ES2249628T3 - Dispositivo de sensor de comodidad termica y maniqui antropomorfico para simular intercambio de calor que incluye una pluralidad de dichos dispositivos. - Google Patents

Abstract

Un dispositivo (S) de sensor que incluye una estructura (1) de soporte de un material de aislamiento de calor, estando formada un área (1d; 1e) de medición en un lado de la misma y teniendo un dispositivo (DA, DB) de medición dispuesto en ella, incluyendo dicho dispositivo de medición un calentador eléctrico (2) conectado a dicha estructura (1) junto con un sensor electrónico (3) de flujo térmico y un sensor asociado eléctrico (4) de temperatura, estando dispuestos éstos por encima del calentador (2) en el lado opuesto a la estructura (1); incluyendo también el dispositivo (S) de sensor medios electrónicos (ACE) de control y adquisición accionables para controlar el funcionamiento del calentador (2) de acuerdo con instrucciones predeterminadas y/o para recibir las señales emitidas por los sensores (3, 4) anteriormente mencionados; estando caracterizado el dispositivo (S) de sensor porque comprende: - un segundo área (1e; 1d) de medición formada en el mismo lado de la estructura (1) de soporte que la primera (1d; 1e) y espaciada del primer área (1d; 1e) de medición, teniendo también el segundo área (1e; 1d) de medición un respectivo dispositivo (DB; DA) de medición dispuesto en ella; y - un sensor (AS) de velocidad de flujo, asociado con dicha estructura (1) de soporte y dispuesto en dicho lado de la estructura (1) de soporte, para suministrar durante el funcionamiento señales eléctricas que indican la velocidad del aire que fluye en las proximidades; estando conectado dicho sensor (AS) de velocidad de flujo a dichos medios electrónicos (ACE) de control y adquisición, que están asegurados a dicha estructura (1) de soporte.

Description

Dispositivo de sensor de comodidad térmica y maniquí antropomórfico para simular intercambio de calor que incluye una pluralidad de dichos dispositivos.

La presente invención se refiere a un dispositivo de sensor de comodidad térmica de la clase definida en el preámbulo de la reivindicación 1, usable en particular para evaluar la sensación de calidez percibida por un ocupante del compartimento de pasajeros de un vehículo automóvil.

La percepción de la calidez corporal depende del intercambio de calor entre el cuerpo humano y el entorno circundante. El cuerpo humano tiende a disipar el calor generado por su metabolismo. Las reacciones fisiológicas (vasodilatación, vasoconstricción, sudoración, etc.), que tienen lugar con el fin de regular el flujo de calor intercambiado entre el cuerpo y el entorno, pueden causar incomodidad.

El documento US-A-5560711 divulga un dispositivo de sensor de la clase identificada anteriormente que comprende dos diafragmas, que forman cada uno una membrana central con un grosor de 2 a 3 \mum, pegadas entre sí a través de un adhesivo para formar una cavidad de aire entre ellas. La membrana del diafragma inferior incluye un calentador de película delgada y un sensor de temperatura de película delgada. La membrana del diafragma superior incluye dos termopares conectados en serie que funcionan para detectar una condición de temperatura de piel, un sensor de temperatura ambiente y una capa de cuerpo negro formada en este último. El dispositivo de sensor proporciona en uso un voltaje de salida que depende del caudal de aire.

El documento DE-3922854-A1 divulga una disposición para proporcionar una medida de la comodidad térmica en un entorno que tiene un clima acondicionado. La disposición incluye sensores separados aplicados en lugares específicos sobre un maniquí antropomórfico. Dichos sensores incluyen sensores de velocidad de flujo de aire.

Con el fin de evaluar la sensación de calor en un entorno particular, tal como el compartimento de pasajeros de un vehículo automóvil, se han propuesto y fabricado maniquíes antropomórficos que son capaces de medir los valores asumidos por ciertas cantidades físicas predeterminadas que contribuyen a la sensación percibida de calor. Tales maniquíes están habitualmente articulados de manera que se pueden disponer en posturas típicas del conductor o los pasajeros de un vehículo automóvil.

En el compartimento de pasajeros de un vehículo automóvil, o en cualquier posición sentada, el cuerpo humano intercambia calor a través del contacto con el asiento y con el aire circundante.

El objeto de la presente invención es proporcionar un sensor de comodidad térmica que se puede usar con el fin de evaluar la sensación de calor en un entorno particular, y que se puede usar en particular en un maniquí antropomórfico de simulación.

Usando tales sensores, es posible fabricar un maniquí equipado con sensores para medir sensaciones de calor causadas sólo por el aire en el entorno circundante. Con este objetivo en mente, el maniquí será ligero y por lo tanto fácil de manejar, ya que no necesita tener el peso físico de una persona real.

Este y otros objetos se consiguen de acuerdo con la invención proporcionando un dispositivo de sensor cuyas principales características se definen en la reivindicación 1 adjunta.

El simulador también comprende un maniquí antropomórfico de simulador que incluye una pluralidad de tales sensores de comodidad térmica.

Ventajas y características adicionales de la invención se pondrán de manifiesto a partir de la descripción detallada que sigue, proporcionada puramente a modo de ejemplo no limitativo, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

la figura 1 es una vista en perspectiva de un dispositivo de sensor de comodidad térmica de acuerdo con la invención;

la figura 2 es una vista lateral de dicho sensor, visto en la dirección de la flecha II de la figura 1;

la figura 3 es un diagrama de bloques que ilustra la construcción de un sensor de comodidad térmica de la invención;

la figura 4 es una vista esquemática en perspectiva de un maniquí antropomórfico de simulación dotado de una pluralidad de sensores de comodidad térmica de acuerdo con la invención; y

la figura 5 es un diagrama de bloques que muestra los dispositivos asociados con un maniquí dotado de sensores de acuerdo con la invención.

Con referencia a los dibujos, un sensor de comodidad térmica de acuerdo con la invención está generalmente indicado como S en las figuras 1 y 2.

Como se pondrá de manifiesto en mayor medida posteriormente, el sensor S está hecho de tal manera que funciona como un sensor de superficie o "de piel" en un maniquí para simular el intercambio de calor.

La piel es el órgano a través del cual el cuerpo humano intercambia con el entorno circundante la mayor parte de calor o energía térmica producida por el metabolismo, de una manera que depende de las características de cada ser humano individual, así como del tipo y la intensidad de la actividad que se está acometiendo. El intercambio de energía térmica entre un cuerpo humano y el aire del entorno circundante se produce esencialmente mediante convección y radiación. Como se hizo observar anteriormente, el cuerpo humano tiene un "mecanismo" de regulación de calor mediante el cual se regula la temperatura de la piel por medio de la circulación de sangre (vasodilatación, vasoconstricción) y de la sudoración.

El sensor S de comodidad térmica de la invención simula el comportamiento térmico de una porción de la piel de un cuerpo humano, excepto con relación al fenómeno de la transpiración o sudoración. En cualquier caso, el efecto de la sudoración sobre la temperatura de la piel se puede estimar usando modelos matemáticos y datos sobre la humedad relativa y sobre la velocidad local del aire.

El sensor S de comodidad térmica incluye una estructura 1 de soporte de un material de aislamiento de calor tal como Polipan, por ejemplo.

En la realización ilustrada a modo de ejemplo, la estructura 1 de soporte incluye una porción intermedia 1a, en forma de placa delgada, que se extiende entre dos porciones 1b y 1c de extremo que son más gruesas, de manera que forman dos superficies elevadas 1d y 1e de medición en el mismo lado de la estructura 1.

Cada superficie 1d y 1e de medición tiene un respectivo dispositivo D_{A}, D_{B} de medición aplicado a ella.

Como se puede ver mejor en la figura 2, cada dispositivo D_{A}, D_{B} de medición incluye un calentador eléctrico 2 que es transportado directamente por la estructura 1 de soporte.

Dichos dispositivos 2 de calentador son de un tipo conocido de por sí, por ejemplo de un tipo que incluye un sustrato de disco de un material de aislamiento térmico y eléctricamente aislante con una resistencia de calentamiento aplicada al mismo.

Los dispositivos D_{A} y D_{B} de medición también incluyen cada uno un respectivo sensor térmico 3 de flujo y un sensor asociado 4 de temperatura, posicionado sobre su respectivo calentador 2, en el lado opuesto a la estructura 1 de soporte.

En la realización ilustrada a modo de ejemplo en las figuras 1 y 2, el sensor térmico de flujo en cada dispositivo D_{A} o D_{B} de medición está fijado al respectivo calentador 2 mientras que el sensor asociado 4 de temperatura está él mismo fijado sobre el sensor térmico 3 de flujo. En tal disposición, los sensores térmicos 3 de flujo pueden ser de tipo termopila, siendo capaces de este modo de producir voltaje dependiendo de los W/m^{2} que fluyen a través de ellos.

Los sensores 4 de temperatura pueden ser bien de tipo de termopar o resistivo.

En una variante de la invención que no está ilustrada, cada dispositivo 3 de sensor de flujo térmico está formado integralmente con un sensor asociado 4 de temperatura en un solo sustrato. En este caso, sin embargo, el sensor 4 de temperatura todavía mide la temperatura de la superficie orientada hacia el entorno a investigar.

En el sensor S de comodidad térmica, el calentador 2 en cada dispositivo D_{A} o D_{B} de medición genera calor con una densidad de energía térmica por unidad de área W/m^{2} que corresponde a un valor metabólico dado. El sensor asociado de flujo de calor genera una señal eléctrica de voltaje que indica la cantidad de calor desarrollada por el calentador asociado 2. La superficie del sensor 3 de flujo de calor alcanza una temperatura (temperatura "de piel") que depende de las condiciones ambientales y que se mide mediante el sensor asociado 4 de temperatura.

Es conveniente que el sensor S incluya dos dispositivos D_{A} y D_{B} de medición de modo que puedan simular diferentes valores metabólicos (altos y bajos), estando determinado el intervalo entre ellos dentro del cual caería el metabolismo de una predeterminada proporción mayoritaria de la población.

En las figuras 1 y 2, un sensor de velocidad de aire, indicado como AS, es transportado por la estructura 1 de soporte en el mismo lado que los dispositivos D_{A} y D_{B} de medición, en un área intermedia entre estos dispositivos. En funcionamiento, el sensor AS emite señales eléctricas que indican la velocidad de aire que fluye en sus proximidades. Esta señal es un parámetro usado para estimar la cantidad de vapor de agua que se evaporaría de un cuerpo humano sudando.

Con referencia a las figuras 1 a 3, una unidad electrónica de control y adquisición, indicada como ACE, está asociada físicamente con el sensor S de comodidad térmica, asegurada por ejemplo a la estructura 1 de soporte, en el lado de la misma opuesto al que transporta los dispositivos D_{A} y D_{B} de medición y el sensor AS.

La unidad electrónica ACE de control y adquisición incluye, por ejemplo, una unidad electrónica ECU de control (figura 3) conectada a los calentadores 2 y a los sensores 3, 4 y AS. La unidad ECU de control incluye dispositivos de amplificación para amplificar señales emitidas por los sensores, un microprocesador \muP y dispositivos asociados M de memoria. La unidad ECU está conectada también a un puerto SCP en serie de comunicaciones que forma parte de la unidad electrónica ACE de control y adquisición (figura 3) y se proporciona para posibilitar que el sensor S esté en comunicación con una unidad principal incorporada en un maniquí y que se comunica con los diversos sensores de comodidad térmica dispuestos en el maniquí.

El sensor descrito anteriormente funciona sustancialmente como sigue.

El uso principal del sensor de comodidad térmica está en simular la generación de calor metabólico por una porción de la superficie de un cuerpo humano. Esta simulación de generación de calor metabólico se consigue suministrando potencia eléctrica a los calentadores 2 y usando los sensores asociados 3 de flujo de calor para controlar el flujo de calor generado y por ello asegurar que permanece sustancialmente constante.

La unidad ECU controla los calentadores 2, regulando la potencia que se les suministra dependiendo del flujo de calor medido por los sensores asociados 3 de flujo. La unidad ECU también adquiere los valores de temperatura señalizados por los sensores 4. En base a los valores de temperatura y los valores de flujo de calor comunicados por los sensores 3, la unidad de control ECU es capaz de calcular el valor de un parámetro "artificial" que da una indicación sintética de comodidad térmica, tal como la así denominada "temperatura de funcionamiento" y el coeficiente de intercambio de calor, característico del entorno en el que se está ejecutando la simulación.

Por medio de una calibración apropiada, también es posible calcular la "temperatura equivalente", de acuerdo con el método descrito en una anterior solicitud de patente italiana 6799-A/85.

Es conveniente que los datos de calibración y los datos en el patrón característico de los dispositivos D_{A} y D_{B} de detector del sensor estén almacenados en el dispositivo M de memoria de la unidad ECU de control.

La unidad electrónica ECU de control está en comunicación, a través del puerto SCP de comunicaciones, de tipo en serie por ejemplo, con una unidad central de control que coordina todos los sensores de comodidad térmica y los sensores de humedad de aire y de temperaturas de aire.

Cada sensor de comodidad suministra los datos que ha medido y también se puede controlar para simular diferentes condiciones metabólicas (bajo condiciones normales de conducción, conducción bajo presión y similares), que corresponden a diferentes valores de la densidad de energía térmica generada por los calentadores 2.

La unidad electrónica ACE de control y adquisición asociada con el sensor S es también accionable para ajustar la potencia consumida por los calentadores 2 con el fin de mantener la temperatura de superficie (esto es, la temperatura en el sitio de los sensores 4) en un valor sustancialmente constante. Esta posibilidad es especialmente útil para llevar a cabo medidas en la región de una condición de comodidad, donde es útil ser capaz de entender el efecto de cambios rápidos en el entorno en sensación de calor. Este control de temperatura constante es intrínsicamente más rápido ya que es menos dependiente de la inercia térmica y del sensor. La potencia eléctrica suministrada a los calentadores 2 se puede por lo tanto ajustar fácilmente por medio de un control de bucle cerrado basado en dos umbrales diferentes de temperatura para los dos dispositivos D_{A} y D_{B} de medición.

En la figura 4, un maniquí articulado antropomórfico de simulador dotado de una pluralidad de sensores de comodidad térmica de acuerdo con la invención está generalmente indicado como M. En el ejemplo mostrado en la figura 4, el maniquí M tiene dieciocho sensores de comodidad térmica, indicados de S1 a S18.

El maniquí M ilustrado también tiene una pluralidad (en particular ocho) de sensores de humedad ambiente y temperatura, de un tipo que es conocido de por sí, indicados de T1 a T8.

Una unidad de control central (indicada como MECU en la figura 5), con todos los sensores de comodidad térmica (S1 \div Sn) y los sensores de temperatura ambiente (T1 \div Tm) que conducen hacia la misma, está incorporada en el maniquí M y es capaz de comunicar con una unidad externa de control y procesamiento, que comprende por ejemplo, un ordenador personal PC, por medio de un dispositivo TX de comunicación de radio.

El ordenador externo PC contiene equipo lógico de procesamiento de datos basado en un modelo de psicología humana accionable para suministrar índices de comodidad térmica.

Naturalmente, permaneciendo inalterado el principio de la invención, las realizaciones y los detalles de fabricación pueden variar ampliamente desde los descritos e ilustrados aquí puramente a modo de ejemplo no limitativo, sin salirse por ello del alcance de la invención según cualquiera de las reivindicaciones adjuntas.

El maniquí podría contener sólo los sensores de comodidad, por ejemplo con valores de temperatura ambiente y humedad que son estimados por el usuario.

Claims (10)

1. Un dispositivo (S) de sensor que incluye una estructura (1) de soporte de un material de aislamiento de calor, estando formada un área (1d; 1e) de medición en un lado de la misma y teniendo un dispositivo (D_{A}, D_{B}) de medición dispuesto en ella, incluyendo dicho dispositivo de medición un calentador eléctrico (2) conectado a dicha estructura (1) junto con un sensor electrónico (3) de flujo térmico y un sensor asociado eléctrico (4) de temperatura, estando dispuestos éstos por encima del calentador (2) en el lado opuesto a la estructura (1); incluyendo también el dispositivo (S) de sensor medios electrónicos (ACE) de control y adquisición accionables para controlar el funcionamiento del calentador (2) de acuerdo con instrucciones predeterminadas y/o para recibir las señales emitidas por los sensores (3, 4) anteriormente mencionados;

estando caracterizado el dispositivo (S) de sensor porque comprende:

- un segundo área (1e; 1d) de medición formada en el mismo lado de la estructura (1) de soporte que la primera (1d; 1e) y espaciada del primer área (1d; 1e) de medición, teniendo también el segundo área (1e; 1d) de medición un respectivo dispositivo (D_{B}; D_{A}) de medición dispuesto en ella; y

- un sensor (AS) de velocidad de flujo, asociado con dicha estructura (1) de soporte y dispuesto en dicho lado de la estructura (1) de soporte, para suministrar durante el funcionamiento señales eléctricas que indican la velocidad del aire que fluye en las proximidades; estando conectado dicho sensor (AS) de velocidad de flujo a dichos medios electrónicos (ACE) de control y adquisición, que están asegurados a dicha estructura (1) de soporte.

2. Un dispositivo de sensor de acuerdo con la reivindicación 1, en el que cada calentador (2) incluye un elemento resistivo de calentamiento aplicado a un sustrato eléctricamente aislante.

3. Un dispositivo de sensor de acuerdo con las reivindicaciones 1 ó 2, en el que cada sensor (3) de flujo térmico es de tipo termopila.

4. Un dispositivo de sensor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que cada sensor (4) de temperatura es o un sensor resistivo o un sensor de termopar.

5. Un dispositivo de sensor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el sensor (AS) de velocidad de flujo de aire es de tipo unidireccional.

6. Un dispositivo de sensor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dichos medios electrónicos (ACE) de control y adquisición incluyen medios (M) de memoria accionables para almacenar datos o información para calibrar las características del sensor (S).

7. Un dispositivo de sensor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dichos medios electrónicos (ACE) de control y adquisición incluyen un puerto (SCP) en serie de comunicaciones.

8. Un dispositivo de sensor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dichos medios electrónicos (ACE) de control y adquisición están preparados para controlar dichos calentadores (2) de modo que generan un flujo térmico de un valor predeterminado que es sustancialmente constante o, selectivamente, de tal manera que la temperatura medida por los sensores (4) de temperatura anteriormente mencionados permanece sustancialmente constante.

9. Un maniquí (M) de simulador, en particular un maniquí antropomórfico articulado, que incluye una pluralidad de dispositivos de sensor de acuerdo con una o más de las reivindicaciones precedentes.

10. Un maniquí de acuerdo con la reivindicación 9, que también incluye una pluralidad de sensores de superficie de temperatura ambiente.