ISO 18640-1:2018
(Main)Protective clothing for firefighters — Physiological impact — Part 1: Measurement of coupled heat and moisture transfer with the sweating torso
Protective clothing for firefighters — Physiological impact — Part 1: Measurement of coupled heat and moisture transfer with the sweating torso
This document provides a test method for evaluating the physiological impact of protective fabric ensembles and potentially protective clothing ensembles in a series of simulated activities (phases) under defined ambient conditions. This standard test method characterizes the essential properties of fabric assemblies of a representative garment or clothing ensemble for thermo-physiological assessment: — dry thermal insulation; — cooling properties during average metabolic activity and moisture management (dry and wet heat transfer); — drying behaviour. Default measurements are done on fabric samples representing the garment or protective clothing combination. Optionally and in addition to the standard test method, the same testing protocol can be applied to characterise more complex protective clothing ensembles including underwear, air layer and certain design features[1]. In addition, measurements on readymade garments are possible. This test method is intended to be used to measure and describe the behaviour of fabric assemblies of a garment or clothing ensemble in response to a simulated series of activities under controlled laboratory conditions, with the results used to optimize garment combinations and material selection. Furthermore, this document together ISO 18640-2, is intended to be used to describe the thermo-physiological impact of protective clothing but not the risk for heat stress under actual fire conditions. The results of this test can be used as elements of a risk assessment with respect to thermo-physiological load. [1] A study conducted by Empa (Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology, Switzerland) showed good correlation between results of standard torso tests (without underwear and air layers on fabrics) to tests on fabrics with underwear, tests on fabrics with underwear and air layers and test on readymade garments (with underwear and with or without air layers) of the same material composition. Due to the added thermal insulation values of the additional layers direct comparison of results between different measurement configurations is not possible, however.
Vêtements de protection pour sapeurs-pompiers — Effet physiologique — Partie 1: Mesurage du transfert couplé de chaleur et d'humidité à l'aide du torse transpirant
Le présent document fournit une méthode d'essai permettant d'évaluer l'effet physiologique d'ensembles d'étoffes de protection et d'ensembles vestimentaires potentiellement protecteurs au cours d'une série d'activités simulées (phases) dans des conditions ambiantes définies. Cette méthode d'essai normalisée caractérise les propriétés essentielles des assemblages d'étoffes d'un vêtement ou d'un ensemble de vêtements représentatifs pour l'évaluation thermo-physiologique: — isolation thermique à sec; — propriétés de refroidissement pendant une activité métabolique moyenne et de gestion de l'humidité (transfert de chaleur à sec et à l'état humide); — comportement au séchage. Des mesures par défaut sont réalisées sur des échantillons d'étoffe représentant le vêtement ou la combinaison de vêtements protecteurs. À titre facultatif et en plus de la méthode d'essai normalisée, le même protocole d'essai peut être appliqué pour caractériser des ensembles de vêtements de protection plus complexes, comprenant des sous-vêtements, des couches d'air et certaines caractéristiques de conception[1]. Des mesures sont en outre réalisables sur des vêtements prêts à porter. La présente méthode d'essai est destinée à être utilisée pour mesurer et décrire le comportement des assemblages d'étoffes d'un vêtement ou d'un ensemble de vêtements en réponse à une série d'activités simulée dans des conditions maîtrisées en laboratoire, les résultats étant utilisés pour optimiser les combinaisons de vêtements et le choix des matériaux. De plus, le présent document, conjointement avec l'ISO 18640‑2, est destiné à être utilisé pour décrire l'effet thermo-physiologique des vêtements de protection, mais pas le risque de contrainte thermique dans des conditions réelles d'incendie. Les résultats de cet essai peuvent être utilisés comme éléments d'une appréciation du risque en fonction de la charge thermo-physiologique. [1] Une étude réalisée par Empa (Laboratoires fédéraux de la Suisse pour les matériaux, la science et la technologie) a montré une bonne corrélation entre les résultats des essais menés sur un torse normalisé (sans sous-vêtements ni couches d?air sur les étoffes) et les essais d?étoffes avec sous-vêtements, les essais d?étoffes avec sous-vêtements et couches d?air et les essais de vêtements prêts à porter (avec sous-vêtements et avec ou sans couches d'air) de la même composition de matériau. En raison des valeurs ajoutées d?isolation thermique des couches supplémentaires, une comparaison directe des résultats entre les différentes configurations de mesurage est cependant impossible.
General Information
Relations
Standards Content (Sample)
INTERNATIONAL ISO
STANDARD 18640-1
First edition
2018-05
Protective clothing for firefighters —
Physiological impact —
Part 1:
Measurement of coupled heat and
moisture transfer with the sweating
torso
Vêtements de protection pour sapeurs-pompiers — Impact
physiologique —
Partie 1: Mesurage du transfert de masse et de la chaleur couplé de
chaleur et d'humidité à l'aide du torse transpirant
Reference number
©
ISO 2018
© ISO 2018
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Published in Switzerland
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Contents Page
Foreword .v
Introduction .vi
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Symbols and abbreviations . 4
5 Apparatus . 4
5.1 Sweating torso . 5
5.1.1 General. 5
5.1.2 Heated cylinder . 6
5.1.3 Thermal guard sections . 6
5.1.4 Heating and temperature control . 6
5.1.5 Temperature measurement . 6
5.1.6 Simulation of perspiration . 6
5.1.7 Wicking layer . 6
5.1.8 Balance torso weight . 7
5.2 Computer, control system and data acquisition . 7
5.2.1 General. 7
5.2.2 Computer and measurement software . 7
5.2.3 Control system . 7
5.2.4 Data acquisition . 7
5.2.5 Measurement control options . 7
5.3 Climatic chamber . 8
5.3.1 General. 8
5.3.2 Climatic chamber sensors . 8
5.4 Fan system . 8
5.5 Sweat water supply . 8
5.5.1 Gravimetric sweat water control system . 9
5.6 Simulation of air layers .10
6 Sampling and test specimens .11
6.1 General .11
6.1.1 Size of samples.11
6.1.2 Type of test specimen .11
6.1.3 Garment/ensemble specification .11
6.2 Number of test specimens .11
7 Specimen preparation .11
7.1 Pre-treatment .12
7.2 Conditioning .12
8 Measurement procedure .12
8.1 Test preparation .12
8.1.1 Preparation of climatic chamber .12
8.1.2 Wind speed .12
8.2 Specimen testing .13
8.2.1 General.13
8.2.2 Dressing the torso .14
8.2.3 Recording specimen identification and test observations .14
8.2.4 Starting the test .14
8.2.5 Calculated values .15
9 Test report .18
9.1 General .18
9.2 Specimen identification .18
9.3 Experiment conditions .18
9.4 Calculated results.18
10 Maintenance and calibration .19
10.1 Maintenance .19
10.1.1 Sweat water tank .19
10.1.2 Valve checks .19
10.2 Calibration .19
10.2.1 General.19
10.2.2 Correction value for thermal resistance, R .
ct0 (torso) 19
10.2.3 Wicking layer .19
10.2.4 torso temperature sensors .20
10.2.5 torso heating power .20
10.2.6 torso sweat rate .20
10.2.7 Environmental conditions .20
10.3 Experiments with a standard fabric (optional) .20
Annex A (informative) torso size and materials definition .21
Annex B (informative) Calibration .25
Annex C (informative) Example of data evaluation .27
Annex D (informative) Sample check list .31
Annex E (informative) Validation of the measurement device .32
Annex F (informative) Example Matlab code .33
Bibliography .37
iv © ISO 2018 – All rights reserved
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards
bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out
through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
committee has been established has the right to be represented on that committee. International
organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.
ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of
electrotechnical standardization.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are
described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular the different approval criteria needed for the
different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the
editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www .iso .org/directives).
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of
patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of
any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or
on the ISO list of patent declarations received (see www .iso .org/patents).
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
constitute an endorsement.
For an explanation on the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and
expressions related to conformity assessment, as well as information about ISO's adherence to the
World Trade Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT) see the following
URL: www .iso .org/iso/foreword .html.
This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 94, Personal safety, Subcommittee SC 14,
Firefighters PPE.
A list of all parts in the ISO 18640 series can be found on the ISO website.
Introduction
The main functions of protective clothing are protection against hazards and maintenance of health and
comfort for the wearer. Furthermore, protective clothing against heat and flame prevents the wearer
from health risks or even life threatening heat stress in extreme environmental conditions. Today’s
standards provide requirements for the protective properties of protective clothing against heat and
flame. However, the higher the protective properties of such clothing, the less the heat originating
from the human body is dissipated. Firefighters reach metabolic rates above 500 W/m during their
[5][6] [7]
work . Thereof 75-85 % is released as heat , which has to be dissipated from the human body
by thermo-regulative processes to avoid an increase in body core temperature. If heat dissipation is
not restricted, the human body is able to maintain its temperature in the range of 36,5 °C to 37,5 °C
[8]
(normothermia) . However, in harsh environmental conditions and/or in situations of restricted heat
dissipation due to protective clothing the human body is not able to maintain body core temperature
within normothermia and suffers from heat stress. The working performance is gradually reduced and
[16]
any further increases in body core temperature can become life threatening . To reduce the risk of
heat stress during high intensity physical activities, protective clothing should additionally be assessed
with regard to its impact on human thermoregulation and heat stress.
Different approaches exist for the assessment of thermo-physiological impact. On the one hand,
established standard parameters such as water vapour resistance, R , and thermal insulation, R , of
et ct
fabric samples are considered with regard to thermo-regulative impact. However, these parameters do
not fully reflect the real impact of protective clothing; for example, moisture management properties
and the combined effect of heat and moisture transfer are not considered. On the other hand, human
subject trials reveal real thermo-physiological responses for a specific environmental condition
and protective clothing ensemble. However, the outcome of this methodology does not only refer to
the intrinsic properties of material samples but are influenced also by the design of the clothing and
trapped air layers within the clothing. Furthermore, human subject trials are very time consuming and
expensive, constricted by ethical guidelines and provide findings related to the collective of participants
included. Thus, reproducibility between laboratories might be limited. The use of thermal manikins
overcomes the limitations for human subject trials. As for human subject trials, full body manikins
provide findings on ready-made protective garments including design and fit. Hence, the attribution to
intrinsic material properties remains difficult.
A methodology referring to intrinsic clothing properties and taking into account combined heat and
[9][10]
moisture transfer is the Sweating torso . Sweating torso device is an upright standing heated
[11]
cylinder, representing the surface of a human trunk, with the ability for perspiration . The clothing
sample is investigated by wrapping specimens around the sweating torso. Three phases are run to
measure dry thermal insulation, dry and wet heat transfer and drying properties. Findings from the
Sweating torso have been validated with standard methodologies, such as sweating guarded hotplate,
[11]
and were shown to be highly reproducible . Furthermore, validation studies have been conducted
to relate human thermos-physiological measurements to Sweating torso findings under realistic
environmental conditions and activities for firefighters. Based on this knowledge, guidelines are
provided for intrinsic textile properties based on thermo-physiological responses. In addition to the
standard procedure described above, the impact of more complex protective clothing systems including
underwear, air gaps and/or design features is investigated optionally applying the same experimental
protocol described in this document.
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 18640-1:2018(E)
Protective clothing for firefighters — Physiological
impact —
Part 1:
Measurement of coupled heat and moisture transfer with
the sweating torso
1 Scope
This document provides a test method for evaluating the physiological impact of protective fabric
ensembles and potentially protective clothing ensembles in a series of simulated activities (phases)
under defined ambient conditions. This standard test method characterizes the essential properties
of fabric assemblies of a representative garment or clothing ensemble for thermo-physiological
assessment:
— dry thermal insulation;
— cooling properties during average metabolic activity and moisture management (dry and wet heat
transfer);
— drying behaviour.
Default measurements are done on fabric samples representing the garment or protective clothing
combination. Optionally and in addition to the standard test method, the same testing protocol can be
applied to characterise more complex protective clothing ensembles including underwear, air layer and
1)
certain design features . In addition, measurements on readymade garments are possible.
This test method is intended to be used to measure and describe the behaviour of fabric assemblies of a
garment or clothing ensemble in response to a simulated series of activities under controlled laboratory
conditions, with the results used to optimize garment combinations and material selection. Furthermore,
this document together ISO 18640-2, is intended to be used to describe the thermo-physiological impact
of protective clothing but not the risk for heat stress under actual fire conditions. The results of this test
can be used as elements of a risk assessment with respect to thermo-physiological load.
2 Normative references
The following documents are referred to in the text in such a way that some or all of their content
constitutes requirements of this document. For dated references, only the edition cited applies. For
undated references, the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.
ISO 3696, Water for analytical laboratory use — Specification and test methods
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the following terms and definitions apply.
1) A study conducted by Empa (Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology, Switzerland)
showed good correlation between results of standard torso tests (without underwear and air layers on fabrics) to
tests on fabrics with underwear, tests on fabrics with underwear and air layers and test on readymade garments (with
underwear and with or without air layers) of the same material composition. Due to the added thermal insulation
values of the additional layers direct comparison of results between different measurement configurations is not
possible, however.
ISO and IEC maintain terminological databases for use in standardization at the following addresses:
— ISO Online browsing platform: available at https: //www .iso .org/obp
— IEC Electropedia: available at http: //www .electropedia .org/
3.1
cooling delay
CD
time delay until the effect of evaporation cooling will be detected in an experimental phase with
simulated activity and sweating
Note 1 to entry: The cooling delay is given in minutes.
3.2
evaporated sweat water
fraction of supplied sweat water which is evaporated in active phase with sweating
3.3
experimental phase
part of an experiment with a defined sweat rate and surface temperature or heating power; an
experiment can consist of multiple phases
Note 1 to entry: Each phase simulates a specific situation with defined temperature or heating power and sweat
rate settings. A standard experiment consists of three phases.
3.4
initial cooling
IC
rate at which temperature changes after cooling delay CD in an experimental phase simulating activity
with sweating
Note 1 to entry: The initial cooling is given in degrees (°C) per hour.
3.5
moisture uptake
amount of moisture stored in clothing system determined by torso weight
Note 1 to entry: The moisture uptake is given in grams.
3.6
post cooling
PC
end of cooling period in an experimental phase without sweating and heating power corresponding to a
human being at rest following a simulated activity
Note 1 to entry: The evaporation of stored moisture will extract energy from the sweating torso which can be
detected in a decrease of the surface temperature.
Note 2 to entry: The post cooling is given in minutes.
3.7
phase profile
series of experimental phases which define the experiment
3.8
sustained cooling
SC
rate at which temperature changes towards the end of an experimental phase simulating activity with
sweating (steady state of cooling)
Note 1 to entry: The sustained cooling is given in degrees (°C) per hour.
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3.9
spacer
air layer
frame or setup to add a defined air layer between torso surface and protective garment to be tested
Note 1 to entry: Simulation of air layers which are typically observed in real use. An air layer influences overall
thermal resistance and moisture transport. A spacer may be used to simulate a defined air layer.
3.10
sweat water
supply of water used to simulate sweating
3.10.1
gravimetric system to deliver sweat water
control of sweat water delivery using a tank on a balance with a defined height difference to the sweat
nozzles to deliver the set amount of water by opening and closing valves in a calibrated interval
Note 1 to entry: Other ways of sweat water deliver may be used as long as the requirements of this document are
fulfilled.
3.11
thermal resistance
R
ct (torso)
calculated at steady state from the difference between torso surface temperature and ambient
temperature, the surface area of the device and the heating power needed to maintain the temperature
difference
Note 1 to entry: The thermal insulation is given in m ∙K/W.
3.11.1
correction value for R
ct (torso)
R
ct0 (torso)
thermal resistance measurement without a sample on the sweating torso to determine a system specific
correction value for the thermal resistance R
ct (torso)
Note 1 to entry: Thermal resistance as defined above depends on the geometry of the apparatus, convective
conditions (wind or still air) and ambient conditions. R is a cumulative measure of this and might differ
ct0 (torso)
slightly from device to device and installation to installation. By taking it into account differences in results from
different installations can be reduced.
3.12
torso balance
device used to measure torso weight
3.13
torso surface temperature
average temperature on the surface of the measurement area of the torso
3.14
torso weight
overall weight of the sweating torso and test object during a test
3.15
total sweat water
amount of water supplied to torso surface during an active phase with sweating
3.16
wicking layer
thin hydrophilic textile layer with defined moisture transport and thermal properties used for
homogeneous sweat water distribution
3.17
wind speed
ambient velocity of air flow around the torso during an experiment
Note 1 to entry: To avoid undefined boundary air layers due to random air exchange in the chamber and the
temperature difference between torso surface and climatic chamber a fan system is used. The fan system
consists of ventilators to achieve a set homogeneous wind speed at the torso surface of 1 m/s (turbulence level of
up to 25 % measured with a hot-wire anemometer).
4 Symbols and abbreviations
CD Cooling delay, in minutes
HDPE High Density Polyethylene
IC Initial cooling in °C/h
PC Post cooling, in minutes
PTFE Polytetrafluoroethylene
R Thermal resistance in m ∙K/W
ct (torso)
R Correction value for R
ct0 (torso) ct (torso)
RH Relative humidity
SC Sustained cooling, in °C/h
THS Thermal Human Simulator
5 Apparatus
The sweating torso is an upright standing cylindrical test apparatus, simulating the human trunk with
thermal guards on the upper and lower end (see Figure 1). The apparatus is equipped with heating foils,
sweating nozzles, a multi-layer shell (simulation of the skin layers) and electronics to control the valves
and sensors.
The whole measurement system (see Figure 1) consists of the sweating torso (key element 1) on a
balance (key element 2) positioned in a climatic chamber. A fan system (key element 3) is used to set
the wind speed. The control system (key element 4) power supplies, controllers, and computer with
data acquisition) can be placed either inside or outside the chamber. A sweat water tank positioned
outside the climatic chamber placed on a balance (key element 5) provides the water to the sweating
nozzles. The water supply is controlled by valves.
NOTE The design and control system of the sweating torso has been validated in numerous research
projects with respect to different types of clothing systems for the assessment of coupled heat and mass transfer
(see Annex E).
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Key
1 torso 6 climatic chamber
2 torso balance 7 environmental sensors
3 fan system 8 frame to minimize influence of wind
4 control system 9 wall of climatic chamber with opening for cables
5 sweat water balance 10 computer, monitor and printer
Figure 1 — Example of torso system
5.1 Sweating torso
5.1.1 General
The sweating torso was designed to simulate the human trunk. The cylinder shall consist of an
2)
aluminium tube a layer each of HDPE- and PTFE which has an outer diameter of (30,0 ± 0,25) cm
(circumference of ~94,25 cm) and a length of (46,0 ± 0,25) cm .Heating foils are situated inside the
aluminium tube. On the lower and upper end of the upright standing cylinder there are thermal guards
with individually controlled heating. There are temperature sensors in the aluminium part (Pt-100
sensors or equivalent) as well as on the surface of the measurement cylinder (Ni wires or equivalent).
The electronic components to control the valves for the 54 sweating nozzles can be situated in the lower
guard (see Figure A.1) or in an electronic box outside the torso. Transducers converting the resistance
values of the temperature sensors may also be located here. Also data acquisition and temperature
controlling electronics or parts of these may be placed in the cavity of the guards. Care has to be taken
that the heating power of these components shall not disturb temperature control of lower guards and,
hence, affect measures obtained from main cylinder.
2) HDPE: High density Polyethylene. E.g. PAS-PE3, thermal conductivity: (0,41 ± 0,02) W/(m·K); thermal
capacity: (2,0 ± 0,3) kJ/(kg∙K).
The compartment between cylinder and guards shall be separated by thermally insulating discs
(thermal conductivity less than 0,35 [W/m·K]) to limit heat exchange between the measurement
cylinder and the guards. A more detailed technical description is given in Annex A.
The mass of cylinder, thermal guards and equipment shall be designed to have a mass of ~(82,5 ± 2,5) kg.
5.1.2 Heated cylinder
The central part of the torso is the area where the measurement takes place (surface area: ~0,433 5 m ).
The internal aluminium tube is covered by layers of synthetic material with similar thermal properties
as the human skin (6 mm HDPE and PTFE foil, see Annex A).
5.1.3 Thermal guard sections
There is a thermal guard on each end of the measurement cylinder made of aluminium of the same
diameter as the measurement cylinder. These two segments are controlled and heated separately to
ensure that there is no parasitic heat flow from or to the measurement cylinder which is supported
by the insulating discs between the sections. In addition, the space in the lower guard can be used to
incorporate the electronics to register temperatures and to control the valves.
The upper guard has a conical end and is smaller compared to the lower guard to allow donning of
readymade garments to the device.
5.1.4 Heating and temperature control
Heating elements shall be provided for each segment of the torso. Power supplies and means to regulate
the temperature and heating power of each segment are needed. The power supplies shall be able to
provide an output power of at least 500 W for the measurement cylinder and 240 W for each of the guards.
5.1.5 Temperature measurement
Temperature sensors (Pt100 or equivalent) in the aluminium part of the torso and nickel wires (or
equivalent) for integral assessment of the surface temperature are used to control and monitor the
temperature in the individual segments of the torso device. Optionally additional sensors placed
close to the outer layers can be used for Thermal Human Simulator (THS) measurements according to
ISO 18640-2. Temperature sensors shall have an accuracy of at least 0,1 °C in the range from 15 °C to
50 °C. See A.7 for more details.
5.1.6 Simulation of perspiration
Hardware to control sweat water supply is needed. This can be a gravimetric sweat water control
system (see 5.5.1) or any other system capable to fulfil the requirements of 5.5. Temperature of the
water coming out of the nozzles shall be within 0,5 °C of the temperature of the measurement cylinder.
NOTE The inner diameter and length of the tubes from the water storage to the nozzles will influence the
amount of water delivered.
5.1.7 Wicking layer
A thin hydrophilic textile layer with defined moisture transport and thermal properties shall be used
for homogeneous moisture distribution on the torso surface. The wicking layer shall be applied for all
measurements and fulfil the requirements according to Table 1. This shall provide a sufficiently even
[16]
sweat water distribution also when testing combinations with hydrophobic inner surfaces .
2 [14]
NOTE 1 The human skin has 50 to 250 sweat glands per cm varying for body areas while torso contains
0,01 sweating nozzles per cm only. The use of a wicking layer with good, symmetrical wicking properties and
insignificant added thermal insulation will ensure even spread of the moisture.
6 © ISO 2018 – All rights reserved
Table 1 — Requirements for wicking layer
Property Standard Value/range unit
Thickness ISO 5084 0,8 ± 0,15 mm
Weight (gsm) ISO 3801 200 ± 10 g/m
Wetting time (MMT top/bottom) <3,5 (class fast) s
AATCC 195
Max. wetted radius (MMT top/bot-
>20 (class large) mm
tom)
Thermal insulation Rct ISO 11092 0,01 ± 0,005 m ·K/W
NOTE 2 Textiles are subjected to aging and will potentially change
5.1.8 Balance torso weight
A scale with computer interface and a range of at least 100 kg with a minimum precision of 1 g is used
to monitor the weight course of the torso and specimen during experiments.
5.2 Computer, control system and data acquisition
5.2.1 General
A control system consisting of the electronics to control temperature, power supplies, computer and
data acquisition is used to control an experiment.
5.2.2 Computer and measurement software
To control the measurement a computer with appropriate software is used. Temperature and heating
power control can be achieved by dedicated controllers or software control of the power supplies.
The balances used to assess the torso weight and potentially register sweat water output are attached
over a software compatible interface to the computer.
A data acquisition system attached to the computer shall be used to measure and register all sensor
data and control sweat rate.
5.2.3 Control system
Power supplies and electronics are needed to control the temperature and heating power of the three
sections of the torso system and the sweat rate of the measurement section.
5.2.4 Data acquisition
Data acquisition shall provide enough channels to register all temperature signals, heating powers, and
mass readings (as a means to control the sweat rate).
5.2.5 Measurement control options
The torso can be controlled with the following mechanisms:
— Defined surface temperature: The surface temperature of the three segments of the torso will be
set to a defined value. This allows, for example, the calculation of thermal insulation in steady state
condition of phase 1 of a standard measurement.
— Defined heating power: The heating power of the measurement cylinder is set to a defined value.
The surface temperature of the guards is set corresponding to the temperature of the measurement
cylinder (guard function). This setting is used to simulate different activity levels in phases 2 and 3
of standard measurement.
— Defined sweat rate: Torso sweating is controlled by releasing a defined amount of purified water (see
5.5) per time unit Sweating is usually combined with constant heating power for a static simulation
of an activity (e.g. phase 2 of a standard measurement).
NOTE Torso parameters can also be controlled by THS (Thermal Human Simulator) where a thermo-
physiological model is coupled to the torso as described in ISO 18640-2.
5.3 Climatic chamber
5.3.1 General
Measurements take place in controlled climatic conditions. The climatic chamber shall fulfil the
following requirements:
— Minimal size of 2,5 m × 2 m × 2 m (length × width × height). Torso and fan system shall have a
minimal distance of 0,5 m to the walls;
— Temperature range of 15 °C to 50 °C (with an accuracy of ±0,5 °C); temperature of the walls, floor
and ceiling shall not differ more than 1 °C from the mean air temperature in the chamber;
— Relative ambient humidity range between 25 % RH and 75 % RH (with an accuracy of ±5 %).
— The air flow from ventilation of the chamber shall not be higher than 0,25 m/s (averaged over 3
minutes) independent of the direction. Measure the contribution of the chamber ventilation system
to the wind speed while the fan system is turned off.
Ambient conditions shall be registered during experiments.
5.3.2 Climatic chamber sensors
To monitor the air temperature in the chamber during the test, a single sensor with an overall accuracy
of ±0,1 °C and a time constant not exceeding 1 min may be used.
Any humidity sensing device with an accuracy of at least ±5 % relative humidity and a repeatability of
±3 % is acceptable.
For measuring the air speed in the climatic chamber an omni-directional anemometer with ±0,05 m/s
accuracy shall be used. Measurements shall be averaged for at least 3 min at locations spaced at equal
height intervals (0,5 ± 0,1) m around the torso.
5.4 Fan system
Heat flux from the torso surface is influenced by the wind conditions at the surface. The fan system
shall be suitable to produce wind of (1 ± 0,1) m/s (up to 25% of turbulence level) at the surface of the
torso (see 8.1.2). The distance of the fan system to the torso shall be at least 1,9 m.
NOTE Air circulation in climatic chambers affects stability of the climate and rates of changing climatic
conditions. This air circulation will lead to different wind conditions on the surface of the torso as well. Additional
air flow due to air circulation of the chamber has to be assessed.
5.5 Sweat water supply
Distilled water (ISO 3696, grade 2) or purified water (ISO 3696, grade 1) shall be used as sweat water.
Sweat water can be supplied by a gravimetric system as defined in 5.5.1 or any other system capable of
providing reproducible sweat rates for each nozzle capable to achieve sweat rates between 0 and 1,5 l/
m ·h (according to Annex A).
The temperature of the supplied sweat water shall be within 0,5 °C of the temperature of the
measurement cylinder.
8 © ISO 2018 – All rights reserved
5.5.1 Gravimetric sweat water control system
A tank positioned on a scale with computer interface and a range of at least 5 kg with a minimum
precision of 0,1 g is used to monitor sweat water release. The tank is positioned at a constant, defined
height with respect to the sweat nozzles (see Figure 2), which are connected to valves that can be
electronically opened and closed. The average height difference between nozzles and sweat water tank
shall be at least 70 cm.
Digital output signals from the data acquisition device are used to control valves for each nozzle. The
nozzles are fed with sweat water by opening and closing the attached valves. The amount of sweat
water is set by adjusting the opening frequency and duration of the valves. The opening time shall be
kept constant since a minimal opening time has to be respected in order to get reproducible droplets of
defined size at the nozzles. The opening interval for a set sweat water rate shall be calibrated for each
valve separately.
NOTE 1 Height differences of ~85 cm between the nozzles and the storage tank have proved to be sufficient to
produce reproducible droplets at an opening time of 200 ms when using tubes of 0,5 mm diameter and 1m length
from valve to nozzle. For different opening times pressure difference or tube resistance will have to be adjusted.
NOTE 2 If it is intended to do experiments at low ambient temperature and even freezing conditions the tube
for the water supply to the torso has to be insulated or, preferably, heated (e.g. Heating tube Isopad IHH 105,
NW4, WISAG, Zurich, Switzerland).
Figure 2 shows the schematic drawing of the configuration of sweat water calibration. The amount of
sweat water delivered with the above described system is reproducible but not linear with respect to
interval between openings (see Annex B for details regarding calibration procedure).
a
Water level in sweat water tank (on balance).
b
Height difference between sweating nozzle and sweat water tank level.
c
Level of sweating nozzle.
Figure 2 — Schematics of water supply
5.6 Simulation of air layers
Air layers between the garments and the body influence the total thermal insulation and also moisture
transfer. As the main purpose of this is to evaluate the influence of the garment or fabric layer system
and to get results with a high reproducibility air layers are minimized in standard torso testing.
NOTE 1 Air layer distribution of a garment on the human body is dependent on parameters such as body shape,
size and cut of the garment, body posture and layers worn below the garment. Prediction of air layer distribution
for each particular case is not possible. Statistical assessment considering an average body shape and assuming a
specific posture is possible.
For specific applications air layers can be introduced in addition to the
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 18640-1
Première édition
2018-05
Vêtements de protection pour
sapeurs-pompiers — Effet
physiologique —
Partie 1:
Mesurage du transfert couplé de
chaleur et d'humidité à l'aide du torse
transpirant
Protective clothing for firefighters — Physiological impact —
Part 1: Measurement of coupled heat and moisture transfer with the
sweating torso
Numéro de référence
©
ISO 2018
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être demandée à l’ISO à l’adresse ci-après ou au comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.
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Fax: +41 22 749 09 47
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Publié en Suisse
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Sommaire Page
Avant-propos .v
Introduction .vi
1 Domaine d'application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 2
4 Symboles et abréviations . 4
5 Appareillage . 4
5.1 Torse transpirant . 5
5.1.1 Généralités . 5
5.1.2 Cylindre chauffé . 6
5.1.3 Sections de protection thermique . . 6
5.1.4 Chauffage et régulation de la température . 6
5.1.5 Mesurage de la température . 6
5.1.6 Simulation de la transpiration . 6
5.1.7 Couche drainante . . 7
5.1.8 Balance de mesure de la masse du torse. 7
5.2 Ordinateur, système de commande et acquisition de données . 7
5.2.1 Généralités . 7
5.2.2 Ordinateur et logiciel de mesure. 7
5.2.3 Système de commande . 7
5.2.4 Acquisition de données . 8
5.2.5 Options de maîtrise du mesurage . 8
5.3 Enceinte climatique . 8
5.3.1 Généralités . 8
5.3.2 Capteurs de l'enceinte climatique . 8
5.4 Système de ventilation . 9
5.5 Alimentation en eau simulant la sueur . 9
5.5.1 Système gravimétrique de commande de l'eau simulant la transpiration . 9
5.6 Simulation des couches d'air .10
6 Échantillonnage et éprouvettes d’essai .11
6.1 Généralités .11
6.1.1 Dimensions des échantillons .11
6.1.2 Type d'éprouvette d’essai .12
6.1.3 Spécification du vêtement/ensemble de vêtements .12
6.2 Nombre d'éprouvettes d’essai .12
7 Préparation des éprouvettes .12
7.1 Traitement préalable .12
7.2 Conditionnement .13
8 Mode opératoire de mesurage .13
8.1 Préparation de l'essai .13
8.1.1 Préparation de l'enceinte climatique .13
8.1.2 Vitesse du vent .13
8.2 Essais sur éprouvettes .14
8.2.1 Généralités .14
8.2.2 Habillage du torse .15
8.2.3 Enregistrement de l'identification de l'éprouvette et des observations au
cours de l'essai . .15
8.2.4 Démarrage de l'essai .15
8.2.5 Valeurs calculées .16
9 Rapport d'essai .19
9.1 Généralités .19
9.2 Identification de l'éprouvette .19
9.3 Conditions expérimentales .19
9.4 Résultats calculés .20
10 Maintenance et étalonnage .20
10.1 Maintenance .20
10.1.1 Réservoir d'eau simulant la sueur .20
10.1.2 Vérifications des vannes .20
10.2 Étalonnage .20
10.2.1 Généralités .20
10.2.2 Valeur de correction de la résistance thermique R .
ct0 (torse) 20
10.2.3 Couche drainante . .21
10.2.4 Capteurs de température du torse .21
10.2.5 Puissance de chauffage du torse .21
10.2.6 Débit sudoral du torse . .21
10.2.7 Conditions environnementales .21
10.3 Expériences avec une étoffe étalon (facultatives) .21
Annexe A (informative) Dimensions du torse et définition des matériaux .23
Annexe B (informative) Étalonnage .27
Annexe C (informative) Exemple d'évaluation des données .29
Annexe D (informative) Exemple de liste de contrôle .33
Annexe E (informative) Validation du dispositif de mesurage .34
Annexe F (informative) Exemple de code MATLAB .35
Bibliographie .39
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Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux.
L'ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui
concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier, de prendre note des différents
critères d'approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été
rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir www
.iso .org/directives).
L'attention est attirée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable
de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant
les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de
l'élaboration du document sont indiqués dans l'Introduction et/ou dans la liste des déclarations de
brevets reçues par l'ISO (voir www .iso .org/brevets).
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
engagement.
Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions
spécifiques de l'ISO liés à l'évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l'adhésion
de l'ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles
techniques au commerce (OTC), voir www .iso .org/avant -propos.
Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 94, Sécurité individuelle, sous-comité
SC 14, Équipements individuels pour les sapeurs-pompiers.
Une liste de toutes les parties de la série ISO 18640 se trouve sur le site Web de l’ISO.
Introduction
Les principales fonctions des vêtements de protection sont d’assurer une protection contre les
phénomènes dangereux et de préserver la santé et le confort de l'utilisateur. En outre, les vêtements
de protection contre la chaleur et la flamme protègent l'utilisateur des risques pour sa santé ou même
d'une contrainte thermique mettant sa vie en danger dans des conditions environnementales extrêmes.
Les normes actuelles fournissent les exigences relatives aux propriétés de protection des vêtements de
protection contre la chaleur et la flamme. Toutefois, plus les propriétés de protection de ces vêtements
sont élevées, moins la chaleur provenant du corps humain est dissipée. Les sapeurs-pompiers atteignent
2 [5][6]
des métabolismes énergétiques supérieurs à 500 W/m pendant leurs activités . Parmi ceux-ci, 75 %
[7]
à 85 % sont libérés sous forme de chaleur , qui doit être dissipée du corps humain par des processus de
thermorégulation afin d'éviter une augmentation de la température corporelle centrale. Si la dissipation
thermique n'est pas limitée, le corps humain est capable de maintenir sa température dans la plage
[8]
de 36,5 °C à 37,5 °C (normothermie) . Toutefois, dans des conditions environnementales rudes et/ou
lorsque la dissipation thermique est limitée par des vêtements de protection, le corps humain n’est pas
en mesure de maintenir sa température corporelle centrale dans les limites de la normothermie et subit
une contrainte thermique. La performance au travail est réduite progressivement et toute augmentation
[16]
supplémentaire de la température corporelle centrale peut mettre la vie en danger . Pour réduire le
risque de contrainte thermique pendant des activités physiques intenses, il convient que les vêtements
de protection soient également évalués en ce qui concerne leur effet sur la thermorégulation humaine
et la contrainte thermique.
Différentes approches existent pour évaluer l'effet thermo-physiologique. D'une part, des paramètres
normalisés établis tels que la résistance à la vapeur d'eau R et l'isolation thermique R d'échantillons
et ct
d'étoffe sont considérés au regard de l'effet thermorégulateur. Toutefois, ces paramètres ne reflètent pas
totalement l'effet réel des vêtements de protection; par exemple, les propriétés de gestion de l'humidité
et l'effet combiné du transfert de chaleur et d'humidité ne sont pas pris en compte. D'autre part, des essais
réalisés sur des sujets humains mettent en évidence les réactions thermo-physiologiques réelles pour
des conditions environnementales spécifiques et un ensemble de vêtements de protection. Cependant,
le résultat obtenu avec cette méthodologie ne se rapporte pas uniquement aux propriétés intrinsèques
des échantillons de matériau, mais il est également influencé par la conception des vêtements et par
les couches d'air emprisonnées à l'intérieur des vêtements. De plus, les essais réalisés sur des sujets
humains sont très longs et onéreux, limités par des règles éthiques et fournissent des données se
rapportant à l'ensemble des participants. Par conséquent, la reproductibilité entre laboratoires peut
être limitée. L'utilisation de mannequins thermiques permet de surmonter les limitations relatives aux
essais sur des sujets humains. Comme pour les essais sur des sujets humains, les mannequins à corps
entier fournissent des données sur les vêtements de protection prêts à porter, y compris la conception
et la taille. Ainsi, l'attribution aux propriétés intrinsèques de l'étoffe reste difficile.
Une méthodologie se rapportant aux propriétés intrinsèques des vêtements et tenant compte du transfert
[9][10]
combiné de chaleur et d'humidité utilise le torse transpirant . Ce dispositif est un cylindre vertical
[11]
chauffé représentant la surface d'un tronc humain et ayant la capacité de simuler la transpiration .
L'échantillon de vêtement est étudié en enveloppant le torse transpirant avec des éprouvettes. Trois
phases sont exécutées pour mesurer les propriétés d'isolation thermique à sec, de transfert de chaleur à
sec et à l'état humide et de séchage. Les données obtenues à l'aide du torse transpirant ont été validées
par des méthodologies normalisées, telles que la plaque chaude gardée transpirante, et se sont avérées
[11]
hautement reproductibles . De plus, des études de validation ont été menées pour rapprocher ces
mesures thermo-physiologiques humaines des données obtenues au moyen du torse transpirant dans
des conditions environnementales réalistes et des activités de sapeurs-pompiers. À partir de ces
connaissances, des lignes directrices sont fournies pour les propriétés intrinsèques du textile sur la
base des réactions thermo-physiologiques. En plus de la méthode normalisée décrite ci-dessus, l'effet
de systèmes de vêtements de protection plus complexes incluant des sous-vêtements, des couches d'air
et/ou des caractéristiques de conception est étudié à titre facultatif en appliquant le même protocole
expérimental que celui décrit dans le présent document.
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NORME INTERNATIONALE ISO 18640-1:2018(F)
Vêtements de protection pour sapeurs-pompiers — Effet
physiologique —
Partie 1:
Mesurage du transfert couplé de chaleur et d'humidité à
l'aide du torse transpirant
1 Domaine d'application
Le présent document fournit une méthode d'essai permettant d'évaluer l'effet physiologique d'ensembles
d’étoffes de protection et d’ensembles vestimentaires potentiellement protecteurs au cours d'une série
d'activités simulées (phases) dans des conditions ambiantes définies. Cette méthode d'essai normalisée
caractérise les propriétés essentielles des assemblages d'étoffes d'un vêtement ou d'un ensemble de
vêtements représentatifs pour l'évaluation thermo-physiologique:
— isolation thermique à sec;
— propriétés de refroidissement pendant une activité métabolique moyenne et de gestion de l'humidité
(transfert de chaleur à sec et à l'état humide);
— comportement au séchage.
Des mesures par défaut sont réalisées sur des échantillons d’étoffe représentant le vêtement ou la
combinaison de vêtements protecteurs. À titre facultatif et en plus de la méthode d'essai normalisée, le
même protocole d'essai peut être appliqué pour caractériser des ensembles de vêtements de protection
plus complexes, comprenant des sous-vêtements, des couches d'air et certaines caractéristiques de
1)
conception . Des mesures sont en outre réalisables sur des vêtements prêts à porter.
La présente méthode d’essai est destinée à être utilisée pour mesurer et décrire le comportement des
assemblages d'étoffes d'un vêtement ou d'un ensemble de vêtements en réponse à une série d'activités
simulée dans des conditions maîtrisées en laboratoire, les résultats étant utilisés pour optimiser les
combinaisons de vêtements et le choix des matériaux. De plus, le présent document, conjointement
avec l’ISO 18640-2, est destiné à être utilisé pour décrire l'effet thermo-physiologique des vêtements
de protection, mais pas le risque de contrainte thermique dans des conditions réelles d'incendie. Les
résultats de cet essai peuvent être utilisés comme éléments d'une appréciation du risque en fonction de
la charge thermo-physiologique.
2 Références normatives
Les documents suivants cités dans le texte constituent, pour tout ou partie de leur contenu, des
exigences du présent document. Pour les références datées, seule l’édition citée s’applique. Pour les
références non datées, la dernière édition du document de référence s'applique (y compris les éventuels
amendements).
ISO 3696, Eau pour laboratoire à usage analytique — Spécification et méthodes d’essai
1) Une étude réalisée par Empa (Laboratoires fédéraux de la Suisse pour les matériaux, la science et la technologie)
a montré une bonne corrélation entre les résultats des essais menés sur un torse normalisé (sans sous-vêtements
ni couches d’air sur les étoffes) et les essais d’étoffes avec sous-vêtements, les essais d’étoffes avec sous-vêtements
et couches d’air et les essais de vêtements prêts à porter (avec sous-vêtements et avec ou sans couches d'air) de la
même composition de matériau. En raison des valeurs ajoutées d’isolation thermique des couches supplémentaires,
une comparaison directe des résultats entre les différentes configurations de mesurage est cependant impossible.
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions suivants s’appliquent.
L’ISO et l’IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en
normalisation, consultables aux adresses suivantes:
— ISO Online browsing platform: disponible à l’adresse https: //www .iso .org/obp
— IEC Electropedia: disponible à l’adresse http: //www .electropedia .org/
3.1
délai de refroidissement
CD
temps nécessaire pour que l'effet de refroidissement par évaporation soit détecté lors d'une phase
expérimentale simulant une activité et la transpiration
Note 1 à l'article: Le délai de refroidissement est exprimé en minutes.
3.2
eau de sueur évaporée
fraction d’eau simulant la sueur fournie, qui s’est évaporée lors d'une phase active avec transpiration
3.3
phase expérimentale
partie d'une expérience avec un débit sudoral et une température de surface ou une puissance de
chauffage définis; une expérience peut comporter plusieurs phases
Note 1 à l'article: Chaque phase simule une situation spécifique avec des réglages définis de température ou de
puissance de chauffage et de débit de l’eau simulant la sueur. Une expérience normalisée comprend trois phases.
3.4
refroidissement initial
IC
vitesse à laquelle la température varie après un délai de refroidissement (CD) lors d'une phase
expérimentale simulant une activité avec transpiration
Note 1 à l'article: Le refroidissement initial est exprimé en degrés (°C) par heure.
3.5
absorption d'humidité
quantité d'humidité stockée dans l'ensemble de vêtements, déterminée par la masse du torse
Note 1 à l'article: L’absorption d'humidité est exprimée en grammes.
3.6
post-refroidissement
PC
fin de la période de refroidissement lors d'une phase expérimentale sans transpiration ni puissance de
chauffage, correspondant à un être humain au repos après une activité simulée
Note 1 à l'article: L'évaporation de l'humidité stockée extraira de l'énergie du torse transpirant qui peut être
détectée par une diminution de la température de surface.
Note 2 à l'article: Le post-refroidissement est exprimé en minutes.
3.7
profil de phases
série de phases expérimentales définissant l'expérience
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3.8
refroidissement entretenu
SC
vitesse à laquelle la température varie vers la fin d'une phase expérimentale simulant une activité avec
transpiration (état stable de refroidissement)
Note 1 à l'article: Le refroidissement entretenu est exprimé en degrés (°C) par heure.
3.9
entretoise
couche d'air
cadre ou réglage visant à ajouter une couche d’air définie entre la surface du torse et le vêtement de
protection à soumettre à l’essai
Note 1 à l'article: Il s'agit d'une simulation des couches d’air qui sont généralement observées en utilisation réelle.
Une couche d'air influe sur la résistance thermique globale et le transport de l'humidité. Une entretoise peut être
utilisée pour simuler une couche d'air définie.
3.10
eau simulant la sueur
alimentation en eau utilisée pour simuler la transpiration
3.10.1
système gravimétrique de distribution d'eau simulant la sueur
maîtrise de la distribution d'eau simulant la sueur, à l'aide d'un réservoir placé sur une balance avec une
différence de hauteur définie par rapport aux buses de transpiration pour distribuer la quantité d'eau
définie, en ouvrant et fermant les vannes dans un intervalle de temps ajusté
Note 1 à l'article: D'autres moyens peuvent être utilisés pour la distribution de l'eau simulant la sueur, dans la
mesure où les exigences du présent document sont satisfaites.
3.11
résistance thermique
R
ct (torse)
valeur calculée à l'état stable à partir de la différence entre la température de surface du torse et la
température ambiante, de la surface du dispositif et de la puissance de chauffage nécessaire pour
maintenir la différence de température
Note 1 à l'article: La résistance thermique est exprimée en m ∙K/W.
3.11.1
valeur de correction pour R
ct (torse)
R
ct0 (torse)
mesure de la résistance thermique sans échantillon sur le torse transpirant afin de déterminer une
valeur de correction spécifique au système pour la résistance thermique R
ct (torse)
Note 1 à l'article: La résistance thermique telle que définie ci-dessus dépend de la géométrie de l'appareillage,
des conditions de convection (vent ou sans courant d'air) et des conditions ambiantes. R est une mesure
ct0 (torse)
cumulée de ceci et peut varier légèrement d'un dispositif à l'autre et d'une installation à l'autre. En la prenant en
compte, il est possible de réduire les écarts entre les résultats obtenus pour différentes installations.
3.12
balance du torse
dispositif utilisé pour mesurer la masse du torse
3.13
température de surface du torse
température moyenne à la surface de la zone de mesurage du torse
3.14
masse du torse
masse totale du torse transpirant et de l'objet soumis à essai
3.15
total de l'eau simulant la sueur
quantité d'eau fournie à la surface du torse pendant une phase active avec transpiration
3.16
couche drainante
fine couche textile hydrophile avec des propriétés définies de transport de l’humidité et sur le plan
thermique, utilisée pour une distribution homogène de l’eau simulant la sueur
3.17
vitesse du vent
vitesse ambiante du flux d’air autour du torse pendant une expérience
Note 1 à l'article: Pour éviter des couches d'air à limites non définies en raison d'un renouvellement d'air aléatoire
dans l'enceinte et de la différence de température entre la surface du torse et l'enceinte climatique, un système
de ventilation est utilisé. Le système de ventilation est constitué de ventilateurs permettant d'obtenir une vitesse
de vent homogène définie de 1 m/s à la surface du torse (niveau de turbulence jusqu'à 25 %, mesuré à l'aide d'un
anémomètre à fil chaud).
4 Symboles et abréviations
CD Délai de refroidissement, en minutes
PE-HD Polyéthylène haute densité
IC Refroidissement initial, en °C/h
PC Post-refroidissement, en minutes
PTFE Polytétrafluoroéthylène
R Résistance thermique, en m ∙K/W
ct (torse)
R Valeur de correction pour R
ct0 (torse) ct (torse)
HR Humidité relative
SC Refroidissement entretenu, en °C/h
THS Simulateur thermique humain
5 Appareillage
Le torse transpirant est un appareillage d'essai cylindrique vertical simulant le tronc humain, muni de
gardes thermiques aux extrémités supérieure et inférieure (voir Figure 1). L'appareillage est équipé de
films chauffants, de buses de transpiration, d'une enveloppe à plusieurs couches (simulant les couches
de la peau) et de dispositifs électroniques pour commander les vannes et les capteurs.
L'ensemble du système de mesure (voir Figure 1) est constitué du torse transpirant (élément 1 de la
légende) placé sur une balance (élément 2 de la légende) installée dans une enceinte climatique. Un
système de ventilation (élément 3 de la légende) est utilisé pour régler la vitesse du vent. Le système de
commande (élément 4 de la légende) (alimentations électriques, régulateurs et ordinateur avec système
d'acquisition de données) peut être placé à l'intérieur ou à l'extérieur de l'enceinte. Un réservoir d'eau
simulant la sueur, situé à l'extérieur de l'enceinte et placé sur une balance (élément 5 de la légende)
fournit l'eau aux buses de transpiration. L'alimentation en eau est maîtrisée par des vannes.
NOTE La conception et le système de commande du torse transpirant ont été validés dans de nombreux
projets de recherche concernant l’évaluation du transfert couplé de chaleur et de masse pour différents types de
systèmes de vêtements (voir l'Annexe E).
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Légende
1 torse 6 enceinte climatique
2 balance du torse 7 capteurs environnementaux
3 système de ventilation 8 cadre pour réduire l'influence du vent
4 système de commande 9 paroi de l'enceinte climatique avec ouverture pour
le passage des câbles
5 balance pour réservoir d'eau simulant la sueur 10 ordinateur, écran et imprimante
Figure 1 — Exemple de système de torse
5.1 Torse transpirant
5.1.1 Généralités
Le torse transpirant a été conçu pour simuler le tronc humain. Le cylindre doit être constitué d'un
2)
tube en aluminium, d'une couche de PE-HD et d’une couche de PTFE, d’un diamètre extérieur de
(30,0 ± 0,25) cm (circonférence d'environ 94,25 cm) et d’une longueur de (46,0 ± 0,25) cm. Les films
chauffants sont situés à l'intérieur du tube en aluminium. Des gardes thermiques avec chauffage régulé
individuellement sont installées aux extrémités inférieure et supérieure du cylindre vertical. Des
capteurs de température sont installés dans la partie en aluminium (capteurs Pt-100 ou équivalent)
ainsi qu'à la surface du cylindre de mesure (fils en nickel ou équivalent).
Les composants électroniques permettant de commander les vannes des 54 buses de transpiration sont
situés dans la garde inférieure (voir Figure A.1) ou dans un boîtier électronique à l'extérieur du torse.
Des transducteurs convertissant les valeurs de résistance des capteurs de température peuvent être
également placés à cet endroit. L'électronique d'acquisition de données et de régulation de température
ou des parties de celle-ci peuvent être aussi placées dans la cavité formée par les gardes. Il faut veiller
2) PE-HD: Polyéthylène haute densité. Par exemple, PAS-PE3, conductivité thermique: (0,41 ± 0,02) W/(m·K);
capacité thermique: (2,0 ± 0,3) kJ/(kg∙K).
à ce que la puissance de chauffage de ces composants ne perturbe pas la régulation de température des
gardes inférieures et qu'elle n'affecte donc pas les mesures effectuées à partir du cylindre principal.
Le compartiment entre le cylindre et les gardes doit être isolé par des disques d'isolant thermique
(conductivité thermique inférieure à 0,35 [W/m·K]) afin de limiter l'échange thermique entre le cylindre
de mesure et les gardes. Une description technique plus détaillée figure à l’Annexe A.
La masse du cylindre, des gardes thermiques et de l'équipement doit être conçue de façon à représenter
une valeur d’environ (82,5 kg ± 2,5) kg.
5.1.2 Cylindre chauffé
La partie centrale du torse représente la zone dans laquelle est effectué le mesurage (surface:
environ 0,433 5 m2). Le tube interne d'aluminium est recouvert de couches de matériau synthétique
ayant des propriétés thermiques similaires à celles de la peau humaine (film PE-HD et PTFE de 6 mm,
voir l’Annexe A).
5.1.3 Sections de protection thermique
Une garde thermique en aluminium et de même diamètre que le cylindre de mesure est installée à
chaque extrémité du cylindre de mesure. Ces deux segments sont régulés et chauffés séparément pour
s'assurer de l'absence de flux thermique parasite en provenance ou en direction du cylindre de mesure
qui est soutenu par les disques d'isolant thermique entre les sections. De plus, l'espace à l'intérieur de la
garde inférieure peut être utilisé pour loger l'électronique permettant d'enregistrer les températures et
de commander les vannes.
La garde supérieure présente une extrémité conique et est plus petite que la garde inférieure pour
permettre la mise en place de vêtements prêts à porter sur le dispositif.
5.1.4 Chauffage et régulation de la température
Des éléments chauffants doivent être prévus pour chaque segment du torse. Des alimentations
électriques et des moyens permettant de réguler la température et la puissance de chauffage de
chaque segment sont nécessaires. Les alimentations électriques doivent être en mesure de fournir une
puissance de sortie d'au moins 500 W pour le cylindre de mesure et de 240 W pour chacune des gardes.
5.1.5 Mesurage de la température
Des capteurs de température (Pt100 ou équivalent) dans la partie en aluminium du torse et des fils de
nickel pour l'évaluation intégrale de la température de surface sont utilisés pour réguler et surveiller la
température dans les segments individuels du torse. Des capteurs optionnels supplémentaires, situés à
proximité des couches extérieures, peuvent être utilisés pour les mesurages sur le simulateur thermo-
physiologique humain (THS) conformément à l’ISO 18640-2. Les capteurs de température doivent
présenter une exactitude d’au moins 0,1 °C dans la plage comprise entre 15 °C et 50 °C. Voir A.7 pour de
plus amples informations.
5.1.6 Simulation de la transpiration
Il est nécessaire de disposer de matériel pour maîtriser la distribution d'eau simulant la transpiration.
Il peut s'agir d'un système gravimétrique de commande de la distribution d'eau simulant la sueur
(voir 5.5.1) ou de tout autre système capable de satisfaire aux exigences de 5.5. La température de l’eau
sortant des buses doit être égale à la température du cylindre de mesure, à 0,5 °C près.
NOTE Le diamètre intérieur et la longueur des tubes reliant le réservoir d'eau aux buses auront une influence
sur la quantité d'eau distribuée.
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5.1.7 Couche drainante
Une fine couche textile hydrophile avec des propriétés définies de transport de l’humidité et sur le plan
thermique doit être utilisée pour une distribution homogène de l’humidité à la surface du torse. La
couche drainante doit être utilisée pour toutes les mesures et remplir les exigences selon le Tableau 1.
Cela doit également permettre une distribution suffisamment uniforme de l’eau simulant la sueur pour
[16]
l’essai de combinaisons avec des surfaces intérieures hydrophobes .
NOTE 1 La peau humaine possède de 50 à 250 glandes sudoripares par cm en fonction des différentes régions
[14] 2
du corps , alors que le torse ne comporte que 0,01 buses de transpiration par cm . L’utilisation d’une couche
drainante avec de bonnes propriétés de drainage symétrique et une isolation thermique ajoutée négligeable
garantira une répartition uniforme de l’humidité.
Tableau 1 — Exigences relatives à la couche drainante
Propriété Norme Valeur/plage Unité
Épaisseur ISO 5084 0,8 ± 0,15 mm
2 2
Masse (en g/m ) ISO 3801 200 ± 10 g/m
Temps de mouillage (MMT haut/bas) < 3,5 (classe «fast») s
AATCC 195
Rayon mouillé max. (MMT haut/bas) > 20 (classe «large») mm
Isolation thermique Rct ISO 11092 0,01 ± 0,005 m ·K/W
NOTE 2 Les textiles sont sujets au vieillissement et pourront éventuellement se modifier.
5.1.8 Balance de mesure de la masse du torse
Une balance ayant une interface informatique et une étendue de mesure d'au moins 100 kg avec une
exactitude minimale de 1 g est utilisée pour surveiller l'évolution de la masse du torse et de l’éprouvette
au cours des expériences.
5.2 Ordinateur, système de commande et acquisition de données
5.2.1 Généralités
Un système de commande constitué de l'électronique permettant de réguler la température,
d'alimentations électriques, d'un ordinateur et d'un système d'acquisition de données est utilisé pour
maîtriser l’expérience.
5.2.2 Ordinateur et logiciel de mesure
Pour maîtriser le mesurage, un ordinateur équipé d'un logiciel approprié est utilisé. La régulation de la
température et de la puissance de chauffage peut être assurée par des régulateurs dédiés ou par une
commande logicielle des alimentations électriques.
Les balances utilisées pour évaluer la masse du torse et éventuellement enregistrer le débit d'eau
simulant la sueur sont reliées à l'ordinateur par l'intermédiaire d'une interface compatible.
Un dispositif d'acquisition de données relié à l'ordinateur doit être utilisé pour mesurer et enregistrer
toutes les données des capteurs et pour maîtriser le débit sudoral.
5.2.3 Système de commande
Il est nécessaire de disposer d'alimentations électriques et de matériel électronique pour réguler la
température et la puissance de chauffage des trois sections du système de torse et le débit sudoral de la
section de mesurage.
5.2.4 Acquisition de données
Le système d'acquisition de données doit offrir suffisamment de canaux pour enregistrer tous les
signaux de température, puissances de chauffage et valeurs de masse (comme moyen de maîtrise du
débit sudoral).
5.2.5 Options de maîtrise du mesurage
Le torse peut être commandé par les mécanismes suivants:
— Température de surface définie: la température de surface des trois segments du torse sera réglée à
une valeur définie. Cela permet, par exemple, de calculer l'isolation thermique dans des conditions
stabilisées de la phase 1 d'un mesurage normalisé.
— Puissance de chauffage définie: la puissance de chauffage du cylindre de mesure est réglée à une
valeur définie. La température de surface des gardes est réglée en fonction de la température du
cylindre de mesure (fonction de protection). Ce réglage est utilisé pour simuler différents niveaux
d’activité au cours des phases 2 et 3 d'un mesurage normalisé.
— Débit sudoral défini: la transpiration du torse est maîtrisée par la diffusion d’une quantité définie
d’eau purifiée (voir 5.5) par unité de temps. La transpiration est généralement combinée à une
puissance de chauffage constante pour une simulation statique d'activité (par exemple, phase 2
d’un mesurage normalisé).
NOTE Les paramètres du torse peuvent être également maîtrisés par le THS (simulateur thermique humain)
lorsqu’un modèle thermo-physiologique est couplé au torse, comme décrit dans l’ISO 18640-2.
5.3 Enceinte climatique
5.3.1 Généralités
Les mesurages sont effectués dans des conditions climatiques maîtrisées. L’enceinte climatique doit
satisfaire aux exigences suivantes:
— Dimensions minimales de 2,5 m × 2 m × 2 m (longueur × largeur × hauteur). Le dispositif du torse et
de la ventilation doit être situé à au moins 0,5 m des parois.
— Plage de températures de 15 °C à 50 °C (avec une exactitude de ± 0,5 °C); la température des murs,
du sol et du plafond ne doit pas s’écarter de plus de 1 °C de la température moyenne de l'air dans
l’enceinte.
— L’humidité relative ambiante est comprise entre 25 % RH et 75 % RH (avec une exactitude de ± 5 %).
— Le débit d’air provenant de la ventilation de l’enceinte ne doit pas être supérieur à 0,25 m/s (en
moyenne sur 3 minutes), quel que soit sa direction. Mesurer la contribution du système de ventilation
de l’enceinte à la vitesse du vent, le système de ventilation étant à l’arrêt.
Les conditions ambiantes doivent être enregistrées pendant les expériences.
5.3.2 Capteurs de l'enceinte climatique
Pour surveiller la température de l'air dans l’enceinte pendant l’essai, un simple capteur d’une exactitude
globale de ± 0,1 °
...
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