Mapování teplotních polí na povrchu lidského těla pomocí termovizní kamery.

Transkript

1 Mpování teplotních polí n povchu lidského těl pomocí temovizní kmey. Mlčák, Romn 1 & Pvelek, Miln 2 1 Ing., Odbo temomechniky techniky postředí, Enegetický ústv, VU v Bně, echnická 2, Bno,.mlck@emil.cz 2 Doc. Ing., CSc., pvelek@eu.fme.vutb.cz Abstct he contibution dels ith using themovision cme s technique fo body sufce tempetue mpping to subsequent pply fo numeicl nd physicl model of viously chged humn body in viedly envionment conditions. Mesuement of hole humn body befoe nd fte chging s mde. Fom body sufce tempetue distibution is consequently evluted het tnsfe by dition nd convection. Duing mesuement the tempetue conditions ee chnged fom cold to hot mbient. he vlues fo defining of indoo envionment tempetue stte ee lso monitoed. In specified mbient the tested pesons ee put though the odiny execise test on egometick cyclotine. he body in themogphic pictue s sectioned off to typicl es. hese es epesent e. g. loctions fo plcing sensos (tificil skin-like) fo guging condition of envionment, by hich ill be equipped so clled theml mnnequin. Klíčová slov emovize, tepelný tok, tepelná pohod, tepelný mnekýn, senzo. 1. Úvod eploty povchů je možné měřit ůznými metodmi. Jsou to jk metody kontktní (npř. temočlánky), tk metody bezkontktní (pyometie, temovize). ento článek se zbývá možností použití temovizní kmey jkožto bezkontktní metody k měření teploty povchu lidského těl. Nměřené teploty budou použity jko zákld po vypočet hustot tepelných toků z kůže do okolí. oto postředí bylo chkteizováno opetivní teplotou. V ámci tohoto výzkumu byly povedeny tři séie měření s ůznými opetivními teplotmi. Cílem je získt dt po senzoy typu umělá kůže n měření tepelného stvu postředí po numeický fyzikální model lidského těl.

2 2. Popis měření Postředí Měření byl pováděn v lbotoři, kde bylo možné kontolovt tepelné podmínky. epelný stv postředí byl monitoován sdou přístojů sestávjící z kulového teploměu (o půměu 150 mm), stíněného teploměu, žáového nemometu, vlhkoměu bometu. outo sdou jsme tedy byli schopni sledovt teplotu kulového teploměu g [K], teplotu vzduchu [K], ychlost poudění vzduchu v místnosti v [m.s -1 ], eltivní vlhkost vzduchu ϕ [-] bometický tlk p [P]. Po dodžení pvidel v používání jednotek bude dále v textu používáno po bsolutní teplotu v kelvinech [K] mlé t po teploty ve stupních Celsi [ C]. Z teploty kulového teploměu, teploty vzduchu ychlosti poudění vzduchy byl počítán opetivní teplot [1, 2] podle ovnice o = + A ( ), (1) kde A je funkcí ychlosti poudění vzduchu v [m.s -1 ]. V souldu s nomou [1] lit. [2] pltí v A = 0, 75. (2) V ovnici (1) je [K] střední diční teplot vypočtená z ovnice , 6 g +, 510..v = 2.( ). (3) g Vzth (3) pltí po kulový teplomě o půměu 150 mm [3]. Jelikož ychlost poudění vzduchu v byl během všech měření menší než 0,2 m.s -1 (nbývl hodnoty jen 0,02 m.s -1 méně), bylo možné vzth (1) zjednodušit, viz nom [1], n ovnost o = g. (4) V tb. 1 jsou uvedeny hodnoty stvu postředí v lbotoři během jednotlivých měření. bulk 1 Hodnoty tepelného stvu postředí během jednotlivých měření Hodnot Veličin t g [ C] t [ C] v [m.s -1 ] ϕ [-] p [P] t o [ C] Měření č. 1 19,4 19,3 0,02 0, ,4 Měření č. 2 21,1 21,4 0,01 0, ,1 Měření č. 3 23,7 24,3 0,02 0, ,7 estování Po testování byli vybáni tři muži ve věku let jejich hmotnost byl kg. Byli podobeni zátěžovému testu n egometickém cyklotenžéu [4]. ento test spočívl ve šlpání n egometu při definovné zátěži fekvencí ot.min -1 po dubu 5 minut. ento čs by měl být dosttečný k ustálení tepové fekvence HR (hed te - v jednotkách tepy z

3 minutu). Z důvodu ůzné hmotnosti testovných osob byl hodnot zátěže n egometu zdáván v jednotkách tt n kilogm tělesné hmotnosti, což je možné chápt jko měnou zátěž L [W.kg -1 ]. 15 minut před ztěžováním se testovné osoby svlékly do plvek, by se teplot povchu jejich těl ustálil při teplotních podmínkách v lbotoři. Následující měření pobíhlo ve třech kocích : 1) Byl pořízen temogm celého těl v pohledu zepředu zezdu. 2) estovná osob vykonl zátěžový test. 3) Byl pořízen duhá dvojce temogmů celého těl. yto temogmy byly pořizovány temovizní kmeou VioCm. K zjištění vždy stejné pozice postoje testovné osoby během pořizování temogmů byly tyto osoby postveny ke stojnu fixujícímu polohu, k tomuto účelu nvženému. Během zátěžového testu byl testovným osobám snímná tepová fekvence. Následné vyhodnocení potvdilo předpokld, že 5 minut je dob dosttečná k dosžení stálé tepové fekvence při dném ztížení, jk je ptno z gfu n ob. 1. HR [eps/min] HR time pogess ime 80 [min] 0:00:00 0:00:43 0:01:26 0:02:10 0:02:53 0:03:36 0:04:19 0:05:02 Ob. 1: Gf vývoje tepové fekvence během zátěžového testu 3. Výpočty výsledky Zznmenné temogmy byly vyhodnoceny pomocí speciálního softe Ibis Pofessionl. Postv z temogmu byl ozdělen n 12 oblstí (ob. 2). yto oblsti epezentují míst, kde mohou být npříkld umístěny senzoy (umělá kůže) n tepelném mnekýnovi, nebo míst po definování okjových podmínek n numeickém modelu lidského těl.

4 1. kk 2. huď / honí zád 3. pvá pže 4. levá pže 5. pvé předloktí 6. levé předloktí 7. břicho / spodní zád 8. pvé stehno 9. levé stehno 10. pvé lýtko 11. levé lýtko Ob. 2: Schém oblstí po učování teplot eploty t [ C] z těchto oblstí byly zznmenány do tbulek. Po sjednocení nměřených dt bylo vytvořeno modelové lidské tělo (s půměnými teplotmi testovných osob), po něž byly fomulovány teploty povchu n definovných oblstech (tb. 2). bulk 2 Střední teploty povchu kůže t [ C] modelového lidského těl 1. 2./2. 2b t o =19 C t o =21 C t o =23 C zepředu 35,92 34,27 34,46 34,09 34,03 33,13 32,96 34,06 31,80 31,67 32,89 32,29 zezdu 35,64 34,97 32,02 31,78 32,54 32,41 33,89 32,62 32,65 32,37 32,57 zepředu 35,97 34,47 34,41 34,11 33,98 33,23 33,17 33,97 32,24 32,16 32,73 32,62 zezdu 35,53 34,64 32,32 32,08 32,48 32,26 33,20 32,43 32,42 32,38 32,40 zepředu 36,22 35,03 34,98 34,95 34,81 34,48 34,81 34,52 33,08 33,00 33,22 33,00 zezdu 36,12 35,29 33,49 33,33 34,38 34,33 33,95 33,32 33,40 33,32 33,37 Z těchto středních teplot mohou být následně vypočítány hustoty tepelných toků. Konkétně se jedná o hustotu tepelného toku konvekcí, hustotu tepelného toku zářením hustotu tepelného toku suchým pocením. Hustot tepelného toku konvekcí je dán vzthem q = h ( ), (5) k kde h [W.m -2.K -1 ] je součinitel přestupu tepl. V souldu s nomou [1] je střední hodnot tohoto součinitele funkcí, eltivní ychlosti poudění vzduchu v dle vzthu

5 h = 2, 38 ( 121, v po ) 0, 25 2, 38 ( po 2, 38 ( ) 0, 25 ) 0, 25 < 121, > v 121, v. (6) Hustot tepelného toku zářením q [W.m -2 ] (vyzářen mlou ploškou část povchu lidského těl, do velkého postou lbotoř) je dán ovnicí 4 4 q = ε σ ( ), (7) 0 kde ε [-] je emisivit lidského těl σ 0 [W.m -2.K -4 ] je Stefnov-Boltzmnnov konstnt. Hustot tepelného toku suchým pocením q [ W.m -2 ] je definován n ovnicí p = -3,, 3, (p p ), (8) q p v( ) v( ),, kde p v( W ) [P] je pciální tlk syté vodní páy při teplotě pokožky p v( ) [P] je pciální tlk vodní páy ve vzduchu, kteý je funkcí teploty vzduchu eltivní vlhkosti vzduchu ϕ. Celková hustot tepelného toku q [W.m -2 ] z povchu lidského těl do postředí je potom dán součtem těchto dílčích hustot tepelného toku k W q q + q + q p = (9) Příkld hodnot hustot tepelných toků z modelového lidského těl po jednu opetivní teplotu je uveden v tb. 3. bulk 3 Hustoty tepelných toků při opetivní teplotě t o = 21,1 C, před ztěžování q q k q p q 1. 2./2. 2b zepředu 77,62 69,30 68,98 67,36 66,66 62,55 62,23 66,59 57,26 56,82 59,87 59,30 zezdu 75,14 70,27 57,64 56,37 58,53 57,33 62,42 58,28 58,21 57,96 58,09 zepředu 68,36 59,69 59,36 57,69 56,96 52,75 52,42 56,89 47,38 46,93 50,02 49,44 zezdu 65,76 60,69 47,76 46,48 48,66 47,44 52,62 48,41 48,34 48,09 48,21 zepředu 14,98 13,53 13,48 13,21 13,09 12,42 12,37 13,08 11,59 11,52 11,99 11,90 zezdu 14,54 13,70 11,64 11,45 11,78 11,60 12,40 11,74 11,73 11,69 11,71 zepředu 161,0 142,5 141,8 138,3 136,7 127,7 127,0 136,6 116,2 115,3 121,9 120,6 zezdu 155,4 144,7 117,1 114,3 119,0 116,4 127,4 118,4 118,3 117,7 118,0 Podobné hodnoty byly získány z temogmů zznmenných po bsolvování zátěžového testu. Po zákldní předstvu o vývoji hustot tepelných toků je postčující sovnání povchových teplot. N ob. 3 jsou gfy změn teploty kůže po zátěžovém testu. Očíslovné skupiny odpovídjí oblstem uvedeným v tb. 2 3.

6 0,50 d Pohled zepředu 0,5 W/kg 1 W/kg 1,5 W/ kg 2 W/kg 0,50 d Pohled zezdu 0,5 W/kg 1 W/kg 1,5 W/kg 2 W/kg 0,00 0,00-0, , ,00-1,00-1,50-1,50-2,00-2,00-2,50-2,50 Ob. 3: Gfy změny teploty povchu lidského těl po zátěžovém testu S ostoucím ztížením je ptný pokles teploty povchu těl. o bylo zřejmě způsobeno temoegulční schopností těl. 4. Závě N definovných oblstech lidského těl byly změřeny teploty povchu kůže ůzných osob při ůzném ztížení při ůzném stvu postředí. Z nich byly následně učeny střední teploty povchu v definovných oblstech po modelové lidské tělo. Z těchto středních teplot byly vypočítány hustoty tepelných toků, kteé, stejně jko učené střední teploty, mohou sloužit k vytvoření numeického modelu lidského těl. ento numeický model může simulovt člověk v postředích o ůzných tepelných stvech, což může být užitečné při nvhování vytápěcích, větcích nebo klimtizčních systémů. Z měření jsme získli dt, kteá budou použit po pogmování řízení čidel typu umělá kůže. yto senzoy jsou vyvíjeny především po stvbu tepelného mnekýn. 5. Poděkování to páce vznikl z finnční podpoy gntu GAČR 101/05/H Litetu [1] ČSN EN ISO 7730 Míné tepelné postředí Stnovení ukztelů PMV PPD popis podmínek tepelné pohody, ISO 7730:1994. [2] Goodfelo, H. nd ähti, E.: Industil Ventiltion Design Guidebook. Sn Diego: Acdemic Pess, [3] Jnotková, E.: echnik postředí. FSI VU v Bně, [4] Máček, M. Máčková, J.: Fysiologie ptofysiologie tělesných cvičení. MU v Bně, 2002.