Спосіб оцінки комфортності матеріалів для одягу

1. Спосіб оцінки комфортності матеріалів для одягу, при якому розміщують досліджуваний матеріал в полі низькоінтенсивного джерела електромагнітного випромінювання, приймають антеною електромагнітне випромінювання, що пройшло через досліджуваний матеріал, отриманий вихідний сигнал періодично переривають, подають вихідний сигнал на вхід модуляційного радіометра, фіксують вихідну напругу, доводять вихідну напругу до нульового значення, фіксують значення коефіцієнта передачі 1 , виводять досліджуваний матеріал із зони прийому антени, фіксують збільшення вихідної напруги модуляційного радіометра, доводять вихідну напругу до повного обнуління, фіксують друге значення коефіцієнта передачі 2 , а комфортність матеріалу для одягу оцінюють числовим значенням коефіцієнта його радіопрозорості q за формулою, який відрізняється тим, що додатково формують опорний сигнал, який періодично переривають в моменти, протилежні моментам переривання вихідного сигналу, на вхід модуляційного радіометра подають опорний сигнал разом з вихідним сигналом, нульове значення вихідної напруги отримують ослабленням опорного сигналу, повне обнуління вихідної напруги здійснюють збільшенням ослаблення опорного сигналу, після фіксування коефіцієнта передачі 2 , вводять в зону прийому антени металевий екран, фіксують збільшення вихідної напруги модуляційного радіометра, зменшують ослаблення опорного сигналу до нульового значення вихідної напруги, фіксують значення коефіцієнта передачі 3 , а коефіцієнт радіопрозорості матеріалу обчислюють за формулою: Корисна модель відноситься до галузі аналізу властивостей текстильних та інших матеріалів для одягу радіофізичними методами і може бути використана для оцінки комфортності матеріалів для одягу різного складу і структури по рівню радіопрозорості в діапазоні надвисоких частот (НВЧ). Важливу роль в забезпеченні відчуття комфортності одягу з різних матеріалів відіграє їх радіопрозорість, яка сприяє обміну електромагнітною енергією людського організму з оточуючими об'єк тами живої і неживої природи. Причому цей обмін здійснюється на вельми малих рівнях електромагнітних випромінювань (10-7-10-9Вт/см2) в діапазоні НВЧ. Тому ослаблення власного електромагнітного випромінювання людини і зовнішніх електромагнітних випромінювань матеріалами одягу вельми відчутні, оскільки можуть знизити дію цих випромінювань на організм до рівня, меншого порогових значень. Для експериментальної оцінки комфортності, яка визначається відбиваючими, розсіюю 3 (13) (19) UA де 1 , 2 і 3 - коефіцієнти передачі змінного атенюатора у відносних одиницях при трьох послідовних обнуленнях вихідної напруги модуляційного радіометра. 2. Спосіб оцінки комфортності матеріалів для одягу за п. 1, який відрізняється тим, що як низькоінтенсивне джерело електромагнітного випромінювання використовують тепловий генератор шуму, температуру генеруючого елемента якого встановлюють рівною середній температурі тіла людини (310К), а потік електромагнітного випромінювання теплового генератора шуму ділять на дві рівні частини, одну з яких спрямовують в передавальну антену для створення низькоінтенсивного електромагнітного поля, що зондує досліджуваний матеріал, другу частину спрямовують в змінний атенюатор для створення регульованого опорного сигналу. U , 52860 3 (11) 1 2 q 3 чими і поглинаючими властивостями матеріалів для одягу, істотну роль має рівень зондуючого електромагнітного випромінювання (ЕМВ), оскільки, наприклад, тканини з натуральних і хімічних волокон, як і шкірний покрив людини, мають нелінійні електрофізичні характеристики. Тому як джерело зондуючого ЕМВ доцільно використовувати біологічні генератори, зокрема, радіотеплове випромінювання шкіри людини в діапазоні міліметрових і сантиметрових хвиль (Скрипник Ю.А. Яненко А.Ф., Манойлов В.Ф. и др. Микроволновая радиометрия физических и биологических объектов / Под общ. ред. проф. Ю.А. Скрипника. - Житомир: изд-во "Волынь", 2003. - С.75-81). Проте, при такому виборі виникають труднощі у вимірюванні потужності ЕМВ, яке пройшло через досліджуваний матеріал, оскільки рівень ЕМВ, що приймається, є порівняним або навіть менше потужності власних шумів вимірювальної системи. У зв'язку з цим виникає необхідність в спеціальних способах обробки НВЧ-сигналів, що приймаються антеною вимірювальної системи (радіометром). Відомий спосіб оцінки комфортності матеріалів для одягу (Островецкая Ю.И., Супрун Н.П., Скрипник Ю.А., Яненко А.Ф. Микроволновая оценка комфортности материалов для одежды // Материалы 12-ой Международной научной конференции "СВЧ-техника и телекомуникационные технологии" (КрыМиКо-2002). - Севастополь: "Вебер". - 2002. С.561-562), який полягає в тому, що досліджуваний матеріал нагрівають до температури тіла людини, приймають антеною ЕМВ радіочастотного діапазону, яке генерується нагрітим матеріалом, подають на вхід модуляційного радіометра, фіксують його вихідну напругу, по якій роблять висновок про значення радіопрозорості. Проте, при такому способі оцінюється ослаблення радіотеплового випромінювання глибинними структурами досліджуваного матеріалу, але не враховуються відбиваючі та розсіюючі властивості досліджуваного матеріалу в підодяговому просторі. Крім того, охолодження досліджуваного матеріалу в процесі самого вимірювання викликає велику методичну похибку. Відомий також спосіб оцінки комфортності матеріалів для одягу (Патент України №59881 А, МПК G01N33/36, 2003р.), при якому розміщують досліджуваний матеріал в полі низькоінтенсивного джерела електромагнітного випромінювання, приймають антеною електромагнітне випромінювання, що пройшло через досліджуваний матеріал, отриманий вихідний сигнал періодично переривають, подають вихідний сигнал на вхід модуляційного радіометра, фіксують вихідну напругу, доводять вихідну напругу до нульового значення, фіксують значення коефіцієнта передачі 1, виводять досліджуваний матеріал із зони прийому антени, фіксують збільшення вихідної напруги модуляційного радіометра, доводять вихідну напругу до повного обнуління, фіксують друге значення коефіцієнта передачі 2, а комфортність матеріалу для одягу оцінюють числовим значенням коефіцієнта його радіопрозорості q за формулою. Відомий спосіб оцінки радіопрозорості текстильних матеріалів включає також зондування досліджуваного 52860 4 матеріалу випромінюванням тіла людини, ослаблення вихідного сигналу, прийнятого антеною, до обнуління вихідної напруги модуляційного радіометра, ослаблення прийнятого сигналу до повторного обнуління вихідної напруги модуляційного радіометра після виведення досліджуваного матеріалу із зони прийому антени. Проте, відомому способу оцінки комфортності матеріалів для одягу властива завищена оцінка радіопрозорості досліджуваного матеріалу із-за додавання до пройденого через нього зондуючого ЕМВ радіотеплового випромінювання власного випромінювання досліджуваного матеріалу завдяки його контактному нагріву від тіла людини. Різночасове порівняння малих рівнів ЕМВ, прийнятих антеною, за наявності і відсутності досліджуваного матеріалу між шкірним покривом людини і антеною, обумовлює велику випадкову похибку вимірювань, що спотворює оцінки радіопрозорості. Крім того, розглянутий спосіб оцінки комфортності матеріалів для одягу не виключає вплив власних шумів приймальної антени, які по рівню потужності порівняні з потужністю ЕМВ, що приймається, на покази модуляційного радіометра, що не дозволяє достовірно оцінювати радіопрозорість досліджуваних матеріалів з малими діелектричними втратами (натуральний шовк, тонке полотно та ін.). В основу корисної моделі покладена задача створити такий спосіб оцінки комфортності матеріалів для одягу, в якому введення нових операцій дозволило б виключити додатковий нагрів досліджуваного матеріалу в процесі вимірювань і виключити тим самим методичну і випадкову похибки, що забезпечить більш достовірну оцінку комфортності різних матеріалів для одягу. Поставлена задача вирішується тим, що в спосіб оцінки комфортності матеріалів для одягу, при якому розміщують досліджуваний матеріал в полі низькоінтенсивного джерела електромагнітного випромінювання, приймають антеною електромагнітне випромінювання, що пройшло через досліджуваний матеріал, отриманий вихідний сигнал періодично переривають, подають вихідний сигнал на вхід модуляційного радіометра, фіксують вихідну напругу, доводять вихідну напругу до нульового значення, фіксують значення коефіцієнта передачі 1, виводять досліджуваний матеріал із зони прийому антени, фіксують збільшення вихідної напруги модуляційного радіометра, доводять вихідну напругу до повного обнуління, фіксують друге значення коефіцієнта передачі 2, а комфортність матеріалу для одягу оцінюють числовим значенням коефіцієнта його радіопрозорості q за формулою, згідно з корисною моделлю, додатково формують опорний сигнал, який періодично переривають в моменти, протилежні моментам переривання вихідного сигналу, на вхід модуляційного радіометра подають опорний сигнал разом з вихідним сигналом, нульове значення вихідної напруги отримують ослабленням опорного сигналу, повне обнуління вихідної напруги здійснюють збільшенням ослаблення опорного сигналу, після фіксування коефіцієнта передачі 2, вводять в зону прийому антени металевий екран, фіксують збільшення вихідної напруги модуляційного радіо 5 метра, зменшують ослаблення опорного сигналу до нульового значення вихідної напруги, фіксують значення коефіцієнта передачі 3, а коефіцієнт радіопрозорості матеріалу обчислюють за формулою: 1 3 2 q 3 , де 1, 2 і 3 - коефіцієнти передачі змінного атенюатора у відносних одиницях при трьох послідовних обнуленнях вихідної напруги модуляційного радіометра. Доцільно, щоб як низькоінтенсивне джерело електромагнітного випромінювання використовувати тепловий генератор шуму, температуру генеруючого елементу якого встановлювати рівній середній температурі тіла людини (310К), а потік електромагнітного випромінювання теплового генератора шуму ділити на дві рівні частини, одну з яких спрямовувати в передавальну антену для створення низькоінтенсивного електромагнітного поля, що зондує досліджуваний матеріал, другу частину спрямовувати в змінний атенюатор для створення регульованого опорного сигналу. Введення операцій по формуванню опорного сигналу безпосередньо від джерела низькоінтенсивного ЕМВ, регулювання його рівня змінним атенюатором, переривання в ті моменти, коли вимірювальний сигнал від антени не переривається, додавання обох сигналів, що перериваються, дозволяє отримати один модульований за потужністю сигнал, який несе інформацію як про ЕМВ, що пройшло через досліджуваний матеріал, так і про опорний сигнал. Це забезпечує одночасність порівняння потужності ЕМВ, яке впливає на досліджуваний матеріал, і потужності ЕМВ, що пройшло крізь досліджуваний матеріал. Почергове перетворення обох сигналів в модуляційному радіометрі забезпечує отримання вихідної напруги, пропорційної різниці потужностей порівнюваних сигналів шумового характеру, незалежно від рівня потужності власних шумів вимірювальної схеми. Регулювання рівня опорного сигналу змінним атенюатором забезпечує обнулення вихідної напруги модуляційного радіометра, що виключає вплив нестабільності параметрів модуляційного радіометра на результат порівняння. Повторення вказаних операцій при виведенні досліджуваного матеріалу із зони прийому антени і введенні металевого екрану в зону прийому антени дає можливість отримання додаткових результатів порівняння основного і опорного сигналів без досліджуваного матеріалу і з металевим екраном. За результатами трьох порівнянь обчислюється радіопрозорість досліджуваного матеріалу. Використання як джерела низькоінтенсивного ЕМВ замість тіла людини теплового генератора шуму виключає додатковий нагрів досліджуваного матеріалу і створює еквівалентні умови із зондуванням досліджуваного матеріалу ЕМВ біологічного походження. Завдяки використанню нових операцій стають можливими випробування різних матеріалів для одягу в низькоінтенсивних ЕМВ, структура яких аналогічна структурі ЕМВ людського тіла, а також проведення операцій порівняння НВЧ-сигналів, що одночасно 52860 6 діють, пропорційних випромінюванню, що зондує матеріал, і випромінюванню, що пройшло крізь досліджуваний матеріал. Почергове перетворення обох порівнюваних сигналів в модуляційному радіометрі та їх зрівнювання виключає вплив нестабільності його параметрів на результат порівняння, що дає достовірнішу оцінку радіопрозорості різних матеріалів для одягу за рахунок мінімізації випадкових і систематичних похибок результатів основного і проміжних вимірювань, а також кінцевого результату. На Фіг.1 представлена електрична функціональна схема, за допомогою якої реалізується запропонований спосіб оцінки комфортності матеріалів для одягу, на Фіг.2 - залежність радіопрозорості деяких матеріалів від їх складу. Тепловий генератор шуму 1 (Фіг.1) через подільник потужності 2 живить передавальну антену 3 і змінний атенюатор 4. У електромагнітному полі передавальної антени 3 розташований досліджуваний матеріал 5. ЕМВ, що пройшло через досліджуваний матеріал 5, впливає на приймальну антену 6, вихідний надвисокочастотний сигнал якої періодично переривається ключем-модулятором 7, який керується напругою генератора 8 низької частоти. Опорний сигнал з виходу змінного атенюатора 4 переривається ключем-модулятором 9, який керується протифазною напругою генератора 8 низької частоти. Модульовані сигнали через феритові вентилі 10 і 11 поступають через хвилеводний трійник 12 на вхід підсилювача 13 надвисоких частот. Підсилений НВЧ-сигнал детектується квадратичним детектором 14, і низькочастотна напруга, яка виділялася в процесі детектування, підсилюється підсилювачем 15 низької частоти і далі випрямляється синхронним детектором 16, який керується протифазними низькочастотними напругами. Випрямлена напруга згладжується фільтром 17 нижніх частот і вимірюється вольтметром 18. Позицією 19 позначена схема модуляційного радіометра, а позицією 20 - металевий екран. Спосіб оцінки комфортності матеріалів для одягу здійснюється таким чином. В тепловому генераторі шуму 1 температуру генеруючого елементу встановлюють рівною середній температурі тіла людини (310К). Низькоінтенсивний потік ЕМВ широкого спектру коливань, який аналогічний ЕМВ тіла людини, розділяється на дві рівні частини подільником потужності 2: 1 P1 P2 P0 , (1) 2 де Р0 - потужність теплового генератора шуму 1. Одна частина потоку з потужністю Р1 випромінюється передавальною антеною 3 у вільний простір, в якому знаходиться досліджуваний матеріал 5. Випромінювана передавальною антеною 3 потужність 1 P3 1P0 , (2) 2 де 1 - коефіцієнт корисної дії передавальної антени 3. У вільному просторі, як і в підодяговому просторі, частина електромагнітної енергії відбиваєть 7 ся від досліджуваного матеріалу 5, а частина енергії розсіюється і поглинається безпосередньо досліджуваним матеріалом 5. Якщо потужність ЕМВ, що пройшла крізь досліджуваний матеріал 5, позначити через Р4, то коефіцієнт радіопрозорості P4 . (3) q P3 Потужність ЕМВ, що впливає на приймальну антену 6 P5= 2qP3+Pn, (4) де 2 - коефіцієнт корисної дії приймальної антени 6; Рn - потужність власних шумів приймальної антени 6. З врахуванням співвідношення (2) потужність прийнятого ЕМВ при ідентичних передавальній антені 3 та приймальній антені 6 ( 1= 2) 1 2 P5 qP0 Pn . (5) 2 Вихідний сигнал приймальної антени 6 періодично переривається ключем-модулятором 7, який відкривається в один з напівперіодів модулюючої напруги, яка виробляється генератором 8 низької частоти. Інша частина ЕМВ теплового генератора шуму 1 з виходу подільника потужності 2 використовується як опорний сигнал, рівень якого регулюється змінним атенюатором 4. З врахуванням ослаблення змінного атенюатора 4 потужність опорного сигналу P0 , (6) 2 10 де 1 - коефіцієнт передачі змінного атенюатора 4 у відносних одиницях; А1 - ослаблення змінного атенюатора 4 в логарифмічних одиницях (дБ). Опорний сигнал з виходу змінного атенюатора 4 також періодично переривається ключеммодулятором 9, але в сусідні напівперіоди модулюючої напруги, коли ключ-модулятор 9 пропускає сигнал приймальної антени 6. При цьому модулююча напруга поступає з інверсного виходу генератора 8 низької частоти. Обидва надвисокочастотних сигнали, що періодично перериваються, проходять через феритові вентилі 10 і 11, потім додаються в хвилеводному трійнику 12 модуляційного радіометра 19. В результаті додавання надвисокочастотних сигналів, що перериваються в різні напівперіоди роботи ключами-модуляторами 7 і 9, утворюється один модульований за потужністю сигнал, який підсилюється надвисокочастотним підсилювачем 13 і детектується квадратичним детектором 14. В результаті квадратичного детектування і усереднення з модульованого сигналу надвисокої частоти виділяється низькочастотна напруга, амплітуда огинаючої якої U1=K1S1(P6-P5)·signsin2 Ft, (7) де К1 - коефіцієнт підсилення підсилювача 13 надвисоких частот за потужністю; S1 - крутизна перетворення квадратичного детектора 14; F - частота генератора 8 низької частоти; P6 1P2 1 A1 / 10 52860 8 signsin2 Ft - прямокутна огинаюча модульованого сигналу. Напруга (7) підсилюється підсилювачем 15 низької частоти, випрямляється синхронним детектором 16, згладжується фільтром 17 нижніх частот і вимірюється вольтметром 18. Виміряна напруга має вигляд U2=K1S1K2S2K3(P6-P5), (8) де К2 - коефіцієнт підсилення підсилювача 15 низької частоти за напругою; S2 - крутизна перетворення синхронного детектора 16; К3 - коефіцієнт передачі фільтру 17 нижніх частот. Ослаблення опорного сигналу змінним атенюатором 4 змінюють до набуття нульового значення напруги на виході модуляційного радіометра 19. При цьому має місце рівність потужностей порівнюваних сигналів: P6=P5. (9) З врахуванням значень (5) і (6) маємо рівність 2 qP0+2Pn= 1P0. (10) Далі виводять досліджуваний матеріал 5 із зони прийому приймальної антени 6. При цьому показ модуляційного радіометра 19 при q=0 зростає до значення 1 2 1P0 . (11) U3 K 1S1K 2 S 2K 3 P0 Pn 2 2 Збільшують ослаблення опорного сигналу змінним атенюатором 4 до повного обнуління вихідної напруги модуляційного радіометра 19, чому відповідає рівність 1 P0 . (12) 10 A 2 / 10 де 2 - коефіцієнт передачі змінного атенюатора 4 у відносних одиницях при повторному обнулінні; A2 - ослаблення змінного атенюатора 4 в логарифмічних одиницях при повторному обнулінні. Після фіксації коефіцієнта передачі а2 змінного атенюатора 4 вводять в зону прийому приймальної антени 6 металевий екран 20. В результаті цього переривається потік ЕМВ, який виходить від передавальної антени 3. Вихідна напруга модуляційного радіометра 19 знов збільшується до значення, але з протилежною полярністю 2P0 . (13) U4 K 1S1K 2S 2K 3 Pn 2 Зменшують ослаблення опорного сигналу змінним атенюатором 4 до відновлення нульового значення вихідної напруги модуляційного радіометра 19. При U4=0 маємо 2 P0 2Pn 2P0 1 P0 (14) 10 де 1 і A3 - коефіцієнти передачі змінного атенюатора 4 при третьому обнулінні у відносних і логарифмічних одиницях. Розв'язуючи одночасно рівняння (10), (12) і (14) відносно коефіцієнта радіопрозорості q досліджуваного матеріалу 5, отримують 2Pn 3P0 A 3 / 10 9 1 3 2 q 3 . (15) З отриманого виразу (15) видно, що на обчислене значення коефіцієнта радіопрозорості q не впливають параметри, а, отже, і їх нестабільність, модуляційного радіометра 19 (K1,S1,K2,S2,K3), непостійність рівня випромінюваного ЕМВ (P0), рівень власних шумів приймальної антени 6 (Рn), значення коефіцієнта корисної дії передавальної антени 3 ( 1) і приймальної антени 6 ( 2), а також власні шуми високочастотних і низькочастотних перетворюючих ланок модуляційного радіометра 19. В порівнянні із способом-прототипом, повністю виключений додатковий нагрів досліджуваного матеріалу 5 від джерела ЕМВ. Одночасність порівняння малих рівнів ЕМВ, прийнятих приймальною антеною 6, з аналогічним рівнем опорного сигналу мінімізує випадкові похибки вимірювань, що підвищує достовірність оцінки комфортності різних матеріалів для одягу. Для чисельної оцінки радіопрозорості за формулою (15) необхідні значення коефіцієнтів передачі змінного атенюатора 4 у відносних одиницях. В той же час, змінні атенюатори, що випускаються промисловістю, градуюються в логарифмічних одиницях (дБ), які пов'язані з відносними одиницями співвідношенням PВХ , (16) РВИХ де РВХ і РВИХ - вхідна і вихідна потужності змінного атенюатора 4. Зворотне відношення потужностей (РВИХ/РВХ) і є відносним значенням коефіцієнта передачі змінA 10 lg 52860 10 ного атенюатора 4. У зв'язку з прийнятим градуюванням атенюаторів в логарифмічних одиницях зручно оцінювати і радіопрозорість різних матеріалів в цих одиницях (дБ). На Фіг.2, як приклад, представлена гістограма розподілу деяких матеріалів за радіопрозорістю в логарифмічних одиницях. Перерахунок результатів оцінки радіопрозорості за формулою (15) в логарифмічних одиницях відбувається згідно з співвідношенням 1 3 . (17) 10 lg 2 q 1 3 З гістограми розподілу деяких матеріалів за радіопрозорістю видно, що найбільш радіопрозорі матеріали з натуральних волокон (вовна, бавовна, шовк). В міру збільшення відсоткового вмісту хімічних волокон в матеріалах їх радіопрозорість істотно знижується. Останнє означає, що електромагнітний обмін організму людини з довкіллям погіршується. Цим можна пояснити відчуття дискомфорту, яке спостерігається у людей в одязі з великим вмістом хімічних волокон (синтетики). Запропонований спосіб оцінки комфортності матеріалів для одягу дозволяє оптимізувати підбір пакетів матеріалів для одягу по критерію максимально можливої радіопрозорості. В той же час для захисного одягу, який повинен ослабляти зовнішні ЕМВ високої інтенсивності, необхідно здійснювати підбір матеріалів з результуючою мінімальною радіопрозорістю, але із збереженням необхідних гігієнічних, екологічних та естетичних норм. Ap 10 lg 11 Комп’ютерна верстка А. Рябко 52860 Підписне 12 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601