Тепловой манекен - Википедия - Thermal manikin
В тепловой манекен представляет собой модель человека, разработанную для научного тестирования тепловых сред без риска или неточностей, присущих тестированию на человеке. Тепловые манекены в основном используются в автомобильной, внутренняя среда, наружная среда, военное дело и исследование одежды. Первые тепловые манекены в 1940-х годах были разработаны армией США и состояли из одной зоны отбора проб всего тела. Современные манекены могут иметь более 30 индивидуально контролируемых зон. Каждая зона (правая рука, таз и т. Д.) Содержит нагревательный элемент и датчики температуры внутри «кожи» манекена. Это позволяет управляющему программному обеспечению нагревать манекен до нормальной температуры человеческого тела, регистрируя при этом количество энергии, необходимое для этого в каждой зоне, и температуру этой зоны.
История
Утеплитель одежды это теплоизоляция предоставленный одежда и измеряется в кл. Измерительный блок был разработан в 1941 году.[1] Вскоре после этого в армии США были разработаны тепловые манекены для проведения измерений изоляции на разрабатываемом ими оборудовании. Стояли первые тепловые манекены, сделанные из медь, и были одним сегментом, измеряя потерю тепла всем телом. С годами они были улучшены различными компаниями и частными лицами, использующими новые технологии и методы для понимания тепловой комфорт повысился. В середине 1960-х годов были разработаны сидячие и многосегментные тепловые манекены, и было применено цифровое регулирование, позволяющее гораздо более точно подавать мощность и проводить измерения. С течением времени в манекенах использовались дыхание, чихание, движение (например, непрерывная ходьба или езда на велосипеде) и потоотделение, в дополнение к мужским, женским и детским размерам в зависимости от применения. В настоящее время большинство манекенов, используемых для исследовательских целей, будут иметь как минимум 15 зон, и целых 34 с опциями (часто в качестве платного дополнения к базовому манекену) для систем потоотделения, дыхания и движения, хотя также используются более простые манекены. в швейной промышленности.[2] Кроме того, в начале 2000-х годов в Гонконге было разработано несколько различных компьютерных моделей манекенов.[3] Великобритания,[4] и Швеция.[5]
В следующей таблице представлен обзор различных разработок тепловых манекенов за последние годы:[2]
| Тип | Материал | Метод измерения | Регулируемость | Место и время разработки |
|---|---|---|---|---|
| Односегментный | Медь | Аналог | – | США 1945 |
| Многосегментный | Алюминий | Аналог | – | Великобритания 1964 г. |
| Радиационный манекен | Алюминий | Аналог | – | Франция 1972 г. |
| Многосегментный | Пластмассы | Аналог | Подвижный | Дания 1973 |
| Многосегментный | Пластмассы | Аналог | Подвижный | Германия 1978 |
| Многосегментный | Пластмассы | Цифровой | Подвижный | Швеция 1980 |
| Многосегментный | Пластмассы | Цифровой | Подвижный | Швеция 1984 г. |
| Пожарный манекен | Алюминий | Цифровой | – | нас |
| Погружной манекен | Алюминий | Цифровой | Подвижный | Канада 1988 г. |
| Потеющий манекен | Алюминий | Цифровой | – | Япония 1988 г. |
| Пластик | Цифровой | Подвижный | Финляндия 1988 | |
| Алюминий | Цифровой | Подвижный | США 1996 | |
| Женский манекен | Пластмассы | Цифровой, комфортный режим регулирования | Подвижный | Дания 1989 |
| Одиночный провод | ||||
| Дыхательный тепловой манекен | Пластмассы | Цифровой, комфортный режим регулирования | Подвижное моделирование дыхания | Дания 1996 |
| Одиночный провод | ||||
| Потеющий манекен | Пластик | Цифровая, 30 сухих и 125 зон пота | Реалистичные движения | Швейцария 2001 |
| Автономный потный манекен | Металл | Цифровой, 126 зон | Сочлененный | США 2003 |
| Виртуальный компьютерный манекен | Численная, геометрическая модель | Моделирование тепломассопереноса | Сочлененный | Китай 2000 |
| Численная, геометрическая модель | Моделирование тепломассопереноса | Сочлененный | Великобритания 2001 | |
| Численная, геометрическая модель | Моделирование тепломассопереноса | Сочлененный | Швеция 2001 | |
| Численная, геометрическая модель | Моделирование тепломассопереноса | Сочлененный | Япония 2002 | |
| Односегментный, потный манекен | Дышащая ткань | Цифровой, с водяным нагревом | Подвижный | Китай 2001 |
| Односегментный манекен | Ветрозащитная ткань | Цифровой, с воздушным подогревом | Подвижный | США 2003 |
Дизайн
Современные тепловые манекены состоят из трех основных элементов с необязательными дополнительными надстройками. Внешняя оболочка манекена может быть изготовлена из стекловолокно, полиэстер, углеродное волокно, или другие теплопроводящие материалы, внутри которых находятся датчики температуры в каждой зоне измерения. Под кожей находится нагревательный элемент. Каждая зона теплового манекена предназначена для максимально равномерного обогрева. Для этого внутри манекена наматывается проводка с минимально возможным зазором. Электричество пропускается через провод для его нагрева, при этом потребление энергии каждой зоной контролируется отдельно и регистрируется программным обеспечением для управления манекеном. Наконец, манекены предназначены для максимально точного моделирования людей, поэтому любая необходимая дополнительная масса добавляется внутрь манекена и распределяется по мере необходимости. Кроме того, манекены могут быть оснащены дополнительными устройствами, имитирующими действия человека, такие как дыхание, ходьба или потоотделение.
Нагревательный элемент теплового манекена может быть установлен в одном из трех мест внутри манекена: на внешней поверхности, внутри кожи манекена или внутри манекена.[6] Чем дальше внутри манекена находится нагревательный элемент, тем более стабильным будет тепловыделение на поверхности кожи, однако постоянная времени способности манекена реагировать на изменения внешней среды также будет повышаться, так как нагреву потребуется больше времени. проникнуть в систему.
Контроль
Количество тепла, подводимого к тепловому манекену, можно контролировать тремя способами. В «комфортном режиме» PMV Уравнение модели, приведенное в ISO 7730, применяется к манекену, и программное обеспечение контроллера вычисляет теплопотери, которые среднестатистическому человеку было бы удобно испытывать в данной среде. Это требует, чтобы система знала несколько основных фактов о манекене (площадь поверхности, предполагаемая скорость метаболизма), в то время как экспериментальные факторы должны вводиться пользователем (изоляция одежды, Температура влажного шарика лампы ). Второй метод контроля - постоянный тепловой поток от манекена. То есть манекен обеспечивает постоянный уровень мощности, установленный пользователем, и измеряется температура кожи различных сегментов. Третий метод заключается в том, что температура кожи манекена поддерживается постоянной на уровне, заданном пользователем, в то время как мощность увеличивается или уменьшается в зависимости от условий окружающей среды. Возможно, это также можно считать четвертым методом, так как можно настроить весь манекен на поддержание одинаковой температуры во всех зонах или выбрать конкретную температуру для каждой зоны. Из этих методов комфортный режим считается наиболее точным представлением фактического распределения тепла по телу человека, в то время как режим теплового потока в основном используется при высоких температурах (когда комнатная температура может быть выше 34 ° C). .[7]
Калибровка
Датчики температуры
Для получения максимально точных результатов необходимо откалибровать внутренние датчики температуры теплового манекена. При хорошей калибровке используются как минимум 2 заданные значения температуры минимум на 10 ° C друг от друга. Манекен помещается в камеру с контролируемой температурой окружающей среды, так что температура всех его сегментов будет почти идентична температуре окружающей среды. рабочая температура камеры. Это означает, что манекен должен быть без одежды и с минимальной изоляцией между любой частью тела и воздухом. Хорошая система для достижения этого - посадить манекен на открытый стул (позволяющий воздуху проходить), при этом его ноги должны быть оторваны от земли. Следует использовать вентиляторы для увеличения движения воздуха в камере, обеспечивая постоянное перемешивание. Это приемлемо для поддержания постоянной температуры, так как охлаждение испарением не происходит без потоотделения или конденсации (влажность должна быть низкой, чтобы не происходила конденсация). При каждом заданном значении температуры манекен должен оставаться в комнате от 3 до 6 часов, чтобы достичь устойчивого состояния. После достижения равновесия точка калибровки может быть получена для каждого сегмента тела (это должно быть включено в контрольное программное обеспечение).[8]
Эквивалентная температура
Самый точный метод оценки влияния окружающей среды на тепловой манекен - расчет эквивалентная температура окружающей среды, учитывая эффекты лучистого тепла, температуры воздуха и движения воздуха. Перед каждым экспериментом необходимо откалибровать манекен на основе этого, поскольку коэффициент преобразования выходной мощности и температуры кожи манекена в эквивалентную температуру (коэффициент теплопередачи) незначительно изменяется для каждой зоны манекена и в зависимости от одежды, которую носит манекен. . Калибровку следует проводить в терморегулируемой камере, где лучистая температура и температура воздуха почти идентичны, а колебания температуры минимальны во всем пространстве. Необходимо, чтобы манекен был одет в ту же одежду, что и во время экспериментальных испытаний. Необходимо выбрать несколько точек калибровки, минимально перекрывая диапазон температур, который будет проверяться в эксперименте. Во время калибровки движение воздуха должно быть как можно ниже, и как можно большая часть поверхности манекена должна подвергаться воздействию воздуха и лучистого тепла, путем размещения его на опорах, которые удерживают его в сидячем положении, но не блокируют спину или ноги. как традиционное сиденье. Данные манекена следует записывать для каждой точки калибровки, когда температура воздуха, поверхности и манекена достигла устойчивого состояния. Температура «сиденья» также должна регистрироваться, и сбор данных не следует прекращать, пока сиденье не достигнет установившейся температуры. Для расчета коэффициента теплоотдачи (часКали) используется следующее уравнение:
часКали = Qси/ткататься на лыжах - тэкв
Qси = потери тепла в сухом состоянии или мощности, зарегистрированные манекеном
ткататься на лыжах = температура кожи манекена
тэкв = эквивалентная температура в помещении (температура калибровки)
Затем этот коэффициент можно использовать для расчета эквивалентной температуры во время дальнейших экспериментов, в которых лучистая температура и скорость воздуха не контролируются с помощью уравнения:
тэкв = ткататься на лыжах – Qси/часКали
Настраивать
Поза, положение и одежда влияют на измерения теплового манекена. Что касается позы, наиболее точным методом было бы иметь манекен в той же позе, в которой он был откалиброван. Одежда влияет на передачу тепла манекену и может добавить слой воздушной изоляции. Одежда снижает влияние скорости воздуха и изменяет силу свободного конвекционного потока вокруг тела и лица. По возможности следует использовать подобранную одежду, чтобы уменьшить погрешность измерений, поскольку свободная одежда может изменить форму при каждом перемещении манекена.[7]
Рекомендации
- ^ Gagge, Адольф Фаро; Бертон, Алан Чедберн; Базетт, Генри Катберт (1941). «Практическая система единиц для описания теплообмена человека с окружающей средой». Наука. 94 (2445): 428–430. Bibcode:1941Научный .... 94..428Г. Дои:10.1126 / science.94.2445.428. PMID 17758307.
- ^ а б Холмер, Ингвар (2004). «История и применение теплового манекена». Европейский журнал прикладной физиологии. 92 (6): 614–618. Дои:10.1007 / s00421-004-1135-0. PMID 15185083.
- ^ Ли, Йи; Ньютон, Эдвард; Ло, Сяонань; Ло, Чжунсюань (2000). «Интегрированная САПР для функционального текстиля и одежды». Труды Nokobotef 6 и 1-й Европейской конференции по защитной одежде. 8: 8–11.
- ^ Фиала, Душан; Ломас, Кевин; Stohrer, Мартин (октябрь 2001 г.). «Компьютерное прогнозирование терморегуляционных и температурных реакций человека в широком диапазоне условий окружающей среды». Международный журнал биометеорологии. 45 (3): 143–59. Bibcode:2001IJBm ... 45..143F. Дои:10.1007 / s004840100099. PMID 11594634.
- ^ Нильссон, Хокан (декабрь 2007 г.). «Оценка теплового комфорта методами виртуального манекена». Строительство и окружающая среда. 42 (12): 4000–40005. Дои:10.1016 / j.buildenv.2006.04.027.
- ^ Tanabe, S .; Arens, E.A .; Bauman, F.S .; Zhang, H .; Мадсен, Т. (1994). «Оценка тепловых условий с помощью теплового манекена с контролируемой температурой поверхности кожи». Транзакции ASHRAE. 100 (1): 39–48.
- ^ а б Меликов, Арсен (2004). «Дыхательные тепловые манекены для оценки внутренней среды: важные характеристики и требования». Европейский журнал прикладной физиологии. 92 (6): 710–713. Дои:10.1007 / s00421-004-1142-1. PMID 15168126.
- ^ Калибровка теплового манекена (PDF). Получено 19 ноября, 2013.