Термальный манекен

Тепловой манекен — это модель человека, предназначенная для научных испытаний тепловых сред без риска или неточностей, присущих испытаниям на людях. Тепловые манекены в основном используются в автомобильной промышленности, в помещениях , на открытом воздухе, в военных исследованиях и исследованиях 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 необходимое для этого количество энергии в каждой зоне и температуру этой зоны.

История

Изоляция одежды — это теплоизоляция, обеспечиваемая одеждой , и измеряется в Clo. Измерительный блок был разработан в 1941 году. ^{[ 1 ]} Вскоре после этого армия США разработала тепловые манекены для проведения измерений изоляции разрабатываемого ею оборудования. Первые тепловые манекены были стоячими, изготовленными из меди и представляли собой один сегмент, измерявший потерю тепла всем телом. С годами они совершенствовались различными компаниями и отдельными лицами, применяя новые технологии и методы по мере роста понимания теплового комфорта . В середине 1960-х годов были разработаны сидячие и многосегментные термоманекены, и было использовано цифровое регулирование, что позволило гораздо более точно подавать и измерять мощность. Со временем в манекенах стали использоваться дыхание, чихание, движение (например, непрерывная ходьба или езда на велосипеде) и потоотделение, а также мужские, женские и детские размеры в зависимости от применения. В настоящее время большинство манекенов, используемых в исследовательских целях, будут иметь минимум 15 зон и до 34 с опциями (часто в качестве приобретаемых дополнений к базовому манекену) систем потоотделения, дыхания и движения, хотя используются и 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 термоманекенов за прошедшие годы: ^{[ 2 ]}

Тип	Материал	Метод измерения	Регулируемость	Место и время разработки
Односегментный	Медь	Аналоговый	–	США 1945 г.
Многосегментный	Алюминий	Аналоговый	–	Великобритания, 1964 г.
Радиационный манекен	Алюминий	Аналоговый	–	Франция 1972 г.
Многосегментный	Пластмассы	Аналоговый	Подвижный	Дания 1973 г.
Многосегментный	Пластмассы	Аналоговый	Подвижный	Германия 1978 г.
Многосегментный	Пластмассы	Цифровой	Подвижный	Швеция 1980 г.
Многосегментный	Пластмассы	Цифровой	Подвижный	Швеция 1984 г.
Огненный манекен	Алюминий	Цифровой	–	НАС
Погружной манекен	Алюминий	Цифровой	Подвижный	Канада 1988 г.
Потный манекен	Алюминий	Цифровой	–	Япония 1988 г.
	Пластик	Цифровой	Подвижный	Финляндия 1988 г.
	Алюминий	Цифровой	Подвижный	США 1996 г.
Женский манекен	Пластмассы	Цифровой, комфортный режим регулирования	Подвижный	Дания 1989 г.
Женский манекен	Одиночный провод	Цифровой, комфортный режим регулирования	Подвижный	Дания 1989 г.
Дышащий термоманекен	Пластмассы	Цифровой, комфортный режим регулирования	Подвижная, имитация дыхания	Дания 1996 г.
Дышащий термоманекен	Одиночный провод	Цифровой, комфортный режим регулирования	Подвижная, имитация дыхания	Дания 1996 г.
Потный манекен	Пластик	Цифровой, 30 сухих и 125 потовых зон.	Реалистичные движения	Швейцария 2001 г.
Автономный, потный полевой манекен	Металл	Цифровой, 126 зон	шарнирно-сочлененный	США 2003 г.
Виртуальный компьютерный манекен	Численная, геометрическая модель	Моделирование тепло- и массообмена	шарнирно-сочлененный	Китай 2000 г.
	Численная, геометрическая модель	Моделирование тепло- и массообмена	шарнирно-сочлененный	Великобритания 2001 г.
	Численная, геометрическая модель	Моделирование тепло- и массообмена	шарнирно-сочлененный	Швеция 2001 г.
	Численная, геометрическая модель	Моделирование тепло- и массообмена	шарнирно-сочлененный	Япония 2002 г.
Односегментный потеющий манекен	Дышащая ткань	Цифровой, с водяным подогревом	Подвижный	Китай 2001 г.
Односегментный манекен	Ветрозащитная ткань	Цифровой, с воздушным нагревом	Подвижный	США 2003 г.

Дизайн

Современные тепловые манекены состоят из трех основных элементов с возможностью установки дополнительных надстроек. Внешняя оболочка манекена может быть изготовлена из стекловолокна , полиэстера , углеродного волокна или других теплопроводящих материалов, внутри которых расположены датчики температуры в каждой зоне измерения. Под кожей находится нагревательный элемент . Каждая зона термоманекена спроектирована так, чтобы нагреваться как можно более равномерно. Для этого проводка проложена внутри манекена с минимальным зазором. Электричество подается по проводу для его нагрева, при этом энергопотребление каждой зоны контролируется отдельно и регистрируется программным обеспечением управления манекеном. Наконец, манекены спроектированы так, чтобы максимально точно имитировать человека, 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 тепловых манекенов 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 стабильнее будет теплоотдача на поверхности кожи, однако постоянная времени способности манекена реагировать на изменения внешней среды также увеличится, поскольку для нагрева потребуется больше времени. проникнуть сквозь систему.

Контроль

Количество тепла, подаваемого в тепловые манекены, можно контролировать тремя способами. В «комфортном режиме» PMV к манекену применяется уравнение модели , приведенное в ISO 7730, и программное обеспечение контроллера рассчитывает потери тепла, которые среднестатистическому человеку было бы комфортно испытывать в данной среде. Для этого необходимо, чтобы система знала несколько основных фактов о манекене (площадь поверхности, предполагаемая скорость метаболизма), в то время как экспериментальные факторы должны быть введены пользователем ( изоляция одежды , температура по влажному термометру ). Второй метод управления – постоянный тепловой поток от манекена. То есть манекен подает постоянный уровень мощности, установленный пользователем, и измеряется температура кожи различных сегментов. Третий метод заключается в том, что температура кожи манекена поддерживается постоянной на заданном пользователем значении, а мощность увеличивается или уменьшается в зависимости от условий окружающей среды. Возможно, это также можно считать четвертым методом, поскольку можно настроить весь манекен на поддержание одинаковой температуры во всех зонах или выбрать определенные температуры для каждой зоны. Из этих методов режим комфорта считается наиболее точным представлением фактического распределения тепла по телу человека, тогда как режим теплового потока в основном используется в условиях высоких температур (когда температура в помещении может превысить 34 °C). . ^{[ 7 ]}

Калибровка

Датчики температуры

Для получения максимально точных результатов необходимо откалибровать внутренние датчики температуры термоманекена. При хорошей калибровке будут использоваться как минимум две заданные точки температуры, расположенные на расстоянии не менее 10 °C друг от друга. Манекен устанавливают в терморегулируемой камере, так что температура всех его сегментов практически идентична рабочей температуре камеры. Это означает, что манекен должен быть раздет и иметь минимальную изоляцию между частями тела и воздухом. Хорошая система для достижения этой цели — посадить манекен на открытый стул (позволяя проходить воздуху), приподняв его ноги над землей. Вентиляторы следует использовать для увеличения движения воздуха в камере, обеспечивая постоянное перемешивание. Это приемлемо для поддержания постоянной температуры, поскольку не происходит испарительного охлаждения без потоотделения или образования конденсата (влажность должна быть низкой, чтобы исключить образование конденсата). При каждой заданной температуре манекен должен будет оставаться в комнате от 3 до 6 часов, чтобы прийти в устойчивое состояние. После достижения равновесия можно получить калибровочную точку для каждого сегмента тела (это должно быть включено в управляющее программное обеспечение). ^{[ 8 ]}

Эквивалентная температура

Самый точный метод оценки того, как окружающая среда влияет на тепловой манекен, — это расчет эквивалентной температуры окружающей среды с учетом воздействия лучистого тепла, температуры воздуха и движения воздуха. На основе этого необходимо калибровать манекен перед каждым экспериментом, поскольку коэффициент преобразования выходной мощности и температуры кожи манекена в эквивалентную температуру (коэффициент теплопередачи) незначительно меняется для каждой зоны манекена и в зависимости от одежды, которую носит манекен. . Калибровку следует проводить в терморегулируемой камере, где температура излучения и воздуха практически одинакова, а колебания температуры по всему пространству минимальны. Необходимо, чтобы манекен был одет в ту же одежду, что и во время экспериментальных испытаний. Необходимо выбрать несколько точек калибровки, минимально охватывающих диапазон температур, которые будут проверяться в эксперименте. Во время калибровки движение воздуха должно быть как можно более низким, а поверхность манекена должна подвергаться воздействию воздуха и лучистого тепла, насколько это возможно, 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. Также следует регистрировать температуру «сиденья», и сбор данных не следует прекращать до тех пор, пока сиденье не достигнет устойчивой температуры. Для расчета коэффициента теплопередачи ( h _Cali ) используется следующее уравнение:

$ч Кали = .mw-parser-output .sfrac{white-space:nowrap}.mw-parser-output .sfrac.tion,.mw-parser-output .sfrac .tion{display:inline-block;vertical-align:-0.5em;font-size:85%;text-align:center}.mw-parser-output .sfrac .num{display:block;line-height:1em;margin:0.0em 0.1em;border-bottom:1px solid}.mw-parser-output .sfrac .den{display:block;line-height:1em;margin:0.1em 0.1em}.mw-parser-output .sr-only{border:0;clip:rect(0,0,0,0);clip-path:polygon(0px 0px,0px 0px,0px 0px);height:1px;margin:-1px;overflow:hidden;padding:0;position:absolute;width:1px}⁠ Q си / т лыжи – т экв ⁠$

где:

Q _si = сухие тепловые потери или мощность, регистрируемые манекеном.
tski _{= температура кожи} манекена
t _eq = эквивалентная температура помещения (калибровочная температура)

Затем этот коэффициент можно использовать для расчета эквивалентной температуры во время дальнейших экспериментов, в которых температура излучения и скорость воздуха не контролируются с помощью уравнения:

$t eq = t лыжи - ⁠ Q si / h cali ⁠$

Настраивать

Поза, расположение и одежда влияют на измерения теплового манекена. Что касается позы, то наиболее точным методом будет размещение манекена точно в том же положении, в котором он был откалиброван. Одежда влияет на передачу тепла к манекену и может добавить слой воздушной изоляции. Одежда уменьшает влияние скорости воздуха и изменяет силу свободного конвекционного потока вокруг тела и лица. По возможности следует использовать облегающую одежду, чтобы уменьшить погрешность измерений, поскольку свободная одежда может изменить форму при каждом перемещении манекена. ^{[ 7 ]}

Ссылки

^ Гагге, Адольф Фаро; Бертон, Алан Чедберн; Базетт, Генри Катберт (1941). «Практическая система единиц для описания теплообмена человека с окружающей средой». Наука . 94 (2445): 428–430. Бибкод : 1941Sci....94..428G . дои : 10.1126/science.94.2445.428 . ПМИД 17758307 .
^ Jump up to: ^а ^б Холмер, Ингвар (2004). «История и применение тепловых манекенов». Европейский журнал прикладной физиологии . 92 (6): 614–618. дои : 10.1007/s00421-004-1135-0 . ПМИД 15185083 . S2CID 22961337 .
^ Ли, Йи; Ньютон, Эдвард; Ло, Сяонань; Ло, Чжунсюань (2000). «Интегрированная САПР для функционального текстиля и одежды». Материалы Nokobotef 6 и 1-й Европейской конференции по защитной одежде . 8 : 8–11.
^ Фиала, Душан; Ломас, Кевин; Сторер, Мартин (октябрь 2001 г.). «Компьютерное прогнозирование терморегуляции и температурной реакции человека на широкий спектр условий окружающей среды». Международный журнал биометеорологии . 45 (3): 143–59. Бибкод : 2001IJBm...45..143F . дои : 10.1007/s004840100099 . ПМИД 11594634 . S2CID 24476680 .
^ Нильссон, Хокан (декабрь 2007 г.). «Оценка теплового комфорта с помощью методов виртуального манекена». Строительство и окружающая среда . 42 (12): 4000–40005. дои : 10.1016/j.buildenv.2006.04.027 .
^ Танабэ, С.; Аренс, Э.А.; Бауман, Ф.С.; Чжан, Х.; Мэдсен, ТЛ (1994). «Оценка тепловой среды с помощью теплового манекена с контролируемой температурой поверхности кожи». Операции ASHRAE . 100 (1): 39–48.
^ Jump up to: ^а ^б Меликов, Арсен (2004). «Дыхательные тепловые манекены для оценки среды помещений: важные характеристики и требования». Европейский журнал прикладной физиологии . 92 (6): 710–713. дои : 10.1007/s00421-004-1142-1 . ПМИД 15168126 . S2CID 24765076 .
^ Термическая калибровка манекена (PDF) . Проверено 19 ноября 2013 г.

[1] Гагге, Адольф Фаро; Бертон, Алан Чедберн; Базетт, Генри Катберт (1941). «Практическая система единиц для описания теплообмена человека с окружающей средой». Наука . 94 (2445): 428–430. Бибкод : 1941Sci....94..428G . дои : 10.1126/science.94.2445.428 . ПМИД 17758307 .

[Holmer-2] Jump up to: ^а ^б Холмер, Ингвар (2004). «История и применение тепловых манекенов». Европейский журнал прикладной физиологии . 92 (6): 614–618. дои : 10.1007/s00421-004-1135-0 . ПМИД 15185083 . S2CID 22961337 .

[3] Ли, Йи; Ньютон, Эдвард; Ло, Сяонань; Ло, Чжунсюань (2000). «Интегрированная САПР для функционального текстиля и одежды». Материалы Nokobotef 6 и 1-й Европейской конференции по защитной одежде . 8 : 8–11.

[4] Фиала, Душан; Ломас, Кевин; Сторер, Мартин (октябрь 2001 г.). «Компьютерное прогнозирование терморегуляции и температурной реакции человека на широкий спектр условий окружающей среды». Международный журнал биометеорологии . 45 (3): 143–59. Бибкод : 2001IJBm...45..143F . дои : 10.1007/s004840100099 . ПМИД 11594634 . S2CID 24476680 .

[5] Нильссон, Хокан (декабрь 2007 г.). «Оценка теплового комфорта с помощью методов виртуального манекена». Строительство и окружающая среда . 42 (12): 4000–40005. дои : 10.1016/j.buildenv.2006.04.027 .

[Tanabe-6] Танабэ, С.; Аренс, Э.А.; Бауман, Ф.С.; Чжан, Х.; Мэдсен, ТЛ (1994). «Оценка тепловой среды с помощью теплового манекена с контролируемой температурой поверхности кожи». Операции ASHRAE . 100 (1): 39–48.

[Melikov-7] Jump up to: ^а ^б Меликов, Арсен (2004). «Дыхательные тепловые манекены для оценки среды помещений: важные характеристики и требования». Европейский журнал прикладной физиологии . 92 (6): 710–713. дои : 10.1007/s00421-004-1142-1 . ПМИД 15168126 . S2CID 24765076 .

[8] Термическая калибровка манекена (PDF) . Проверено 19 ноября 2013 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]