ITTO20011182A1 - Dispositivo sensore di comfort termico e manichino antropomorfo di simulazione dello scambio termico comprendente una pluralita' di tali dis - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Dispositivo sensore di comfort termico e manichino antropomorfo di simulazione dello scambio termico comprendente una pluralità di tali dispositivi"

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda un dispositivo sensore di comfort termico, utilizzabile in un manichino di simulazione di tipo antropomorfo, in particolare per la valutazione della sensazione termica dell'occupante in un abitacolo di un autoveicolo.

La sensazione termica corporea deriva dallo scambio termico tra il corpo umano e l'ambiente circostante. Il corpo umano tende a dissipare il calore generato per effetto del metabolismo. Reazioni fisiologiche (vasodilatazione, vasocostrizione, sudorazione, ecc.), che intervengono per la regolazione del flusso di calore scambiato fra il corpo e l'ambiente, sono suscettibili di provocare un disagio termico.

Per la valutazione della sensazione termica in un ambiente, quale l'abitacolo di un autoveicolo, sono stati proposti e realizzati manichini antropomorfi, sensorizzati, in grado di rilevare i valori assunti da talune grandezze fisiche predeterminate, che concorrono a determinare la sensazione termica. Tali manichini sono in genere snodati, in modo da poter assumere le posture tipiche del conducente o dei passeggeri di un autoveicolo.

Nell'abitacolo di un autoveicolo, o comunque in una posizione seduta, il corpo di una persona scambia calore attraverso il contatto con il sedile e con l'aria circostante.

Lo scopo della presente invenzione è di realizzare un sensore di comfort termico utilizzabile per la valutazione della sensazione termica in un ambiente, ed in particolare utilizzabile in un manichino di simulazione antropomorfo.

Con l'impiego di siffatti sensori è possibile realizzare un manichino sensorizzato per la misura della sola sensazione termica dovuta all'aria dell'ambiente circostante. In vista di questo obiettivo, il manichino avrà un peso limitato al fine di favorirne la maneggevolezza non dovendo riprodurre il peso fisico di una persona.

Questo ed altri scopi vengono realizzati secondo l'invenzione con un dispositivo sensore le cui caratteristiche principali sono definite nell'annessa rivendicazione 1.

Rientra inoltre nell'ambito dell'invenzione un manichino antropomorfo di simulazione, provvisto di una pluralità di siffatti sensori di comfort termico.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell’invenzione appariranno dalla descrizione dettagliata che segue, effettuata a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

la figura 1 è una rappresentazione in vista prospettica di un dispositivo sensore di comfort termico secondo l'invenzione;

la figura 2 è una vista laterale di detto sensore, secondo la freccia II della figura 1;

la figura 3 è uno schema a blocchi che illustra l'architettura di un sensore di comfort termico secondo l'invenzione;

la figura 4 è una rappresentazione schematica in vista prospettica di un manichino di simulazione antropomorfo provvisto di una pluralità di sensori di comfort termico secondo l'invenzione; e

la figura 5 è uno schema a blocchi che mostra i dispositivi associati ad un manichino sensorizzato secondo l'invenzione.

Con riferimento ai disegni, nelle figure 1 e 2 con S è complessivamente indicato un sensore di comfort termico secondo la presente invenzione.

Come apparirà più chiaramente dal seguito, il sensore S è realizzato in modo tale per cui esso è atto ad operare come sensore superficiale o "di pelle” in un manichino di simulazione dello scambio termico .

La pelle è l'organo attraverso il quale il corpo umano scambia con l'ambiente circostante la maggior parte del calore o potenza termica che si produce per effetto del metabolismo con modalità dipendenti dalle caratteristiche di ogni singolo individuo, nonché dal tipo e dall'intensità dell'attività in corso di svolgimento. Lo scambio di potenza termica fra il corpo umano e l'aria dell'ambiente circostante avviene essenzialmente per convezione ed irraggiamento. Come si è già ricordato, il corpo umano è dotato di un "meccanismo" di termoregolazione, attraverso il quale la temperatura della pelle viene regolata a mezzo della circolazione del sangue (vasodilatazione, vasocostrizione) e della sudorazione.

Il sensore S di comfort termico secondo l'invenzione simula il comportamento termico di una porzione di pelle del corpo, salvo per quanto riguarda il fenomeno della traspirazione o sudorazione. L'effetto della sudorazione sulla temperatura della pelle può peraltro essere stimato sulla base di modelli matematici e di dati indicativi dell'umidità relativa e della velocità locale del-1'aria.

Il sensore di comfort termico S comprende una struttura di supporto 1 di materiale termicamente isolante, ad esempio Polipan.

Nella realizzazione esemplificativamente illustrata la struttura di supporto 1 comprende una porzione intermedia la, sotto forma di piastrina sottile, che si estende fra due porzioni di estremità Ib e le che presentano uno spessore maggiorato, così da formare, su un medesimo lato della struttura 1, due facce od aree di rilevamento sopraelevate ld e le.

A ciascuna delle aree di rilevamento ld e rispettivamente le è applicato un rispettivo dispositivo rilevatore DA e DB.

Come meglio si vede nella figura 2, ciascun dispositivo rilevatore DA, DB comprende un riscaldatore elettrico 2, che è direttamente portato dalla struttura di supporto 1.

Detti dispositivi riscaldatori 2 sono di tipo per sé noto, ad esempio del tipo comprendente un substrato a disco di materiale elettricamente e termicamente isolante, sul quale è applicato un resistere riscaldante.

I dispositivi rilevatori DA e DB comprendono inoltre un rispettivo sensore di flusso termico 3 ed un associato sensore di temperatura 4, disposti sopra il rispettivo riscaldatore 2, da parte opposta alla struttura di supporto 1.

Nel modo di realizzazione esemplificativamente illustrato nelle figure 1 e 2, in ciascun dispositivo rilevatore DA o DB il sensore di flusso termico è fissato sul rispettivo riscaldatore 2, e l'associato sensore di temperatura 4 è a sua volta fissato sopra il sensore di flusso termico 3. Per una tale realizzazione, i sensori di flusso termico 3 possono essere del tipo a termopila e quindi in grado di fornire una tensione in funzione dei W/m<2 >da cui sono attraversati.

I sensori di temperatura 4 possono essere sensori resistivi o del tipo a termocoppia.

In una variante di realizzazione non illustrata, ciascun dispositivo sensore di flusso termico 3 e l'associato sensore di temperatura 4 sono realizzati integrati su un medesimo substrato. In tal ca-so però il sensore di temperatura 4 continua a misurare la temperatura della superficie rivolta verso l'ambiente.

Nel sensore di comfort termico S, in ciascun dispositivo rilevatore DA o DB, il riscaldatore 2 genera calore con una densità di potenza termica per unità di superficie W/m<2 >corrispondente ad un dato valore metabolico. L'associato misuratore di flusso termico genera un segnale elettrico di ten-sione indicativo della quantità di calore sviluppata dall'associato riscaldatore 2. La superficie del rilevatore di flusso termico 3 raggiunge una tempe-ratura (temperatura di "pelle") che dipende dalle condizioni ambientali e che viene rilevata dall'associato sensore di temperatura 4.

II sensore S convenientemente comprende due dispositivi rilevatori DA e DB per poter simulare valori metabolici differenti (alto e basso), fra i quali è definito un intervallo all’interno del quale rientra il metabolismo di una frazione maggioritaria prestabilita della popolazione.

Nelle figure 1 e 2 con AS è indicato un sensore di velocità dell'aria, portato dalla struttura di supporto 1 dalla stessa parte dei dispositivi rilevatori DA e DB in una zona intermedia fra tali dispositivi rilevatori. Nel funzionamento il sensore AS fornisce segnali elettrici indicativi della velocità dell'aria che fluisce nei suoi pressi. Tale segnale è uno dei parametri utilizzabile per stimare la quantità di vapor d'acqua che evaporerebbe dal corpo umano durante la sudorazione.

Con riferimento alle figure da 1 a 3 con ACE è indicata un’elettronica di acquisizione e controllo, fisicamente associata al sensore S di comfort termico, e vincolata ad esempio alla struttura di supporto 1, sul lato di questa che è rivolto da parte opposta rispetto al lato che reca i dispositivi rilevatori DA e DB nonché il sensore AS.

L'elettronica di acquisizione e controllo ACE comprende ad esempio un'unità elettronica ECU (figura 3) collegata ai riscaldatori 2, nonché ai sensori 3, 4 ed AS. L'unità ECU comprende dispositivi di amplificazione, per amplificare i segnali forniti dai sensori, un microprocessore μΡ ed associati dispositivi di memoria M. L'unità ECU è inoltre collegata ad una porta di comunicazione seriale SCP, che è parte dell'elettronica di acquisizione e controllo ACE (figura 3) e che è destinata a consentire la comunicazione del sensore S con un'unità principale incorporata in un manichino e comunicante con i vari sensori di comfort termico di cui il manichino è dotato.

Il sensore sopra descritto opera sostanzialmente nel modo seguente.

Il sensore di comfort termico può essere utilizzato principalmente per simulare la generazione metabolica di calore da parte di una porzione della superficie corporea di una persona. La simulazione della generazione metabolica del calore è realizzata fornendo ai riscaldatori 2 una tensione di alimentazione, e controllando, tramite gli associati sensori di flusso termico 3, il flusso di calore generato, in modo tale che quest'ultimo permanga sostanzialmente costante.

L'unità ECU pilota dunque i riscaldatori 2, regolando la loro tensione di alimentazione in base al flusso termico rilevato dagli associati sensori di flusso 3. L'unità ECU acquisisce inoltre i valori della temperatura superficiale segnalati dai sensori 4. In base a tali valori di temperatura ed ai valori di flusso termico segnalati dai sensori 3, l'unità di controllo ECU può calcolare il valore di un parametro "artificiale" sinteticamente indicativo del comfort termico, quale la cosiddetta "temperatura operativa" ed il coefficiente di scambio termico caratteristico dell'ambiente in cui si svolge la simulazione.

Previa opportuna taratura è possìbile anche il calcolo della "temperatura equivalente" in conformità con quanto descritto nella precedente domanda di brevetto italiana 6799-A/85.

Convenientemente, nei dispositivi di memoria M dell'unità elettronica di controllo ECU sono memorizzati dati di calibrazione, della curva caratteristica dei dispositivi rilevatori DA e DB del sensore.

Tramite la porta di comunicazione, per esempio di tipo seriale, SCP l'unità di controllo ECU comunica con un controllore centrale che coordina tutti i sensori di comfort ed i sensori di temperatura dell'aria e di umidità.

Ogni sensore di comfort fornisce i dati misurati ed a sua volta può essere pilotato per simulare condizioni metaboliche differenti (ad esempio guida normale, guida sotto stress, eco.), cui corrispondono diversi valori della densità di potenza termica generata dai riscaldatori 2.

L'elettronica di acquisizione e controllo ACE associata al sensore S è inoltre atta a consentire la regolazione della potenza dissipata dai riscaldatori 2 in modo tale da mantenere la temperatura superficiale (cioè la temperatura in corrispondenza dei sensori 4) ad un valore sostanzialmente costante. Tale possibilità è particolarmente utile per poter effettuare misure nell'intorno di una condizione di comfort, quando è utile poter comprende l'influenza sulla sensazione termica di rapide variazioni ambientali. Il controllo a temperatura costante è intrinsecamente più rapido in quanto dipende meno dalle inerzie termiche e del sensore. Pertanto, la potenza elettrica fornita ai riscaldatori 2 è convenientemente regolabile tramite un controllo ad anello chiuso, in base a due soglie di temperatura diverse per i due dispositivi rilevatori DA e DB.

Nella figura 4 con M è complessivamente indicato un manichino di simulazione antropomorfo, snodato, provvisto di una pluralità di sensori di comfort termico secondo l'invenzione. Nell'esempio illustrato nella figura 4, il manichino M è provvisto di diciotto sensori di comfort termico, indicati con Si a S18.

Il manichino M illustrato è inoltre provvisto di una pluralità di (in particolare otto) sensori di temperatura ed umidità ambientale, di tipo per sé noto, indicati con TI a T8.

Nel manichino M è incorporata l'unità di controllo centrale (indicata con MECU nella figura 5) a cui fanno capo tutti i sensori, di comfort termico (SI ÷ Sn) e di temperatura ambientale (Tl ÷ Tm), e che è suscettibile di comunicare con una postazione di elaborazione e comando esterna, comprendente ad esempio un personal computer PC, a mezzo di dispositivo di comunicazione radio TX.

Nel computer esterno PC è residente un software di elaborazione dati basato su un modello della fisiologia dell'uomo in grado di fornire indici di comfort termico.

Naturalmente, fermo restando il principio del trovato, le forme di attuazione ed i particolari di realizzazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto è stato descritto ed illustrato a puro titolo di esempio non limitativo, senza per questo uscire dall'ambito dell'invenzione come definito nelle annesse rivendicazioni.

Ad esempio il manichino potrebbe avere i soli sensori di comfort mentre i dati di temperatura ed umidità ambientali potrebbero essere stimati dall'utente.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo sensore (S), particolarmente per un manichino di simulazione di tipo antropomorfo (M), comprendente una struttura di supporto (1) di materiale termicamente isolante, in cui su un medesimo lato sono definite due aree di rilevamento (ld; le) fra loro distanziate, in ciascuna delle quali è disposto un rispettivo dispositivo rilevatore (DA, DB) che comprende un riscaldatore elettrico (2) connesso a detta struttura (1) nonché un dispositivo sensore elettronico di flusso termico (3) ed un associato sensore elettrico di temperatura (4) disposti sopra il riscaldatore (2) da parte opposta a detta struttura (1); a detta struttura (1) essendo associato inoltre un dispositivo sensore di velocità di flusso (AS), ubicato su detto lato della struttura di sup-porto (1) e preferibilmente in una zona intermedia fra detti dispositivi rilevatori (DA, DB) , per fornire nel funzionamento segnali elettrici indicativi della velocità dell'aria fluente nei suoi pressi; il dispositivo sensore (S) comprendendo inol-tre mezzi elettronici di acquisizione e controllo (ACE) predisposti per controllare secondo modalità prestabilite il funzionamento dei riscaldatori (2) e/o acquisire i segnali forniti dai suddetti sensori (3, 4, AS).
2. 2. Dispositivo sensore secondo la rivendicazione 1, in cui ciascun riscaldatore (2) comprende un elemento resistivo riscaldante applicato su un substrato elettricamente isolante.
3. 3. Dispositivo sensore secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui ciascun sensore di flusso termico (3) è del tipo a termopila.
4. 4. Dispositivo sensore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui ciascun sensore di temperatura (4) è un sensore resistivo od a termocoppia .
5. 5. Dispositivo sensore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il sensore di velocità del flusso d'aria (AS) è del tipo omnidirezionale.
6. 6. Dispositivo sensore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detti mezzi elettronici di acquisizione e controllo (ACE) comprendono mezzi di memoria (M) atti a ritenere informazioni o dati di calibrazione della caratteristica del sensore (S).
7. 7. Dispositivo sensore secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detti mezzi dì acquisizione e controllo (ACE) comprendono una porta di comunicazione seriale (SCF).
8. 8. Dispositivo sensore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detti mezzi elettronici di acquisizione e controllo (ACE) sono predisposti per pilotare i suddetti riscaldatori (2) in modo tale che essi generino un flusso termico di valore predeterminato ed essenzialmente costante oppure, selettivamente, in modo tale per cui la temperatura rilevata dai suddetti sensori di temperatura (4) risulti sostanzialmente costante.
9. 9. Manichino di simulazione (M), in particolare manichino antropomorfo snodato, comprendente una pluralità di dispositivi sensori secondo una o più delle rivendicazioni precedenti.
10. 10. Manichino secondo la rivendicazione 9, comprendente inoltre una pluralità di sensori superficiali di temperatura ambientale. Il tutto sostanzialmente secondo quanto descritto ed illustrato, e per gli scopi specificati.