CN1030215C - 新型变温暖体假人 - Google Patents

Abstract

新型变温暖体假人，是用于人体与环境间热交换过程的自控拟试验设备。假人本体采用表面热效应技术，有效的克服了国外同类假人普遍存在的热滞后现象，通过按变温暖体假人模型Eh＝K(Tz-Ts)编制程序由微机控制的闭合回路自动反馈系统控制，提高了温控系统的敏感性及精度。用于服装保暖性能的精确测定，可以从更近似仿真的程度上实现对真人群体冷应激的模拟，可以从舒适、工效、安全、耐受限度等不同水平来研究服装的保暖功能，比国外单从舒适性研究更实际，应用范围更广。

Description

本发明属于人体功效学试验设备-暖体假人的一种新型变温暖体假人。

暖体假人或变温暖体假人，作为一项研究人体（通过服装）与环境间进行热交换过程的重要模拟试验手段，越来越受到各国人体功效学研究者的重视和采用。最早是美国纳蒂克军需装备工程中心，稍后是加拿大皇家空军和美国宇航局、日本神户大学、德国霍恩斯泰服装生理所，近年来丹麦技术大学也对暖体假人进行了研究试验。至今暖体假人已有能模仿人体出汗、仿人活动、喘气等具有多项功能的暖体假人。由于人们对暖体假人认识的提高，暖体假人的应用范围在扩大，功能在不断提高，制作技术亦在不断的改进。

暖体假人由早期的应用铜壳、内部敷设电热丝、电热片、人工敲打成型发展到应用铝合金作壳体，内部敷设电热棒或采用向假人各部位的内部充液体技术，如美国AD报告（寒冷和浸水环境下检定单人防护服的暖体假人）中提到的采用铝质表面技术，英国专利GB-2191884（测试服装绝热用的假人）中提到的由躯干、头、臂、腿给假人充液技术。上述技术的应用虽然改进了暖体假人但还都普遍存在有热滞后现象及测试范围窄狭（仅限于舒适状态）、温控单一，功能上仅能对服装的热阻值CLO值进行评价等缺陷。近来丹麦科技大学研究采用玻璃钢制作暖体假人壳体，减轻了重量，且具有易加工的优点，但因加热的电热源仍在壳体内部，暖体假人的热滞后现象等缺陷依然存在。

本发明的目的在于提出一种既能克服以往暖体假人的热滞后现象又能进行模拟真人在冷应激条件下皮肤温度变化，从而达到从舒适、功效、安全、耐受限度等不同水平进行服装保暖功能研究结果准确的多功能新型变温暖体假人。

本发明是这样实现的：一种由计算机控制的能模拟真人群体在不同冷应激条件下皮肤温度变化的变温暖体假人，应用玻璃钢制成假人壳体，采用表面热效应技术及由人体试验导出的假人控温模型EH＝K（Tz-Ts）于变温暖体假人系统的闭合回路自动反馈过程，温控模型中EH代表干性散热单位体表面积热功率（W/M），Tz代表由人体试验导出的终止供热温度（℃），Ts代表平均皮肤温度（℃），K代表温差热功效率转换系数（W/M.C），该变温暖体假人系统是由假人壳体（4）、在壳体（4）表面上的热电阻丝（1）、置于壳体（4）表面的散点测温元件（2）、在壳体（4）表面涂敷导热绝缘层（3）的假人本体（5）和与本体（5）相联的温控系统组成，与假人本体（5）相联的温控系统的闭合回路自动反馈控制计算机应用程序按下式编制：

$\mathrm{Ui=}\sqrt{\mathrm{K\; (Tz-Ts)\; *\; Si*Ri}}$

式中Ui＝该段应反馈的电压（V）

Si＝该加（散）热面积（M）

Pi＝该段热电路电阻（∩），

将通过测温元件（2）测量假人本体（5）的温度所得的信号，输入温控系统，并按所述温控模 型通过计算机计算出反馈电压（Ui），从而控制热电阻丝（1）的加热。

关于本温控系统的运行过程，现结合附图2作以说明：

附图2是应用上述变温暖体假人模型EH＝K（Tz-Ts）的运行过程图，其中：

6.初始化，键入年、月、日、时等参数。

7.键盘键入选定的试验方式，选定何种方式，生成何种控制任务，

8.生成变温控制任务，

9.生成恒温控制任务，

10.生成热控制任务，

11.生成时钟，采样，键盘命令，计算，打印等任务，

12.等待时钟定时闹铃讯号，

13.键盘命令任务，因人工干预要求键入的命令而启动终止，

14.叫醒采样任务，进行采样及标度变换，

15.采样子程序，

16.叫醒控制任务，施实反馈控制，

17.反馈子程序，

18.判是否达到平衡，

19.未达平衡，叫醒打印任务，打印非平衡数据，返回12，

20.已达平衡，叫醒计算任务，计算并累计数据，

21.平衡期MXN周期计数器计数，先计M计数器，如M未满，返回12。如M已满，则N计数器计数，如N未满，则转向22。如N已满满，则转向23。

22.叫醒打印任务，打印平衡期数据，返回12，

23.叫醒打印任务，打印最后一组平衡期数据，延时等待打完，打印试验总结果，停机，

注：M，N计数器的满量限额，可用键盘命令人工设定，整数型，如不设定，系统自动定为7;9。

闭环回路自动反馈的控温系统计算机应用程序是按下式编制的：

$\mathrm{Ui=}\sqrt{\mathrm{K\; (TZ-TS)\; *\; Si*Ri}}\mathrm{--------(1)}$

式中Ui＝该段应反馈的电压（V）

Si＝该加（散）热面积（M²）

Ri＝该段热电路电阻（Ω），

为了更好的分区测试、研究人体各部位散热和服装绝热特点及进行动静体态的变化，将假人本体区分为手、头、胸、左右小腿、左右大腿、足、腰、左右臂及臀等12个区段，并配模拟步行的动力设备。各区段热电路的正负电极并联于按变温暖体假人模型Eh＝K（TZ-TS）编制程序控制闭环回路自动反馈的温控系统上。假人各段表面的热电路按下式计算：

$\mathrm{Ri\; =}\frac{U^2\max }{\mathrm{Emax\; *\; Si}}\mathrm{——（2）}$

$\mathrm{Ni\; =}\sqrt{\frac{{\mathrm{\delta \; \rho \; Si}}^2\mathrm{E\; max}}{{\mathrm{\phi \; \pi r}}^2{U}^2\max }}\mathrm{——（3）}$

$\mathrm{Li\; =}\frac{\mathrm{\delta \; Si}}{\mathrm{Ni\; \phi }}\mathrm{——（4）}$

式中Umax＝选定供热电原最大电压（V）

Emax＝设计范围中供热功率最大值（W/m）

ρ＝选定热电阻丝电阻比（mm/m）

φ＝热电阻丝（含绝缘被复层）直径（mm）

r＝热电阻丝裸线半径（mm）

Ni＝该段热电阻丝并联根数（根）

Li＝该段热电路电阻丝的并联长度（m）

δ＝线性单位数量级转换系数（mm/M）

应用本发明于服装功能测定取得了近似真人青体群体的模拟实验结果，下表是随机抽取的几组裸体热平衡皮温的平衡控制结果。

（表1见文后）

由于本发明采用了新的变温控制模型和表面热效应技术，按单位面积等功率分布原理设计热电路及分区段制作等技术，使假人具有了变温、恒温、恒热控制的动静二种体态变化，从而得到了模拟真人群体实验结果，表明本发明有效的克服了以往暖体假人存在的热滞后现象扩大了应用范围和实验功能，提高了控温精度及测温结果的可靠性。受到了用户的好评。

现结合附图1对本发明作进一步的说明。

图1是变温暖体假人本体。其中1是假人玻璃 钢壳体，1是热电阻丝，2是测温传感器，3是导热绝缘胶层，4是假人玻璃钢壳体、5是变温暖体假人本体。

实施例

1、暖体假人的制作1）、以玻璃钢为材料制作一分为12区段的假人，

2）、计测假人各区段的体表面积，下表是本发明12区段的表面积计测结果如下表2：

（表2见文后）

3）、暖体假人表面敷设热电路的计算：

按上述

计算公式（2、3、4）计算各区段应敷设热电路的电阻、并联根数及并联长度。

4）敷设热电路，依据设计计算求得的各段电阻丝并联根数（Ni）、并联长度（Li），用粘胶粘敷密排并联热电阻于各区段上，其端点联于温控系统的相应供热端子上。

5）、温测传感器的敷设。

将测温传感器用粘胶粘敷于热电阻丝上，同时联接于温控系统的相应测温端子上。

6）涂敷导热绝缘胶层。

依照上述方法步骤实施即可制得一新型变温假人本体。

2.按变温暖体假人模型EH＝K（TZ-TS）运用高级计算机语言编程（部分汇编语言）按上述计算公式（1）编制自动反馈控温系统运行程序进行运行。

3.报装测试。

表1：变温暖体假人模拟试验结果及人体试验比较

稳定加权平    全程算术平

区分    气温（Ta）    热阻（I）    全程不冷

均皮温（Tsq）    均皮温（Ts）

C    CLO    C    C    %

人体试验    13.91    2.80    33.07    32.96    100

模拟试验    14.01    2.81    33.01    32.80    99.0

比较    -0.06    -0.16    -1.0

人体试验    7.60    2.80    31.70    31.60    75.3

模拟试验    7.63    2.79    31.82    31.80    78.9

比较    +0.12    +0.20    +3.6

人体试验    1.37    2.80    30.65    30.68    54.5

模拟试验    1.22    2.82    30.69    30.86    59.8

比较    +0.04    +0.18    +5.3

人体试验    7.63    4.00    33.05    33.00    100

模拟试验    7.55    4.03    33.22    33.04    100

比较    +0.17    +0.04    0

人体试验    -3.93    4.00    31.57    31.56    78.6

模拟试验    -3.87    4.01    31.66    31.73    76.2

比较    +0.09    +0.17    -2.4

人体试验    -10.25    4.6    31.24    31.75    85.0

模拟试验    -10.48    4.59    31.50    31.87    73.5

比较    +0.26    +0.12    -11.5

人体试验    -15.20    4.60    31.13    31.58    59.00

模拟试验    -14.98    4.62    31.00    31.21    65.1

比较    -0.13    -0.37    +6.1

表二：变温暖体假人各段体表面积计测结果

部位    头    胸    腰    左臂    右臂    臀

计测面积    0.1301    0.1742    0.1613    0.1214    0.1217    0.2430

m

部位    左大腿    右大腿    左小腿    右小腿    脚    手

计测面积    0.1153    0.1100    0.1067    0.1188    0.1208    0.0848

m

Claims (2)

1、一种由计算机控制的能模拟真人群体在不同冷应激条件下皮肤温度变化的变温暖体假人，其特征在于应用由人体试验导出的假人控温模型EH=K(Tz-Ts)于变温暖体假人系统的闭合回路自动反馈过程，温控模型中EH代表干性散热单位体表面积热功率(W/M)，Tz代表由人体试验导出的终止供热温度(℃)，Ts代表平均皮肤温度(℃)，K代表温差热功效率转换系数(W/M.C)，该变温暖体假人系统是由假人壳体(4)、在壳体(4)表面上的热电阻丝(1)、置于壳体(4)表面的散点测温元件(2)、在壳体(4)表面涂敷导热绝缘层(3)的假人本体(5)和与本体(5)相联的温控系统组成，与假人本体(5)相联的温控系统的闭合回路自劝反馈控制计算机应用程序按下式编制：

$\mathrm{Ui=}\sqrt{\mathrm{K\; (Tz-Ts)\; *\; Si*Ri}}$

式中Ui=该段应反馈的电压(V)

Si=该加/散热面积(M)

Ri=该段热电路电阻(Ω)，

将通过测温元件(2)测量假人本体(5)的温度所得的信号，输入温控系统，并按所述温控模型通过计算机计算出反馈电压(Ui)，从而控制热电阻丝(1)的加热。

2、根据权利要求1所述的变温暖体假人，其特征在于区分为头、手、足、左右臂、胸、腰、臂、左右大腿、左右小腿十二个区段。

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