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FRC型服装热性能测试仪的研制

王保安〖FK)〗〓傅维纲〓王宏亮〓张捷民

(西北纺织工学院)

摘要〓FRC型服装热性能测试仪应用特制的测头,能同时检测出皮肤表面一点或多点的温度和热流信号电压,放大后由计算机自动处理,显示并能打印出服装(局部或整体)的隔热值。

引言

服装热性能的实验研究,主要有两种方法。一种是研究人体在着装状态实际的产热和散热的生理卫生学方法;另一种是用模型模拟人体产热和散热的方法[1]。前一种方法能较准确地反映真实情况,但实验设计复杂、费用高、费时费力。后一种方法虽然较为方便,但若模型过简(如平板法、圆筒法),则难以反映人体的着装实际;若要制作与人体产热情况近似的模型(如暖体假人),却又费用昂贵,一般教学、科研、生产单位无力实施。八十年代中期,国内有用热流计测量人体散热及服装隔热值的报道 [2] 。这是一种兼具上述两种方法的主要优点又比较方便的实验设计。本仪器的研制就是以这个思路为基础,设计制作一套在人体着装条件下多点巡回测量,用计算机采集和处理数据的仪器,以满足服装专业教学和科研的需要。

1〓测量原理

在传热学中,把一个稳态传热过程的热流密度 q 同温压(即温度差)△ t 以及该过程的热阻 R (指单位面积上的热阻,下同)之间的关系表示为

如果测出△ t 及 q ,即可求出热阻的大小

一个传热过程的总热阻等于组成该过程的各串联环节的热阻之和 [3] 。 若用 t 1和 t 2分别表示人体皮肤表面和环境(一般指大气)的温度,用 R C

L 和 R a分别表示服装(包括多层服装)和服装表面边界层空气的热阻,用 q 表示通

过服装的热流密度,则有:

若为多点测量,则皮肤温度 t 1和热流密度 q 均应为按各测点对应的皮肤总面积占皮肤面积的比例加权的平均值 [1] 。

在服装卫生学中,把服装的热阻叫做“隔热值”,并为其定义了一个特殊的单位——“克罗(clo)”[1] 。“克罗”本来是按照人的温度舒适感觉定义的物理—生理—心理量,但在实际测量中一般把它与同样条件下测得的服装热阻对应起来,给出如下换算关系:

若以克罗为单位,(3)式就转变为式中 I CL 、 I a分别为以克罗为单位的服装和边界层空气的隔热值。

2〓仪器结构

仪器结构框图如图1(图见英文稿,下同)

2 1〓测头

测头为定制的硅橡胶可挠热流测头,内部同时埋入温度传感器。热流传感器为热阻式,通过热流测头的热流密度与传感器输出电压UH(mV)之间的关系为

式中 C 为热流测头系数,已由制作单位逐个标定,〓标定误差为5%。〓测头本身热阻约为。温度传感器为负温度系数的PN结。与100〖KG*4〗μA的恒流源配合使用时,输出电压 U T(mV)与所在处温度(℃)的关系为

式中 U 0为传感器特性曲线(见图2)截距,α为斜率(注意:α<0),均由制作单位逐个标定。传感器的标定误差为±0 2℃ [5] 。

2 2〓放大线路

热流传感器输出信号为微伏级,放大线路设计为三级,前两级采用高精度、低漂移的斩波稳

零运算放大器,第三级采用普通运算放大器,总放大倍数为10 5。

温度传感器输出信号为毫伏级,因此设计为两级放大,总放大倍数为250。

为了提高仪器分辨率,上述两路放大均在各自的量程范围内采取了分档抵销的措施。

2 3〓数据的采集、转换和处理

本仪器可接10个测头,其中一个用来测量环境温度,其余9个用于测量人体皮肤的温度和热流。调零接地及各测头的输出信号电压分别经琴键式转换开关依次接入放大线路。放大后的热流和温度信号经模/数转转换器后进入计算机进行处理。中间数据及最后结果可由计算机显示,也可用打印机记录。

3〓测试实验

3 1〓测量穿着的整套服装的隔热值

(1) 实验方法

由四名研制组成员(均为男性)担任受试者,分别测量。用双面胶纸把八个测头分别贴在受试者皮肤上的8个测量处:胸、腹、背、上臂、前臂、大腿、小腿。受试者采取坐姿,测头贴好后姿势基本保持不变,半小时后(待测头与皮肤达到热平衡,传热过程近似稳态)开始记录测量数据。按上述测量次序逐点切换,测完8个测点约需10分钟左右。然后重新调零、测量,每个受试者重复测量5次。四名受试者的测试结果见表1

(2) 实验结果分析

四名受试者皮肤温度的加权平均值的标准差在0 05~0 10〖KG*4〗℃之间,小于温度传感器的标定误差(±0 2℃)及参考文献[2]中报道的误差(±0 2~±0 4℃),说明测量结果是可信的。同时,四名受试者皮肤温度的加权平均值分布在33 96~34 87〖KG*4〗℃之间,也符合由生理卫生学实验的统计结果得出的温度舒适范围[1]。四名受试者热流密度的相对误差在1 11%~4 29%之间,小于热流传感器的标定误差(5%)。标准差在0 32~1 67〖KG*4〗W·m

-2 之间,也小于文献[2]报道的误差(±2 4~±6 8〖KG*4〗W·m -2 )。这说明热流密度的测量结果也是可信的。计算出的服装隔热值的大小与有关资料给出的参考值基本符合,相对误差也小于参考文献[2]报道的误差。

3 2〓用不同的测头测量穿着的服装的同一部位的隔热值

(1) 实验方法

由一名受试者穿着固定组合的服装,先后分别用10个测头测量其左胸部位服装的隔热值。实

验结果见表2。

表2〓不同测头测量同一部位

(2) 实验结果分析

由于更换测头必然影响各层服装间的相对位置,从而使各次测得的数值(特别是热流值)出现

差异,但由表中可以看出,各次测量结果之间的差别仍被控制在一个较小的范围内。这说明

用该仪器测量所得结果的重复性是较好的。当然,要做到这一点,测量时还必须注意:(i)

各次测量测头放置的位置要一样;(ii) 受试者尽量保持同一姿势;(iii) 每次固定好测头

后,必须整理好服装,待基本达到稳态导热(热流显示基本稳定,约需20~30分钟)再记录数

据。

用不同测头测量,经过计算所得的结果基本可信;但同时也提示在使用过程中必须经常比较

不同测头对同一服装同一部位的测量结果,发现差别过大时,应及时重新标定测头参数(特

别是热流传感器的参数)。

4〓FRC服装热性能测试仪的特点与局限

4 1〓仪器的特点

(1) 应用计算机进行数据的采集和处理,能大幅度地节省测量时间,提高测量精度。

(2) 用软件进行测头一致化的工作,既简化了放大线路,提高了测量的精确性;也方便用户

更换测头(只要对程序稍作修改,而不必在线路板上重新调整放大倍数)。

(3) 既能单点测量,也能多点测量;既能测人体着装条件下的隔热值,适当增加装置,也可

测材料的热阻或导热系数;还可进行某些生理卫生学的实验。

(4) 由于能简捷、直观地体现测量的物理原理,因此特别适于用作教学仪器。 〖BT3〗4 2〓对测量条件的限制

热流计法本质上属于比较法测量,被测服装的热阻应远大于热流测头的热阻(约 0 0027〖K

G*4〗℃·m 2·W -1 ),测得的结果才是可信的。同时,测量实践证明,当着装很薄

时(如夏季上身只穿背心和衬衣),虽然服装热阻可为热流测头热阻的几十倍,但由于服装与

皮肤间空气层很不稳定,热流密度变化很快,致使测量无法进行。因此,用这种方法进行着

装测量,只适用于较厚的春、秋装及冬装。

FRC型服装热性能测试仪课题组的成员除本文作者外,还有刘逊、马峰、宋宗明、刘湘东等

同志,负责人为王保安和刘逊。此外,朱松文教授,孙金阶、高茅副教授从不同方面给研制

工作以大力支持,在此一并表示深切的感谢

参考文献

1〓欧阳骅编著 服装卫生学 北京:人民军医出版社,1984

2〓欧阳骅,戴自祝,张希仲 医用热流计的研制及其在生理卫生学研究中的应用 卫生研

究,1986;15(3)

3〓杨世铭主编 传热学 北京:人民教育出版社,1980

4〓戴自祝等编著 热流测量与热流计 北京:计量出版社,1986

5〓中国预防医学科学院环境卫生与卫生工程研究所 测试报告 1990

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