包含高温计的气溶胶生成装置和系统
本发明涉及一种气溶胶生成装置，其用于通过加热气溶胶形成基质来生成可吸入气溶胶。本发明还涉及包括这种装置的气溶胶生成系统。
通过加热气溶胶形成基质生成可吸入气溶胶的气溶胶生成装置在现有技术中通常是已知的。在这种装置内，气溶胶形成基质被化学(例如通过放热化学反应产生的热能)加热，或被电加热(例如，由电阻或感应加热器加热)。加热过程的准确温度控制是关键的，因为气溶胶形成基质预期只是被加热而不是燃烧，以确保只释放所需的气溶胶形成挥发性化合物。准确的温度控制又依赖于准确的温度监测。对于电阻器件，可以从加热元件的温度和电阻率之间的已知关系在充足范围上确定加热温度。然而，对于感应器件，例如在加热材料的居里温度下当感受加热材料的磁特性从铁磁变成顺磁时，只可以确定温度阈值。同样，热电偶或其他温度传感器也用于温度监测。通常，这种传感器需要与待测量物体热接触，例如设置在气溶胶形成基质内的加热元件。然而，热接触测量容易出现故障，例如，当温度传感器断裂时，或在加热元件与基质一起插入到气溶胶生成装置时温度传感器与加热元件未形成适当热接触。
因此，期望具有气溶胶生成装置和气溶胶生成系统，可以实现可靠、快速且可重现的用于气溶胶形成的加热过程的温度监测。
根据本发明，提供了一种气溶胶生成装置，其被构造成通过加热气溶胶形成基质来生成气溶胶。所述装置包括装置壳体，所述装置壳体用于接收待加热的气溶胶形成基质。根据本发明，装置还包括用于确定在装置壳体内的被加热目标表面温度的高温计。
使用高温计在气溶胶生成装置内进行温度监测证明在许多方面是有利的。首先，高温计可以进行远程非接触式温度测量。因此，高温计提供高度可靠且可重现的结果，因为避免了因不当或破损的热接触而导致的功能障碍。第二，由于远程测量的能力，高温计不会干扰到被加热的目标表面。因此，由于从目标表面到高温计的热传导，目标表面上没有不良的温度效应。这也使得测量高度可靠。同时，与气溶胶生成装置的其他部件(例如与电路)的不期望热传递减少。第三，非接触式温度测量的能力促进被加热目标表面的更换。例如，目标表面可以是加热元件的表面区域，其是气溶胶生成制品的一部分，包括将由加热元件加热的气溶胶形成基质。第四，高温计允许在毫秒范围内快速测量温度并且因此对目标表面进行持续温度监测。第五，高温计能够测量高温，至少这些温度是含有气溶胶形成基质的烟草的气溶胶形成的典型温度。第六，由于温度测量的非接触性质，高温计对目标表面没有机械效应。因此，还可以测量软或脆弱的目标表面，例如感受器箔或感受器网，而没有机械损坏风险。第七，由于测量的光学性质，可以对目标表面上的温度进行局部点测量，并且横向分辨率降至微米范围。同样，可以借助成像高温计来测量二维温度分布。
优选地，高温计被配置成监测在150摄氏度和400摄氏度之间，尤其是在200摄氏度和350摄氏度之间的温度。这些温度是气溶胶生成装置的典型操作温度。
在高温计中，普朗克定律(Planck's law)或维恩近似(Wien's approximation)用于从目标表面的测量光谱热辐射推断目标表面的温度，这考虑了被加热目标表面的发射率，即目标表面在作为热辐射发射能量的有效性。为了从所测量的辐射确定温度，必须知道或确定被加热目标表面的发射率。原则上，可使用例如包括莱斯利立方体(Leslie's cube)的设备与热辐射检测器(例如热电堆或测辐射热计)结合测量发射率。该设备将待检测的目标表面的热辐射与几乎理想的黑色样品的热辐射进行比较。
如果高温计仅用于监测小范围的典型操作温度，例如，范围宽度约十开尔文，则目标表面的发射率可以被视为在此范围内恒定。因此，可以在单独测量中对此温度范围一次确定目标表面的发射率，并且因此用于校准高温计。
为了测量被加热的目标表面发射的热辐射，高温计可以包括用于将所接收的热辐射转换成电输出信号的检测器。有利地，检测器包括对应于在所关注的特定温度范围或温度范围目标表面的热辐射谱的光谱灵敏度范围。
优选地，检测器可以是光电检测器(有时也称为量子检测器)。光电检测器或量子检测器直接与热辐射的入射光子相互作用，产生电子对，因此产生电输出信号。优选地，光电检测器可以是或可以包括一个或多个光电二极管。例如，一个或多个光电二极管可以包括选自以下当中的至少一种的光敏材料：Si(硅)、Ge(锗)、InGaAs(砷化铟镓)、InAs(砷化铟)、InSb(锑化铟)、InAsSb(铟砷锑)或PbS(硫化铅(II))。这些材料的光谱灵敏度范围对于热辐射谱证明是有利的，这些热辐射通常在200摄氏度与350摄氏度之间的温度由气溶胶生成装置中使用的加热元件发射。上述材料的光谱灵敏度范围如下：Si对0.2微米与1.1微米之间的波长敏感，Ge对0.4微米与1.7微米之间的波长敏感，InGaAs对0.9微米与1.7微米之间的波长敏感，InAs对0.9微米与3.5微米之间的波长敏感，InSb对1.2微米与7微米之间的波长敏感，InAsSb对1.0微米与5.5微米之间的波长敏感，PbS对0.3微米与3微米之间的波长敏感。这些范围的相应上边缘，即，光谱灵敏度范围的长波端基本上由相应半导体材料的带隙能量确定。
与其他材料(例如Ge)相比，对于相同的传感器面积，InGaAs光电二极管优选具有更快的响应时间、更高的量子效率和较低的暗电流。
代替光电二极管，光电检测器可以包含至少一个光敏电阻器，例如包含PbS(硫化铅(II))。
替代地，检测器可以是热检测器，例如测辐射热计、热释电红外传感器或由多个热电偶组成的热电堆。热检测器会根据入射的热量经历温度变化，这会产生电输出电压。
高温计可包括用于收集从被加热目标表面发射的热辐射并且用于将热辐射朝检测器引导的光学系统。具体地，光学系统可以包括至少一个透镜或者透镜系统，用于将热辐射从目标表面传递到高温计的检测器。光学系统优选具有1毫米或以下的侧向分辨率(在目标表面上)，特别是100微米或以下，优选地10微米或以下、更优选地5微米及以下，例如约3微米或约2微米。
光学系统优选地具有全视场(目标表面上的物体直径)，所述全视场的直径至少0.1毫米，特别是至少1毫米，优选地至少3毫米，最优选地至少5毫米。也就是说，光学系统优选被配置成收集从被加热目标表面的区域发射的热辐射，该区域的直径至少0.1毫米，特别是至少1毫米，优选地至少3毫米，最优选地至少5毫米。
高温计还可以包括用于限制检测器感测的热辐射的谱带的装置。因此，高温计可以包括至少一个滤波器。具体地，至少一个滤波器可以是光学带通或光学长通滤波器或光学短通滤波器：高温计还可以包括此类滤波器的组合。至少一个滤波器可以是干涉滤波器、吸收滤波器或衍射光学滤波器。具体地，滤波器可以是检测器的内在滤波器。下面讨论了具体滤波器配置的进一步详情。
高温计还可以包括用于将检测器的输出信号转换成指示目标表面温度的信号的电路。同样，所述电路可以是用于控制装置的加热过程的总体气溶胶生成装置的控制器的一部分。具体地，高温计，即由高温计测定的温度可以用于装置的加热过程的反馈控制。
电路可以包括用于电流-电压转换的跨阻放大器、反相信号放大器、单端到差分转换器、模数转换器和微控制器中的至少一个。
原则上，根据本发明的高温计可以是单波长高温计、双波长高温计或多波长高温计。
在单波长高温计的情况下，高温计被构造成检测由被加热目标表面在单个波长带发射的热辐射。单波长高温计因其简单低成本的设计证明是有利的。例如，单波长高温计可以包括单个光电检测器，其具有单个光电二极管和单元件光学系统，例如布置在光电二极管前方的单个聚光透镜。此外，单波长高温计可以包括滤波器，尤其是在检测器前方的带通滤波器以便限制检测器感测的辐射的谱带。有利地，滤波减少由于发射率的谱改变而产生的不希望的效应，这些效应必须在使用单波长高温计时已知或确定。如上所述，单波长高温计特别适用于在小操作温度范围上监测已知发射率的目标表面。
替代地，高温计可以是双波长高温计。双波长高温计检测在两个波长带由目标表面发射的热辐射。两个光谱辐射的比率与温度单调地(实际上，几乎是成比例的)变化，因此可以转换为准确的温度值。因此，在使用双波长高温计时，温度测量仅取决于两个所测量辐射的比率，但不取决于其绝对值。更精确地，目标表面的温度是在两个波长带测量的两个辐射的比率和在两个波长带的相应发射的比率的函数。为此原因，双波长高温计也称为比率高温计。此外，相等百分比地影响两个波长或波长带的辐射的绝对值的任何参数，例如目标表面的大小与检测器的视场(FOV)之间的比率，对温度测量没有任何影响。因此，使用双波长高温计使温度测量独立于目标表面的大小。同样，由于测量的温度仅依赖于两个所测量辐射的比率，所以以相同的方式消除在目标表面和检测器之间的测量路径中的变化的透射率特征。这证明在气溶胶生成装置内的温度监测特别有利，其中在高温计的视线中生成的气溶胶或灰尘可以降低检测器感测的热辐射的绝对值。此外，当两个波长带的发射率基本上相等时，在两个波长带下相应发射的比率约为一。因此，在用于计算目标表面温度的温度函数中分解出发射率。因此，双波长高温计显示目标表面的真实温度，无论目标表面的发射率的实际值是多少。
一般来说，双波长高温计可被构造成至少在两个分离和彼此不同的波长带处测量热辐射。也就是说，第一波长带和第二波长带可以彼此分开和不同。以其经典含义，这种构造对应于双波长高温计。替代地，双波长高温计可被构造成至少在两个部分重叠的波长带处测量热辐射，或其中两个波长带中的一个是另一个波长带的子集。此构造对应于双波长高温计，有时也称为双色高温计。也就是说，第一波长带和第二波长带可以部分地彼此重叠，或者第一波长带可以是第二波长带的子集。
为了使两个波长带的发射率基本上相等或为了至少最小化发射率的波长依赖性偏差，优选地选择靠近在一起的两个波长带，并优选地也是窄带(假设灰色体行为)。即使目标对象的发射率在两个波长带下相同程度地变化，测量结果也不会改变。可通过在高温计上设置发射率比(所谓的e-斜率)来校正由于两个发射率之间的恒定差或线性关系造成的与真正温度的偏差。
增加两个波长带之间的分离可以用来降低温度测量不确定性。但是，随着分离的增加，对目标表面的灰色体行为的假设可能会变得不太有效。因此，两个波长带的选择应该是灰色体行为和温度测量不确定性之间的折衷。
总之，双波长高温计内在是准确的，因为它们可以补偿发射率变化、在目标表面与高温计的检测器之间部分填充的视场和光学阻塞物。
两个波长带可以具有相同的带宽或不同的带宽。也就是说，不是在两个窄波长带下进行测量，双波长高温计可以被构造成在第一波长带和第二波长带下测量热辐射，其中，第二波长带比第一波长带更宽。这样，在这些波长带上测量的各自热辐射之间的差异增加，这有利地改善待测量的信号水平。否则，当两个波长带靠近在一起时，在这些波长带测量的相应热辐射几乎不会彼此不同。因此，两个几乎相同的辐射值的比率只关于目标表面的温度稍微变化。因此，优选的是，电路被配置成提供大的放大因子，以便检测这种小的信号变化。
如果测量不在单个波长或不在窄波长带处进行，检测器会测量波长带上的综合辐射。但是，用于导出目标表面温度的大多数公式是指在特定波长或在窄波长带内的光谱热辐射。为了依旧导出温度，可以通过在所称的有效波长(这表示给定辐射下的平均辐射)下计算辐射，被检测器和在检测器前方的可能的滤波器的光谱响应加权，来获得综合辐射。就有效波长的测定而言，可进一步参考例如J.L.Gardner所著的文章“Effective wavelengthfor multicolor/pyrometry”，Applied Optics,Vol.19,Issue 18,pp.3088-3091(1980)。
作为确定有效波长的替代方案，可以在波长带或甚至在全波长光谱上校准高温计。这样，有利地将光学系统的透射率或高温计入口窗口的透射率的可能变化自动考虑在内。例如，这可以通过在黑体的不同已知温度下使用黑体发射器来实现校准。一旦高温计被校准，被加热目标表面的发射率就不再需要是已知的。
为了检测相应的第一波长带和第二波长带处的辐射，高温计可包括检测器，所述检测器包括至少第一传感器和第二传感器。第一传感器和第二传感器被布置和构造成，例如以独立检测由目标表面发射的热辐射的相应部分。例如，光电检测器可以包括彼此独立的至少第一和第二光电二极管。同样，光电检测器可包括单个光电二极管，其具有至少第一传感器区域和第二传感器区域(充当第一传感器和第二传感器)，用于独立测量发射的热辐射的相应部分。第一传感器和第二传感器可以彼此相邻并排布置，尤其是在单个检测平面中。替代地，第一传感器和第二传感器可以按夹层构造一个布置在另一个前面。在后一个配置中，相应的前面传感器可以有利地表示相应后面传感器的滤波器。
为了选择两个相应的波长带，双波长高温计可以包括第一带通或长通或短通滤波器。另外或替代地，双波长高温计可以包括第二带通或长通或短通滤波器。
就带通滤波器的使用而言，带宽优选地分别对应于第一或第二波长/波长带。第一带通滤波器的带宽可以小于或大于第二带通滤波器的带宽。优选地，第一带通滤波器和第二带通滤波器中的至少一个是窄带的。也就是说，第一带通滤波器和第二带通滤波器中的至少一个可以包括至多200纳米的带宽，特别是至多150纳米，优选地至多100纳米。
就使用长通或短通滤波器而言，可以选择长通滤波器的截止波长，例如低于检测器(特别是相应的第一或第二传感器)的光谱灵敏度范围的长波端。同样，可选择短通滤波器的截止波长，例如高于检测器(特别是相应的第一或第二传感器)的光谱灵敏度范围的短波端。可选择长通滤波器的截止波长和检测器的光谱灵敏度范围的长波端，例如以限定特定波长带，用于限制由检测器波长感测到的热辐射的光谱。同样，可以选择短通滤波器的截止波长和检测器的光谱灵敏度范围的短波端，例如以限定特定波长带。换句话说，检测器与长通滤波器或短通滤波器结合可以充当带通滤波器。长通滤波器的截止波长可以低于检测器的光谱灵敏度范围的长波端的至多200纳米，特别是至多150纳米，优选地至多100纳米。同样，短通滤波器的截止波长可以是高于检测器的光谱灵敏度范围的短波端的至多200纳米，特别是至多150纳米，优选地至多100纳米。当检测器包括光电二极管时，光谱灵敏度范围的长波端基本上由光电二极管的光敏半导体材料的带隙能量确定。因此，可以就光谱灵敏度范围的长波端选择光电二极管的材料，例如以限定要监测的波长带的上限。例如，当要监测的波长带的上限为约1.7微米时，检测器优选地是或包括光谱灵敏度范围在0.9微米与1.7微米之间的InGaAs光电二极管。
在具有至少第一传感器和第二传感器的检测器的情况下，第一带通滤波器或第一长通滤波器或第一短通滤波器可以布置在第一传感器前方。替代地或另外，第二带通滤波器或第二长通滤波器或第二短通滤波器可以布置在第二传感器前方。
根据一个示例，高温计可以包括分别布置在检测器的第一传感器和第二传感器前方的第一带通滤波器和第二带通滤波器。为了实现双波长高温计，第一带通滤波器的波长带与第二带通滤波器的波长带不同，对应于所需的第一波长带和第二波长带。优选地，第一带通滤波器和第二带通滤波器中的至少一个是窄带的。
在单波长或双波长高温计的替代方案中，高温计可以是多波长高温计。多波长高温计证明了有利于监测发射率随波长变化尤其是非线性变化的目标表面的温度。这种目标表面被称为非灰色体。多波长高温计被构造成对测量的波长上的热能和发射率进行表征，以准确确定非灰色体材料的实际温度和发射率。为此，多波长高温计包括具有两个以上传感器(即至少三个传感器)的检测器。一般来说，当发射率的波长依赖性可以通过具有N个未知参数的函数近似时，多波长高温计优选地包括至少N个检测器。
高温计可包括检测器，所述检测器包括至少第一、第二和第三传感器，并且优选地还包括至少第四传感器。第一传感器和第二传感器可用于双波长温度测量，即用作如上述的双波长高温计。相比之下，第三和可选第四传感器可以用于实施附加功能，尤其是与第三和可选第四传感器前方的相应滤波器组合。例如，第三和可选第四传感器可以用来确定非灰色体发射率。具体地，第三和可选第四传感器可以用于实现多波长高温计，例如三波长高温计或四倍波长高温计。同样，第三和可选第四传感器可以用于确定目标表面上的热点温度，所述热点温度与由第一传感器和第二传感器确定的目标表面的平均温度不同。此外，第三和可选第四传感器可以用于确定由气溶胶生成装置产生的蒸气或气溶胶的数量。
第三和可选第四传感器可以具有与第一传感器和第二传感器不同的传感器类型。例如，第一传感器和第二传感器可以是光电检测器，例如光电二极管，而第三和可选第四传感器可以是热传感器，例如热电堆。同样，第三和可选第四传感器可以具有相同的传感器类型，但是不同的灵敏度。例如，第一传感器和第二传感器可以是InGaAs光电二极管，第三和可选第四传感器可以是Si光电二极管。
后一配置可以有利地用于检测热点。在这种配置中，第一传感器和第二传感器与各自的滤波器结合用作双波长高温计，用于测量目标表面的平均温度。第三和可选第四传感器(无滤波器)被配置成测量目标表面上的热点。关于根据本发明的气溶胶生成装置，目标表面的热点是目标表面上的热点类区域，其温度高于所需最大加热温度，例如，高于350摄氏度。
当然，第三传感器和第四传感器也可与第一传感器和第二传感器相同。在此配置中，检测器可以是用于确定非灰色体目标表面(例如铝目标表面)的实际温度和发射率的四倍波长高温计。
替代地，第三传感器和第四传感器可以与第三带通滤波器和第四带通滤波器结合，也就是说，第三带通滤波器布置在第三传感器前方，第四带通滤波器布置在第四传感器前方。第三带通滤波器的波长带与第四带通滤波器的波长带不同。优选地，第三带通滤波器和第四带通滤波器两者的波长带是窄带，例如，具有至多200纳米的带宽，特别是至多150纳米，优选地至多100纳米。可以选择第三带通滤波器的波长带，例如对应或覆盖检测器的视线中气体介质的吸收峰。在此配置中，第三和第四传感器可以用作光谱仪。
例如，水的明显吸收峰约为1.45微米。为了检测目标表面发射的红外辐射有多少被在高温计的视线中的气溶胶中包含的水蒸气/蒸汽吸收，所述检测器可以包括：作为第三传感器和第四传感器的InGaAs光电二极管，还有在第三传感器前方的第三带通滤波器具有约1.45微米的波长带，在第四传感器前方的第四带通滤波器具有约1.45微米的波长带。因此，这允许估计在特定温度下气溶胶生成装置产生的气溶胶的体积。目标表面的温度由用作双波长高温计的第一传感器和第二传感器确定。
对于双波长以及多波长高温计，高温计的光学系统可以包括用于分割的至少一个分束器，尤其是用于将由目标表面发射的热辐射同样分割到高温计的传感器上。有利地，分束器为二色分束器。二色分束器提供两个滤波器带(一个在反射中一个在透射中)，而不会吸收或丢失任何入射光。替代地或另外，光学系统可以包括至少一个透镜或者透镜系统，用于将热辐射引导和分配到高温计的检测器上。
在使用双波长和多波长高温计时，在许多应用中至关重要的是在每个波长中到达高温计的检测器的各自传感器的光子数量大约相同。然而，在根据本发明的气溶胶生成装置中，气溶胶可以引起颗粒和液滴积聚在光学系统的表面上，所述光学系统的表面暴露于在加热时从气溶胶形成基质挥发的气溶胶。因此，到达相应传感器的光子数量会改变，并且测量准确度可以降低。为了克服这个问题，光学系统可有利地包括至少一个散射透镜，即，至少一个透镜具有至少一个散射透镜表面。优选地，至少一个散射透镜表面在目标表面的远侧。散射表面是使光滑透镜表面具有随机不规则性的非光滑透镜表面。由于散射表面，散射透镜在所有方向上散射由目标表面发射的热辐射。因此，即使光学系统的表面的一部分被颗粒或液滴沉积物阻塞，检测器的各自传感器将在所有波长中接收基本上等量的光子。
除散射透镜之外，光学系统可以包括用于向检测器引导热辐射的会聚透镜。为此，会聚透镜布置在散射透镜和检测器之间。
出于同一目的，光学系统还可以包括至少一个菲涅尔透镜。具体地，光学系统可以包括菲涅尔透镜系统，其包括至少两个菲涅尔透镜，这两个菲涅尔透镜的阶梯表面面向彼此。菲涅尔透镜由于其轻薄的透镜设计而证实是有利的。优选地，至少一个菲涅尔透镜为球形菲涅尔透镜。
当使用散射透镜或菲涅尔透镜时，光学系统优选为非成像光学系统，即光学系统针对从目标表面向检测器传输的光学辐射优化，而不针对用于图像形成优化。例如，在菲涅尔透镜用于非成像系统时，透镜应设计为将来自目标的辐射混合，而不是复现其图像，以便缓解积聚在透镜表面上的灰尘的不利影响。
为了优化光学辐射传输，光学系统的透明元件(例如透镜、分束器)的光学材料对于在近红外到中间红外光谱的波长是特别透明的。合适的材料是CaF2(氟化钙)、PC(聚碳酸酯)、ABS(丙烯腈-丁二烯苯乙烯)、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)或COC(环烯烃共聚物)。这些材料包括在最高1.6微米波长的红外光谱中至少80％的透射率。尤其是，注塑塑料，例如COC，优选可以进行大批量生产。
光学系统可以包括至少在表面上的疏水涂层，所述表面在加热时暴露于从气溶胶形成基质挥发的气溶胶。疏水涂层有利地阻碍或甚至防止灰尘和气溶胶沉积在涂布表面上。此外，疏水涂层有助于简易清洁涂布表面。
高温计可包括壳体，所述壳体用于包封高温计的元件，尤其是用于包封检测器和光学系统，可能还有高温计的电路。壳体优选为不透明或非透明的，这是防光的或不透光的。因此，壳体提供与环境光的光学屏蔽，这有利地提高了高温计的灵敏度，并且因此提高高温计的准确度。此外，壳体有利地保护高温计的元件免受气溶胶沉积物的影响。壳体可以包括允许热辐射进入高温计的入口开口。入口可以由透明入口窗口覆盖，其优选地由上述红外透明材料制成。替代地，光学系统的元件(具体是透镜)可以覆盖或密封壳体的入口开口。
通过当前技术，可以在2x 4x 4立方毫米的体积内建立这样的高温计，例如使用光学设备的塑料注塑成型以及探测器和电路的倒装芯片技术。
除了壳体外或作为壳体的替代方案，气溶胶生成装置可以包括另一光学屏蔽，其用于将高温计与环境光屏蔽。
如本文所使用，术语“气溶胶生成装置”用于描述这样的装置，其通过加热具体是通过电加热基质与气溶胶形成基质相互作用以生成气溶胶。优选地，气溶胶生成装置被构造成生成气溶胶，该气溶胶可通过用户的嘴直接吸入到用户的肺中。优选地，气溶胶生成装置是手持式装置，尤其是与传统香烟的形状相似的装置。
如本文中所使用，术语‘气溶胶形成基质’涉及能够释放可以形成气溶胶的挥发性化合物的基质。可以通过加热气溶胶形成基质来释放此类挥发性化合物。气溶胶形成基质可便利地是气溶胶生成制品或吸烟制品的一部分。气溶胶形成基质可以是固体或液体气溶胶形成基质。或者，气溶胶形成基质可包括固体和液体组分两者。气溶胶形成基质可包括含烟草材料，所述含烟草材料含有加热后从基质释放的挥发性烟草香味化合物。替代地，气溶胶形成基质可包括非烟草材料。气溶胶形成基质可以进一步包括有助于致密且稳定气溶胶形成的气溶胶形成剂。合适的气溶胶形成剂的示例是丙三醇和丙二醇。
如本文所使用，术语“气溶胶生成制品”是指用于与气溶胶生成装置相互作用的制品。制品包括气溶胶形成基质。例如，气溶胶生成制品可以是包含固体或液体气溶胶形成基质的筒。此外，制品可以包括可由气溶胶生成装置加热的加热元件。例如，加热元件可以是感受器元件，当制品插入到装置的壳体中时，感受器元件可由装置的感应源来加热。具体地，气溶胶生成制品可以是消耗品，例如用于单次使用。包括含有气溶胶形成基质的固体烟草的制品可被称为烟草棒。
根据本发明，高温计被构造成确定在装置壳体内被加热的目标表面的温度。也就是说，(至少)在装置的使用中，被加热的目标表面在装置壳体中。
优选地，在装置的使用中，被加热的目标表面处于高温计的视线中。替代地，高温计可以包括基于光纤的光学系统，其包括光纤以用于收集并引导从目标表面发射到高温计的检测器的热辐射。同样，装置可以包括至少一个镜子，用于将从目标表面发射的热辐射引导到高温计的检测器。
被加热的目标表面可以是气溶胶生成装置的一部分，即，气溶胶生成装置可以包括被加热的目标表面。但是，被加热的目标表面不一定需要成为气溶胶生成装置的一部分，而是只在使用装置时可布置在装置壳体内。
优选地，被加热的目标表面是用于加热气溶胶形成基质的加热元件的表面区域。替代地，被加热的目标表面可以与此加热元件热接触。
加热元件可为气溶胶生成装置的一部分，具体为气溶胶生成装置的加热器的一部分。在此配置中，加热元件优选地固定布置在气溶胶生成装置的装置壳体内。当然，加热元件也可以可拆卸地布置或可布置在装置壳体内。也就是说，加热元件可以被构造成至少部分地或甚至完全地可从装置壳体替换。
替代地，加热器元件可为包括待加热的气溶胶形成基质的气溶胶生成制品的一部分。在此构造中，加热元件不是气溶胶生成装置的一部分，而是可拆卸地布置在装置壳体内。也就是说，加热元件可插入并且可与气溶胶形成基质一起从气溶胶生成装置移除。在后一构造中，由于温度测量的非接触性质，使用高温计证明特别有利，避免需要热接触加热元件。
加热元件被配置成由于电和/或化学生成的热能而变热。因此，根据本发明的气溶胶生成装置可以是电和/或化学加热的气溶胶生成装置。因此，加热元件的加热是由电阻加热、感应加热和/或放热化学反应引起的。
在电阻加热的情况下，加热元件包括在通过电流时变热的导电材料。电阻加热元件优选地是气溶胶生成装置的一部分，特别是气溶胶生成装置的电阻加热器的一部分。除了加热元件之外，电阻加热器可以包括：电源和控制器，所述控制器被配置成控制从电源到加热元件的电力供给。
在感应加热的情况下，加热元件优选为感受器元件。如本文所使用，术语“感受器元件”是指包括能够在交变电磁场内被感应加热的材料的元件。取决于感受器材料的电和磁性质，这可能是感受器中感生的磁滞损耗或涡电流中的至少一种的结果。在铁磁性或亚铁磁性感受器中，由于材料内的磁畴在交变电磁场的影响下被切换而发生磁滞损耗。如果感受器导电，则可引起涡电流。在导电铁磁性感受器或导电亚铁磁性感受器的情况下，可因涡电流和磁滞损耗两者而产生热。因此，感受器元件可以包括导电和/或铁磁或亚铁磁材料。感受器元件可以为气溶胶生成装置的一部分，具体是气溶胶生成装置的感应加热器的一部分。感应加热器除了包括感受器元件之外，还包括感应源以在装置壳体内产生交变电磁场，例如诱发生成涡流的热或感受器元件中的磁滞损耗中的至少一种。替代地，感受器元件可以是如上文描述的气溶胶生成制品的一部分。在这种情况下，在用气溶胶生成装置的壳体接收制品时，感受器元件布置在制品内，例如与由气溶胶生成装置的感应加热器特别是感应源生成的交变电磁场相互作用。在任一种构造中，感应源优选地包括感应线圈、电源和控制器，他们彼此可操作地连接，其中控制器被配置成产生通过感应线圈传递的交流电流。
加热元件可以具有任何形状或配置。加热元件可包括杆、叶片、带、条带、套筒、网格或芯中的至少一个，或者可以是颗粒构造。例如，加热元件可以包括加热叶片或加热杆，其被构造成在将基质插入到装置壳体中时穿透气溶胶形成基质。同样，加热元件可以在装置壳体中形成接收腔内的至少一部分，以用于接收待加热的气溶胶形成基质。加热元件还可以形成气溶胶生成制品(例如筒)的至少一部分，所述气溶胶生成制品包括气溶胶形成基质，并且被构造成接收在气溶胶生成装置的壳体内。替代地，特别是在成为气溶胶生成制品的一部分时，加热元件可以包括加热叶片、加热条带、加热杆、加热带或加热套筒，其与在气溶胶生成制品中包括的气溶胶形成基质紧密靠近地布置。加热元件可以是作为气溶胶生成装置的一部分或气溶胶生成制品的一部分的加热网或加热芯。网或芯构造特别适合用于液体气溶胶形成基质。
根据本发明，还提供一种包括根据本发明并如上文描述的气溶胶生成装置的气溶胶生成系统。所述系统还包括用于与包括待被加热的气溶胶形成基质的装置一起使用的气溶胶生成制品。具体地，装置壳体被配置成至少部分接收制品。
根据本发明的特定方面，装置包括被构造成在加热元件中产生热的加热器。加热元件被布置或可布置在制品的气溶胶形成基质内，并且包括温度由装置的高温计监测的被加热目标表面。如上文关于气溶胶生成装置的描述，加热元件以及因此被加热的目标表面可以是装置或制品的一部分。
已关于气溶胶生成装置和制品描述了根据本发明的气溶胶生成系统的其它特征和优势，并且将不再重复。
将仅通过举例参考附图进一步描述本发明，附图中：
图1示出了根据本发明的第一实施例的气溶胶生成装置的示意图；
图2示出了与气溶胶生成制品结合的根据本发明的第二实施例的气溶胶生成装置的示意图；
图3示出了与根据图2的气溶胶生成装置一起使用的气溶胶生成制品的详细视图；
图4示出了根据本发明的第一实施例的高温计的示意图；以及
图5示出了根据本发明的第二实施例的高温计的示意图；
图1示意性地示出根据本发明的气溶胶生成装置1的第一实施例。装置1被构造成通过感应加热固体气溶胶形成基质来生成可吸入气溶胶。为此，基质可以可替换地布置在接收腔4中，接收腔形成于装置1的细长壳体2的近端3处。基质可以是气溶胶生成制品(未示出)的一部分，所述气溶胶生成制品被构造成至少部分地接收在接收腔4中。在本实施例中，装置1包括用于加热基质的感应加热器30。感应加热器30包括围绕接收腔4的螺旋感应线圈31，其用于在接收腔4内产生交变电磁场。加热器30还包括感受加热元件32。在本实施例中，加热元件32是由不锈钢制成的锥形感受器叶片32，其布置在接收腔4内并且被构造成在将气溶胶生成制品插入到接收腔4中时穿透气溶胶形成基质。当通过感应线圈31传递交流驱动电流时，交变电磁场根据感受器叶片的电和磁材料性质在感受器叶片32中感生磁滞损失和/或涡电流。因此，加热元件32变热，这又加热了与感受器叶片32热接触的气溶胶形成基质。为了更换和清洁目的，感受器叶片32可以可拆卸地布置在接收腔4的远端处。替代地，感受器叶片可以是将插入到装置1的接收腔4中的气溶胶生成制品的一部分。
当然，根据图1的装置还可以被构造成用于电阻加热。例如，替代感受器叶片，装置1可以包括电阻或电阻加热的加热器叶片。
装置1还包括电路20，所述电路由电池10供电，电路被配置成尤其用于生成交流驱动电流。电路20包括控制器(未示出)，用于控制加热过程。
控制加热温度需要对加热元件32进行温度监测。为此，根据图1的装置1包括双波长高温计100，其用于测量加热元件32上的目标表面33的绝对温度。在本实施例中，目标表面33是感受器叶片32的后表面的一部分，所述部分处于高温计100的直接视线中。
可从图1中进一步看到，高温计100与装置的电路20可操作地连接。在当前的实施例中，电路20还被配置成评估高温计100的输出信号，以便确定目标表面33的绝对温度。电路可以包括用于电流-电压转换的跨阻放大器、反相信号放大器、单端到差分转换器、模数转换器和微控制器中的至少一个。
下文关于图4和图5中所示的实施例描述了双波长高温计100的进一步详情。
图2示意性地示出根据本发明的气溶胶生成装置1的第二实施例。类似于根据图1的装置，根据图2的装置被构造成用于感应加热。因此，相似或相同的特征以相同的附图标记表示。与图1中所示的实施例相反，感受加热元件232不是装置1的一部分，而是包括待加热的液体气溶胶形成基质210的气溶胶生成制品200的一部分。在本实施例中，感受加热元件232是由不锈钢制成的网状感受器232，其布置在筒状制品200的远端处。当制品200放置在装置壳体2内形成的接收腔4中时，网状感受器232可以经历由装置的感应源(未示出)产生的交变电磁场，这使网状感受材料变热。网状感受器232被构造成使得液体气溶胶形成基质在网状感受器232的间隙中形成弯液面。当网状感受器232被加热时，液体气溶胶形成基质被连续地从网状感受器23汽化到接收腔4中。在那里，气溶胶由汽化基质形成，并且被抽吸到通过腔4延伸的气流通道中，朝向在装置1的近端3处的吸嘴5。
当然，根据图2的装置可以替代地被构造成例如通过使用可以是装置1或制品200的一部分的电阻加热网或电阻网来进行电阻加热。
为了测量网状感受器232的绝对温度，根据图2的装置1还包括双波长高温计100。高温计布置在接收腔4的远端处，例如当气溶胶生成制品200放置在装置壳体2中时，直接面向网状感受器232。正如可以在图3中看到，高温计仅监测网状感受器232的前表面的部分233，该部分位于高温计100的直接视线中。目标表面233测量为约1毫米乘1毫米。
在根据图1和图2的两个实施例中，高温计在塑料部件中被二次成型(over-molded)，以用于将装置壳体2内的接收腔4与后腔完全隔离，在所述后腔内，布置了电路20和电池10。使用此布置中，高温计100可保持在与要测量温度的目标表面33、233相对的固定视线中。关于根据图2的实施例，这种解决方案还允许使用耐用的装置1托管昂贵的高温计100，同时使廉价的网状感受器232用于制品以改善卫生。关于图2更为重要的是，高温计100允许非接触式温度测量，从而避免需要热接触加热元件。热接触的需要在技术上是不切实际的，因为加热元件是制品的一部分，因此可从装置移除。
图4示意性地示出了双波长高温计100的第一实施例，其可以用于根据图1和图2的气溶胶形成装置1中，用于确定相应目标表面33、233的温度。在本实施例中，双波长高温计100包括光电检测器120，其包括并排布置的第一和第二InGaAs光电二极管121、122。与其他材料(例如Ge)相比，对于相同的传感器面积，InGaAs光电二极管优选具有更快的响应时间、更高的量子效率和较低的暗电流。
双波长高温计要求测量目标表面在两个波长或波长带上发射的热辐射。在本实施例中，这是通过使用只布置在第一传感器121前方的长通滤波器131来实现的。长通滤波器131具有1.6微米的截止波长。InGaAs对于0.9微米与1.7微米之间的波长敏感。因此，长通滤波器131的截止波长和InGaAs传感器121的光谱灵敏度范围的长波端提供了由第一传感器121感测的热辐射达到1.6微米至1.7微米范围的有效带通滤波。相比之下，第二传感器122前面没有滤波器，因此根据在0.9微米到1.7微米范围内的InGaAs的灵敏度来监测全光谱带。因此，由于长通滤波器131的截止波长，实现第一传感器121和第二传感器122的输出信号之间的差异，这可合理地测量并因此非常适合确定如上所述的被加热目标表面33、233的温度。
如上面进一步描述的，至少第二传感器122需要在整个波长谱上手动校准。例如，这可以通过使用黑体发射器在黑体的不同已知温度下实现。第一传感器121也可以以相同的方式被校准。原则上，一旦进行了初始校准，就不需要再知道目标表面33、233的发射率(在目标表面33、233为灰色体的情况下)。如果目标表面是非灰色体，应考虑发射率的变化进行第二校准。只需对某个特定类型的装置进行此校准。
有利地，双波长高温计100内在是准确的，因为它不仅可以补偿发射率变化，还可以补偿在目标表面与高温计的检测器之间部分填充的视场和光学阻塞物。
为了收集从被加热目标表面33、233发射的热辐射，并且用于向检测器120引导热辐射，双波长高温计100包括光学系统110。在本实施例中，光学系统100包括两个透镜，会聚透镜114和半凸透镜111。光学系统100提供了直径至少1毫米的目标表面33、233上的视场。
在使用气溶胶生成装置1的情况下，气溶胶颗粒和液滴300可以在光学系统120的前表面上积聚，所述光学系统的前表面暴露于接收腔4内的气溶胶。因此，在每个波长下到达第一传感器121和第二传感器122的光子数量可以改变，这又可以降低测量准确度。为了克服此问题，透镜111被配置为散射透镜，其具有散射后透镜表面112。散射表面112是使光滑透镜表面具有随机不规则性的非光滑透镜表面。由于散射表面112，散射透镜111在所有方向上散射由目标表面33、233发射的热辐射。因此，即使光学系统的表面的一部分被颗粒或液滴沉积物300阻塞，第一传感器121和第二传感器122在所有波长上接收基本上相等数量的光子。
图5示意性地示出光学系统120的替代性实施例。出于同一目的，光学系统120包括菲涅尔透镜系统，其包括两个菲涅尔透镜115、117，所述两个菲涅尔透镜的阶梯表面116、118面向彼此。菲涅尔透镜由于其轻薄的透镜设计而证实是有利的。两个菲涅尔透镜115、117是球形菲涅尔透镜。
在根据图4和图5的两个实施例中，光学系统120为非成像光学系统，其针对从目标表面33、233到传感器121和122的辐射传递而优化。
为进一步优化光学辐射传输，透镜111、114、115、117的光学材料对在红外光谱中的波长是透明的。在两个实施例中，注塑塑料，诸如COC用作容许大批量生产的透镜材料。
如从图4和图5中进一步看出，高温计100包括用于包封传感器121、122和光学系统120的壳体101。壳体还可以包封高温计100的电路150。壳体101为不透明的，因此提供与环境光的光学屏蔽，这有利地提高了高温计100的灵敏度，并且因此提高所述高温计的准确度。此外，壳体101有利地保护高温计100的元件免受气溶胶沉积物的影响。在根据图4和图5的两个实施例中，前透镜11、115密封壳体101的入口开口。
为了阻止或甚至防止灰尘和气雾沉积在前透镜111、115上，这些透镜的前表面包括疏水涂层113。疏水涂层113还有助于简化前透镜111、115的清洁。
