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Die Erfindung betrifft ein Ganzkörperkalorimeter mit einer Messkammer für zu untersuchende Personen, einem Einlass für gegebenenfalls aufbereitete Luft, einem Luftauslass und Messeinrichtungen für die Temperatur, die Feuchtigkeit und die Menge der durch die Messkammer durchgeführten Luft.
Energie- und Stoffumsetzungen im menschlichen Organismus (bzw. Lebewesen) sind mit einer positiven Wärmetönung verbunden. Damit eine bestimmte Temperaturverteilung im Körper aufrecht erhalten bleibt, erfolgt eine Abgabe der Wärme an die Umgebung einerseits durch Konvektion und Wärmestrahlung (trockene Wärme) und anderseits durch Abgabe von latenter Wärme (feuchte Wärme) in Form von Wasserdampf. Um zu einer exakten Bestimmung der gesamten Wärmeabgabe zu kommen, müssen beide Grössen gleichzeitig durch ein Ganzkörperkalorimeter gemessen werden.
Bei der Messung von Energieumsetzungseffekten für Stoffwechseluntersuchungen sind Langzeitmessungen bis zu mehreren Tagen notwendig. In dieser Zeit dürfen sich die Lebensbedingungen des Probanden nur geringfügig von den alltäglichen unterscheiden. Es sind daher besondere Anforderungen an das Kalorimeter bezüglich Bewegungsmöglichkeiten des Probanden, Komfort in der Messkammer und Kommunikation mit der Aussenwelt gestellt. Zur Erzeugung verschiedener Versuchsbedingungen sollte die Messkammertemperatur wählbar sein und der Messbereich für die Erfassung der momentan abgegebenen Leistung von 20 bis 300 W reichen. Der Messfehler für die gesamtabgegebene Wärme über mehrere Stunden soll 5% nicht überschreiten, da die Genauigkeit der Erfassung von aufgenommener Energie in den Nahrungsmitteln auch im Bereich zwischen 5 und 10% liegt.
Um auch den dynamischen Ablauf von Stoffwechseleffekten noch mit Sicherheit erfassen zu können, soll die Ansprechzeit (Zeitkonstante) auf Änderungen in der Energieabgabe nicht grösser als 15 min sein. Eine grössere Ansprechzeit zuzulassen ist nicht sinnvoll, da dies zur Akkumulierung und daher zur Verminderung der Auflösung von Effekten mit unterschiedlichen Energieabgaben führen würde. Zusatzmessungen wie EKG, Hauttemperatur und Ergometrie sollen gleichzeitig durchführbar sein und die Messgenauigkeit des Kalorimeters nicht beeinträchtigen.
Die Hauptschwierigkeit bei der Messung der Wärmeabgabe höherer Lebewesen und somit auch der des
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Bei bekannten Anlagen versucht man daher möglichst kleine Messkammern zu bauen. Damit erreicht man hohe Genauigkeiten und kurze Anprechzeiten.
Man unterscheidet prinzipiell zwei Arten von Kalorimetern : - Geschlossene Systeme - Offene Systeme.
Die geschlossenen Systeme zeichnen sich durch kurze Ansprechzeiten und grosse Genauigkeit, vor allem bei der Messung der Wasserabgabe, aus. Der technische Aufwand ist geringer, da die Wärmeabfuhr durch den Luftdurchsatz entfällt. Demgegenüber steht der entscheidende Nachteil, der-durch den raschen Verbrauch der Atemluft - sehr begrenzten Versuchsdauer. Ein Nachteil, welcher bei der direkten Kalorimetrie deshalb von besonderer Bedeutung ist, weil die in den energieproduzierenden Organen des Körperinneren entstehende Wärmemenge nicht direkt und momentan an die Körperoberfläche und von hier auf das Überträgermedium gelangt, sondern zunächst zur Änderung des Wärmeinhalts im Körper führt.
Erst nach längerer Zeit stellt sich das Gleichgewicht zwischen der vom Körper produzierten und der nach aussen abgegebenen Wärmemenge ein. Jede Änderung der Umgebungstemperatur oder der Energieproduktion wird dieses Gleichgewicht erneut stören und mit beträchtlicher zeitlicher Verzögerung zur Einstellung eines neuen Gleichgewichts führen. Bei kurzer Versuchsdauer interferieren also die zu untersuchenden Gesetzmässigkeiten mit den Speichereffekten. Aus diesem Grund sind offene Systeme mit der Möglichkeit einer langen Versuchsdauer den geschlossenen prinzipiell vorzuziehen.
Mit offenen Kalorimeteranlagen wurden die Grundlagen der Ernährungsphysiologie gelegt. In ausreichenden grossen Kammern, die den Aufenthalt eines Menschen tagelang ermöglichten, wurde mit Hilfe wasserdurchströmter Kühlschlangen die erzeugte Energie abgeführt und somit eine konstante Temperatur im Inneren der Kammer erhalten. Der durch den Menschen abgegebene Wasserdampf und die erzeugte Kohlensäure wurden absorbiert und gewogen. Sauerstoff wird laufend zugeführt. Wärmeverluste durch die Wände wurden durch aufwendige Isolationen vermieden. Die Messung von Wasserdampf- und C02-Produktion war nicht kontinuierlich, sondern nur integral über längere Perioden durchführbar. Die damals beschränkten Möglichkeiten der automatischen Regelung und Überwachung der Anlage erforderten grossen
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Personalaufwand und ermöglichten relativ wenig Messungen.
Trotzdem kann man diese Anlagen als Meilensteine in der Geschichte der Kalorimetrie bezeichnen.
Als wichtigste Vertreter der offenen Systeme gelten die Gradientenmessschicht-Kalorimeter. Um den technischen Aufwand in Grenzen zu halten, sowie hohe Genauigkeiten und kurze Ansprechzeiten zu erreichen, ist auch bei diesen Anlagen die Messkammer sehr klein.
Bei einer typischen Anlage sind die Wände der Messkammer als Gradientenmessschicht ausgelegt. Die Aussenseite der Messkammer wird durch ein Wasserbad auf definierter Temperatur gehalten. Aus der Temperaturdifferenz zwischen Innen- und Aussenseite der Wand, sowie aus Eichversuchen ergibt sich die nach aussen abgeführte Wärmemenge. Die Luft wird der Kammer aus einem Sättiger, wo sie mit vorbestimmter Temperatur auf 100% Feuchte gebracht wird, über einen Erhitzer, der sie auf die gewählte Umgebungstemperatur erwärmt, zugeführt. Nach Durchströmen des Kalorimeters gelangt die Luft in den Kondensator, der sie wieder auf die Temperatur des Sättigers kühlt. Dabei gibt sie jene Wärmemenge ab, welche sie im Erhitzer und im Kalorimeter in Form von Wasserdampf und trockener Wärme aufgenommen hat.
Da die im Erhitzer abgegebene Wärmemenge bekannt ist, kann der auf die durchströmende Luft entfallene Teil der Wärmeabgabe des Körpers gemessen werden und ergibt zusammen mit den Daten aus der Gradientenmessschicht die Gesamtwärmeabgabe. Eine exakte Trennung von trockener und feuchter Wärmeabgabe ist nicht möglich.
In solchen Anlagen sind längere Messungen aus Komfortgründen nur an trainierten Personen durchführbar. Die ungewohnte Umgebung und das damit verbundene unnatürliche Verhalten erlauben deshalb hauptsächlich Grundlagenforschung in bezug auf Wärmeleitung und Reaktionszeit bei Aktivitäts- änderungen und Klimaschwankungen. Langzeitmessungen über etwa 24 h an grösseren Kollektive sind praktisch nicht zumutbar und aus Mangel an Bewegungsfreiheit nicht für alltägliche Lebensbedingungen repräsentativ.
Eine andere Möglichkeit zur direkten Messung der menschlichen Wärmeabgabe bietet die Anwendung der sogenannten Kalorimeteranzüge. Damit gelingt es die Wärmeabgabe unmittelbar an der Körperoberfläche zu erfassen. Die durch die Atmung abgegebene Wärmemenge wird über Atemschläuche gemessen. Dieses Messsystem erlaubt eine gewisse Bewegungsfreiheit des Probanden. Die technischen Schwierigkeiten bei der Nahrungszufuhr erlauben aber ebenfalls nur eine beschränkte Messdauer. Die Wärmeabgabe durch Wasserverdunstung an der Haut wird nicht erfasst. Die Zielsetzung solcher Anlagen liegt in der Lösung von Klimatisierungsproblemen bei Raumanzügen.
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe ein Ganzkörperkalorimeter der eingangs genannten Art zu verbessern und erreicht dies erfindungsgemäss dadurch, dass die Messeinrichtung an den Zufuhr- und Abfuhrstellen für die Luft zur Messung der Temperatur und der Feuchtigkeit sowohl der zugeführten als auch der abgeführten Luft vorgesehen sind, dass die Messkammer (3) von einem wärmeisolierenden Aussenmantel umschlossen ist, wobei die abgeführte Luft durch den Zwischenraum zwischen der Messkammer und dem Aussenmantel, vorzugsweise entlang bzw.
im wesentlichen die gesamte Aussenseite des Mantels der Messkammer geführt ist, und dass die Messkammer eine Kompensationsheizung mit in der Messkammer angeordnetem Thermostaten und mit einer Heizung sowie mit einer Regeleinheit aufweist, welche auf die von der zu untersuchenden Person abgegebenen Wärme anspicht und zur Konstanthaltung der Temperatur innerhalb der Messkammer die Heizleitung bzw. Wärmeabgabe der Heizung erhöht bzw. vermindert, so dass das Innere der Mantel der Messkammer und der Zwischenraum, auf konstanter gleicher Temperatur gehalten sind.
Beim erfindungsgemässen Kalorimeter stand grundsätzlich die Möglichkeit zur Langzeitmessung, die eine gewisse Wohnlichkeit der Messkammer voraussetzte, im Vordergund der Überlegung. Die Grösse der Messkammer und die postulierte Messgenauigkeit liessen die Verwendung einer Gradientenmessschicht nicht zu. Deshalb wurde versucht, jegliche Wärmeübertragung durch die Wände zu vermeiden, dies wurde durch die Bedingung der Gradientenfreiheit ermöglicht. Die Realisierung dieser Auflage verlangt, dass der Messablauf in der Kammer isotherm geführt wird. Dadurch werden wieder veränderliche Wärmespeicherungen vermieden. Gradientenfreiheit wurde durch den auf gleicher Temperatur wie die Messkammer geregelten Luftmantel angestrebt.
Die Grösse der Kammer und somit auch die der Wandoberfläche (30 m2) können aber schon bei sehr geringen Regelungenauigkeiten messbare Wärmeübertragungen hervorrufen.
Statt einer dicken Isolierschicht zwischen Luftmantel und Messkammer zur Vermeidung solcher Wärmeübertragungen, wurde die aus der Messkammer strömende Luft in einem eigenen Schachtsystem (Abluftmantel)
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noch zwischen dem temperierten Luftmantel und der Messkammerwand durchgeleitet, bevor sie die Anlage verlässt. Damit konnten die Wärmeübergänge bei zufällig auftretenden Regelungenauigkeiten auf ein Minimum reduziert werden. Dieser Abluftmantel bietet auch den Vorteil einer raschen Temperaturangleichung bei Inbetriebnahme der Anlage.
Diese technisch recht einfache, aber umso effektivere Vermeidung eines Gradienten ist aber nur sinnvoll, wenn Änderungen der Wärmeabgabe des Menschen in der Messkammer rasch abgefangen werden, so dass die Temperatur tatsächlich konstant gehalten werden kann. Zu diesem Zweck wurde statt einer meist trägen Kühlung eine empfindlich regelbare, grossflächige Heizung verwendet. Das grosse Luftvolumen, die günstige Durchmischung der Luft innerhalb der Kammer, sowie die Empfindlichkeit der Kompensationsheizung erlauben die Lufttemperatur auf : 0, 1 K genau zu halten.
Obwohl vergleichsweise die Wärmeabgabe einer Glühbirne mit 60 bis 100 W in einem zirka 8 cm3 grossen Raum gemessen werden muss, gelang es, Ansprechzeiten und Genauigkeiten in brauchbaren Grenzen zu halten. Vor allem die Langzeitgenauigkeit sowie die Berücksichtigung der Komfortbedürfnisse der Probanden lassen 24-Stundenmessungen zumutbar und sinnvoll (bzw. Genauigkeit und Aussagewert) erscheinen. Somit entspricht das erfolgsgemässe Kalorimeter den Forderungen und stellt ein gradientenfreies isothermes Ganzkörperkalorimeter dar. Zur Auswertung ist es bevorzugt, wenn ein an die Messeinrichtung und die Regeleinheit angeschlossene Rechen- bzw.
Auswerteeinrichtung vorgesehen ist, die aus der Differenz der Werte der Lufttemperatur und der Luftfeuchtigkeit der Messeinrichtung sowie der Werte der mit einem Durchflusszähler gemessenen durchgesetzten Luftmenge und den Werten der Regeleinheit der Kompensationsheizung bzw. der zugeführten Energie die trockene und/oder feuchte Wärmeabgabe der Person in einstellbaren Zeitintervallen vorzugsweise 1 bis 15 min errechnet und gegebenenfalls anzeigt oder ausdruckt.
Bei einer bevorzugten Ausführung ist vorgesehen, dass in einem weiteren Zwischenraum zwischen dem die Messkammer umgebenden Aussenmantel und einem Schutzmantel ein weiterer Thermostat und weitere Heizeinrichtungen vorgesehen sind, welche Heizeinrichtungen von einer weiteren Regeleinheit gesteuert sind, welche die Temperatur der Luft innerhalb dieses weiteren Zwischenraumes der Temperatur in der Messkammer anpasst.
Die einzige Figur zeigt schematisch einen Schnitt durch ein erfindungsgemässes Kalorimeter und in Form einer Blockschaltung die daran angeschlossenen Regel- und Messeinheiten, sowie die Messwerterfassung und Verarbeitung. Frischluft wird in der Luftaufbereitung --1-- (Klimakammer) mit einer Regeleinheit auf eine bestimmte Temperatur und Luftfeuchtigkeit gebracht. Von dort gelangt sie mit konstantem Durchsatz (wählbar von 50 bis 180 m3/h) über einen Durchflusszähler --2-- in die eigentliche Messkammer --3-- in der sich die standardisiert leicht bekleidete Person --4-- aufhält. Durch Abgabe von Wärme und Feuchte erhöht der Proband bzw. die Person den Energieinhalt der durchströmenden Luft.
Ein wärmeisolierender Aussenmantel --5-- (Abluftmantel) der die Messkammer-3--umschliesst leitet die abströmende Luft bevor sie durch eine Leitung --20-- ins Freie abgegeben wird an der Aussenseite der Messkammer --3-- vorbei. Dadurch sind die Wände der Messkammer --3-- beidseitig auf gleicher Temperatur gehalten (im thermischen Gleichgewicht) und somit gradientenfrei. Ein weiterer Schutzmantel --6--, der durch einen eigenen Heiz-Regelkreis --7-- mit Thermostat --8-- und Heizung --9-- auf Messkammertemperatur gehalten wird, bildet eine isolierende Luftschicht um den Abluftmantel und verhindert dadurch eine Störung des thermischen Gleichgewichts.
Auf Grund der unterschiedlichen Abgabe von Wärme durch den Probanden würde die Messkammertemperatur geringfügig schwanken. Dies wird verhindert durch eine in die Messkammer --3-- eingebaute Kompensationsheizung --11-- mit Regeleinrichtung --16--. Die Heizleistung der Kompensationsheizung - ist gesteuert durch einen Thermostaten --10-- und passt sich so an die Wärmeabgabe des Probanden an, dass die Messkammertemperatur konstant bleibt. Somit wird der Messvorgang im Kalorimeter isotherm geführt. Die an den Luft-EIN (-12-)- und AUS(--13--)-Trittsöffnungen der Messkammer --3-- montierten Messeinrichtungen bzw. Messzellen --14 und 15-- erfassen die Lufttemperatur und die Luftfeuchtigkeit.
Aus der Differenz dieser Werte, der durchgeströmten Luftmenge und der durch die Kompensationsheizung (11) eingebrachten Energie können die trockene, feuchte und somit die gesamte Wärmeabgabe des Probanden errechnet werden. Ein nachgeschalteter Messwertwandler --17-- und ein Prozessrechner --18-- steuert die Abfrage der Messstellen und errechnet aus den Messdaten die obengenannten Werte. Der Ausdruck der Messdaten und der errechneten Werte auf einem Drucker --21-- erfolgt in vorwählbaren Zeitintervallen von
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1 bis 15 min. Weiter überwacht der Prozessrechner --18-- den Messvorgang derart, dass auf eine ständige Anwesenheit von besonders geschulten Personal während einer Messung verzichtet werden kann.
Als optimale Grösse der Messkammer --3-- wurde ein Raum von 8 m3 Volumen mit einer Grundfläche von 2, 2 m x 2 m = 4, 4 m2 und einer Höhe von 2, 30 m im begehbaren Bereich gefunden. In diesem Raum konnten einerseits alle notwendigen Einrichtungsgegenstände untergebracht werden, anderseits lagen die mit dem Volumen des Messraumes zunehmenden Messfehler und Ansprechzeiten (Zeitkonstante) noch in zulässigen Grenzen.
Die Innenausstattung besteht aus einer Liege (2, 2 x 0, 8 m) einem Sessel, einem Klapptisch (0, 6 x 0, 4 m) und einem Ergometer, dessen Bremsanlage sich ausserhalb des Kalorimeters befindet.
Zur Kommunikation zwischen Proband und Bedienungspersonal kann eine Wechselsprech- und Rufsignalanlage installiert sein. Für den Sichtkontakt ist ein Fenster in die Messkammer --3-- eingebaut mit der Grösse von 1 m2. Die Beleuchtung der Messkammer --3-- erfolgt durch eine Leuchtstoffröhre, die über ein Deckenfenster die Kammer ausleuchtet. Die Fenster sind so konstruiert, dass kein messbarer Wärmedurchgang stattfindet.
Der Zugang zur Messkammer ist bequem über Türen möglich. Der Proband kann jederzeit durch eigene Kraft das Kalorimeter verlassen.
Über ein Schleussensystem können Gefässe mit einer maximalen Grösse von 0, 4 x 0, 3 x 0, 2 m in die Messkammer gereicht oder herausgegeben werden. Dabei ist jedoch zu beachten, dass das Gefäss jeweils zirka 0, 3 h zur Temperaturaklimatisation im geheizten Luft- und Abluftmantel verweilen muss.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Ganzkörperkalorimeter mit einer Messkammer für zu untersuchende Personen, einem Einlass für gegebenenfalls aufbereitete Luft, einem Luftauslass und Messeinrichtungen für die Temperatur, die Feuchtigkeit und die Menge der durch die Messkammer durchgeführten Luft, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Messeinrichtungen (14,15) an den Zufuhr- und Abfuhrstellen (12,13) für die Luft zur Messung der Temperatur und der Feuchtigkeit sowohl der zugeführten als auch der abgeführten Luft vorgesehen sind, dass die Messkammer (3) von einem wärmeisolierenden Aussenmantel (5) umschlossen ist, wobei die abgeführte Luft durch den Zwischenraum zwischen der Messkammer (3) und dem Aussenmantel (5), vorzugsweise entlang bzw.
über im wesentlichen die gesamte Aussenseite des Mantels der Messkammer (3) geführt ist, und dass die Messkammer (3) eine Kompensationsheizung mit in der Messkammer (3) angeordnetem Thermostaten (10) und mit einer Heizung (11) sowie mit einer Regeleinheit (16) aufweist, welcher auf die von der zu untersuchenden Person (4) abgegebenen Wärme anspricht und zur Konstanthaltung der Temperatur innerhalb der Messkammer (3) die Heizleistung bzw. Wärmeabgabe der Heizung erhöht bzw. vermindert, so dass das Innere, der Mantel der Masskammer (3) und der Zwischenraum, auf konstanter gleicher Temperatur gehalten sind.