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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Wärmekomfort-Sensorvorrichtung
von der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Art, welche insbesondere
zum Bewerten der von einem Insassen im Fahrgastraum eines Kraftfahrzeugs
wahrgenommenen Wärmeempfindung
verwendbar ist.
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Die
Wahrnehmung von Körperwärme hängt vom
Wärmeaustausch
zwischen dem menschlichen Körper
und der umgebenden Umwelt ab. Der menschliche Körper neigt dazu, die von seinem
Stoffwechsel erzeugte Wärme
abzuleiten. Die physiologischen Reaktionen (Gefäßerweiterung, Gefäßverengung,
Schwitzen etc.), die stattfinden, um den Fluss der zwischen dem
Körper
und der Umgebung ausgetauschten Wärme zu regulieren, können thermisches Unbehagen
hervorrufen.
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Die
US-A-5 560 711 offenbart eine Sensorvorrichtung der oben aufgezeigten
Art, umfassend zwei Diaphragmen, die jeweils zentrale Membranen mit
einer Dicke von 2 bis 3 μm
bilden, welche durch einen Kebstoff miteinander verbunden sind,
um dazwischen einen Lufthohlraum zu bilden. Die Membran des unteren
Diaphragma umfasst einen Dünnschichtwärmer und
einen Dünnschichttemperatursensor.
Die Membran des oberen Diaphragma umfasst zwei in Serie geschaltete
Thermoelemente, deren Funktion darin besteht, einen Temperaturzustand der
Haut wahrzunehmen, einen Raumtemperatursensor und eine auf letzterem
gebildete Schwarzkörperschicht.
Bei Verwendung liefert die Sensorvorrichtung eine Ausgangsspannung,
die vom Luftdurchsatz abhängt.
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Die
DE-39 22 854-A1 offenbart eine Anordnung zum Bereitstellen einer
Maßeinheit
für den
Wärmekomfort
in einer Umgebung, die ein wohltemperiertes Klima aufweist. Die
Anordnung umfasst einzelne Sensoren, die an spezifischen Stellen
an einer anthropomorphen Testpuppe angebracht sind. Diese Sensoren
umfassen Luftströmungsgeschwindigkeitssensoren.
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Zur
Bewertung der Wärmeempfindung
in einer bestimmten Umgebung, wie z.B. im Fahrgastraum eines Kraftfahrzeugs,
wurden anthropomorphe Testpuppen mit Sensoren vorgeschlagen und
hergestellt, welche in der Lage sind, jene Werte zu messen, die
von bestimmten, vorher festgelegten physikalischen Größen, die
zur wahrgenommenen Wärmeempfindung
beitragen, angenommen werden. Solche Testpuppen sind üblicherweise
mit Gelenken versehen, so dass sie in typischen Körperhaltungen
des Fahrers oder der Fahrgäste
eines Kraftfahrzeugs angeordnet werden können.
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Im
Fahrgastraum eines Kraftfahrzeugs oder in jeder sitzenden Haltung
tauscht der menschliche Körper
durch Kontakt mit dem Sitz und mit der Umgebungsluft Wärme aus.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
eines Wärmekomfortsensors,
der zur Bewertung der Wärmeempfindung
in einer bestimmten Umgebung verwendet werden kann und der insbesondere
bei einer anthropomorphen Simulationstestpuppe verwendet werden
kann.
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Durch
Verwendung solcher Sensoren ist es möglich, eine Testpuppe herzustellen,
die mit Sensoren zur Messung von Wärmeempfindungen ausgestattet
ist, welche nur durch die Luft in der umgebenden Umwelt hervorgerufen
werden. In Anbetracht dieses Ziels ist die Testpuppe leicht und
daher einfach in der Handhabung, da sie nicht das physikalische
Gewicht einer echten Person haben muss.
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Diese
und andere Aufgaben werden erfindungsgemäß durch das Bereitstellen einer
Sensorvorrichtung erfüllt,
deren Hauptcharakteristika im angeschlossenen Anspruch 1 definiert
sind.
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Der
Simulator umfasst auch eine anthropomorphe Simulator-Testpuppe,
welche eine Mehrzahl solcher Wärmekomfortsensoren
enthält.
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Weitere
charakteristische Eigenschaften und Vorteile der Erfindung gehen
aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung hervor, welche
rein anhand eines nicht einschränkend
gedachten Beispiels dargelegt ist, und zwar unter Bezugnahme auf
die angeschlossenen Zeichnungen, wobei:
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1 eine
perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Wärmekomfort-Sensorvorrichtung ist;
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2 eine
Seitenansicht des Sensors ist, und zwar betrachtet in Richtung des
Pfeils II der 1;
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3 ein
Blockdiagramm ist, welches den Aufbau eines erfindungsgemäßen Wärmekomfortsensors
darstellt;
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4 eine
schematische perspektivische Ansicht einer anthropomorphen Simulationstestpuppe
ist, welche mit einer Mehrzahl von erfindungsgemäßen Wärmekomfortsensoren ausgestattet
ist; und
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5 ein
Blockdiagramm ist, welches die Vorrichtungen zeigt, die zu einer
mit Sensoren bestückten
erfindungsgemäßen Testpuppe
gehören.
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Unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen ist ein erfindungsgemäßer Wärmekomfortsensor
in den 1 und 2 im Allgemeinen mit S bezeichnet.
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Wie
untenstehend klarer hervorgeht, ist der Sensor S solcherart gefertigt,
um bei einer Testpuppe zum Simulieren eines Wärmeaustauschs als Oberflächen- oder „Haut"-Sensor zu fungieren.
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Die
Haut ist jenes Organ, durch das der menschliche Körper mit
der umgebenden Umwelt den Großteil
der vom Stoffwechsel produzierten Wärme oder thermischen Energie
austauscht, und zwar in einer Art und Weise, die von den charakteristischen
Eigenschaften jedes einzelnen Menschen sowie von der Art und Intensität der unternommenen Aktivität abhängt. Der
Austausch von Wärmeenergie zwischen
einem menschlichen Körper
und der Luft in der umgebenden Umwelt erfolgt im Wesentlichen durch
Konvektion und Abstrahlung. Wie zuvor angemerkt, besitzt der menschliche
Körper
einen Wärmeregulations-„Mechanismus", wodurch die Hauttemperatur über den
Blutkreislauf (Gefäßerweiterung, Gefäßverengung)
und durch Schwitzen reguliert wird.
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Der
erfindungsgemäße Wärmekomfortsensor
S simuliert das thermische Verhalten eines Teils der Haut eines
menschlichen Körpers,
außer
hinsichtlich des Phänomens
des Transpirierens oder Schwitzens. Auf jeden Fall kann die Auswirkung
des Schwitzens auf die Hauttemperatur durch Anwendung mathematischer
Modelle und Daten bezüglich der
relativen Feuchtigkeit und der lokalen Luftgeschwindigkeit abgeschätzt werden.
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Der
Wärmekomfortsensor
S umfasst eine Stützkonstruktion 1 aus
einem wärmedämmenden Material
wie zum Beispiel Polipan.
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Bei
der anhand eines Beispiels dargestellten Ausführungsform umfasst die Stützkonstruktion 1 einen
Zwischenteil 1a in Form einer dünnen Platte, die sich zwischen
zwei Endteilen 1b und 1c, die dicker sind, erstreckt,
um an derselben Seite der Konstruktion 1 zwei erhöhte Messflächen 1d und 1e zu
bilden.
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Jede
Messfläche 1d und 1e besitzt
eine jeweilige Messvorrichtung DA, DB, die an ihr angebracht ist.
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Wie
am besten in 2 ersichtlich, umfasst jede
Messvorrichtung DA, DB ein
elektrisches Heizelement 2, das direkt von der Stützkonstruktion 1 getragen
wird.
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Diese
Heizvorrichtungen 2 gehören
einem an sich bekannten Typ an, beispielsweise einem Typ, der ein
Disksubstrat aus einem elektrisch isolierenden und wärmedämmenden
Material umfasst, an dem ein Heizwiderstand angebracht ist.
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Die
Messvorrichtungen DA und DB umfassen jeweils
auch einen Wärmeflusssensor 3 und
einen dazugehörigen
Temperatursensor 4, die über ihrem jeweiligen Heizelement 2 an
jener Seite positioniert sind, die der Stützkonstruktion 1 gegenüberliegt.
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Bei
der in den 1 und 2 anhand
eines Beispiels dargestellten Ausführungsform ist der Wärmeflusssensor
in jeder Messvorrichtung DA oder DB am jeweiligen Heizelement 2 befestigt,
während
der dazugehörige
Temperatursensor 4 selbst über dem Wärmeflusssensor 3 befestigt
ist. In einer solchen Anordnung können die Wärmeflusssensoren 3 vom Typ
einer Thermosäule
sein, wodurch sie in der Lage sind, abhängig vom durch sie hindurchfließenden W/m2 eine Spannung zu erzeugen.
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Die
Temperatursensoren 4 können
entweder vom Typ eines Widerstandssensors oder eines Thermoelements
sein.
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Bei
einer nicht dargestellten Variante der Erfindung ist jede Wärmeflusssensorvorrichtung 3 in
einem dazugehörigen
Temperatursensor 4 auf einem einzigen Substrat integriert.
In diesem Fall misst der Temperatursensor 4 jedoch nach
wie vor die Temperatur der Oberfläche, die der zu untersuchenden
Umgebung zugewandt ist.
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Beim
Wärmekomfortsensor
S erzeugt das Heizelement 2 in jeder Messvorrichtung DA oder DB Wärme mit
einer Dichte von thermischer Energie pro Flächeneinheit W/m2,
die einem festgelegten Stoffwechselwert entspricht. Der dazugehörige Wärmeflusssensor
erzeugt ein elektrisches Spannungssignal, das die Menge der vom
dazugehörigen
Heizelement 2 entwickelten Wärme anzeigt. Die Oberfläche des
Wärmeflusssensors 3 erreicht
eine Temperatur („Haut"-Temperatur), die
von Umgebungsbedingungen abhängt
und vom dazugehörigen
Temperatursensor 4 gemessen wird.
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Es
ist zweckmäßig, wenn
der Sensor S zwei Messvorrichtungen DA und
DB umfasst, so dass diese verschiedene Stoffwechselwerte
(hoch und niedrig) simulieren können,
wobei zwischen diesen ein Bereich festgelegt ist, in welchen der
Stoffwechsel eines vorbestimmten Mehrheitsanteils der Bevölkerung fällt.
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In
den 1 und 2 wird ein mit AS bezeichneter
Luftgeschwindigkeitssensor an derselben Seite wie die Messvorrichtungen
DA und DB von der Stützkonstruktion 1 getragen,
und zwar in einem zwischen diesen Vorrichtungen gelegenen Bereich. Während des
Betriebs sendet der Sensor AS elektrische Signale aus, welche die
Geschwindigkeit von in seiner Nähe
strömender
Luft anzeigen. Dieses Signal ist ein Parameter, der zur Abschätzung der
Wasserdampfmenge, die von einem schwitzenden menschlichen Körper abdunsten
würde,
herangezogen wird.
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Unter
Bezugnahme auf die 1 bis 3 ist eine
mit ACE bezeichnete elektronische Erfassungs- und Steuereinheit
physisch mit dem Wärmekomfortsensor
S verbunden, welcher beispielsweise an der Stützkonstruktion 1 befestigt
ist, und zwar an ihrer Seite, die jener gegenüberliegt, welche die Messvorrichtungen
DA und DB und den
Sensor AS trägt.
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Die
elektronische Erfassungs- und Steuereinheit ACE umfasst beispielsweise
eine elektronische Steuereinheit ECU (3), die
an den Heizelementen 2 und an den Sensoren 3, 4 und
AS angeschlossen ist. Die Steuereinheit ECU umfasst Verstärkungsvorrichtungen
zum Verstärken
der von den Sensoren ausgesendeten Signale, einen Mikroprozessor μP und dazugehörige Speichervorrichtungen M.
Die ECU-Einheit ist ebenfalls an einem seriellen Kommunikationsport
SCP angeschlossen, welcher zur elektronischen Erfassungs- und Steuereinheit ACE
gehört
(3) und dazu vorgesehen ist, zu ermöglichen,
dass der Sensor S mit einer Haupteinheit in Verbindung steht, welche
in einer Testpuppe eingebaut ist und mit den verschiedenen, in der
Testpuppe angeordneten Wärmekomfortsensoren
kommuniziert.
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Der
obenstehend beschriebene Sensor funktioniert im Wesentlichen wie
folgt.
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Die
Hauptverwendung des Wärmekomfortsensors
besteht in der Simulierung der Erzeugung von Stoffwechselwärme durch
einen Teil der Oberfläche
eines menschlichen Körpers.
Diese Simulierung der Erzeugung von Stoffwechselwärme wird
erzielt, indem den Heizelementen 2 elektrische Energie
zugeführt
wird und die dazugehörigen
Wärmeflusssensoren 3 zur
Steuerung des erzeugten Wärmeflusses und
dadurch zur Sicherstellung, dass dieser im Wesentlichen konstant
bleibt, verwendet werden.
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Die
Einheit ECU steuert die Heizelemente 2, wobei sie die ihnen
zugeführte
Energie abhängig vom
Wärmefluss
reguliert, der von den dazugehörigen
Durchflusssensoren 3 gemessen wird. Die Einheit ECU erfasst
auch die von den Sensoren 4 signalisierten Temperaturwerte.
Basierend auf den von den Sensoren 3 gemeldeten Temperaturwerten
und Wärmeflusswerten
ist die Steuereinheit ECU in der Lage, den Wert eines „künstlichen" Parameters zu berechnen,
der einen künstlichen
Hinweis auf den Wärmekomfort
gibt, wie z.B. die sogenannte „Betriebstemperatur" und den Wärmeaustauschkoeffizienten,
welcher für
die Umgebung charakteristisch ist, in der die Simulation durchgeführt wird.
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Mittels
einer geeigneten Kalibrierung ist es auch möglich, gemäß dem in der früheren italienischen
Patentanmeldung 6799-A/85 beschriebenen Verfahren die „äquivalente" Temperatur zu berechnen.
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Es
ist zweckmäßig, wenn
Kalibrierdaten und Daten über
das charakteristische Muster der Detektorvorrichtungen DA und DB des Sensors
in der Speichervorrichtung M der Steuereinheit ECU gespeichert werden.
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Die
elektronische Steuereinheit ECU steht durch den Kommunikationsport
SCP, der beispielsweise einem seriellen Typ angehört, mit
einer zentralen Steuereinheit in Verbindung, welche alle Wärmekomfortsensoren
und die Lufttemperatur- und Luftfeuchtigkeitssensoren koordiniert.
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Jeder
Komfortsensor liefert die Daten, die er gemessen hat, und kann auch
dahingehend gesteuert werden, verschiedene Stoffwechselzustände (unter
normalen Fahrbedingungen, Fahren unter Stress und dergleichen) zu
simulieren, welche verschiedenen Werten einer thermischen Energiedichte
entsprechen, die von den Heizelementen 2 erzeugt werden.
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Die
zum Sensor S gehörige
elektronische Erfassungs- und Steuereinheit ACE ist auch zur Anpassung
der von den Heizelementen 2 verbrauchten Energie betriebsfähig, um
die Oberflächentemperatur (das
heißt,
die Temperatur an der Seite der Sensoren 4) bei einem im
Wesentlichen konstanten Wert zu halten. Diese Möglichkeit ist besonders nützlich beim Durchführen von
Messungen im Bereich eines Komfortzustands, wobei es von Nutzen
ist, die Auswirkung rascher Veränderungen
in der Umgebung auf die Wärmeempfindung
verstehen zu können.
Diese Konstanttemperaturregelung ist an sich schneller, da sie weniger
von der Wärmeträgheit und
vom Sensor abhängt.
Die den Heizelementen 2 zugeführte elektrische Energie kann
daher leicht mittels einer Closed-Loop-Steuerung angepasst werden,
die auf zwei verschiedenen Temperaturschwellen für die beiden Messvorrichtungen
DA und DB basiert.
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In 4 ist
eine mit einer Mehrzahl von erfindungsgemäßen Wärmekomfortsensoren ausgestattete,
anthropomorphe gelenkige Simulator-Testpuppe im Allgemeinen mit
M bezeichnet. Beim in 4 dargestellten Beispiel weist
die Testpuppe M 18 Wärmekomfortsensoren
auf, die mit S1 bis S18 bezeichnet sind.
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Die
dargestellte Testpuppe M besitzt auch eine Mehrzahl (insbesondere
acht) von Temperatur- und Umgebungsfeuchtigkeitssensoren eines an
sich bekannten Typs, die mit T1 bis T8 bezeichnet sind.
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Eine
(in 5 mit MECU bezeichnete) zentrale Steuereinheit,
zu der alle Wärmekomfortsensoren
(S1 ÷ Sn)
und die Umgebungstemperatursensoren (T1 ÷ Tm) führen, ist in der Testpuppe
M eingebaut und kann mittels einer Funkverkehrvorrichtung TX mit
einer externen Verarbeitungs- und Steuereinheit, die beispielsweise
einen Personal Computer PC umfasst, kommunizieren.
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Der
externe Computer PC enthält
eine Datenverarbeitungssoftware basierend auf einem Modell der menschlichen
Physiologie, welche zur Bereitstellung von Wärmekomfort-Kennzahlen betriebsfähig ist.
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Natürlich können sich
die Ausführungsformen
und Herstellungsdetails weitgehend von jenen unterscheiden, die
hier rein anhand eines nicht einschränkend gedachten Beispiels beschrieben
und veranschaulicht wurden, ohne dadurch vom in den angeschlossenen
Ansprüchen
beanspruchten Umfang der Erfindung abzuweichen, wobei das Prinzip der
Erfindung unverändert
bleibt.
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Die
Testpuppe könnte
zum Beispiel nur die Komfortsensoren enthalten, wobei die Werte
der Umgebungstemperatur und der Feuchtigkeit vom Benutzer abgeschätzt werden.