Termální figurína - Thermal manikin - Wikipedia
The termální figurína je lidský model určený pro vědecké testování tepelného prostředí bez rizika nebo nepřesností spojených s testováním na lidských subjektech. Tepelné figuríny se používají především v automobilovém průmyslu, vnitřní prostředí, venkovní prostředí, vojenský a oděvní výzkum. První termické figuríny ve 40. letech 20. století byly vyvinuty americkou armádou a sestávaly z jedné zóny vzorkování celého těla. Moderní figuríny mohou mít více než 30 individuálně ovládaných zón. Každá zóna (pravá ruka, pánev atd.) Obsahuje topný článek a teplotní senzory uvnitř „kůže“ figuríny. To umožňuje řídicímu softwaru ohřát figurínu na normální teplotu lidského těla, přičemž zaznamenává množství energie potřebné k tomu v každé zóně a teplotu této zóny.
Dějiny
Izolace oděvů je tepelná izolace poskytuje oblečení a měří se v clo. Měřicí jednotka byla vyvinuta v roce 1941.[1] Krátce nato americká armáda vyvinula termální figuríny pro účely provádění měření izolace na zařízení, které vyvíjeli. První termální figuríny stály a byly vyrobeny z měď a byly jedním segmentem, který měřil tepelné ztráty celého těla. V průběhu let byly tyto vylepšeny různými společnostmi a jednotlivci, kteří využívali nové technologie a techniky jako pochopení tepelná pohoda zvýšil. V polovině 60. let byly vyvinuty sedací a vícesegmentové tepelné figuríny a byla použita digitální regulace umožňující mnohem přesnější aplikaci a měření energie. V průběhu času se na figurínách kromě velikostí mužů, žen a dětí v závislosti na aplikaci používaly také dýchání, kýchání, pohyby (například nepřetržité pohyby při chůzi nebo na kole) a pocení. V dnešní době bude mít většina figurín používaných pro výzkumné účely minimálně 15 zón a až 34 s možnostmi (často jako zakoupitelný doplněk k základní figuríně) pro pocení, dýchání a pohybové systémy, i když se také používají jednodušší figuríny v oděvním průmyslu.[2] Na začátku roku 2000 bylo navíc v Hongkongu vyvinuto několik různých počítačových modelů figurín,[3] Spojené království,[4] a Švédsko.[5]
Následující tabulka poskytuje přehled vývoje různých termálních figurín v průběhu let:[2]
| Typ | Materiál | Metoda měření | Nastavitelnost | Místo a čas vývoje |
|---|---|---|---|---|
| Jeden segment | Měď | Analog | – | USA 1945 |
| Více segmentů | Hliník | Analog | – | UK 1964 |
| Radiační figurína | Hliník | Analog | – | Francie 1972 |
| Více segmentů | Plasty | Analog | Pohyblivý | Dánsko 1973 |
| Více segmentů | Plasty | Analog | Pohyblivý | Německo 1978 |
| Více segmentů | Plasty | Digitální | Pohyblivý | Švédsko 1980 |
| Více segmentů | Plasty | Digitální | Pohyblivý | Švédsko 1984 |
| Požární figurína | Hliník | Digitální | – | NÁS |
| Figurína ponoření | Hliník | Digitální | Pohyblivý | Kanada 1988 |
| Potící se figurína | Hliník | Digitální | – | Japonsko 1988 |
| Plastický | Digitální | Pohyblivý | Finsko 1988 | |
| Hliník | Digitální | Pohyblivý | USA 1996 | |
| Ženská figurína | Plasty | Digitální režim komfortní regulace | Pohyblivý | Dánsko 1989 |
| Jeden vodič | ||||
| Dýchací termální figurína | Plasty | Digitální režim komfortní regulace | Pohyblivá simulace dýchání | Dánsko 1996 |
| Jeden vodič | ||||
| Potící se figurína | Plastický | Digitální, 30 suchých a 125 potních zón | Realistické pohyby | Švýcarsko 2001 |
| Samostatná figurína s pocení | Kov | Digitální, 126 zón | Kloubový | USA 2003 |
| Virtuální počítačová figurína | Numerický, geometrický model | Simulace přenosu tepla a hmoty | Kloubový | Čína 2000 |
| Numerický, geometrický model | Simulace přenosu tepla a hmoty | Kloubový | UK 2001 | |
| Numerický, geometrický model | Simulace přenosu tepla a hmoty | Kloubový | Švédsko 2001 | |
| Numerický, geometrický model | Simulace přenosu tepla a hmoty | Kloubový | Japonsko 2002 | |
| Jednosegmentová, pocení figurína | Prodyšná látka | Digitální, ohřívaný vodou | Pohyblivý | Čína 2001 |
| Jednosegmentová figurína | Větruvzdorná tkanina | Digitální, ohřívaný vzduchem | Pohyblivý | USA 2003 |
Design
Moderní termální figuríny se skládají ze tří hlavních prvků s volitelnými dalšími doplňky. Vnější povrch figuríny může být vyroben z laminát, polyester, uhlíkové vlákno nebo jiné teplonosné materiály, ve kterých jsou teplotní senzory v každé měřicí zóně. Pod kůží je topné těleso. Každá zóna termální figuríny je navržena tak, aby byla zahřívána co nejrovnoměrněji. K dosažení tohoto cíle je kabeláž svinuta v celém vnitřku figuríny s co nejmenšími mezerami. Drátem se zahřívá elektřina, která jej ohřívá, přičemž spotřeba energie každé zóny je samostatně řízena a zaznamenávána řídicím softwarem figuríny. Nakonec jsou figuríny navrženy tak, aby co nejpřesněji simulovaly člověka, a tak je do vnitřku figuríny přidána veškerá potřebná další hmota a podle potřeby je distribuována. Figuríny mohou být navíc vybaveny doplňkovými zařízeními, která napodobují lidské činnosti, jako je dýchání, chůze nebo pocení.
Topný článek tepelných figurín může být umístěn na jednom ze tří míst uvnitř figuríny: na vnějším povrchu, uvnitř kůže figuríny nebo uvnitř figuríny.[6] Čím dále uvnitř figuríny je topný článek, tím stabilnější bude tepelný výkon na povrchu kůže, avšak časová konstanta schopnosti figuríny reagovat na změny ve vnějším prostředí také vzroste, protože teplo bude trvat déle proniknout systémem.
Řízení
Množství tepla dodávaného do termálních figurín lze regulovat třemi způsoby. V „komfortním režimu“ PMV na figurínu se použije modelová rovnice nalezená v ISO 7730 a software řídicí jednotky vypočítá tepelné ztráty, které by průměrný člověk v daném prostředí pohodlně podstoupil. To vyžaduje, aby systém věděl několik základních faktů o figuríně (povrch, předpokládaná rychlost metabolismu), zatímco uživatel musí zadat experimentální faktory (izolace oděvů, Teplota koule na mokré baňce ). Druhou metodou řízení je konstantní tepelný tok z figuríny. To znamená, že figurína dodává konstantní úroveň energie nastavenou uživatelem a měří se teplota kůže v různých segmentech. Třetí metodou je, že teplota kůže figuríny se udržuje na konstantní hodnotě stanovené uživatelem, zatímco síla se zvyšuje nebo snižuje v závislosti na podmínkách prostředí. To lze pravděpodobně považovat za čtvrtou metodu, protože lze nastavit celou figurínu tak, aby udržovala stejnou teplotu ve všech zónách, nebo zvolit konkrétní teploty pro každou zónu. Z těchto metod je komfortní režim považován za nejpřesnější znázornění skutečného rozložení tepla v lidském těle, zatímco režim tepelného toku se používá především v nastavení vysokých teplot (pokud je pravděpodobné, že teploty v místnosti budou vyšší než 34 ° C) .[7]
Kalibrace
Teplotní senzory
Pro získání co nejpřesnějších výsledků je nutné provést kalibraci vnitřních teplotních senzorů termální figuríny. Dobrá kalibrace bude používat minimálně 2 nastavené teploty minimálně 10 ° C od sebe. Figurína je umístěna v tepelně řízené komoře prostředí, takže teplota všech jejích segmentů bude téměř stejná jako teplota provozní teplota komory. To znamená, že figurína musí být oděná a s minimální izolací mezi jakoukoli částí těla a vzduchem. Dobrým systémem, jak toho dosáhnout, je mít figurínu usazenou na otevřené židli (umožňující průchod vzduchu), s nohama podepřenými o zem. Měly by být použity ventilátory ke zvýšení pohybu vzduchu v komoře a zajištění stálého míchání. To je přijatelné pro udržení konstantní teploty, protože nedochází k chlazení odpařováním bez pocení nebo kondenzace (vlhkost by měla být nízká, aby nedocházelo ke kondenzaci). Při každé nastavené hodnotě teploty musí figurína zůstat v místnosti po dobu 3 až 6 hodin, aby se dostala do ustáleného stavu. Jakmile je dosaženo rovnováhy, lze získat kalibrační bod pro každý segment těla (měl by být zahrnut do ovládacího softwaru).[8]
Ekvivalentní teplota
Nejpřesnější metodou vyhodnocení vlivu prostředí na tepelnou figurínu je výpočet hodnoty ekvivalentní teplota vlivu sálavého tepla, teploty vzduchu a pohybu vzduchu. Na základě toho je nutné provést kalibraci figuríny před každým experimentem, protože faktor pro převod výstupního výkonu a teploty kůže figuríny na ekvivalentní teplotu (koeficient přenosu tepla) se pro každou zónu figuríny mírně mění a na základě oblečení, které má figurína na sobě . Kalibrace by měla být prováděna v tepelně řízené komoře, kde jsou teploty záření a vzduchu téměř identické a v celém prostoru dochází k minimálním teplotním výkyvům. Je nutné, aby figurína měla na sobě stejné oblečení jako během experimentálních zkoušek. Musí být provedeno několik kalibračních bodů s minimálním rozsahem teplot, které budou testovány v experimentu. Během kalibrace by měl být pohyb vzduchu udržován na co nejnižší úrovni a co největší část povrchu figuríny by měla být vystavena vzduchu a sálavému teplu, jak je to možné, umístěním na podpěry, které jej udržují vsedě, ale neblokují záda ani nohy jako tradiční sedadlo. Údaje o figuríně by se měly zaznamenávat pro každý kalibrační bod, jakmile teplota vzduchu, povrchu a figuríny dosáhne ustáleného stavu. Měla by být také zaznamenávána teplota „sedadla“ a sběr dat by neměl být zastaven, dokud sedadlo nedosáhne ustálené teploty. Pro výpočet součinitele prostupu tepla (hCali) používá se následující rovnice:
hCali = Qsi/tlyže - tekv
Qsi = suchá tepelná ztráta nebo výkon zaznamenaný figurínou
tlyže = teplota kůže figuríny
tekv = ekvivalentní teplota místnosti (kalibrační teplota)
Tento faktor lze poté použít k výpočtu ekvivalentní teploty během dalších experimentů, ve kterých není radiační teplota a rychlost vzduchu řízena pomocí rovnice:
tekv = tlyže – Qsi/hCali
Založit
Postavení, umístění a oděv ovlivňují měření termální figuríny. Pokud jde o držení těla, nejpřesnější metodou by bylo mít figurínu v přesně stejné pozici, v jaké byla kalibrována. Oblečení ovlivňuje přenos tepla na figurínu a může přidat vrstvu vzduchové izolace. Oblečení snižuje účinky rychlosti vzduchu a mění sílu volného proudění vzduchu kolem těla a obličeje. Pokud je to možné, měl by se použít přizpůsobený oděv, aby se snížila nejistota měření, protože volné oblečení pravděpodobně změní tvar při každém pohybu figuríny.[7]
Reference
- ^ Gagge, Adolph Pharo; Burton, Alan Chadburn; Bazett, Henry Cuthbert (1941). "Praktický systém jednotek pro popis tepelné výměny člověka s jeho prostředím". Věda. 94 (2445): 428–430. Bibcode:1941Sci .... 94..428G. doi:10.1126 / science.94.2445.428. PMID 17758307.
- ^ A b Holmér, Ingvar (2004). "Historie a aplikace termálních figurín". Evropský žurnál aplikované fyziologie. 92 (6): 614–618. doi:10.1007 / s00421-004-1135-0. PMID 15185083.
- ^ Li, Yi; Newton, Edward; Luo, Xiaonan; Luo, Zhongxuan (2000). "Integrovaný CAD pro funkční textil a oděvy". Sborník příspěvků Nokobotef 6 a 1. evropské konference o ochranném oděvu. 8: 8–11.
- ^ Fiala, Dušan; Lomas, Kevin; Stohrer, Martin (říjen 2001). "Počítačová předpověď lidských termoregulačních a teplotních reakcí na širokou škálu podmínek prostředí". International Journal of Biometeorology. 45 (3): 143–59. Bibcode:2001IJBm ... 45..143F. doi:10,1007 / s004840100099. PMID 11594634.
- ^ Nilsson, Håkan (prosinec 2007). "Vyhodnocení tepelného komfortu metodami virtuální figuríny". Budova a životní prostředí. 42 (12): 4000–40005. doi:10.1016 / j.buildenv.2006.04.027.
- ^ Tanabe, S .; Arens, E.A.; Bauman, FS; Zhang, H .; Madsen, T.L. (1994). "Hodnocení tepelného prostředí pomocí termální figuríny s řízenou teplotou povrchu kůže". Transakce ASHRAE. 100 (1): 39–48.
- ^ A b Melikov, Arsen (2004). „Dýchací tepelné figuríny pro hodnocení vnitřního prostředí: důležité charakteristiky a požadavky“. Evropský žurnál aplikované fyziologie. 92 (6): 710–713. doi:10.1007 / s00421-004-1142-1. PMID 15168126.
- ^ Kalibrace termální figuríny (PDF). Citováno 19. listopadu 2013.