Тепловая модель человека Советский патент 1977 года по МПК G01N25/30 

(54) ТЕПЛОВАЯ МОДЕЛЬ ЧЕЛОВЕКА

1

Изобретение относится к области технологической физики и медицины, например, к средствам исследования теплового состояния человека, находящегося, в частности, в изолирующих средствах индивидуальной защиты (СИЗ), например, водолазных костюмах, авиационных и космических скафандрах, комбинезонах для зашиты человека, работающего в условиях загрязнения воздушной среды различными токсическими веществами.

Устройства подобного типа известны и обычно представляют собой обогреваемый манекен, с помощью которого имитируется теплопродукция человека, однако они не позволяют моделировать термотопографию и по- товыделения человекаП.

Ближайшим технологическим решением к изобретению является т лловая модель человека, позволяющая имитировать теплообмен отдельных зон поверхности тела человека: головы, плеч, туловища и т.д., состоящая из манекена, наполняемого воздухом, регулятора избыточного давления, электронагревательных элементов, контактных дат ifflKOB температуры, тепломеров, стабилизврованных источников питания, измерительной схемы 2.

Недостатками известного устройства являются:

-жесткость метрических характеристик манекена, что исключает размещение его в изолирующих средствах защиты человека; имеющих ограниченный распах, и не позволяет варьировать объем манекена и размеры его внешней поверхности;

-приближенный характер имитации тепловой мощности, отдаваемой во внешнюю среду, из-за тепловых потерь на границах панелей электронагревателей и ощутимой величины тепла, аккумулированного собственно манекеном, обладающим значительной массой и теплоемкостью;

- отсутствие имитации потовыделений человека, которые в значительной мере влияют на характер тепло, -массообмена в пододежном пространстве СИЗ;

измерение и регулирование выделяемой манекеном тепловой мощности путем регистрации напряженна на концах нагревателей и тока, протекающего в его цепи, в установившемся тепловом режиме, что сушествённо увеличивает продолжительность теплотехнических экспериментов вследствие тепловой инерционности ситемы и делает невозможным использование последнего при имитации входного воздействия определенной длвбтельности и формы, например, в виде регулярных режимов 1, 2, 3 родов. Целью изобретения является повышение точности и чувствительности тепловой моде- ли при имитации тепло, -влаговыделений и термотопографии поверхности тела человека. Указанная цель достигается созданием наполняемого воздухом манекена с гермооболочкой из эластичного материала, состояшего из регулятора избыточного давления, электронагревательных элементов, контактных датчиков температуры поверхности тепло вой модели, тепломеров, стабилизированных источников питания и измерительной схемы, на котором последовательно укреплены в радиальном направлении нагревательный, тёр моградиентный и сорбирующий слои, выполня ющие роли соответственно имитаторов тепловыделений, температуры поверхности тела и потовыделений человека. При этом нагрева- тельный слой выполнен в виде набора эластичных лент, в тканой основе которых бифиллярно размещены токопроводящие элементы из материала с низкилд температурным коэффициентом сопротивления (порядка Ом/град) например константановая проволока или электропроводящие нити. Токопроводящие элементы секционированы таким образом, чтобы их электрические сопротивления соот ветствовали распределению локальных тепловыделений человека О,, например, в диапазоне от 70 до 5ОО вт. Термоградиент ный слой выполнен из материала с коэффициентом теплопроводнрсти Д р.гО, 24-0,5 Вт/м.град, например прорезиненного капрона, черненного сажей, толщина отдельных элементов которого QCJI , соответствующая заданной термотопографии поверхности тела человека, определяется из выражения: радиус i| - го элемента модели, V - перепад (температур на L -ом участке термр/радиентного слоя. Поверхность /термоградиентного слоя выполнена в виде сорбирующего слоя, например, из бязи, к которому подведены гибкие, например полихлорвиниловые,/трубки с водой или физиологическим раствором. На чертеже показана принципиальная схема тепловой модели человека, представпякядей собой наполняемый воздухом манекен 1, выполненный по форме и в cooTBetv ствни с антропометрическими параметрами человека. Для контроля и стабилизаднв иэбыточного давления и объема воздуха внутри манекена, а также плошади его внеш ней поверхности в гермообопочку 2 вьшопненную из эластичной ткани, например прорезиненного капрона, смонтирован регулятор избыточного давления 3, работающий в диа пазоне 0,002-02 атм, проградуированный в единицах плошади внешней поверхности гермооболочки. Это позволяет при необходимоотй варьировать геометрические характеристики манекена и его секции в пределах. представленных в таблице. На поверхности гермооболочки 2 монтировались электронагреватели 4, выполненные в виде набора эластичных лент, в тка- ной основе которых бифиллярно размещены токопроводящие элементы 5 из материала с низким температурным коэффициентом сюлротивления {порядка 10 Ом/град ) аапрнм константановая проволока типа МнМц ГОСТ 5307-69 или электропроводящие нити. Для обеспечения заданной топографии тепловыделений электронагреватели еекшювярованы таким образом, чтобы их электрические сопротивления соответствовали распределению локальных тепловыделений человека CJ,,-, например, в диапазоне от 70 до 500 ВТ. Отдельные секции электронагревателей подключены к стабилизированному источнику питания постоянного тока. Поверх электронагревателей клеевым способом зек реплен термоградиентный слой 6, выполнеаный из материала с коэффициентом теплопроводности ff 0,2-О,5 Бг/м. град, например из прорезиненного капрона, черненного сажей, толщина отдельных элементов которого , соответствующая заданной термотопот-рафйн поверхности тела человека определяется из выражения: где f01 - радиус i -го элемента модели, ) - перепад температур на i -ом учасзтке термоградиентного слоя. Периферийная часть последнего вьшопнена в виде сорбирующего слоя 7, например из бязи, к которому подведены гибкие, например попихлорвиниловые, трубки 8, соедвьненные ,«3- гидронасосом 9 малой (до 200О мл/час) производительности, обеспечиваю щим подачу выверенных порций жидкости, например воды или физиологического раствора, из ёмкости 10. На внешней поветнснос-

ти сорбирующего слоя 7 размешены эластичные тепломеры 11 и контактные термометры 12, с помощью которых индицируется отдаваемая во внешнюю среду тепловая мощность, а также температура поверхностиs манекена. Эластичные тепломеры выполнены в виде термоэлектрической, например, медно-константановой дифференциальной батареи, намотанной на эластичную ленту таким образом, чтобы горячие спаи 13 ее плотпо при-ю легали к сорбирующему слою 7, а холодные спаи 14 - контактировали с окружающей средой, например воздушной средой термостатированной камеры, в которой размешается ис- следуемое изолирующее защитное снаряжение 15 Устройство работает следуюшим образом. Перед экспериментом устанавливают заданное значение избыточного давления на регуляторе 3, размещают манекен 1 внутри 20 изолируюшего снаряжения 15 и поддувают до момента сброса воздуха через регулятор; соединяют через проходные герморазъемы внутренние электрические и технологические коммуникации: электронагревателей 4, систе- 25 мы увлажнения (трубки 8 с насосом 9, тепломеров 11, термометров 12, герметиФормула изобретения 1. Тет1ловая модель человека для имитадив тепло, - влаговьщелений и термотопо- трафнв человека, состоящая из наполняемого воздухом манекена с гермооболочкой из эластичного материала, регулятора избыточного давления, электронагревательных элементов. Контактных датчиков темпера-, туры поверхности модели, тепломеров, стабилизированных источников питания и измерительной схемы, отличающаяся тем, что, с целью повышения точности измерения и чувствительности, на гермооболочке последовательно укреплены в радиальном направлении нагревательный, термограднент- ный и сорбирующий слои, выполняющие роли ооответственно имитаторов тепловыделений, температуры поверхности тела и потовыделэВИЙ человека.

зируют сиз, в пододежном пространстве которого устанавливают и поддерживают выбранные значения скорости вентиляции, температуры и влажности воздуха; коммутируют внешние электрические и технологические коммуникации, проверяют работоспособность каналов измерения и питания электронагревателей.

С началом эксперимента все секции электронагревателей 4 одновременно подключают к источникам питания постоянного тока, напряжение на каждый секции соответствует расчетному значению вносимой теп- ловой мошности IQ и контролируется по образцовому вольтметру, например типа Д-57; открывают затвор гидронасоса 9, обеспечивая подачу во все области пододежного пространства СИЗ 15 выверенных порций жидкости и производят непрерывную регистрацию и запись на диаграммную ленту самописцев сигналов, поступаюших от тепломеров 11, датчиков температуры - термометров 12 в виде кинетических кривых. соответствующих распределению температур и интенсивности теплоотдачи от отдельных элементов тепловой модели человека. 2. Тепловая модель человека по п. 1, о тличаюшаяся тем, что нагревателЕгный слой выполнен в виде набора эластичных лент, в тканой основе которых бифиллярно размешены токопроводящие элементы из материала с низким (порядка 1О Ом/град) температурным коэффициентом сопротивления, например константановая проволока или электропроводящие нити, при этом токопроводяшие элементы секционированы таким образом, чтобы их электрические сопротивления соответствовали распределению локальных тепловыделений человека , например, в диапазоне от 70 до 500 Вт. 3. Тепловая модель человека, по п. 1, отличающаяся тем, что термоградиентный слой выполнен из материала с коэффициентом теплопроводности Л 0,24 O,5 Вт/MX град, например, прорезиненного капрона, черненного сажей, толщина отдельных элементов которого do-f , соответствук щая заданной термотопографии поверхности тела человека, определяется из выражения: 0 - i Г pj - радиус L -го элемента модели, т . - перепад температур на L -ом участке термоградиентного слоя. 4. Тепловая модель человека по п. 1 отличающаяся тем, что поверхность термоградиентного слоя выполнена в виде сорбирующего слоя, например, из бязи, к которому подведены гибкие, например полихлорвиниловые, трубки с водой или физиологическим раствором. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе: 1.Heai;1ier M-Dcuvid. АроЕЕо suit sutsiantia 6v redesigned.Missi Ees T ocJcebf 1965, 16, No. 17,26,28-29. 2,Лившиц A. H., Кузнецов И. Т. Метод моделирования общей и локальной теплоотдачи человека при помощи теплового имитатора. Материалы Всесоюзной научной коаференции по Методам исследования 1теплообмена и терморегуляции, Москва, 1968 г., стр. 100, 101.

.10