CN103365319B - 一种发热假人模型集群系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发热假人模型集群系统，包括发热假人模型和功率控制系统,发热假人模型由头部、躯干、两条胳膊和两条腿构成，发热假人模型的表面均缠绕有发热电阻丝，每条胳膊上缠绕有并联的四根发热电阻丝，其他部位缠绕有并联的两根发热电阻丝，发热电阻丝覆盖发热假人模型表面积的97～97.5%，所有发热电阻丝串联后的总电阻为1600至1699Ω，发热量为75W。功率控制系统包括380V电源、控制板、驱动板、功率板、测温传感器和电压调压器。本发明实现了自动化控制，操作方便快捷，发热量稳定，可实现不同假人在不同的功率下工作以模拟不同人体，具有适用范围广的特点。同时，本发热假人模型也可以在电压调压器的控制下进行发热量调节。

Description

一种发热假人模型集群系统

技术领域

本发明涉及一种假人模型系统，尤其涉及一种模拟真实人体发热的假人模型，及多个假人模型群体加热控制系统。

背景技术

在进行人居环境研究，尤其是狭小空间、高人口密度的空气环境质量研究时，人作为必要的实验条件和实验对象对实验过程产生非常重要的影响。就世界范围来看，由于雇佣大量实验人员需要高昂的资金支撑，学术界普遍青睐使用假人模型来代替真人进行实验。一般来说，合格的发热假人模型系统主要有如下三个特点：1.发热假人模型的几何尺寸和姿势与真人相近；2.发热假人模型显热发热量和各部位发热率与真人相近；3.多个发热假人模型的功率控制。前者是较容易实现的，而后两者，即如何实现发热假人模型显热发热量和各部位发热率与真人相同以及多个发热假人模型的功率控制是需要满足的基本条件且较难实现。所谓发热率是指单位表面积发热量大小，这是从热量的角度衡量发热假人模型近似人体程度的关键数据。目前国外使用的假人模型大都功能更为复杂，而且由于成本非常高，一般学术机构无力购买。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供一种发热假人模型集群系统,该系统实现了自动化控制，操作方便快捷，单体发热假人模型发热量稳定，可实现不同假人在不同的功率下工作以模拟不同人体，具有适用范围广的特点。同时，本发热假人模型也可以在电压调压器的控制下进行发热量调节。

为了解决上述技术问题，本发明一种发热假人模型集群系统，包括发热假人模型和功率控制系统,所述发热假人模型由头部、躯干、两条胳膊和两条腿构成，所述发热假人模型的表面均缠绕有发热电阻丝，其中，头部、躯干和两条腿上缠绕有并联的两根发热电阻丝，每条胳膊上缠绕有并联的四根发热电阻丝，发热电阻丝覆盖发热假人模型表面积的97～97.5%；所有发热电阻丝串联后的总电阻为1600至1699Ω，所有发热电阻丝串联后的发热量为75W。

所述功率控制系统包括380V电源、控制板、驱动板、功率板、测温传感器和电压调压器；所述380V电源经二极管整流形成正弦半波，中间设有过流保护装置，通过控制半波数来控制平均功率；所述控制板包含有四片atmel公司生产的ATmage16单片机，用以采集发热电阻丝的温度和功率信息；所述驱动板与功率板以实现功率的调整；所述测温传感器采用DS18B20数字测温传感器用以实现温度的测量，所述测温传感器的分辨率为0.5℃；所述电压调压器的型号为TS6C2-6，电压控制范围为0～430V，所述电压调压器为自耦变压器用以控制发热假人模型的功率。

本发明发热假人模型集群系统，其中，所述发热假人模型包括女性发热假人模型和男性发热假人模型，所述女性发热假人模型坐高为1.28米，表面积为1.334平方米，体积为0.043立方米；所述男性发热假人模型的坐高为1.40米，表面积为1.339平方米，体积为0.055立方米。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明发热假人模型集群系统设计合理，实现了自动化控制，操作方便快捷，单体发热假人模型发热量稳定，可实现不同假人在不同的功率下工作以模拟不同人体，可以为大型人居室内环境研究提供模拟真人发热的模型，从而有效节约科研经费并大幅提高实验结果的可信度。通过实验证明，本发明既能节省初投资，而且可以满足模拟人体发热相关实验的基本要求，比如，与真实人体静坐状态时总显热发热量相同以及与真实人体各部位显热发热量一致。

附图说明

图1为本发明中发热假人模型示意图；

图2是三个发热假人模型示意图；

图3是本发明中功率控制系统构架图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

如图1所示，本发明一种发热假人模型集群系统,包括发热假人模型和功率控制系统。

所述发热假人模型由头部、躯干、两条胳膊和两条腿构成，所述发热假人模型包括女性发热假人模型和男性发热假人模型，所述女性发热假人模型坐高为1.28米，表面积为1.334平方米，体积为0.043立方米；所述男性发热假人模型的坐高为1.40米，表面积为1.339平方米，体积为0.055立方米，所述男性假人模型由于体积大可以只包括头部、躯干和两条腿四部位，可以得到近似真人的发热面积。所述发热假人模型的表面均缠绕有发热电阻丝，各部分表面积参数见表1，所述发热电阻丝单位长度电阻值为32Ω/m，直径为2mm，依据真实人体各部位发热量分布，设置的不同长度缠绕于发热假人模型全身各个部位，每条胳膊上缠绕有并联的四根发热电阻丝，其他部位由两根电阻丝并联缠绕，然后再将全部发热电阻丝串联，总电阻值控制在1600至1699Ω之间，具体参数见表2，所有发热电阻丝的显热发热量为75W，各部分发热量参数详见表1，发热电阻丝覆盖发热假人模型表面积的97～97.5%。

表1发热假人模型各部位表面积及理论显热发热量

表2发热假人模型各部位电阻丝参数及缠绕方式

经过对本发明中的发热假人模型进行加热实验，如图2所示，采用三个假人模型进行实验,三个发热假人模型完全加热之后，各部位表面温度均匀且之间温度差异极小，发热假人模型发热情况基本相同，表3显示实验所用的三个发热假人模型电阻值与发热量基本相同，由此可以证明本发明一种发热假人模型集群系统功能可以实现。

表3三个发热假人模型电阻值及发热量

如图3所示，所述功率控制系统包括380V电源、控制板、驱动板、功率板、测温传感器和电压调压器；所述380V电源经二极管整流形成正弦半波，中间有过流保护装置，通过控制半波数来控制平均功率；所述控制板共包含有四片atmel公司生产的ATmage16单片机，用以采集发热电阻丝的温度和功率信息；三片80c51单片机用以控制测温传感器，并且通过一无线模块与单片机1通讯。其中单片机1为主单片机主要负责采集温度和功率信息，并与pc机通信，键盘与显示，通过继电器对380V电源进行过热保护，单片机2、单片机3和单片机4为从单片机，负责控制每组负载的功率值。所述驱动板与功率板通过隔离光耦和隔离变压器用以实现功率的调整，实现晶闸管在过零点开通，这样能够减小电压对晶闸管的冲击，保护电路，使其不易损坏。并通过晶闸管的导通与关断控制平均功率。所述测温传感器采用DS18B20数字测温传感器用以实现温度的测量，所述测温传感器的分辨率为0.5℃；所述电压调压器的型号为TS6C2-6，电压控制范围为0～430V，所述电压调压器是一个自耦变压器，输入端电压不变，然后从输入线圈上取出一部分电压作为输出，通过调节线圈匝数使得输出电压也随之改变，从而可以控制发热假人模型的功率。

本发明中控制板的具体控制方式为，单片机控制整流输出所接负载轮流工作，在输出功率为每电阻丝50W时间歇与工作时间比约为2.4:1；在输出功率为80W时约为1.1:1。为避免因短时间功率过大导致温度波动，间歇工作周期需控制在某范围内（由实验测定）。为达到在50W～80W范围内步进0.5W调功，循环工作周期不能小于3.4秒，即在输出输出50W时需要连续通电约1秒，断电2.4秒。可通过在周期内分散通电时间来均衡供电功率。

计算了发热假人模型对流换热量与辐射换热量之比。通过HFP-01型热流计来对发热假人模型身体各个部位进行测量，测量时间为1分钟。测量前的准备工作是，发热假人模型发热完全后，其外表面温度保持恒定不变，同时室内环境也维持温度基本恒定不变。具体的测量方法是：首先将热流计表面附着在所要测量的发热假人模型外表面，为了保证热流计与发热假人模型表面间没有空气存在以防止测量值不准，需要在热流计接触发热假人模型的一面涂抹一层均匀的导热胶。然后在热流计另一个表面上贴附铝箔以防止热流计自身与外界的辐射。最后通过微电压计读出电压值。按照公式1计算就可以得到该部位单位面积上的对流换热量：

$Q=\frac{V_{\mathrm{ave}}}{E_{\mathrm{sen}}}---\left(1\right)$

式中，Q表示单位面积上对流换热量，单位为(W/m2)，Vave则表示测量时间内的平均电压值，单位是mV，Esen表示热流计自身的敏感系数，单位是μV/(W·m2)。

本研究测量了头部、胸部、胳膊和腿部的热流。表4中显示的是发热假人模型对流换热量计算结果。通过计算结果可以发现，发热假人模型对流换热量约占到总热量的74%，与正常人体对流换热量占70%相比是较为接近的。这说明本发热假人模型具有与真实人体相类似的热量散发方式。

表4发热假人模型对流换热量计算结果

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (2)

1.一种发热假人模型集群系统，包括发热假人模型,其特征在于，所述发热假人模型由头部、躯干、两条胳膊和两条腿构成，所述发热假人模型的表面均缠绕有发热电阻丝，其中，头部、躯干和两条腿上缠绕有并联的两根发热电阻丝，每条胳膊上缠绕有并联的四根发热电阻丝，发热电阻丝覆盖发热假人模型表面积的97～97.5%；所有发热电阻丝串联后的总电阻为1600至1699Ω，所有发热电阻丝串联后的发热量为75W；

还包括由380V电源、控制板、驱动板、功率板、测温传感器和电压调压器构成的功率控制系统；所述380V电源经二极管整流形成正弦半波，通过控制半波数来控制平均功率；所述控制板包含有四片atmel公司生产的ATmage16单片机，用以采集发热电阻丝的温度和功率信息；所述驱动板与功率板用以实现功率的调整；所述测温传感器采用DS18B20数字测温传感器用以实现温度的测量，所述测温传感器的分辨率为0.5℃；所述电压调压器的型号为TS6C2-6，电压控制范围为0～430V，所述电压调压器为自耦变压器用以控制发热假人模型的功率。

2.根据权利要求1所述发热假人模型集群系统,其中，所述发热假人模型包括女性发热假人模型和男性发热假人模型，所述女性发热假人模型坐高为1.28米，表面积为1.334平方米，体积为0.043立方米；所述男性发热假人模型的坐高为1.40米，表面积为1.339平方米，体积为0.055立方米。