DE102018108573A1

DE102018108573A1 - Verfahren zum Betrieb eines thermischen Menschmodells, Elektronikbaugruppe und thermische Simulatorbaugruppe

Info

Publication number: DE102018108573A1
Application number: DE102018108573.7A
Authority: DE
Inventors: Daniel Schmeling; Johannes Bosbach; Pascal Lange
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2018-04-11
Filing date: 2018-04-11
Publication date: 2019-10-17

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines thermischen Menschmodells (1), welches ein elektrisches Widerstandselement (2), insbesondere einen Heizdraht (3), aufweist. In dem Verfahren erfolgt eine elektrische Beaufschlagung des Widerstandselements (2) durch eine Elektronikbaugruppe (7), um Heizwärme zu erzeugen. Vorzugsweise wird die elektrische Beaufschlagung entsprechend der sensiblen Wärme gemäß der Norm DIN EN 13129:2016-12 zur Erzeugung der sensiblen Wärme, insbesondere eines sitzenden und normal bekleideten Menschen, ausgesteuert. Das Widerstandselement (2) wird erfindungsgemäß multifunktional genutzt, indem der Widerstand des Widerstandselements (2) ermittelt wird. Aus einer zuvor in einem Kalibrierverfahren ermittelten Abhängigkeit kann aus dem ermittelten Widerstand eine Äquivalenttemperatur des thermischen Menschmodells (1) ermittelt werden. Alternativ oder zusätzlich möglich ist, dass aufgrund eines ermittelten Widerstands des Widerstandselements (2) eine Steuerung oder Regelung der erzeugten Heizwärme erfolgt, um den menschlichen Metabolismus zu simulieren.

Description

Die Erfindung betrifft ein thermisches Menschmodell. Derartige thermische Menschmodelle werden auch als (Komfort-)Thermo-Dummies oder im englischen Sprachraum als „thermal manikins“ bezeichnet. Thermische Menschmodelle sind in ihrer äußeren Form mehr oder weniger der Form eines Menschen angepasst, wobei das thermische Menschmodell hinsichtlich seiner Form auch lediglich einem Teil eines Menschen wie einer Hand, einem Rumpf u. ä. entsprechen kann.
Thermische Menschmodelle der hier einschlägigen Art verfügen über eine Heizeinrichtung, mittels welcher Heizwärme erzeugt wird, die die Abgabe von Wärme durch einen Menschen simulieren soll. Möglich ist auch, dass ein thermisches Menschmodell über mindestens einen Sensor verfügt, über welchen eine repräsentative Temperatur des thermischen Menschmodells erfasst wird, die Rückschlüsse auf eine gefühlte Temperatur oder ein „thermisches Wohlbefinden“ eines Menschen zulassen soll, welcher ähnlichen Umgebungsbedingungen ausgesetzt ist wie das thermische Menschmodell.
Thermische Menschmodelle können bspw. Einsatz finden, um eine Strömungs- und/oder Wärmeentwicklung in der Umgebung des thermischen Menschmodells zu untersuchen, um Rückschlüsse hinsichtlich entsprechender Wärme- und/oder Strömungsentwicklungen im Umgebungsbereich eines Menschen zu ermöglichen. Alternativ oder zusätzlich kann das thermische Menschmodell verwendet werden, um auf einen Menschen wirkende Umgebungseinflüsse wie eine Umströmung und/oder eine Beaufschlagung mit Wärme zu simulieren.
Um lediglich einige, die Erfindung nicht beschränkende Möglichkeiten für den Einsatz thermischer Menschmodelle zu nennen, kann thermischen Menschmodellen mindestens ein Bekleidungsstück angezogen werden und das thermische Menschmodell kann dann mit der Bekleidung spezifischen Umgebungsbedingungen ausgesetzt werden, womit dann eine Untersuchung eines Wärmeisolationsverhaltens der Bekleidung an dem thermischen Menschmodell möglich ist. Andererseits ist auch möglich, dass (mindestens) ein thermisches Menschmodell in einer Kabine beispielsweise eines Luftfahrzeugs, eines Schienenfahrzeugs oder eines Kraftfahrzeugs angeordnet wird. In diesem Fall kann mit dem (mindestens einen) thermischen Menschmodell die Strömungs- und/oder Wärmeentwicklung in der Kabine simuliert werden und/oder es können die thermischen, auf einen Menschen in der Kabine wirkenden Bedingungen simuliert werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines thermischen Menschmodells. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Elektronikbaugruppe, mittels welcher eine gesteuerte oder geregelte elektrische Leistungsversorgung eines thermischen Menschmodells möglich ist. Schließlich betrifft die Erfindung eine thermische Simulatorbaugruppe, welche (mindestens) ein thermisches Menschmodell sowie eine Elektronikbaugruppe aufweist.
STAND DER TECHNIK
Das Unternehmen Thermetrics (vgl. www.thermetrics.com) bietet thermische Menschmodelle für das Testen von Bekleidung an, bei welchen in eine Hülle aus thermisch leitfähigem Carbon-Epoxid-Verbundmaterial einerseits ein Heizdraht sowie andererseits Sensorelemente integriert sind. Hierbei kann die Oberfläche des thermischen Menschmodells in 20, 26 oder 35 Zonen aufgeteilt sein. Für dieses thermische Menschmodell ist Software für eine Simulation des thermischen Verhaltens während des Gehens und des Atmens sowie für eine Simulation der spezifischen Physiologie verfügbar. Möglich ist auch die Simulation des menschlichen Metabolismus in unterschiedlichen Aktivitätsleveln, während des Schlafens, des Ruhens, des Arbeitens oder der körperlichen Ertüchtigung. Hierbei liefern die an der Oberfläche angeordneten Sensoren Echtzeit-Messungen der Oberflächentemperatur des thermischen Menschmodells. Diese Messdaten können in Echtzeit auch verwendet werden, um die thermische Antwort des menschlichen Körpers zu simulieren, wobei auch ein transientes Verhalten des menschlichen Körpers simuliert werden kann. Der thermische Komfort, also das Wohlbefinden eines diesen thermischen Bedingungen ausgesetzten Menschen, kann ebenfalls anhand der Messsignale der Sensoren ermittelt werden.
Ein anderes thermisches Menschmodell des Unternehmens Thermetrics findet Einsatz in einer Fahrerkabine eines Kraftfahrzeugs, um mittels an der Oberfläche angeordneter Sensoren eine Bewertung der Heizung und der Klimaanlage in der Kabine des Kraftfahrzeugs vornehmen zu können.
Die thermischen Menschmodelle des Unternehmens Thermetrics weisen Gelenke im Bereich der Schultern, Hüfte, Knie, Ellbogen und Fußgelenke auf, wobei die Hände auch so vorgeformt sein können, dass diese ein Lenkrad umgreifen können. Die verwendeten Sensoren können eine Strömungsgeschwindigkeit der Luft, die Lufttemperatur, einen abgegebenen Wärmefluss und eine relative Feuchtigkeit messen. Eine drahtlose oder drahtgebundene Kommunikation der Sensoren ist möglich. Thermische Menschmodelle, wie diese auch von dem Unternehmen Thermetrics bekannt sind, werden auch als „Comfortmesspuppen“ bezeichnet und sind insbesondere angesichts der aufwändigen Sensorik sehr teuer, so dass diese mehr als 100.000 € kosten können.
Aus Kostengründen werden daher auch thermische Menschmodelle verwendet, welche lediglich einer experimentellen Simulation einer Versperrung von Innenräumen oder Strömungskanälen durch den Menschen und der Simulation der sensiblen Wärmeabgabe des Menschen dienen. Typischerweise werden derartige thermische Menschmodelle von Hand auf eine feste Abgabe einer Wärmeleistung eingestellt.
Möglich ist schließlich auch, dass thermische Menschmodelle nicht einmal eine geometrische Ähnlichkeit mit einer menschlichen Wärmequelle aufweisen. So werden beispielsweise für Messungen zum Innenraumklima in Bahnfahrzeugen, welche typischerweise in einem Klima-Windkanal durchgeführt werden, Heizmatten auf den Sitzplätzen zur Simulation der sensiblen Wärmeabgabe eines Menschen verwendet und Sensoren zur Erfassung der Temperaturbedingungen werden dann vor die Heizmatten gehängt.
Schließlich sind als Messpuppen ausgebildete thermische Menschmodelle bekannt, welche eine sogenannte lokale Äquivalenttemperatur erfassen können. Diese Messpuppen verfügen im Bereich ihrer Außenfläche über kalibrierte Sensoren, so dass mittels der Messpuppen Aussagen über den thermischen Komfort beispielsweise an einem Sitzplatz getroffen werden können, auf welchem eine Messpuppe angeordnet wird.
Weiterer Stand der Technik ist beispielsweise aus EP 2 287 758 A1 bekannt.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb eines thermischen Menschmodells vorzuschlagen, welches insbesondere hinsichtlich

- der Kosten für das thermische Menschmodell und/oder
- der Kosten für die Heizeinrichtung und/oder
- der Kosten für die Sensoren und/oder
- der Kosten für eine zur Steuerung oder Regelung der Leistungsversorgung eingesetzten Elektronikbaugruppe und/oder
- des Bauaufwands und/oder
- der Erfassung einer Temperatur oder Äquivalenttemperatur in ausgewählten Teilbereichen des thermischen Menschmodells und/oder
- der Simulation einer Abgabe von Wärme durch einen Menschen entsprechend dem menschlichen Metabolismus und/oder
- einer Nachrüstbarkeit existierender thermischer Menschmodelle, mittels welchen keine oder nur eine beschränkte Messung von einer Äquivalenttemperatur möglich ist,

Des Weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine entsprechend verbesserte Elektronikbaugruppe sowie eine entsprechend verbesserte thermische Simulatorbaugruppe vorzuschlagen.
LÖSUNG
Die Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere bevorzugte erfindungsgemäße Ausgestaltungen sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein thermisches Menschmodell, bei welchem es sich um ein „thermal manikin“, eine Art Puppe oder ein Modell handeln kann, das oder die mehr oder weniger genau einen gesamten menschlichen Körper oder auch nur einen Teil desselben simulieren kann.
Das im Rahmen der Erfindung eingesetzte thermische Menschmodell weist ein elektrisches Widerstandselement auf. In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird von dem thermischen Menschmodell Heizwärme erzeugt, indem eine elektrische Beaufschlagung des elektrischen Widerstandselements erfolgt. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um eine Bestromung eines Heizdrahtes, wobei über die Vorgabe der elektrischen Beaufschlagung, hier die elektrische Leistung oder die Stromstärke, die erzeugte Heizwärme des thermischen Menschmodells vorgegeben werden kann.
Erfindungsgemäß dient das elektrische Widerstandselement nicht ausschließlich der Erzeugung von Heizwärme. Vielmehr ist im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens das elektrische Widerstandselement multifunktional genutzt:
In dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt eine Erfassung des Widerstands des Widerstandselements. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Widerstand des Widerstandselements genutzt werden kann, um Rückschlüsse auf die Temperatur des thermischen Menschmodells zu ermöglichen, womit im Extremfall der Einsatz zusätzlicher Sensoren für die Erfassung der Temperatur entbehrlich ist. Wird in einem erfindungsgemäßen Verfahren der Widerstand des Widerstandselements erfasst, kann dann in diesem Verfahren die Berücksichtigung des Widerstands des Widerstandselements zur Ermittlung einer Äquivalenttemperatur des thermischen Menschmodells erfolgen.
Alternativ oder zusätzlich möglich ist, dass im Rahmen der Erfindung der Widerstand des Widerstandselements (oder auch die daraus ermittelte Äquivalenttemperatur) genutzt wird, um die elektrische Beaufschlagung des elektrischen Widerstandselements zur Erzeugung von Heizwärme zu regeln, um auf diese Weise die Wärmeabgabe eines Menschen zu simulieren. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt somit keine (u. U. manuelle) feste Einstellung einer Heizwärme des thermischen Menschmodells. Vielmehr kann die Wärmeabgabe des thermischen Menschmodells angepasst werden an den Widerstand und damit an eine aktuelle Temperatur, insbesondere die ermittelte Äquivalenttemperatur, womit automatisiert nachgebildet werden kann, dass die Wärmeabgabe eines Menschen und der Metabolismus des Menschen abhängig ist von dieser Temperatur. Erfindungsgemäß kann somit auf Grundlage des erfassten Widerstands des Widerstandselements (und nicht oder nicht nur auf Grundlage zusätzlicher Sensoren) die Äquivalenttemperatur ermittelt werden und/oder die Wärmeabgabe eines Menschen simuliert werden.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren kann über eine beliebige Abhängigkeit, insbesondere eine empirische Funktion, eine die physikalischen Gesetzmäßigkeiten beschreibende Funktion, ein Kennfeld u. ä. aus einem erfassten Widerstand eine Äquivalenttemperatur des thermischen Menschmodells ermittelt werden oder der Widerstand mittels eines beliebigen Steuerungs- oder Regelungsalgorithmus zur Simulation der Wärmeabgabe des Menschen berücksichtigt werden. Für einen besonderen Vorschlag der Erfindung wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren zunächst ein Kalibrierverfahren durchgeführt. In dem Kalibrierverfahren wird das thermische Menschmodell unterschiedlichen Umgebungsbedingungen ausgesetzt. Beispielsweise wird das thermische Menschmodell unterschiedlichen Umgebungstemperaturen (unter spezifizierten weiteren insbesondere konstanten Umgebungsbedingungen, insbesondere ohne strömende Beaufschlagung des thermischen Menschmodells und/oder ohne auf das thermische Menschmodell einwirkende Strahlungswärme) ausgesetzt, was für jede vorgegebene Umgebungstemperatur so lange erfolgt, bis ein stationärer Zustand erreicht ist. Hierbei kann gleichzeitig das thermische Menschmodell mit einer Heizleistung beaufschlagt werden, welche der Wärmeabgabe des Menschen für diese Umgebungstemperatur entspricht. Ist der stationäre Zustand erreicht, wird der Widerstand des elektrischen Widerstandselements in Zuordnung zu den vorgegebenen Umgebungsbedingungen (insbesondere in Zuordnung zu der vorgegebenen Umgebungstemperatur oder der sich für die vorgegebenen Umgebungsbedingungen ergebenden Äquivalenttemperatur) ermittelt und gespeichert. Eine derartige Abhängigkeit, insbesondere ein Umrechnungs- oder eine Art Kalibrierfaktor, wird dann für unterschiedliche Umgebungsbedingungen, insbesondere unterschiedliche Umgebungstemperaturen, ermittelt. Es erfolgt auf diese Weise eine Erstellung einer Kennlinie oder eines Kennfeldes in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen, wobei auch eine zwei- oder mehrdimensionale Ausgleichskurve oder Ausgleichfunktion für die Abhängigkeit des Widerstands von den Umgebungsbedingungen ermittelt werden kann. Die so ermittelte Abhängigkeit kann dann umgekehrt verwendet werden während der Durchführung des Mess- und/oder Versuchsbetriebs: Wird in dem Mess- und/oder Versuchsbetrieb ein Widerstand des Widerstandselements ermittelt, kann über die in dem Kalibrierverfahren ermittelte Abhängigkeit dann auf die vorliegende Umgebungstemperatur oder die sich aus der Umgebungstemperatur ergebende Äquivalenttemperatur rückgeschlossen werden.
Möglich ist, dass die Steuerung oder Regelung der Heizwärme, die durch elektrische Beaufschlagung des elektrischen Widerstandselements erzeugt wird, auf eine Abgabe einer konstanten Heizwärme oder eines a priori vorgegebenen Verlaufes der erzeugten Heizwärme erfolgt. Besonders realistische Bedingungen ergeben sich für eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei welcher die elektrische Beaufschlagung des elektrischen Widerstandselements zur Erzeugung der Heizwärme unter Berücksichtigung einer Abhängigkeit gesteuert oder geregelt wird, die die Wärmeabgabe eines Menschen in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur oder der ermittelten Äquivalenttemperatur beschreibt. Da über den ermittelten Widerstand die Umgebungstemperatur oder die Äquivalenttemperatur bekannt ist, kann dann auf Grundlage der Abhängigkeit die Steuerung oder Regelung der abzugebenden Heizwärme erfolgen. Um lediglich ein, die Erfindung nicht beschränkendes Beispiel zu nennen, kann die Abhängigkeit, die die Wärmeabgabe eines Menschen in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur oder der ermittelten Äquivalenttemperatur beschreibt, gemäß der Norm DIN EN 13129:2016-12, welche Möglichkeiten für eine Simulation des menschlichen Metabolismus beschreibt, entnommen werden. So ist beispielsweise in dieser Norm die sensible Wärmeübertragung qsens eines Menschen als Funktion der Umgebungstemperatur T in Watt (W) wie folgt spezifiziert: $\begin{array}{l} q_{s e n s} (T) = - 7,0210 \cdot 10^{- 6} \cdot T^{6} + 9,3296 \cdot 10^{- 4} \cdot T^{5} - 5,0287 \cdot 10^{- 2} \cdot T^{4} + 1,3933 \cdot T^{3} - \\ 2,0714 \cdot 10 \cdot T^{2} + 1,5103 \cdot 10^{2} \cdot T - 2,7953 \cdot 10^{2} . \end{array}$
In dieser Norm ist die latente Wärmeübertragung q_lat eines Menschen als Funktion der Umgebungstemperatur in Watt (W) wie folgt modelliert: $q_{l a t} (T) = - 3,7788 \cdot 10^{- 4} \cdot T^{4} + 3,0997 \cdot 10^{- 2} \cdot T^{3} - 7,3326 \cdot 10^{- 1} \cdot T^{2} + 6,5731 \cdot T + 1,6525.$
Die vorgenannten Abhängigkeiten modellieren die Wärmeabgabe eines sitzenden und normal bekleideten Menschen, wobei entsprechende Abhängigkeiten auch für anders bekleidete Menschen und/oder nicht sitzende Menschen erzeugt werden können oder verfügbar sind oder andere Modellierungen bekannt sind. Vorzugsweise wird für die Steuerung oder Regelung der Heizwärme des thermischen Menschmodells lediglich die sensible Wärmeabgabe des Menschen simuliert, während die latente Wärmeübertragung nicht berücksichtigt wird.
Möglich ist, dass während des Kalibrierverfahrens die elektrische Beaufschlagung des elektrischen Widerstandselements zur Erzeugung der Heizwärme in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur oder der ermittelten Äquivalenttemperatur gesteuert oder geregelt wird, wozu die zuvor genannte Abhängigkeit der Wärmeabgabe von der Umgebungstemperatur oder der ermittelten Äquivalenttemperatur, insbesondere eine Abhängigkeit gemäß DIN EN 13129:2016-12, verwendet werden kann.
Als elektrisches Widerstandselement kann jedes Widerstandselement Einsatz finden, welches seinen Widerstand entsprechend einer festen Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen, insbesondere der Temperatur, ändert. So kann das elektrische Widerstandselement beispielsweise ein Halbleiter, eine Heizwendel, eine Heizpatrone, ein Heizband, eine Heizmanschette, eine Heizmatte oder ein Heizregister sein.
Für einen besonderen Vorschlag der Erfindung ist das elektrische Widerstandselement ein Heizdraht. Der Heizdraht erstreckt sich dann entlang eines Grundkörpers des thermischen Menschmodells. Der Einsatz eines derartigen Heizdrahts hat den Vorteil, dass dieser u. U. zu geringen Kosten verfügbar ist. Anderseits kann mittels des Heizdrahts eine Erzeugung von Wärme entlang seiner Längserstreckung, also über einen größeren Abschnitt des thermischen Menschmodells, erfolgen. Entsprechend kann für den Heizdraht über dessen Erstreckung ein integraler, von der Temperatur abhängiger Widerstand ermittelt werden, womit dann auch eine Ermittlung der Äquivalenttemperatur in einem Bereich des thermischen Menschmodells, in welchem sich der Heizdraht erstreckt, erfolgen kann. Möglich ist bspw., dass ein Heizdraht Einsatz findet, dessen Länge mehr als 1 m, mehr als 2 m, mehr als 5 m, mehr als 20 m, mehr als 50 m, mehr als 100 m oder sogar mehr als 150 m beträgt. Der Heizdraht kann je nachdem, in welchem Bereich eine Wärmeabgabe erzeugt werden soll und/oder eine Erfassung einer Äquivalenttemperatur erfolgen soll, beliebig auf der Oberfläche des Grundkörpers verteilt oder in diese eingebettet sein. Beispielsweise kann der Heizdraht mäanderförmig oder hin- und hergehend auf der Oberfläche des Grundkörpers verlegt sein. Für eine besonders einfache Ausgestaltung ist der Grundkörper mit dem Heizdraht umwickelt. Möglich ist hierbei, dass mehrere Wicklungen der Umwicklung des Grundkörpers oder auch mehrere mäanderförmig verlegte Teilabschnitte des Heizdrahts gleiche Abstände aufweisen, so dass auch die Wärmeabgabe je Teilbereich des thermischen Menschmodells, in welchem der Heizdraht verlegt ist, gleich ist. Möglich ist aber auch, dass die Abstände der Windungen des Heizdrahts oder der mäanderförmig verlegten Teilabschnitte des Heizdrahts unterschiedlich sind, womit auch unterschiedlichen Ausmaßen der Wärmeabgabe des Menschen den einzelnen Teilbereichen der Oberfläche des menschlichen Körpers Rechnung getragen werden kann.
Möglich ist, dass im Rahmen der Erfindung lediglich ein Heizdraht verwendet wird, im Bereich dessen eine Abgabe von Heizwärme erfolgt und eine Erfassung des Widerstands und damit der Äquivalenttemperatur erfolgt. Hierbei kann sich der Heizdraht lediglich über einen Teil der Oberfläche des thermischen Menschmodells oder (nahezu oder vollständig) über die gesamte Oberfläche des thermischen Menschmodells erstrecken. Möglich ist, dass im Rahmen der Erfindung neben dem Heizdraht, der multifunktional sowohl der Abgabe von Heizwärme dient als auch der Erfassung des Widerstands und damit der Äquivalenttemperatur, zusätzliche Sensoren und/oder Heizeinrichtungen vorhanden sind.
Für einen weiteren Vorschlag der Erfindung sind mindestens zwei elektrische Widerstandselemente vorhanden, die unabhängig voneinander elektrisch beaufschlagt werden können zur Erzeugung von Heizwärme, so dass in unterschiedlichen Teilbereichen des thermischen Menschmodells eine Abgabe von Heizwärme in unterschiedlichem Ausmaß ausgesteuert oder ausgeregelt werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann über die mindestens zwei elektrischen Widerstandselemente eine unabhängige Ermittlung der Widerstände erfolgen, womit dann auch für die den beiden elektrischen Widerstandselementen zugeordneten Teilbereiche des thermischen Menschmodells separate Äquivalenttemperaturen ermittelt werden können. Über die Flächen der unterschiedlichen elektrischen Widerstandselemente und die Zahl der elektrischen Widerstandselemente kann die Auflösung der Simulation der Wärmeabgabe des thermischen Menschmodells und/oder die Erfassung der Äquivalenttemperatur in einzelnen Teilbereichen des thermischen Menschmodells vorgegeben werden.
Eine weitere Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe stellt eine Elektronikbaugruppe dar. Die Elektronikbaugruppe dient einer Steuerung oder Regelung der elektrischen Leistungsversorgung (mindestens) eines thermischen Menschmodells, welches (mindestens) ein elektrisches Widerstandselement aufweist. Die Elektronikbaugruppe weist eine elektronische Steuereinrichtung auf. Die Steuereinrichtung ist mit Steuerlogik ausgestattet, mittels welcher eine Durchführung eines Verfahrens, wie dieses zuvor erläutert worden ist, möglich ist.
Die Elektronikbaugruppe kann Bestandteil des thermischen Menschmodells selbst sein, wobei im Extremfall dann das thermische Menschmodell auch einen Akkumulator für die Bereitstellung elektrischer Energie aufweist, womit das thermische Menschmodell autark ist. Hierbei können/ kann eine Elektronikbaugruppe und/oder ein Akkumulator so ausgewählt sein, dass dieser oder diese eine vernachlässigbar kleine Wärmeabgabe aufweist/aufweisen. Andernfalls kann die Wärmeabgabe der Elektronikbaugruppe oder des Akkumulators in dem Verfahren modelliert werden und dann berücksichtigt werden. Möglich ist aber auch, dass in diesem Fall das thermische Menschmodell lediglich einen Netzstecker für eine Verbindung mit einer elektrischen Leistungsquelle aufweist, deren bereitgestellte Leistung dann bedarfsgerecht über die Elektronikbaugruppe gesteuert oder geregelt und dem thermischen Menschmodell zugeführt wird.
Ebenfalls möglich ist, dass die Elektronikbaugruppe beabstandet von dem thermischen Menschmodell angeordnet ist und lediglich über die elektrischen Steuerleitungen eine Verbindung zwischen der Elektronikbaugruppe und dem thermischen Menschmodell erfolgt.
Für die Erfassung des Widerstands verfügt die Steuerlogik der elektronischen Steuereinrichtung der Elektronikbaugruppe vorzugsweise über Steuerlogik, welche aus dem Strom, mit welchem die Elektronikbaugruppe das thermische Menschmodell und hier die Widerstandselemente beaufschlagt, und der zugeordneten Spannung den Widerstand ermittelt.
Des Weiteren ist die Steuerlogik geeignet ausgebildet, um die zuvor erläuterten Abhängigkeiten zu berücksichtigen, die bspw. in einem permanenten oder einem temporären Speicher abgespeichert sein können. So ermittelt beispielsweise die Steuerlogik auf Grundlage der in dem Kalibrierverfahren ermittelten Abhängigkeit des Widerstands des elektrischen Widerstandselements von den Umgebungstemperaturen oder der sich für die Umgebungsbedingungen ergebenden Äquivalenttemperatur aus dem in dem Mess- und/oder Versuchsbetrieb ermittelten Widerstand die Umgebungstemperatur oder die Äquivalenttemperatur. Des Weiteren kann die Steuerlogik anhand der ermittelten Äquivalenttemperatur eine Steuerung oder Regelung der abgegebenen Heizwärme zur Simulation des menschlichen Metabolismus steuern oder regeln.
Überraschend kann eine erfindungsgemäße Elektronikbaugruppe auch verwendet werden, um ein bestehendes thermisches Menschmodell, welches ein elektrisches Widerstandselement aufweist, welches aber gemäß dem Stand der Technik nur für die Abgabe von Heizwärme verwendet worden ist, so umzurüsten, dass aus einem seitens der Elektronikbaugruppe erfassten Widerstand des elektrischen Widerstandselements dann eine Äquivalenttemperatur bestimmt wird und/oder auf Grundlage des erfassten Widerstands eine Steuerung der abgegebenen Heizwärme zur Simulation des menschlichen Metabolismus erfolgen kann.
Eine weitere Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe stellt eine thermische Simulatorbaugruppe dar. Eine derartige thermische Simulatorbaugruppe weist (mindestens) ein thermisches Menschmodell auf, welches über ein elektrisches Widerstandselement verfügt. Des Weiteren weist die thermische Simulatorbaugruppe eine Elektronikbaugruppe auf, wie diese zuvor erläutert worden ist. Das elektrische Widerstandselement des thermischen Menschmodells wird in diesem Fall über die Elektronikbaugruppe elektrisch beaufschlagt, um Heizwärme zu erzeugen, wobei vorzugsweise eine Steuerung oder Regelung der Heizwärme auf Grundlage einer ermittelten Äquivalenttemperatur erfolgt, um den menschlichen Metabolismus zu simulieren. Die Elektronikbaugruppe erfasst den Widerstand des Widerstandselements, was vorzugsweise durch die Erfassung des Stroms und der Spannung erfolgt, die das Widerstandselement beaufschlagen. Den erfassten Widerstand des Widerstandselements wertet dann die Elektronikbaugruppe zur Ermittlung einer Äquivalenttemperatur des thermischen Menschmodells und/oder zur Steuerung oder Regelung der abgegebenen Heizwärme aus.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Ohne dass hierdurch der Gegenstand der beigefügten Patentansprüche verändert wird, gilt hinsichtlich des Offenbarungsgehalts der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents Folgendes: weitere Merkmale sind den Zeichnungen - insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung - zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs „mindestens“ bedarf. Wenn also beispielsweise von einem Widerstandselement die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau ein Widerstandselement, zwei Widerstandselemente oder mehr Widerstandselemente vorhanden sind. Diese Merkmale können durch andere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, aus denen das jeweilige Erzeugnis besteht.
Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen.
Figurenliste
Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.

1 bis 3 zeigen Prinzipskizzen einer thermischen Simulatorbaugruppe mit einem stark schematisierten thermischen Menschmodell.
4 zeigt einen Teilquerschnitt eines thermischen Menschmodells mit einem elektrischen Widerstandselement.
5 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Verfahren.
6 zeigt eine Abhängigkeit eines Widerstands eines elektrischen Widerstandselements von einer Umgebungstemperatur.
7 zeigt einen Zeitverlauf einer Heizleistung eines thermischen Menschmodells für sich verändernde thermische Bedingungen.
8 zeigt einen Zeitverlauf einer Äquivalenttemperatur eines thermischen Menschmodells für sich verändernde thermische Bedingungen gemäß 7.

FIGURENBESCHREIBUNG
1 zeigt stark schematisiert ein thermisches Menschmodell 1, welches hier als würfelartiger oder zylindrischer Körper dargestellt ist. Tatsächlich kann es sich bei dem thermischen Menschmodell 1 um eine Art Puppe oder Dummy oder „thermal manikin“ handeln, deren oder dessen Geometrie der Geometrie eines menschlichen Körpers nachempfunden ist.
Das thermische Menschmodell 1 verfügt über ein elektrisches Widerstandselement 2, bei dem es sich vorzugsweise um einen elektrischen Heizdraht 3 handelt. Das elektrische Widerstandselement 2 ist bspw. auf der Außenfläche des thermischen Menschmodells 1 angeordnet, in eine Außenschicht des thermischen Menschmodells 1 eingebettet oder zwischen einem Grundkörper des thermischen Menschmodells 1 und einer wärmeleitenden Außenschicht angeordnet. Das elektrische Widerstandselement 2 erstreckt sich vorzugsweise entlang wesentlicher Teile oder über die gesamte Außenfläche des thermischen Menschmodells 1.
Für das dargestellte Ausführungsbeispiel ist ein elektrischer Heizdraht 3 spiralförmig um das thermische Menschmodell 1 gewickelt, wobei hier die Windungen des elektrischen Heizdrahts 3 gleiche Abstände 4 aufweisen. Beispielsweise handelt es sich bei dem elektrischen Heizdraht 3 um eine elektrisch isolierte Drahtlitze, deren Länge 160 m ± 20 % betragen kann. Auf einem Grundkörper des thermischen Menschmodells 1 kann der Heizdraht 3 bzw. die Drahtlitze mit einem einseitig klebenden oder doppelseitig klebenden Klebeband fixiert sein. Außenliegend von dem Heizdraht 3 und ggf. dem Klebeband kann eine Abdeckschicht eines gut leitenden Materials, insbesondere ein Aluminiumtape oder eine Abdeckschicht aus einem Kupfermaterial, angeordnet sein. Möglich ist, dass die Außenfläche der Abdeckschicht mit einer schwarzen Beschichtung oder Lackierung ausgestattet ist.
Der elektrische Heizdraht 3 und der mit diesem gebildete elektrische Kreis erstreckt sich von und zu einem Interface oder einer Schnittstelle 5. Über Leitungen 6a, 6b steht die Schnittstelle 5 in Verbindung mit einer Elektronikbaugruppe 7. Hierbei kann die Elektronikbaugruppe 7 ausschließlich über die Schnittstelle 5 mit einem einzigen thermischen Menschmodell 1 kommunizieren. Möglich ist aber auch, dass über die Elektronikbaugruppe 7 parallel mehrere thermische Menschmodelle 1a, 1b, 1c, ... angesteuert werden.
Wie im Folgenden noch im Detail erläutert wird, dient die Elektronikbaugruppe 7 der Leistungsversorgung der elektrischen Widerstandselemente 2, wobei eine Steuerung oder Regelung der elektrischen Leistungsversorgung derart erfolgt, dass das elektrische Widerstandselement 2 eine Heizwärme abgibt, welche die Abgabe von Wärme durch einen menschlichen Körper simulieren soll. Hierbei erfolgt die Steuerung oder Regelung der elektrischen Leistungsversorgung vorzugsweise derart, dass der menschliche Metabolismus und hierbei eine Abhängigkeit der Abgabe von Wärme von der Äquivalenttemperatur simuliert wird. Andererseits ermittelt die Elektronikbaugruppe 7 den Widerstand des elektrischen Widerstandselements 2, was im einfachsten Fall gemäß dem Ohmschen Gesetz aus dem Strom und der Spannung, mit welchen das elektrische Widerstandselement 2 beaufschlagt wird, erfolgt.
2 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform, bei welcher im Bereich des thermischen Menschmodells 1 nicht lediglich ein einziges elektrisches Widerstandselement 2 angeordnet ist, sondern vielmehr zwei unabhängig voneinander betriebene elektrische Widerstandselemente 2a, 2b angeordnet sind. Die elektrischen Widerstandselemente 2a, 2b sind in unterschiedlichen Teilbereichen 10a, 10b der Außenfläche des thermischen Menschmodells 1 angeordnet. Die elektrischen Widerstandselemente 2a, 2b werden von der Elektronikbaugruppe 7 über separate Schnittstellen 5, 8 und zugeordnete Leitungen 6a, 6b, 9a, 9b mit elektrischer Leistung versorgt. Über die Elektronikbaugruppe 7 kann somit für die Teilbereiche 10a, 10b und die zugeordneten Widerstandselemente 2a, 2b eine spezifische elektrische Leistungsversorgung erfolgen, womit eine unterschiedliche Abgabe von Heizwärme in den Teilbereichen 10a, 10b gesteuert oder geregelt werden kann. Andererseits ermittelt die Elektronikbaugruppe 7 für die Teilbereiche 10a, 10b und die zugeordneten elektrischen Widerstandselemente 2a, 2b jeweils den Widerstand, womit ein Rückschluss auf die Umgebungstemperatur oder Äquivalenttemperatur in den Teilbereichen 10a, 10b möglich ist. Auch für die Ausführungsform gemäß 2 ist (abweichend zu dem dargestellten Ausführungsbeispiel) möglich, dass mittels der Elektronikbaugruppe 7 mehrere thermische Menschmodelle 1a, 1b, ... betrieben werden.
Für die Ausführungsbeispiele gemäß 1 und 2 ist die Elektronikbaugruppe 7 beabstandet von dem thermischen Menschmodell 1 angeordnet, wobei die Verbindung der Elektronikbaugruppe 7 mit dem (mindestens einen) thermischen Menschmodell 1 über Leitungen 6, 9 mit beliebiger Leitungslänge, beispielsweise von mehr als 50 cm, mehr als 1 m, mehr als 2 m, mehr als 5 m oder sogar mehr als 10m, erfolgen kann. Für das in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel ist die Elektronikbaugruppe 7 an dem thermischen Menschmodell 1 selber angebracht, wobei auch eine Integration der Elektronikbaugruppe 7 in eine Ausnehmung des thermischen Menschmodells 1 möglich ist, so dass die Elektronikbaugruppe 7 im Inneren des thermischen Menschmodells 1 angeordnet ist. In diesem Fall kann lediglich eine Verbindung mit einer elektrischen Leistungsquelle über ein Versorgungskabel erforderlich sein. Möglich ist sogar, dass die Elektronikbaugruppe 7 einen Akkumulator aufweist, welcher die erforderliche Energie bereitstellt. In diesem Fall können die in dem Kalibrierverfahren ermittelten Abhängigkeiten, Messwerte für den Widerstand, eine Umgebungstemperatur und/oder eine aus dem Widerstand ermittelte Äquivalenttemperatur in einer Speichereinheit der Elektronikbaugruppe 7 gespeichert werden. Alternativ oder zusätzlich möglich ist, dass Messwerte mittels einer drahtlosen Kommunikation von der Elektronikbaugruppe 7 an eine zentrale Verarbeitungseinheit übertragen werden, wo dann auch eine Speicherung von Messwerten und/oder eine Auswertung derselben erfolgen kann. Möglich ist des Weiteren, dass auch Steuersignale (drahtgebunden oder drahtlos) an die Elektronikbaugruppe 7 übertragen werden, welche dann in der Steuerung und Regelung der Elektronikbaugruppe 7 für die elektrische Leistungsversorgung des thermischen Menschmodells 1 berücksichtigt werden können.
In den 1 bis 3 bilden die Elektronikbaugruppe 7, die Leitungen 6, 9 und das mindestens eine thermische Menschmodell 1 zusammen eine thermische Simulatorbaugruppe 26.
4 zeigt stark schematisiert einen Querschnitt eines thermischen Menschmodells 1. Dieses verfügt über einen Grundkörper 11, auf dessen Außenfläche sich das elektrische Widerstandselement 2 befindet, wobei vorzugsweise ein elektrischer Heizdraht 3 um die Außenfläche des Grundkörpers 11 gewickelt ist. Der Grundkörper 11 verfügt dabei über einen Schaumstoffkern 12, vorzugsweise aus einem feuerfesten Schaumstoff. Beispielsweise kann hier ein Schaumstoff der Kennzeichnung Basotect UF (eingetragene Marke) Einsatz finden. Als weiterer Bestandteil des Grundkörpers 11 ist auf den Schaumstoffkern 12 eine Wärmeleitschicht 13 aufgebracht. Diese kann beispielsweise aus Aluminium oder Kupfer bestehen, wobei auch eine Umwicklung mit einem Aluminium-Klebeband zur Bildung der Wärmeleitschicht 13 erfolgen kann. Auch auf das Widerstandselement 2, hier die Wicklung mindestens eines Heizdrahts 3, ist eine Wärmeleitschicht 14 aufgebracht, welche ebenfalls aus Aluminium oder Kupfer bestehen kann und eine Umwicklung mit einem Aluminium-Klebeband sein kann. Schließlich ist die Außenseite der Wärmeleitschicht 14 mit einer Lackierung 15 mit schwarzer Farbe versehen. Die Lackierung 15 bildet eine außenliegende Mantelfläche 16 des thermischen Menschmodells 1 aus.
5 zeigt beispielhaft und schematisch den Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens:
In einem Verfahrensschritt 17 wird an eine Elektronikbaugruppe 7 ein thermisches Menschmodell 1 angeschlossen, womit eine thermische Simulatorbaugruppe geschaffen ist. Hierbei kann ein spezifisch erfindungsgemäß angepasstes thermisches Menschmodell 1 verwendet werden. Möglich ist aber durchaus auch, dass es sich um ein herkömmliches thermisches Menschmodell 1 handelt, bei dem ein elektrisches Widerstandselement 2, insbesondere ein elektrische Heizdraht 3, ausschließlich für die Abgabe von Heizwärme genutzt wird, ohne dass das Widerstandselement 2 oder der Heizdraht 3 für die Ermittlung eines Widerstands und aus diesem Widerstand einer Äquivalenttemperatur genutzt wird.
Hieran anschließend wird dann ein Kalibrierverfahren 18 durchgeführt. In dem Kalibrierverfahren 18 wird in einem Verfahrensschritt 19 das thermische Menschmodell 1 spezifischen ersten Umgebungsbedingungen ausgesetzt. Vorzugsweise handelt es sich bei den ersten Umgebungsbedingungen um eine erste Umgebungstemperatur, ohne dass das thermische Menschmodell 1 mit einer fluidischen Strömung beaufschlagt wird und Strahlungswärme das thermische Menschmodell 1 erreichen kann.
In einem Verfahrensschritt 20 wird über die Elektronikbaugruppe 7 das elektrische Widerstandselement 2 so mit elektrischer Leistung versorgt, dass dieses eine Heizwärme abgibt, welche der Abgabe von Wärme durch einen Menschen bei der applizierten ersten Umgebungstemperatur entspricht, womit der menschliche Metabolismus simuliert wird.
In einem Verfahrensschritt 21 wird dann der Widerstand des elektrischen Widerstandselements 2 ermittelt, was vorzugsweise aus dem durch das Widerstandselement 2 geleiteten Strom und der applizierten Spannung erfolgt. Ein Widerstandswert 22a wird unter Zuordnung zu der applizierten Umgebungstemperatur gespeichert. Dies erfolgt nach Herbeiführung eines stationären Zustands für den ermittelten Widerstandswert 22a.
Hieran anschließend verzweigt das Verfahren wieder zu dem Verfahrensschritt 19, und es wird eine andere Umgebungstemperatur vorgegeben. Auf diese Weise werden sukzessive mehrere Widerstandswerte 22a, 22b, 22c, ... für unterschiedliche Umgebungstemperaturen ermittelt. Aus den Widerstandswerten 22 kann dann die Ermittlung einer Abhängigkeit 23 erfolgen, die die Abhängigkeit des Widerstandswerts von der Umgebungstemperatur repräsentiert. Hierbei kann die Abhängigkeit 23 ein Kennfeld sein. Möglich ist auch, dass es sich bei der Abhängigkeit 23 um eine Ausgleichskurve durch die erfassten Widerstandswerte 22a, 22b, ... handelt.
In 6 ist beispielhaft eine derartige Abhängigkeit 23 dargestellt. Hier ist der ermittelte Widerstand 24 (in der Einheit [Ohm]) aufgetragen über der Umgebungstemperatur 25 (in der Einheit [°C]). Zu erkennen sind hier die ermittelten diskreten Widerstandswerte 22a, 22b, ... und eine hier durch eine Ausgleichskurve gebildete Abhängigkeit 23.
Ist das Kalibrierverfahren 18 abgeschlossen, kann ein Einsatz der Simulatorbaugruppe 26 in dem Mess- oder Versuchsbetrieb 27 erfolgen:
In dem Mess- oder Versuchsbetrieb 27 wird das thermische Menschmodell 1 den Umgebungsbedingungen der Mess- oder Versuchsumgebung ausgesetzt, bspw. mit unbekannter Umgebungstemperatur, der Beaufschlagung des thermischen Menschmodells 1 mit einer Strahlung mit unbekannter Strahlungsenergie und/oder der Beaufschlagung des thermischem Menschmodells 1 mit einer fluidischen Strömung mit unbekannter Strömungsrichtung und/oder Strömungsgeschwindigkeit.
In einem Verfahrensschritt 28 wird über die Elektronikbaugruppe 7 das thermische Menschmodell 1 mit einer elektrischen Leistung beaufschlagt, um (hier mit einem geschätzten Startwert) Heizwärme zu erzeugen.
In einem Verfahrensschritt 29 ermittelt die Elektronikbaugruppe 7 den Widerstand des elektrischen Widerstandselements 2.
Geht man davon aus, dass die Temperatur des Widerstands der Temperatur der Oberfläche oder Mantelfläche 16 des thermischen Menschmodells 1 entspricht, ist der Widerstand R eine Funktion der Oberflächentemperatur T_Oberfläche, so dass gilt: $R = f (T_{O b e r f l ä c h e}) .$
Die Oberflächentemperatur T_Oberfläche des thermischen Menschmodells 1 hängt von mehreren Größen ab. Zunächst ist die Oberflächentemperatur T_Oberfläche abhängig von der eingestellten Heizleistung P_Menschmodell, also der elektrischen Beaufschlagung des elektrischen Widerstandselements 2. Darüber hinaus hängt die Oberflächentemperatur T_Oberfläche ab von den Umgebungsbedingungen, in welchen sich das Menschmodell 1 in dem Mess- oder Versuchsbetrieb 27 befindet. Hierbei hängt die Oberflächentemperatur T_Oberfläche über eine funktionale Abhängigkeit f ab von der Temperatur der umgebenden Luft T_Umgebung, einem Wärmeeinfluss infolge einer Strahlung T_Strahlung und der Geschwindigkeit u, mit der die Oberfläche umströmt wird. Somit gilt $T_{O b e r f l ä c h e} = f (P_{T h e r m o m o d e l l}, T_{U m g e b u n g}, T_{S t r a h l u n g}, u) .$
Die vorgenannten Einflussgrößen haben einen Einfluss auf den thermischen Komfort eines Menschen, so dass bei derselben Oberflächentemperatur T_Oberfläche beispielsweise für unterschiedliche Strahlungen oder Strömungsgeschwindigkeiten sich ein unterschiedliches Wohlbefinden des Menschen einstellen kann. Um bei der Bewertung des thermischen Komforts nicht eine Vielzahl der vorgenannten Einflussgrößen spezifizieren zu müssen, wurde die Äquivalenttemperatur eingeführt. Diese „gefühlte Temperatur“, hinsichtlich welcher auch auf die Norm EN 14505 verwiesen wird, entspricht der Temperatur, bei der ein Mensch in einem Raum mit homogener Lufttemperatur, gleicher Wandtemperatur und keiner Luftströmung den gleichen Wärmeübergang mit der Umgebung hat wie in einer inhomogenen Umgebung. Somit ist die Äquivalenttemperatur T_Äquivalent eine Funktion der oben genannten Umgebungsbedingungen: $T_{Ä q u i v a l e n t} = f (T_{U m g e b u n g}, T_{S t r a h l u n g}, u) .$
Aus obigen Gleichungen ergibt sich, dass die Oberflächentemperatur eine Funktion f der Heizleistung und der Äquivalenttemperatur ist: $T_{O b e r f l ä c h e} = f (P_{T h e r m o m o d e l l}, T_{Ä q u i v a l e n t}),$
Aus Voruntersuchungen oder Normen wie DIN EN 13129:2016-12, vgl. auch die eingangs angeführten diesbezüglichen Gleichungen, kann die sensible Wärmeübertragung eines Menschen als Funktion der Umgebungstemperatur sowie die latente Wärmeübertragung eines Menschen als Funktion der Umgebungstemperatur ermittelt werden. Für das Menschmodell 1 wird hierbei vorzugsweise nur die sensible Wärmeabgabe des Menschen simuliert.
Ist somit in dem Verfahrensschritt 29 unter Verwendung der in dem Kalibrierverfahren 18 ermittelten Abhängigkeit 23 die Äquivalenttemperatur ermittelt worden, verzweigt das Verfahren zurück zu dem Verfahrensschritt 28. In dem Verfahrensschritt 28 wird dann die sensible Wärmeabgabe unter Verwendung der vorgegebenen Abhängigkeit für die zuvor ermittelte Äquivalenttemperatur als Heizleistung vorgegeben, so dass über die Elektronikbaugruppe 7 das Widerstandselement 2 zur Abgabe der sensiblen Wärme angesteuert wird und gilt: $P_{T h e r m o m o d e l l} = f (T_{Ä q u i v a l e n t}) .$
Diese Veränderung der von dem Widerstandselement 2 erzeugten Heizwärme hat wiederum einen Einfluss auf die Oberflächentemperatur T_Oberfläche des thermischen Menschmodells 1 und auch eine Veränderung des Widerstands des Widerstandselements 2 zur Folge. Iterativ wird dann aus dem sich ändernden Widerstand in dem Verfahrensschritt 29 unter Verwendung der Abhängigkeit 23 die Äquivalenttemperatur ermittelt und in dem Verfahrensschritt 28 die abgegebene Heizwärme angepasst.
In einem Verfahrensschritt 30 ist das Verfahren beendet.
Neben dem erläuterten Zusammenhang zwischen der sensiblen Wärmeabgabe und den Umgebungsbedingungen kann in dem erfindungsgemäßen Verfahren auch eine Berücksichtigung jeglicher anderer Abhängigkeiten und Zusammenhänge erfolgen. Um lediglich ein Beispiel zu nennen, kann eine Abhängigkeit von bestimmten Personengruppen wie Kindern, Männern oder Frauen, unterschiedlichen Aktivitätsgraden, unterschiedlichen Positionen der zu simulierenden Menschen u. ä. berücksichtigt werden.
Das Einsetzen der letzten Gleichung in die vorletzte Gleichung und Berücksichtigung der Modellierung der sensiblen Wärmeübertragung führt auf das Ergebnis, dass die Oberflächentemperatur T_Oberfläche nur eine Funktion der Äquivalenttemperatur ist: $T_{O b e r f l ä c h e} = f (T_{Ä q u i v a l e n t}) .$
Schließlich kann noch diese Gleichung in die Gleichung R = f(T_Oberfläche) eingesetzt werden, woraus folgt, dass für die oben genannten Voraussetzungen der elektrische Widerstand des Kabels einzig eine Funktion der Äquivalenttemperatur ist: $R = f (T_{Ä q u i v a l e n t}) .$
Hieraus folgt, dass bei Regelung des thermischen Menschmodells 1 entsprechend der erläuterten Zusammenhänge zwischen Äquivalenttemperatur und Heizleistung allein aus dem Widerstand des elektrischen Widerstandselements 2 die mittlere Äquivalenttemperatur des thermischen Menschmodells 1 bestimmt werden kann.
Die benötige Kalibrierung des thermischen Menschmodells 1 erfolgt in dem Kalibrierverfahren 18. In dem Kalibrierverfahren 18 wird vorzugsweise angenommen, dass die Äquivalenttemperatur gerade gleich der Umgebungstemperatur ist, da sowohl die Wandtemperatur als auch die Lufttemperatur gleich sind und die Luftströmung vernachlässigbar klein ist.
Vorzugsweise erfolgt die Einstellung und Regelung der Leistung P_Menschmodell, welche der sensiblen Wärmeabgabe entspricht, entsprechend der Normkurve gemäß DIN EN 13129:2016-12. Während des Kalibrierverfahrens 18 stellt sich nach hinreichend langer Wartezeit ein thermisches Gleichgewicht ein, womit Kalibrierdaten, hier die an dem Menschmodell 1 anliegende Spannung und die Stromstärke, für die applizierte Umgebungstemperatur aufgenommen werden können. Nach dem Ohmschen Gesetz wird aus der Stromstärke und der Spannung der Widerstand des Widerstandselements 2 berechnet. Hierbei ist der Widerstand der Leitung 6, 9 herauszurechnen. Während des Kalibrierverfahrens wird dieses Verfahren für mehrere unterschiedliche Umgebungstemperaturen wiederholt mit hinreichend langer Wartezeit zur Herbeiführung des thermischen Gleichgewichts.
7 zeigt in einem Mess- oder Versuchsbetrieb 27 eine von der Elektronikbaugruppe 7 geregelte oder ausgesteuerte Heizleistung P_Menschmodell 31 als Funktion der Zeit 32, während 8 die zugeordnete Äquivalenttemperatur 33 als Funktion der Zeit 32 zeigt.
Zu erkennen ist in 7 und 8, dass, ausgehend von einer großen Heizleistung zu einem Beginn des Mess- oder Versuchsbetriebs 27, um das Menschmodell 1 überhaupt in seine Arbeitstemperatur zu bringen, mittels der sukzessiven Durchführung der Verfahrensschritte 28, 29 unter Reduktion der Heizleistung die Äquivalenttemperatur erhöht wird, bis für unveränderte Umgebungstemperaturen ein (nahezu) stabiler Wert der Äquivalenttemperatur 33 erreicht wird.
Zu einem Zeitpunkt 34 wird das Menschmodell 1 mit einer (vergrößerten) Strömungsgeschwindigkeit beaufschlagt, was beispielsweise durch Einschalten eines auf das Menschmodell 1 gerichteten Ventilators erfolgen kann. Zu erkennen ist hier der Abfall der Äquivalenttemperatur und (infolge der Durchführung der Verfahrensschritte 28, 29) der zugeordnete Anstieg der Heizleistung 31, woraus ersichtlich ist, dass eine Simulation des menschlichen Metabolismus, hier die Reaktion auf ein „Auskühlen“ infolge eines Luftstroms, erfolgt.
Zu einem Zeitpunkt 35 wird der Ventilator wieder deaktiviert, was mit einem Anstieg der Äquivalenttemperatur 33 und einem Abfall der Heizleistung 31 einhergeht, bis wieder ein stationärer Zustand erreicht ist.
Zu einem Zeitpunkt 36 wird das Menschmodell 1 mit einem Bekleidungsstück ausgestattet, wobei dem Menschmodell 1 vorzugsweise eine Jacke „angezogen“ wird. Zu erkennen ist eine Erhöhung der Äquivalenttemperatur 33 bei paralleler Reduktion der Heizleistung 31.
Zu einem Zeitpunkt 37 wird das Bekleidungsstück wieder von dem Menschmodell 1 entfernt, was für das genannte Beispiel durch „Ausziehen“ der Jacke erfolgt. Parallel zu der Erhöhung der Heizleistung 31 ergibt sich in diesem Fall eine verringerte Äquivalenttemperatur 33.
Zu einem Zeitpunkt 38 wird in der Nähe des thermischen Menschmodells 1 ein Fenster geöffnet. Dies führt zu einem deutlichen Abfall der Äquivalenttemperatur 33, mit dem auch eine deutliche Erhöhung der Heizleistung 31 einhergeht.
Schließlich wird zu einem Zeitpunkt 39 das Fenster wieder geschlossen, womit sich bei Abfall der Heizleistung 31 eine erhöhte Äquivalenttemperatur 33 ergibt.
Möglich ist, dass das Menschmodell, vorzugsweise in dem Schaumstoffkern 12 eingeschlossen, Tragelemente angeordnet sind, welche auch über Gelenke miteinander verbunden sein können und die so miteinander verbunden und ausgestaltet sind, dass diese mit den ummantelnden Schaumstoffkernen 12 die Gliedmaßen eines Menschen nachbilden können.
Möglich ist, dass durch die Wahl der Dichte der Verlegung des Heizdrahts 3 abgebildet wird, wie in den unterschiedlichen Teilbereichen 10 des thermischen Menschmodells 1 und eines Menschen eine Wärmeabgabe erfolgt. So erfolgt beispielsweise eine größere Wärmeabgabe je Teilfläche im Bereich des Kopfes, womit im Bereich des Kopfes ein Heizdraht 3 mit größerer Dichte verlegt werden kann. Möglich ist auch, dass durch die Wahl der Dichte der Verlegung des Heizdrahts 3 unterschiedlichen Bekleidungsszenarien Rechnung getragen wird. Erfolgt beispielsweise im Bereich eines Bekleidungsstücks wie ein T-Shirt eine geringere Wärmeabgabe durch einen Menschen als im Bereich der freiliegenden Arme, kann dies für das Menschmodell 1 dadurch berücksichtigt werden, dass im Bereich des Arms der Heizdraht 3 mit einer größeren Dichte verlegt ist als in dem Bereich, in welchen das T-Shirt angeordnet ist.
Möglich ist aber auch, dass eine gleiche Dichte der Verlegung des Heizdrahts gewählt ist, aber eine elektrische Leistungsversorgung in den unterschiedlichen Teilbereichen 10a, 10b, ... derart erfolgt, dass der unterschiedlichen Wärmeabgabe in den einzelnen Teilbereichen 10a, 10b, ... Rechnung getragen werden kann. Ist für das genannte Beispiel ein Teilbereich 10a dem von dem T-Shirt abgedeckten Körperbereich zugeordnet und ein Teilbereich 10b einem freiliegenden am zugeordnet, erfolgt die Beaufschlagung des Heizdrahtes 3b in dem Teilbereich 10b mit einer höheren elektrischen Leistung als dies für den Heizdraht 3a in dem Teilbereich 10a der Fall ist.
In der Simulatorbaugruppe 26 kann dieselbe Leitung 6, 9 verwendet werden einerseits um die elektrische Beaufschlagung des elektrischen Widerstandselements 2 zu gewährleisten und andererseits um die Messsignale für die Ermittlung des Widerstands, hier den Strom und die Spannung, zu übertragen.
Möglich ist, dass das Menschmodell 1 eine Masse von weniger als 40 kg, weniger als 5 kg oder sogar weniger als 4 kg oder 3,5 kg aufweist, was auch für ein thermisches Menschmodell 1 für einen erwachsenen Menschen gelten kann.
Die erfindungsgemäße Simulatorbaugruppe 26 ermöglicht einerseits die Simulation des menschlichen Metabolismus durch Simulation der Abgabe der Heizwärme und andererseits die Ausgabe einer mittleren gefühlten Temperatur, insbesondere der Äquivalenttemperatur gemäß EN 14505, was beides infolge der elektrischen Beaufschlagung des elektrischen Widerstandselements 2 erfolgt.
In 7 und 8 ist zu erkennen, dass das Menschmodell 1 auf kältere Umgebungsbedingungen mit einer Erhöhung der sensiblen Wärmeabgabe reagiert. Hierbei erfolgt eine selbständige Anpassung der Wärmeabgabe an die Umgebungsbedingungen. Für vorhandene Menschmodelle 1, welche u. U. auch bereits über eine Flugzulassung verfügen, welche aber lediglich zur Abgabe von Wärme eingesetzt wurden, ohne dass an diesen eine Erfassung einer Umgebungstemperatur oder Äquivalenttemperatur erfolgen konnte und/oder eine automatische Anpassung der abgegebenen Heizwärme erfolgen konnte, kann ein Einsatz dieser Menschmodelle 1 im Rahmen der Erfindung erfolgen, indem diese in Verbindung mit der Elektronikbaugruppe 7 verwendet werden und an diesen ein Kalibrierverfahren 18 durchgeführt wird. Eine weitere Anpassung insbesondere der Hardware des thermischen Menschmodells 1 ist nicht erforderlich.
Bezugszeichenliste

1: thermisches Menschmodell
2: elektrisches Widerstandselement
3: elektrischer Heizdraht
4: Abstand
5: Interface, Schnittstelle
6: Leitung
7: Elektronikbaugruppe
8: Schnittstelle
9: Leitung
10: Teilbereich
11: Grundkörper
12: Schaumstoffkern
13: Wärmeleitschicht
14: Wärmeleitschicht
15: Lackierung
16: Mantelfläche
17: Verfahrensschritt
18: Kalibrierverfahren
19: Verfahrensschritt
20: Verfahrensschritt
21: Verfahrensschritt
22: Widerstandswert
23: Abhängigkeit
24: Widerstand
25: Umgebungstemperatur
26: Simulatorbaugruppe
27: Mess- oder Versuchsbetrieb
28: Verfahrensschritt
29: Verfahrensschritt
30: Verfahrensschritt
31: Heizleistung
32: Zeit
33: Äquivalenttemperatur
34: Zeitpunkt
35: Zeitpunkt
36: Zeitpunkt
37: Zeitpunkt
38: Zeitpunkt
39: Zeitpunkt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2287758 A1 [0012]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Norm DIN EN 13129:2016-12 [0022]
DIN EN 13129:2016-12 [0025, 0065, 0074]

Claims

Verfahren zum Betrieb eines ein elektrisches Widerstandselement (2) aufweisenden thermischen Menschmodells (1) mit folgenden Verfahrensschritten a) elektrische Beaufschlagung des elektrischen Widerstandselements (2) zur Erzeugung von Heizwärme, b) Erfassung des Widerstands des Widerstandselements (2) und c) Berücksichtigung des Widerstands des Widerstandselements (2) zur ca) Ermittlung einer Äquivalenttemperatur des thermischen Menschmodells (1) und/oder cb) zur Steuerung oder Regelung der elektrischen Beaufschlagung des elektrischen Widerstandselements (2) zur Erzeugung von Heizwärme, um die Wärmeabgabe eines Menschen zu simulieren.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kalibrierverfahren (18) durchgeführt wird, in dem a) das thermische Menschmodell (1) unterschiedlichen Umgebungsbedingungen ausgesetzt wird, und b) eine Abhängigkeit (23) des Widerstandes des elektrischen Widerstandselements (2) von den Umgebungsbedingungen oder der sich für die Umgebungsbedingungen ergebenden Äquivalenttemperatur ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Beaufschlagung des elektrischen Widerstandselements (2) zur Erzeugung der Heizwärme unter Berücksichtigung einer Abhängigkeit gesteuert oder geregelt wird, die die Wärmeabgabe eines Menschen in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur oder der ermittelten Äquivalenttemperatur beschreibt.
Verfahren nach Anspruch 3 in Rückbeziehung auf Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass während des Kalibrierverfahrens (18) die elektrische Beaufschlagung des elektrischen Widerstandselements (2) zur Erzeugung der Heizwärme in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur oder der ermittelten Äquivalenttemperatur gesteuert oder geregelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Widerstandselement (2) ein Heizdraht (3) ist, welcher sich entlang eines Grundkörpers (11) des thermischen Menschmodells (1) erstreckt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei elektrische Widerstandselemente (2a, 2b) vorhanden sind, a) die unabhängig voneinander elektrisch beaufschlagt werden zur Erzeugung von Heizwärme und/oder b) deren Widerstände unabhängig voneinander ermittelt werden und ba) zur Ermittlung von Äquivalenttemperaturen und/oder bb) zur Steuerung oder Regelung der elektrischen Beaufschlagung der elektrischen Widerstandselemente (2a, 2b) zur Erzeugung von Heizwärme, um die Wärmeabgabe eines Menschen in unterschiedlichen Teilbereichen (10a, 10b) zu simulieren, berücksichtigt werden.
Elektronikbaugruppe (7) für eine gesteuerte oder geregelte elektrische Leistungsversorgung eines ein elektrisches Widerstandselement (2) aufweisenden thermischen Menschmodells (1) mit einer elektronischen Steuereinrichtung, die Steuerlogik zur Durchführung eines Verfahrens gemäß den Ansprüchen 1 bis 6 aufweist.
Thermische Simulatorbaugruppe (26) mit a) einem ein elektrisches Widerstandselement (2) aufweisenden thermischen Menschmodell (1) und b) einer Elektronikbaugruppe (7) nach Anspruch 7, c) wobei das elektrische Widerstandselement (2) des thermischen Menschmodells (1) über die Elektronikbaugruppe (7) elektrisch beaufschlagt wird, um Heizwärme zu erzeugen, und die Elektronikbaugruppe (7) den Widerstand des Widerstandselements (2) erfasst und den erfassten Widerstand des Widerstandselements (2) ca) zur Ermittlung einer Äquivalenttemperatur und/oder cb) zur Steuerung oder Regelung der elektrischen Beaufschlagung des elektrischen Widerstandselements (2) zur Erzeugung von Heizwärme, um die Wärmeabgabe eines Menschen zu simulieren, berücksichtigt.