовательно, из-за критической длины волны длинноволнового фильтра 131 достигается разница между выходными сигналами первого и второго датчиков 121, 122, которая является достаточно измеримой и, таким образом, хорошо подходит для определения температуры нагреваемой целевой поверхности 33, 233, как описано выше.
Как дополнительно описано выше, по меньшей мере второй датчик 122 должен быть откалиброван вручную по всему спектру длин волн. Это может быть сделано, например, с использованием излучателя абсолютно черного тела при различных известных температурах абсолютно черного тела. Первый датчик 121 также может быть откалиброван таким же образом. В общем, после первоначальной калибровки знать излучательную способность целевой поверхности 33, 233 больше нет необходимости (в случае, если целевая поверхность 33, 233 представляет собой серое тело). В случае, когда целевая поверхность представляет собой тело, отличное от серого, следует выполнить вторую калибровку с учетом изменения излучательной способности. Эту калибровку необходимо выполнять только для одного устройства конкретного типа.
Преимущественно двухволновой пирометр 100 является по определению точным, поскольку он позволяет не только компенсировать изменения излучательной способности, но также частично заполнять поля зрения и оптические препятствия между целевой поверхностью и детектором пирометра.
Для сбора теплового излучения, испускаемого с нагретой целевой поверхности 33, 233 и для направления теплового излучения в направлении детектора 120, двухволновой пирометр 100 содержит оптическую систему 110. В настоящем варианте осуществления оптическая система 100 содержит две линзы, собирающую линзу 114 и полувыпуклую линзу 111. Оптическая система 100 обеспечивает поле обзора на целевой поверхности 33, 233 с диаметром по меньшей мере 1 миллиметр.
При использовании устройства 1, генерирующего аэрозоль, частицы и капли 300 аэрозоля могут накапливаться на передней поверхности оптической системы 120, которая подвергается воздействию аэрозоля внутри приемной полости 4. Вследствие этого количество фотонов на каждой длине волны, достигающих первого и второго датчиков 121, 122, может изменяться, что, в свою очередь, может снизить точность измерения. Для решения этой проблемы линза 111 выполнена в виде рассеивающей линзы с задней поверхностью 112 рассеивания линзы. Поверхность 112 рассеивания представляет собой негладкую поверхность линзы, имеющую случайные неровности в отличие от гладкой поверхности линзы. Благодаря поверхности 112 рассеивания рассеивающая линза 111 рассеивает тепловое излучение, испускаемое целевой поверхностью 33, 233 во всех направлениях. Следовательно, первый и второй датчики 121, 122 принимают по существу одинаковое количество фотонов во всех длинах волн, несмотря на то, что часть поверхности оптической системы блокируется из-за осаждений 300 частиц или капель.
На фиг. 5 схематически изображен альтернативный вариант осуществления оптической системы 120. Для одной и той же цели оптическая система 120 содержит систему линз Френеля, содержащую две линзы Френеля 115, 117, при этом их ступенчатые поверхности 116, 118 обращены друг к другу. Линзы Френеля являются преимущественными благодаря своему тонкому и легкому конструктивному исполнению линз. Обе линзы Френеля 115, 117 представляют собой сферические линзы Френеля.
В обоих вариантах осуществления согласно фиг. 4 и 5 оптическая система 120 представляет собой оптическую систему без визуализации, оптимизированную для переноса излучения с целевой поверхности 33, 233 на датчики 121 и 122.
Для дополнительной оптимизации оптического переноса излучения оптический материал линз 111, 114, 115, 117 является прозрачным для длины волны в инфракрасном спектре. В обоих вариантах осуществления пластмассовый материал, изготовленный литьем под давлением, такой как COC, используют в качестве материала линзы, обеспечивая массовое производство.
Как можно дополнительно видеть на фиг. 4 и 5, пирометр 100 содержит кожух 101 для размещения датчиков 121, 122 и оптической системы 120. Кожух может также вмещать электрическую схему 150 пирометра 100. Кожух 101 является непроницаемым и тем самым обеспечивает оптическую защиту от окружающего света, что преимущественно повышает чувствительность и тем самым точность пирометра 100. Кроме того, кожух 101 преимущественно защищает элементы пирометра 100 от отложений аэрозоля. В обоих вариантах осуществления согласно фиг. 4 и 5 передняя линза 11, 115 уплотняет входное отверстие кожуха 101.
Для уменьшения или даже предотвращения отложения пыли и аэрозоля на передних линзах 111, 115 передние поверхности этих линз содержат гидрофобное покрытие 113. Гидрофобное покрытие 113 также способствует легкой очистке передней линзы 111, 115.