CN102466526A - 温度测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种温度测量装置,包含温度测量部(43)、运算部(74)以及控制温度测量部和运算部的动作的控制部(73),温度测量部(43)具有基材(40)、第1温度传感器(50)、第2温度传感器(52)以及第3温度传感器(55),基材(40)具有作为与被测量体的接触面的第1面;以及第2面,其是与第1面相对的环境侧的面,所述第1温度传感器(50)、所述第2温度传感器(52)以及所述第3温度传感器(55)在环境温度(Tout)的值不同的条件下,多次测量第1温度(Tb)、第2温度(Tp)以及第3温度(Tout’),运算部(74)使用测量出的温度,求出被测量体的深部的深部温度(Tc)。
Description
技术领域
本发明涉及温度测量装置等。
背景技术
例如,可根据作为基本生命信息的体温,得到健康状态、基础代谢状态、精神状态等活体信息。在根据人体或动物的体温,估计人或动物的健康状态、基础代谢状态或者精神状态的情况下,不是需要表层部的温度,而是需要深部的温度(深部温度)信息。
此外,例如在测量炉或管道等的内部温度的情况下,如果能够通过设置在炉或管道的外侧的温度计测装置测量内部温度(即深部温度),则不需要用于将温度测量装置设置于炉或管道等的内部的工程,并且也不会产生温度测量装置由于内部的物质而腐蚀等问题。
测量深部温度的体温计例如记载在专利文献1中。在专利文献1中,在人体上,隔开距离L并列配置两个温度测量部(第1温度测量部和第2温度测量部)。在第1温度测量部的环境(大气)侧设置有第1绝热材料,在第2温度测量部的环境(大气)侧设置有第2绝热材料,通过将第2绝热材料的材料设为与第1绝热材料不同的材料,使两个温度测量部的热阻值不同,由此产生两个不同的热流通量。第1温度测量部测量第1体表面温度以及第1中间温度,第2温度测量部测量第2体表面温度以及第2中间温度。并且,使用这四点的温度数据,根据预定的运算式测量深部温度。
即,关于第1热流通量,着眼于流过第1温度测量部的热流通量、与从人体深部到体表面的热流通量相等这一点,由此得到将深部温度与测量出的温度以及热阻关联起来的第一个式子。同样,关于第2热流通量,也得到将深部温度与测量出的温度以及热阻关联起来的第二个式子。通过解联立方程式,即使不清楚人体的热阻值,也能够高精度地求出深部温度。
【专利文献1】日本特开2006-308538号公报
在专利文献1记载的技术中,关于深部温度的计算,没有考虑温度测量部与其周围的环境(大气)之间的热平衡。即,在专利文献1记载的技术中,以能够形成不产生热平衡的理想系统为前提。
但是,在进一步促进了温度测量部的小型化的情况下,例如温度测量部的侧面与环境(大气)之间的热平衡变得显著,从而不能忽视与热平衡的差分对应的测量误差。在这一点上,不能否认会产生微小的测量误差。
发明内容
根据本发明的至少一个方式,能够进行更高精度的深部温度测量。
(1)本发明的温度测量装置的一个方式具有:温度测量部、运算部以及控制所述温度测量部和所述运算部的动作的控制部,所述温度测量部具有:作为热介质的基材,其具有作为与被测量体接触的接触面的第1面;第1温度传感器,其测量所述基材的第1测量点处的温度作为第1温度;第2温度传感器,其测量所述基材的与所述第1测量点不同的第2测量点处的温度作为第2温度;以及第3温度传感器,其测量所述基材的与所述第1测量点和所述第2测量点不同的第3测量点处的温度作为第3温度,该第3温度是代用作所述基材的周围的环境温度的温度,所述第1测量点、所述第2测量点以及所述第3测量点位于所述基材的外表面上或者所述基材的内部,所述第1温度传感器、所述第2温度传感器以及所述第3温度传感器在所述环境温度不同的条件下,多次测量所述第1温度、所述第2温度以及所述第3温度,所述运算部根据通过所述多次测量而得到的所述第1温度、所述第2温度以及所述第3温度,基于深部温度的运算式,求出远离所述第1面的、所述被测量体的深部的深部温度。
在现有例中,在环境温度恒定的条件下,使两个温度测量部的绝热材料的种类不同,从而生成了两个不同的热流通量,但是在本方式中,在环境温度不同的至少两个系统中分别生成热流通量。另外,在以下的说明中使用环境这样的用语,环境是例如大气等热介质,能够改称作周围介质或者环境介质。
在现有例的热流模型中,两个温度测量系统中的环境温度(以下称作环境温度)为相同的值(即恒定)。因此,在各系统中的深部温度与环境温度之间产生的热流恒定,现有例以该情况为前提条件。以不产生铅直方向的热流的一部分经由例如基材的侧面而流向环境这样的热平衡为前提,从被测量体朝向环境的、例如铅直方向的热流恒定这一点成立。
但是,当促进温度测量装置的小型化,从而基材的尺寸变小时,被测量体与环境之间的热平衡(例如从基材的侧面流出热等)变得显著。此时,不能满足在深部温度与环境温度之间产生的热流恒定这样的前提。
与此相对,在本方式中,在多个热流系统中,各热流的一端是允许温度变动的环境。因此,在多个热流系统之间,不产生在环境温度与深部温度之间产生的热流必须恒定这样的现有例的制约。即,各系统的热流通量本来包含热平衡引起的热移动,仅是在环境温度(任意温度)与被测量体的深部温度之间产生还包含该热平衡的成分的热流。
并且,在这种热流系统的模型中,基材的任意两点(第1测量点和第2测量点)的温度(第1温度和第2温度)能够通过包含环境温度作为变量(参数)的式子表示。在此,在深部温度与环境温度相等时,热平衡成为零。因此,例如在进行深部温度的运算时,能够通过给出深部温度与环境温度相等这样的条件,使热平衡引起的测量误差为零。
此外,在使用取根据系统不同的两个热流通量测量出的温度信息的差(的比)的形式的运算式作为运算深部温度的运算式时,从各系统得到的温度信息中包含的、与热平衡对应的成分抵消而消失。即,在基材与环境之间产生热平衡、或者在被测量体与环境之间产生热平衡,不会引起任何问题。
能够利用这种测量原理,更高精度地测量被测量体的深部温度。一般而言,越使温度测量装置小型化,热平衡给测量带来的影响越显著,但是在本方式中,能够抑制热平衡引起的误差,因此能够同时实现温度测量部的小型化和极高精度的测量。
此外,在本方式中,不是在环境中设置温度计直接测量环境温度Tout,而是用第3温度传感器测量位于基材的外表面或内部的第3测量点的温度(即第3温度)Tout’。并且,将第3温度Tout’代用作环境温度Tout。在为了测量环境的温度(环境温度)Tout而在基材外部设置了温度传感器的情况下,在温度测量装置的小型化方面是不利的。在本方式中,能够将三个温度传感器,即第1温度传感器、第2温度传感器以及第3温度传感器集中在基材上。因此,能够实现温度测量装置的进一步小型化。如上所述,第3温度Tout’是在运算深部温度时替代环境温度Tout使用的温度,是与环境温度Tout区别的概念,但是,在运算深部温度时,被用作与环境温度Tout等效的温度。即,也可以将第3温度Tout’称作与基材的周围的环境温度等效的温度。因此,在以下的说明中,有时将“第3温度”称作“环境等效温度”。
在设环境温度为Tout,第3温度(环境等效温度)为Tout’时,理想的是Tout=Tout’,但是实际上,第3温度(环境等效温度)Tout’不仅受到环境温度的影响,还受到在被测量体与环境之间产生的热流的影响,因此通常Tout与Tout’不一致。
但是,在本方式中使用的深部温度的运算式中,重要的不是测量值的绝对值,而是测量出的多个温度数据之间的相对关系,如果满足该相对关系,则即使用第3温度Tout’代用环境温度Tout,也不对测量精度本身产生影响。
上述的相对关系是如下的相对关系:例如在设第1温度Tb和第2温度Tp与环境温度Tout存在线性关系时,即使在用第3温度Tout’代用环境温度Tout时,也能够确保同样的线性关系。基材的任意一点的温度能够用包含环境温度Tout作为变量的一次函数表示,因此第3温度Tout’也具有相对于环境温度Tout的线性关系,如果决定环境温度Tout,则第3温度Tout’也能够通过线性函数唯一确定。因此,可认为环境温度Tout与第1温度Tb和第2温度Tp之间成立的线性关系,在第3温度Tout’与第1温度Tb和第2温度Tp之间也同样成立。由于这种理由,即使用第3温度Tout’代用环境温度Tout,也能够确保较高的测量精度。
此外,在本方式的温度测量装置中,能够通过在不同的环境温度下执行多次温度测量(取得温度信息),并使用得到的多个温度数据执行运算,来求出深部温度。因此,基本上设置一个基材即可,不需要如专利文献1记载的现有例那样设置两个基材(两个温度测量部)。因此,在这方面也能够实现温度测量装置的小型化。此外,在专利文献1的体温计中,为了使各温度测量部的热阻值不同,需要在温度测量部的表层部设置材料不同的绝热材料,但是在本方式中,基本上存在一个作为传递热的热介质的基材即可,在这方面也能够简化温度测量装置的结构。另外,作为基材,能够使用例如具有预定的导热系数(或者热阻)的材料(例如硅橡胶)。
(2)在本发明的温度测量装置的其他方式中,所述控制部将所述第1温度、所述第2温度以及所述第3温度的测量时间段分割为多个时间段,使所述第1温度传感器和所述第2温度传感器按照每一个时间段以预定间隔执行多次温度测量,此外,所述运算部使用通过所述多次测量而得到的多个温度的测量数据进行平均运算,按照每一个时间段决定所述第1温度、所述第2温度以及所述第3温度,所述运算部使用按照所述每一个时间段决定的所述第1温度、所述第2温度以及所述第3温度,执行基于所述深部温度的计算式的运算,求出所述被测量体的深部的深部温度。
在本方式中,明确了用于确保“在环境温度不同的条件下多次测量第1温度、第2温度以及第3温度”的测量方法的一个例子。
作为用于“使环境温度不同”的方法,存在利用空调器等的积极方法,以及着眼于环境温度在时间轴上的波动(微小变动)来调整测量定时这样的消极方法。本方式与后者的消极方法相关。
例如,在“测量三次基材的第1测量点处的第1温度、基材的第2测量点处的第2温度以及基材的第3测量点处的第3温度”时,当三次测量之间的时间间隔非常短时,有时不能满足“在不同的环境温度下测量三次”这样的条件。因此,在本方式中,在这种情况下,设置第1次测量用的第1时间段、第2次测量用的第2时间段和第3次测量用的第3时间段。并且,在第1时间段中,执行多次温度测量,通过各测量结果的平均运算(可以是单纯的相加平均,也可以是加权平均),决定第1次的温度测量值。另外,“平均运算”这样的用语可广义解释,例如还包含利用复杂的运算式的情况。
例如,在第1时间段中,以预定间隔进行三次第1温度测量,在关于第1温度得到三个温度数据的情况下,通过基于该三个温度数据的平均运算,决定第1次测量中的第1温度。关于第2温度也同样如此。关于第3温度,也在第1时间段中执行三次测量,通过基于利用各测量得到的温度数据的平均运算,能够得到与第1次测量相关的第3温度。
此外,在第2时间段中,也执行多次温度测量,通过各测量结果的平均运算(可以是单纯的相加平均,也可以是加权平均),决定第2次的温度测量值。关于第3温度也同样如此。此外,在第3时间段中,也执行多次温度测量,通过各测量结果的平均运算(可以是单纯的相加平均,也可以是加权平均),决定第3次的温度测量值。以上的例子只是一个例子,不限于该例子。
根据本方式的方法,关于第1温度、第2温度以及第3温度,能够比较容易地得到在不同的环境温度下测量出的多个温度数据,而不用使用空调器等积极地改变环境温度。
(3)在本发明的温度测量装置的其他方式中,该温度测量装置还具有能够改变所述环境温度的环境温度调整部,所述控制部在使所述第1温度传感器、所述第2温度传感器以及所述第3温度传感器执行所述多次测量时,每当一次测量结束时,通过所述环境温度调整部改变所述环境温度。
在本方式中,明确了用于确保“在环境温度不同的条件下多次测量第1温度、第2温度以及第3温度”的测量方法的另一例子。
在本方式中,温度测量装置还具有环境温度调整部。环境温度调整部具有改变环境温度的功能。作为环境温度调整部,例如能够使用设置在温度测量装置外部的外部空调器的设定温度的调整器。此外,作为环境温度调整部,例如能够使用设置在温度测量装置内部的风扇(电扇)、产生气流的气流生成部等。通过利用环境温度调整部,能够可靠地使环境温度按照每次测量而不同。并且,能够将环境温度设定成正确的温度。此外,例如能够将第1测量时的环境温度与第2测量时的环境温度的差设定得较大。
(4)在本发明的温度测量装置的其他方式中,该温度测量装置还具有定时控制信息输入部,该定时控制信息输入部输入决定所述第1温度传感器、所述第2温度传感器以及所述第3温度传感器执行所述多次测量的定时的定时控制信息,所述控制部每当从定时控制信息输入部输入所述定时控制信息时,使所述第1温度传感器、所述第2温度传感器以及所述第3温度传感器执行温度测量。
在本方式中,在温度测量装置中设置输入定时控制信息的定时控制信息输入部,该定时控制信息决定执行多次测量的定时。在本方式中,“按照每次测量,使环境温度不同这样的条件”以由用户本身的行为保证为前提。
例如,用户在进行第1次测量时,将设置在温度测量装置外部的外部空调器的温度设定为第1温度,在从设定起经过预定时间时,经由定时控制信息输入部输入定时控制信息。每当从定时控制信息输入部输入定时控制信息时,控制部使第1温度传感器~第3温度传感器例如执行一次温度测量。以后,用户在将空调器的温度设定为第2温度后,反复进行输入定时控制信息这样的动作即可。
在本方式中,用户本身使每次测量的环境温度不同,因此温度测量装置本身不产生管理环境温度的负担。另外,以上的例子只是一个例子。
(5)在本发明的温度测量装置的其他方式中,在通过设所述第2温度和所述第3温度为变量且包含多个常数的函数表示所述第1温度时,所述运算部根据测量出的所述第1温度、所述第2温度以及所述第3温度计算所述多个常数,通过使用计算出的所述多个常数基于所述深部温度的计算式进行运算,计算所述被测量体的深部温度。
在被测量体的温度变化时,基材的被测量体侧的第1温度变化,基材的环境侧的第2温度也变化。以往仅着眼于这种以被测量体为起点的、基材中的两点的温度变化。在本方式中,相反地还着眼于以环境为起点的基材中的温度变化。
即,如果环境(大气等)的温度变化,则基材的环境侧的第2温度Tp变化,并且,基材的被测量体侧的第1温度Tb也变化。通过计算机仿真可知,该以环境为起点的、基材中的两点的温度变化具有预定的规律性。
即,第1温度Tb能够通过设第2温度Tp和环境温度Tout为变量且包含多个常数的函数来表示。此外,在深部温度Tc与环境温度Tout相等时,着眼于热平衡为零这一点,对上述函数进行变形,由此得到深部温度的计算式。
但是,为了根据计算式计算深部温度,需要决定上述函数中包含的多个常数的值。因此,首先,运算部例如根据作为多次测量结果而得到的各温度数据,计算上述多个常数的值。但是,在该运算时,用环境等效温度(第3温度)代用环境温度Tout。即使进行了这种温度数据的代用,在能够得到较高的测量精度这一点上也与上述相同。
接着,运算部使用各常数的值,执行基于计算式(校正运算式)的运算,计算深部温度。由此,能够求出去除了热平衡引起的影响的、接近理想的深部温度。
(6)在本发明的温度测量装置的其他方式中,通过设所述第2温度为变量且具有第1斜率和第1截距的第1一次函数表示所述第1温度,通过设所述第3温度为变量且具有第2斜率和第2截距的第2一次函数表示所述第1一次函数的所述第1截距,所述多个常数与所述第1斜率、所述第2斜率以及所述第2截距相当,当设在第1测量中得到的所述第1温度为Tb1,所述第2温度为Tp1,所述第3温度为Tout1’,设在第2测量中得到的所述第1温度为Tb2,所述第2温度为Tp2,所述第3温度为Tout2’,设在第3测量中得到的所述第1温度为Tb3,所述第2温度为Tp3,所述第3温度为Tout3’时,所述运算部根据在所述第1测量中得到的所述第1温度Tb1、所述第2温度Tp1以及所述第3温度Tout1’,在所述第2测量中得到的所述第1温度Tb2、所述第2温度Tp2以及所述第3温度Tout2’,以及在所述第3测量中得到的所述第1温度Tb3、所述第2温度Tp3以及所述第3温度Tout3’,计算所述第1斜率、所述第2斜率以及所述第2截距的值,通过使用计算出的所述第1斜率、所述第2斜率以及所述第2截距的值基于所述深部温度的运算式进行运算,计算所述被测量体的深部温度。
通过计算机仿真可知,第1温度(基材的被测量体侧的温度)与第2温度(基材的环境侧的温度)具有线性关系,因此,第1温度能够由设第2温度为变量且具有第1斜率和第1截距的第1一次函数来表示。即,能够表示为(第1温度)=(第1斜率)·(第2温度)+(第1截距)。
并且,通过计算机仿真可知,第1一次函数的第1截距与第3温度具有线性关系,因此,第1一次函数的第1截距能够由设第3温度为变量且具有第2斜率和第2截距的第2一次函数来表示。即,能够表示为(第1截距)=(第2斜率)·(第3温度)+(第2截距)。
结果,能够表示为(第1温度)=(第1斜率)·(第2温度)+(第2斜率)·(第3温度)+(第2截距)。该关系式与记载在上述(5)的方式中的、“设第2温度和第3温度为变量且包含多个常数的函数”相当。因此,“多个常数”与上述式子中的“第1斜率”、“第2斜率”以及“第2截距”相当。即,需要求出三个常数的值。
因此,例如至少执行三次温度测量,按照每次温度测量,得到一组第1温度、第2温度以及第3温度。在将得到的温度值代入到上述函数,即(第1温度)=(第1斜率)·(第2温度)+(第2斜率)·(第3温度)+(第2截距)这样的关系式时,得到三个方程式,即包含(第1斜率)、(第2斜率)以及(第2截距)这样的三个变量的三元联立方程式。通过解该三元联立方程式,能够决定“多个常数”,即“第1斜率”、“第2斜率”以及“第2截距”的值(但是,不限于该方法)。
(7)在本发明的温度测量装置的其他方式中,在设所述第1斜率为a,所述第2斜率为c,所述第2截距为d时,所述运算部通过下式计算所述a、c、d的值,
所述运算部通过由下式表示的作为所述深部温度的运算式的第1计算式计算所述深部温度Tc,
在本方式中,将作为在上述(5)的方式中说明的多个常数的“第1斜率”、“第2斜率”以及“第2截距”表现为多个常数a、c、d。
具体而言,上述的(第1温度)=(第1斜率)·(第2温度)+(第2斜率)·(第3温度)+(第2截距)这样的函数能够表示为“Tb=a·Tp+c·Tout’+d”。Tb为第1温度,Tp为第2温度,Tout’为第3温度(环境等效温度),a、c、d为常数。因此,上述三元联立方程式能够由下式表示。
因此,多个常数(a、c、d)能够通过包含上述逆矩阵的式子求出。
并且,通过将求出的a、c、d的各值代入到第1计算式执行运算,得到不受热平衡的影响的、大致理想地进行了校正后的深部温度Tc。
(8)在本发明的温度测量装置的其他方式中,当设在第1测量中得到的所述第1温度为Tb1,所述第2温度为Tp1,所述第3温度为Tout1’,设在第2测量中得到的所述第1温度为Tb2,所述第2温度为Tp2,所述第3温度为Tout2’,并且所述Tout2’的值为与所述Tout1’不同的值时,所述运算部使用在所述第1测量中得到的所述第1温度Tb1和所述第2温度Tp1、以及在所述第2测量中得到的所述第1温度Tb2和所述第2温度Tp2,执行基于作为所述深部温度的运算式的第2计算式的运算,计算所述深部温度Tc,所述第2计算式由下式表示,
在本方式中,至少执行两次温度测量(取得温度信息),在各温度测量中,使环境温度不同。这意味着使第3温度Tout’的值不同。
在使第3温度不同而执行了2次温度测量时,在第1测量中,例如构成设始端为被测量体的深部,终端为环境(大气等)的第1热流通量的系统。此外,在第2测量中,例如构成设始端为被测量体的深部,终端为环境(大气等)的第2热流通量的系统。在各系统中环境温度Tout(以及第3温度Tout’)不同,因此各系统的热流通量是相互不同的热流通量。
在这些热流通量的系统中,终端是环境,因此不会产生在现有例中成为问题的热平衡的差分这样的概念。即,仅是包含该热平衡在内,唯一确定环境温度Tout(以及第3温度Tout’)。
此外,使用的基材的热特性(例如导热系数)在第1热流通量的系统、第2热流通量的系统中相同(这是因为使用了共用的基材,因此当然相同)。即,热阻的分布在第1系统与第2系统之间没有任何变化。因此,在基材上设定了第1测量点和第2测量点时,(第1测量点与第2测量点的温度差/(被测量体的深部温度Tc与第1测量点的温度差)在第1热流通量的系统、第2热流通量的系统中均相同。因此,下式成立。
在关于Tc分解该式时,能够得到上述第2计算式。不产生现有例中的ΔTc这样的误差分量的概念本身,因此根据第2计算式,得到大致理想的深部温度Tc。
即,第2计算式是取根据系统不同的两个热流通量测量出的温度信息的差(的比)的形式的运算式,因此各温度信息中包含的、与热平衡对应的成分抵消而消失。即,在基材与环境之间产生热平衡、或者在被测量体与环境之间产生热平衡,不会引起任何问题。
第2计算式在形式上看起来与现有例中的计算式相同,但是第2计算式与现有例的计算式是根本不同的计算式。即,第2计算式是根据从设环境为终端的两个热流通量的系统得到的数据,从基材中的热阻的比相同(共同)这样的观点出发导出的计算式,是根本不同的计算式。
另外,在本方式中,第3温度Tout’不与深部温度Tc的计算本身直接相关。但是,如上所述,需要使第1测量中的环境温度、与第2测量时的环境温度不同,在两者相同时,不能进行正确的深部温度的计算。因此,用第3温度传感器测量出的第3温度Tout’能够用于确认是否满足可计算条件(第1测量与第2测量中的第3温度不同这样的条件),即能够用于判断可否运算。
附图说明
图1的(A)~(D)是用于说明第1实施方式中的深部温度的测量方法的图。
图2的(A)~(E)是用于说明将温度传感器设置在基材上的方法的一例的图。
图3的(A)和(B)是示出温度测量方法的一例、以及用于实施该温度测量方法的温度测量装置的结构的一例的图。
图4的(A)和(B)是示出温度测量方法的另一例、以及用于实施该温度测量方法的温度测量装置的结构的另一例的图。
图5的(A)和(B)是示出环境温度恒定这样的条件下的第1温度与第2温度之间的关系,以及将该关系应用于深部温度的计算式时的结果的图。
图6的(A)~(C)是示出环境温度(以及第3温度)恒定这样的条件下的第1温度与第2温度之间的关系,以及将该关系应用于深部温度的计算式时的结果的图。
图7的(A)~(D)是示出改变了环境温度(以及环境等效温度)时的第1温度与第2温度之间的关系,以及将该关系应用于深部温度的计算式时的结果的图。
图8的(A)~(D)是示出第1实施方式中的深部温度的测量方法的图。
图9的(A)和(B)是示出温度测量装置的整体结构例的图。
图10的(A)和(B)是用于说明利用了无线通信的温度测量装置的使用例的图。
图11是示出第1实施方式中的深部温度的测量顺序的图。
图12是示出使第3温度传感器的设置位置不同时的、每个设置位置的深部温度计算结果的图。
图13是示出深部温度的计算结果的一例的图。
图14是示出深部温度的计算结果的另一例的图。
图15是示出深部温度的计算结果的又一例的图。
图16是示出深部温度的计算结果的再一例的图。
图17的(A)和(B)是示出基材内部的温度分布与测量结果之间的关系的一例的图。
图18的(A)和(B)是示出基材内部的温度分布与测量结果之间的关系的另一例的图。
图19是用于说明第2实施方式中的深部温度的测量方法的图。
图20的(A)和(B)是用于说明在专利文献1所示的现有例中,产生由热平衡引起的误差分量的理由的图。
图21的(A)和(B)是用于说明在本发明的第2实施方式中,不产生由热平衡引起的误差分量的理由的图。
图22的(A)和(B)是示出第2实施方式中的深部温度的测量顺序、和第2实施方式中的深部温度的计算结果例的图。
图23的(A)~(C)是用于说明在专利文献1(日本特开2006-308538号公报)的图5中记载的体温计的例子的图。
图24是示出热流通量为稳定状态时的体温计的接触部模型、和深部温度的计算式的图。
图25是用于说明现有例中的由热平衡引起的测量误差的图。
标号说明
4:深部;5:表层部;6:被测量体(人体等);7:环境(周围介质、环境介质);8:剥离带;9:粘接层;10:粘贴结构(粘接带);20a、20b:绝热材料;40:基材;43:温度测量部;50:第1温度传感器;52:第2温度传感器;55:第3温度传感器;100:第1单元;200:第2单元。
具体实施方式
在说明本发明的实施方式以前,对专利文献1中记载的用于求出深部温度的运算式进行简单说明。
图23(A)~图23(C)是用于说明在专利文献1(日本特开2006-308538号公报)的图7中记载的体温计的例子的图。在图23(A)中,直接记载了专利文献1的图7的内容。图23(B)和图23(C)是为了说明在专利文献1的图7中记载的例子的动作而在此新追加的辅助图。
如图23(A)所示,体温计主体3设置在人体2上。体温计主体3具有第1温度测量部3A和第2温度测量部3B。第1温度测量部3A具有:绝热材料37,其具有与人体2的体表面2A接触的接触面300A;以及作为热流通量调整单元的、设置在绝热材料37与外部大气之间的作为第1绝热材料的绝热材料38A。此外,温度测量部3B具有:绝热材料37,其具有与温度测量部3A的接触位置隔开距离L的位置上的与体表面2A接触的接触面300B;以及作为热流通量调整单元的、设置在绝热材料37与外部大气之间的作为第2绝热材料的绝热材料38B。即,绝热材料37由第1温度测量部3A和第2温度测量部3B共用,具有共同的热阻值。
第1温度测量部3A具有:作为第1基准温度测量部的体表面传感器31A,其测量体表面2A的温度作为第1基准温度;以及作为第1参考温度测量部的中间传感器32A,其测量绝热材料37与绝热材料38A的界面301A的温度作为第1参考温度。
此外,温度测量部3B具有:作为第2基准温度测量部的体表面传感器31B,其测量体表面2A的温度作为第2基准温度;以及作为第2参考温度测量部的中间传感器32B,其测量绝热材料37与绝热材料38B的界面301B的温度作为第2参考温度。绝热材料38的材料与绝热材料37的材料不同。因此,使第1温度测量部3A与第2温度测量部3B之间的热阻值不同,在各温度测量部中产生不同的热流通量。
在图23(B)中,简略示出了图23(A)所示的体温计主体的结构。在图23(C)中,记载了图23(B)所示的第1温度测量部3A和第2温度测量部3B中的热阻和热流通量。
如图23(C)所示,人体2的表层部的热阻为Rs,并且在各温度测量部3A、3B与人体2的接触部位上存在接触电阻Rt。不清楚(Rs+Rt)的值。此外,共用的绝热材料37的热阻为Ru0(已知)。此外,第1温度测量部3A的设置在大气侧的绝热材料38A的热阻为(Ru1+RV)。另外,RV为接近大气的表层部的热阻。此外,第2温度测量部3B的设置在大气侧的绝热材料38B的热阻为(Ru2+RV)。
此外,在图23(C)中,设由体表面传感器31A、31B测量出的温度为Tb1、Tb3,设由中间传感器32A、32B测量出的温度为Tb2、Tb4。
在图23(C)的左侧如粗线箭头所示,在第1温度测量部3A中,产生从人体2的深部朝向绝热材料37与绝热材料38A进行接触的界面301A的热流通量。该热流通量能够分为从人体2的深部(温度Tcore)朝向体表面2A的热流通量Q(s+t)、和从体表面2A朝向界面301A的热流通量Qu1。此外,在第2温度测量部3B中,也产生从人体2的深部朝向绝热材料37与绝热材料38A进行接触的界面301A的热流通量,该热流通量能够分为从人体2的深部(温度Tcore)朝向体表面2A的热流通量Q(s+t)、和从体表面2A朝向界面301A的热流通量Qu2。
热流通量能够通过将两点的温度差除以两点间的热阻值来求出。因此,热流通量Q(s+t)用下式(A)示出,热流通量Qu1用下式(B)示出,热流通量Qu2用下式(C)示出。
Q(s+t)=(Tcore-Tb1)/(Rs+Rt)…(A)
Qu1=(Tb1-Tb2)/Ru0…(B)
Qu2=(Tb3-Tb4)/Ru0…(C)
在此,人体2中的热流通量与温度测量部3A、3B中的热流通量相等。因此,Q(s+t)=Qu1成立,同样,Q(s+t)=Qu2成立。
因此,能够根据式(A)和式(B)得到下述的式(D),根据式(A)和式(C)得到下述的式(E)。
Tcore={(Rs+Rt)/Ru0}·(Tb1-Tb2)+Tb1…(D)
Tcore={(Rs+Rt)/Ru0}·(Tb3-Tb4)+Tb3…(E)
图24是示出热流通量为稳定状态时的体温计的接触部模型、和深部温度的计算式的图。在该图24的上侧示出的图是大致直接记载了专利文献1的图4的内容的图。如图24的上侧的图所示,两个不同的热流通量(Q(s+t)和Qu1、Q(s+t)和Qu2)用斜率不同的直线示出。在各热流通量中,能够根据人体2中的热流通量与温度测量部3A、3B中的热流通量相等这样的条件,如上所述,得到作为深部温度Tcore的计算式的式(D)和式(E)。
能够根据式(D)和式(E),去除{(Rs+Rt)/Ru0}的项。结果,得到作为深部温度Tcore的计算式的下述的式(F)。
根据该式(F),能够高精度地求出人体2的深部温度Tcore而与人体2中的热阻值无关。
图25示出了在图23所示的现有例中,产生由热平衡引起的测量误差的情况。另外,在图25中,为了方便说明,将各体表面传感器31A~32B的测量温度记作T1~T4。
在图25中,用粗线的虚线箭头示出在人体2与环境(在此为大气)7之间,或者在温度测量部3A、3B与环境7之间产生的热平衡(热的传递)。如上所述,产生从人体2的深部朝向温度测量部3A、3B的热流通量,但是在实际的温度测量时,热流通量的一部分例如从温度测量部3A、3B流入环境(大气)7,并且例如热从环境(大气)7流入到温度测量部3A、3B。在之前已说明的专利文献1记载的技术中,以不产生热平衡的理想的热流通量为前提,因此,在这一点上,不能否认会产生微小的测量误差。
在图25的下侧示出的式(F)中,将现有例中的深部温度Tcore分为真正的深部温度Tc和由热平衡引起的误差分量ΔTc进行了记载。即,在专利文献1记载的测量方法中,在测量出的深部温度Tcore中,存在微小的伴随热平衡的测量误差。如果能够通过例如校正运算等去除该伴随热平衡的测量误差,则能够进一步提高深部温度的测量精度。
接着,参照附图来说明本发明的实施方式。
(第1实施方式)
图1(A)~图1(C)是用于说明第1实施方式中的深部温度的测量方法的图。在图1中,仅记载了本实施方式中的温度测量装置的主要部分(温度测量部)。另外,在后面使用图9说明温度测量装置的整体结构例。
首先,参照图1(A)。本实施方式中的温度测量装置具有:基材40;第1温度传感器50,其测量基材40的第1测量点p1处的温度作为第1温度Tb;第2温度传感器52,其测量基材40的与第1测量点p1不同的第2测量点p2处的温度作为第2温度Tp;第3温度传感器55,其测量基材40的与第1测量点p1和第2测量点p2不同的第3测量点p3处的温度作为第3温度Tout’,该第3温度Tout’是代用作基材40的周围环境7的温度的温度。
在此,环境温度Tout例如是用例如设置在大气中的大气温度传感器54计测基材40的周围环境(例如大气)7的温度而得到的温度信息。与此相对,“环境等效温度(第3温度)Tout’”是例如由设置于基材40的第3温度传感器55测量出的、在运算深部温度时替代环境温度Tout使用的温度信息。如上所述,第3温度Tout’是在运算深部温度时替代环境温度Tout使用的温度,是与环境温度Tout区别的概念,但是,在运算深部温度时,被用作与环境温度Tout等效的温度。即,也可以将第3温度Tout’称作与基材的周围环境7的温度等效的温度。因此,在以下的说明中,有时将“第3温度”称作“环境等效温度”。在以下的说明中,为了进行正确的说明,对环境温度Tout和第3温度Tout’进行区别处理。
基材40、第1温度传感器50、第2温度传感器52以及第3温度传感器55是温度测量部43的结构要素。此外,第1测量点p1、第2测量点p2以及第3测量点p3能够位于基材40的外表面或者基材40的内部。即,第1测量点p1、第2测量点p2以及第3测量点p3是位于基材40的外表面上或者基材40的内部的任意三点。
第1测量点p1是基材40上的被测量体6侧的测量点,第2测量点p2是位于环境7侧的测量点。此外,如上所述,第3测量点是用于测量与环境7的温度(环境温度Tout)等效的环境等效温度(第3温度)Tout’的测量点。
基材40具有:作为与被测量体6接触的接触面的第1面SR1;以及第2面SR2,其是与第1面SR1相对的环境7侧的面(即,基材40的上表面)。基材40的第1面SR1成为与被测量体6的表层部5的表面接触的状态。
基材40的第2面SR2例如是与第1面SR1平行的面。此外,基材40是传递热的热介质。作为基材40,例如能够使用具有预定的导热系数(或者热阻)的材料(例如硅橡胶)。被测量体6可以是人体,也可以是炉或管道等的无机结构物。
此外,作为第1温度传感器50、第2温度传感器52以及第3温度传感器55,例如能够使用将温度值转换为电阻值的类型的温度传感器,并且,能够使用将温度值转换为电压值的类型的温度传感器等。另外,作为将温度值转换为电阻值的类型的温度传感器,能够采用片式热敏电阻、印刷有热敏电阻图案的挠性基板、铂测温电阻体等。此外,作为将温度值转换为电压值的类型的温度传感器,能够采用热电偶元件、PN结元件、二极管等。
被测量体6的深部4的深部温度为Tc,该深部温度Tc是作为测量对象的温度。在图1(A)的例子中,如虚线的箭头所示,产生从被测量体6的深部4朝向环境7的热流(热流通量)Qa。
环境7是例如大气等热介质。可以将“环境”这样的表述改称作“周围介质”或者“环境介质”。即使在基材40的周围介质中包含不是大气的构成成分的气体成分的情况下,也能够将该介质称作环境(周围介质、环境介质)7。此外,该介质不限于气体。
此外,第1温度传感器50和第2温度传感器52在环境7的温度(环境温度)Tout的值不同的条件下,多次(在本实施方式中设为3次)测量第1温度Tb和第2温度Tp。此外,第3温度传感器55多次(在本实施方式中设为3次)测量温度值与环境温度Tout对应地变化的环境等效温度(第3温度)Tout’。
为了求出深部温度Tc,需要环境温度Tout的温度信息,但是在本实施方式中,用环境等效温度Tout’代用环境温度Tout。其理由如下。即,为了直接测量环境温度Tout,需要在基材40外部的环境7中设置用于环境温度测量的独立的温度传感器(图1(A)所示的大气温度传感器54)。与此相对,如果测量环境等效温度Tout’,则能够将第3温度传感器55设置于基材40的外表面或内部,结果,能够将三个传感器(第1温度传感器50、第2温度传感器52以及第3温度传感器55)集中在基材40上,能够实现温度测量装置的进一步的小型化。这样,从促进温度测量装置的小型化的观点出发,采用了用环境等效温度Tout’代用环境温度Tout的结构。
在此,环境温度Tout与第3温度(环境等效温度)Tout’理想的是Tout=Tout’,但是实际上,第3温度(环境等效温度)Tout’不仅受到环境温度的影响,还受到在被测量体与环境之间产生的热流Qa的影响,因此通常Tout与Tout’不一致。
但是,在本实施方式中使用的深部温度的运算式中,重要的不是测量值的绝对值,而是测量出的多个温度数据之间的相对关系,如果满足该相对关系,则即使用第3温度(环境等效温度)Tout’代用环境温度Tout,也不对测量精度本身产生影响。
上述相对关系是如下的相对关系:例如在设第1温度Tb和第2温度Tp与环境温度Tout存在线性关系时,即使在用第3温度Tout’代用环境温度Tout时,也能够确保同样的线性关系。基材中的任意一点的温度能够用包含环境温度Tout作为变量的一次函数表示,因此第3温度Tout’也具有相对于环境温度Tout的线性关系,如果能够决定环境温度Tout,则第3温度Tout’也能够通过线性函数唯一确定。因此,可认为环境温度Tout与第1温度Tb和第2温度Tp之间成立的线性关系,在第3温度Tout’与第1温度Tb和第2温度Tp之间也同样成立。由于这种理由,即使用第3温度Tout’代用环境温度Tout,也能够确保较高的测量精度。
基本上,被测量体的深部温度Tc能够根据在环境温度Tout与第1温度Tb和第2温度Tp之间成立的关系,利用多次温度测量的实测值,通过运算求出。如上所述,即使在使用第3温度(环境等效温度)Tout’来替代环境温度Tout的情况下,同样的关系也成立,因此在以下的说明中,适当使用第3温度(环境等效温度)Tout’这样的表现。
第1测量点p1的温度Tb(即第1温度)和第2测量点p2的温度Tp(即第2温度)都受到作为热源的深部温度Tc的影响而变动,并且受到作为热流终端的环境7的温度Tout的影响而变动。
例如,在设第2温度Tb=TPA时,可表现为第1温度Tp=aTPA+b。a是一次函数的斜率(第1斜率),b是截距(第1截距)。此外,第1截距b相对于环境温度Tout即作为环境等效温度的第3温度Tout’线性变化。即,能够表现为b=cTout’+d。c是一次函数的斜率(第2斜率),d是截距(第2截距)。
在本实施方式中,温度测量部中包含的运算部(在图1中未图示,图3~图5中的参考标号74),根据通过三次测量而得到的第1温度(Tb1~Tb3)、第2温度(Tp1~Tp3)以及与三次测量对应的不同值的第3温度(Tout1’~Tout3’),通过基于作为深部温度的运算式的第1计算式(式(1))的运算求出远离第1面SR1的、被测量体6的深部4的深部温度Tc。即,Tc=d/(1-a-c)。
在深部温度Tc与环境温度Tout(即环境等效温度Tout’)相等时,着眼于热平衡为零这一点而导出第1计算式(式(1))(具体的导出过程将在后面说明)。根据通过三次测量而得到的温度数据决定常数a、c、d,通过代入到式(1)求出深部温度Tc。以下,将式(1)称作第1计算式。这是本实施方式中的深部温度Tc的计算方法。
另外,第1计算式(式(1))在环境温度Tout(环境等效温度Tout’)与深部温度Tc相等的条件下,通过校正运算而导出。即,在假定校正运算式中的条件后,设Tout(Tout’)=Tc,因此实际测量出的环境等效温度Tout’与环境温度Tout稍有不同,这在校正运算后不会有特别的影响。
但是,第1计算式以基材40中的温度分布相对于环境温度Tout呈线性关系为前提,因此在用于运算的环境温度Tout’的值与实际的环境温度Tout的差扩大的情况下,可能不能满足基材40中的温度分布相对于环境温度Tout呈线性关系的前提,此时,深部温度的测量结果产生误差。从该观点出发,优选使得环境等效温度Tout’与环境温度Tout的差(误差)变小。
在现有例中,在环境温度恒定的条件下,使两个温度测量部的绝热材料的种类不同,生成了两个不同的热流通量,但是在本实施方式中,在环境温度不同的至少两个系统中生成热流通量。另外,在以下的说明中使用环境这样的用语,但环境是例如大气等热介质,可以改称作周围介质或者环境介质。
在现有例的热流模型中,两个温度测量系统中的环境温度Tout为相同的值(即恒定)。因此,在各系统中的深部温度Tc与环境温度Tout之间产生的热流恒定,现有例以该情况为前提条件。从被测量体朝向环境的、例如铅直方向的热流恒定这样的情况以如下情况为前提而成立:不产生该铅直方向的热流的一部分经由例如基材的侧面而流向环境这样的热平衡。
但是,当促进温度测量装置的小型化,从而基材的尺寸变小时,被测量体与环境之间的热平衡(例如从基材侧面流出热等)变得显著。此时,不能满足在深部温度Tc与环境温度Tout之间产生的热流恒定这样的前提。
与此相对,在本实施方式中,在多个热流系统中,各热流的一端是允许温度变动的环境7,例如在第1系统中,环境温度为Tout1(任意温度),在第2系统中,环境温度为Tout2(与Tout1不同的任意温度)。因此,不产生如下的现有例的制约:在多个热流系统之间,在环境温度(Tout)与深部温度(Tc)之间产生的热流必须恒定。即,在各系统的热流通量中本来包含由热平衡引起的热移动,仅是在环境温度Tout(任意温度)与被测量体的深部温度Tc之间,产生还包含该热平衡的成分的热流。
并且,在这种热流系统中,基材中的任意两点(第1测量点和第2测量点)的温度能够通过包含环境温度Tout即作为环境等效温度的第3温度Tout’作为变量(参数)的式子表示。
此外,在深部温度Tc与环境温度Tout(即第3温度Tout’)相等时,热平衡为零。因此,例如在进行深部温度Tc的运算时,能够通过给出深部温度Tc与环境温度Tout(第3温度Tout’)相等这样的条件,设由热平衡引起的测量误差为零。
接着,对决定将位于基材40的任意三点中的哪一个设为第1测量点p1、哪一个设为第2测量点p2、哪一个设为第3测量点p3的方法的一例进行说明。关于第1测量点p1的位置(第1温度传感器50的位置)、第2测量点p2的位置(第2温度传感器52的位置)以及第3测量点p3的位置(第3温度传感器55的位置),可考虑各种变形。在此,参照图1(B)。
如上所述,第1测量点p1、第2测量点p2以及第3测量点p3能够位于基材40的表面上或侧面上即基材40的外表面上,并且,还能够位于基材40的内部。在此,第1测量点p1、第2测量点p2以及第3测量点p3必须位于不同的位置。
在图1(B)的例子中,在基材40的内部设定三点(点a、点b、点c)。在此,第3测量点p3是用于计测与环境温度Tout等效的环境等效温度Tout’的测量点,因此优选将三点(点a~点c)中的、最容易与环境7进行热交换的点(最受环境温度Tout影响的点)选择为第3测量点。即,优选设存在于与环境7之间的最小热阻值比其他两点小的测量点为第3测量点。
在图1(B)中,设三个测量点a~c中的到达环境7的最短距离为L1、L2、L3。L1、L2、L3为0以上的值,并且,在图1(B)的例子中,L2≤L3≤L1。即L2最小。因此,测量点b是最容易与环境7进行热交换的点。因此,在图1(B)的例子中,设测量点b为用于测量环境等效温度Tout’的第3测量点p3。
接着,说明将剩余两个点(测量点a和测量点c)中的哪一个设为第1测量点p1。第1测量点p1是被测量体6侧的测量点,因此优选将更接近被测量体6的测量点、即更接近作为热源的被测量体6的深部4的测量点设为第1测量点p1。
因此,在图1(B)中,考虑与基材40的接触面SR1垂直的垂线方向上的、与第1面(接触面)SR1的距离。a点的距离为LA,b点的距离为LB,c点的距离为LC。另外,设基材40的高度(从第1面SR1到第2面SR2的距离)为LD。在图1(B)的例子中,LA<LB<LC,LA最小。
即,测量点a相比测量点c位于更靠近被测量体6的位置。因此,在图1(B)的例子中,设测量点a为被测量体6侧的测量点p1。结果,第3测量点c成为作为环境侧的测量点的第2测量点p2。由此,能够关于位于基材40的任意三点,决定第1测量点p1~第3测量点p3。但是,该决定方法只是一个例子,不限于该方法。
接着,参照图1(C)对第1测量点p1与第2测量点p2的位置关系进行说明。另外,将在后面使用图13~图18对使第1测量点p1和第2测量点p2进行各种变化来测量深部温度的结果进行说明。
如上所述,第1测量点p1是被测量体6侧的测量点,第2测量点p2是环境(大气)7侧的测量点。如图1(C)所示,考虑与基材40的接触面SR1垂直的垂线方向上的、与第1面(接触面)SR1的距离,设第1测量点p1的距离为LA,设第2测量点p2的距离为LB。设基材40的高度为LC,设基材40的高度(从第1面SR1到第2面SR2的距离)为LD。
关于距离LA和距离LB,0≤LA、LB≤LC成立,并且LA≤LB成立。即,第1测量点p1和第2测量点p2的与基材40的第1面SR1之间的距离LA、LB为0以上,基材40的高度(顶部处的高度)在LC以内。此外,在对第1测量点p1的与基材40的第1面SR1之间的距离LA、和第2测量点p2的与基材40的第1面之间的距离LB进行比较时,可以是LA<LB,也可以是LA=LB。
此外,在LA<LB时,第1测量点p1相比第2测量点p2位于更靠近被测量体6的位置。在LA=LB时,第1测量点p1和第2测量点p2位于横向一条线的位置,与接触面SR1垂直的垂线方向的距离相等。此时,在与接触面SR1平行的方向上的距离(即与基材40的侧面之间的距离)存在差异时,能够将与基材40的侧面之间的距离较小的点设为作为环境7侧的测量点的第2测量点p2。另外,将在后面使用图16对即使在LA=LB的情况下也能够正确测量深部温度Tc这一点进行说明。
接着,参照图1(D)对将基材中的任意三点(a~c)并列配置于横向一条线的位置的情况进行说明。在图1的(D)的例子中,LA=LB=LC,关于各点a~c,与接触面SR1垂直的垂线方向的距离相等。但是,关于与接触面SR1平行的方向上的距离(即与基材40的侧面之间的距离)L4~L6,L5<L6<L4成立。
因此,能够设最受环境温度Tout影响的点b为用于测量环境等效温度Tout’的第3测量点。此外,关于点a和点c,由于点c相比点a位于更靠近环境7的位置,因此能够设点c为用于测量环境侧的温度(第2温度Tp)的第2测量点p2。结果,点a成为作为被测量体6侧的测量点的第1测量点p1。
这样,在基材40上设定了任意的三点后,能够通过综合考虑从被测量体6到各点之间的距离的长短、从环境7到各点之间的距离的长短,确定第1测量点p1~第3测量点p3。
接着,对将温度传感器设置在基材40上的方法的一例进行说明。图2(A)~图2(E)是用于说明将温度传感器设置在基材上的方法的一例的图。在此,以第1温度传感器50(例如由热电偶元件构成)为例进行说明。以下说明的方法对于第2温度传感器52和第3温度传感器55也同样适用。
图2(A)是示出基材40(包含第1温度传感器50)的平面图和剖视图。如平面图所示,基材40在平面视图中形成正方形的形状,纵Y1和横X1均为例如50mm。此外,如剖视图所示,基材的高度Y3为例如5mm。并且,第1温度传感器50被埋设在基材40中。第1温度传感器50的横X2为例如0.5mm,纵(高度)Y2为例如0.5mm。作为基材40,能够使用例如发泡橡胶(例如天然的胶乳橡胶)或发泡树脂(例如发泡聚氨酯)。
图2(B)和图2(C)示出了将第1温度传感器50埋入到基材40的方法的一例。在图2(B)中,形成从基材40的侧面朝向中央的横孔47a,经由该横孔47a将第1温度传感器50搬送到基材40内部,并且将第1温度传感器50设置于基材40的大致中央。
此外,在图2(C)的例子中,替代图2(B)中的横孔47a,形成了纵孔47b。
图2(D)和图2(E)示出了将第1温度传感器50埋入到基材40的方法的另一例。在图2(D)和图2(E)的例子中,将基材40分割成下侧部分40a和上侧部分40b。在粘贴下侧部分40a和上侧部分40b时,通过利用两部分40a、40b夹入第1温度传感器50,从而能够使第1温度传感器50位于基材40的内部。
在图2(D)的例子的第1工序中,在基材40的上侧部分40b的一部分上形成凹部39。在第2工序中,在形成于基材40的上侧部分40b的凹部39中埋入第1温度传感器50,并且在基材40的下侧部分40a的与上侧部分40b相对的面上形成粘接材料41。在第3工序中,粘贴基材40的下侧部分40a和上侧部分40b。但是,由于发泡橡胶或发泡树脂具有柔软性,因此还能够不设置凹部39,而用基材40的下侧部分40a和上侧部分40b直接夹着第1温度传感器50。图2(E)示出该例子。
在图2(E)的例子的第1工序中,不在基材40的下侧部分40a上形成凹部。并且,在第2工序中,在基材40的下侧部分40a的与上侧部分40b相对的面上形成粘接材料41,并在该粘接材料41上载置第1温度传感器50。在第3工序中,粘贴基材40的下侧部分40a和上侧部分40b。基材40由柔软的材料构成。因此,在粘贴时,基材40的上侧部分40b的中央部以包入第1温度传感器50的方式进行变形。另外,以上的例子只是一个例子,不限于这些方法。
接着,对用于确保“在环境温度Tout的值不同的条件下,多次测量第1温度Tb、第2温度Tp以及第3温度(环境等效温度)Tout’”的测量方法的例子进行说明。
图3(A)和图3(B)是示出温度测量方法的一例、以及用于实施该温度测量方法的温度测量装置的结构的一例的图。
图3(A)所示的温度测量装置包含温度测量部43、运算部74、以及控制温度测量部43和运算部74的动作的控制部73。控制部73除了上述运算部74以外,还具有测量定时控制部75。测量定时控制部75输出定时控制信号TS1,根据该定时控制信号TS1,改变第1温度传感器50、第2温度传感器52以及第3温度传感器55的第1温度Tb、第2温度Tp以及第3温度(环境等效温度)Tout3’的测量定时。
另外,也可以通过空调器57控制环境7的温度。但是,在图4(A)的例子中,利用环境7的微观的温度波动,因此在本例中,有无空调器57(或者开/关空调器)不成问题。
如图3(B)所示,为了得到第1温度Tb、第2温度Tp和第3温度Tout’,设置了第1测量期间~第3测量期间。控制部73按照每个测量期间,执行多次的温度测量或者温度信息的取得,并根据得到的数据执行基于上述第1计算式(式(1))的运算,从而求出深部温度Tc。
作为用于“使环境温度Tout的值不同”的方法,存在利用空调器等的积极方法,和着眼于时间轴上的环境温度波动(微小变动)来调整测量定时这样的消极方法,但是在图3的例子中,采用了后者的消极方法。
例如,在测量三次基材40的第1测量点p1处的第1温度Tb和基材40的第2测量点p2处的第2温度Tp时,当各测量之间的时间间隔非常短时,有时不能满足在不同的环境温度下进行三次测量这样的条件。因此,在本例子中,设置第1次测量用的第1时间段(即第1测量期间)、第2次测量用的第2时间段(即第2测量期间)、和第3次测量用的第3时间段(即第3测量期间)。
能够将各时间段(测量期间)设为例如1分钟(3个时间段的合计为3分钟)。第1时间段(第1测量期间)是时刻t1到t4的期间,例如每隔20秒执行温度测量。即,在时刻t1、时刻t2、时刻t3,执行3次温度测量,从而得到如图所示的9个数据。并且,通过这些数据的平均运算(可以是单纯的相加平均,也可以是加权平均),决定第1次的温度测量值(Tb1、Tp1、Tout1’)。
此外,在第2时间段(第2测量期间)也执行3次温度测量,通过各测量结果的平均运算(可以是单纯的相加平均,也可以是加权平均),决定第2次的温度测量值(Tb2、Tp2、Tout2’)。
同样,在第3时间段(第3测量期间)也执行3次温度测量,通过各测量结果的平均运算(可以是单纯的相加平均,也可以是加权平均),决定第3次的温度测量值(Tb3、Tp3、Tout3’)。将以上处理设为第1步骤S1的处理。另外,最广义地解释平均运算这样的用语。
接着,在步骤S2中,根据得到的数据,计算之前图1(A)所示的常数a、c、d。接着,在步骤S3中,根据第1计算式(式(1))测量深部温度Tc。
在图3所示的例子中,关于第1温度Tb、第2温度Tp以及第3温度Tout’,能够比较容易地得到在不同的环境温度Tout(即不同的环境等效温度Tout’)下测量出的多个温度数据,而不使用空调器等积极改变环境温度。
图4(A)和图4(B)是示出温度测量方法的另一例、以及用于实施该温度测量方法的温度测量装置的结构的另一例的图。在图4(A)所示的温度测量装置中,设置了输入定时控制信息的定时控制信息输入部83,该定时控制信息用于决定执行多次温度测量的定时。每当从定时控制信息输入部83输入定时控制信息(在此为测量指示触发TG)时,控制部73例如使第1温度传感器50、第2温度传感器52以及第3温度传感器55执行温度测量。
在图4的例子中,通过用户本身的行为保证“使第3温度(环境温度Tout)的值不同”。
例如,用户在进行第1次测量时,将设置在温度测量装置外部的外部空调器57的温度设定为第1温度,例如在从设定起经过预定时间时,经由定时控制信息输入部输入作为定时控制信息的测量指示触发TG。如上所述,每当从定时控制信息输入部83输入定时控制信息时,控制部73例如使第1温度传感器50、第2温度传感器52以及第3温度传感器55执行温度测量。测量定时由测量定时控制部75控制。
例如可以每当输入定时控制信息(测量指示触发TG)时进行1次温度测量,并且也可以每当输入定时控制信息时执行多次温度测量,并对得到的测量值进行平均等来求出测量值。之后,用户在将空调器57的温度设定为第2温度后,输入定时控制信息,接着,在将空调器57的温度设定为第3温度后,输入定时控制信息。例如,用户输入3次定时控制信息。
当取得3次的温度信息时,运算部74自动执行基于取得的温度信息的、用于求出深部温度Tc的运算(基于计算式的运算),从而求出深部温度Tc。将求出的深部温度Tc例如报知(包含基于显示、声音的通知等)给用户。在图3的例子中,用户本身利用空调器等使每次测量的环境温度不同,因此温度测量装置本身不产生管理环境温度的负担。
测量顺序如图4(B)的步骤S4~步骤S6所示。另外,以上的例子只是一个例子。
图5(A)和图5(B)是示出温度测量方法的又一例、以及用于实施该温度测量方法的温度测量装置的结构的又一例的图。在图5的例子中,温度测量部具有能够改变环境温度Tout的环境温度调整部CD。接着,每当1次温度测量结束时,控制部73通过环境温度调整部CD改变环境温度Tout。由此,Tout1≠Tout2≠Tout3成立。
在图5(A)的例子中,使用调整器CC1作为环境温度调整部CD,调整器CC1例如具有如下功能:通过远程控制调整设置在温度测量装置外部的外部空调器57的设定温度。调整器CC1的动作利用来自测量定时控制部75的控制信号ST2进行控制。
此外,在图5(B)的例子中,例如使用设置在温度测量装置内部的气流生成部(例如具有改变气流温度的功能)CC2作为环境温度调整部CD。气流生成部CC2能够由风扇(电扇)、或喷射气流的微小喷嘴等构成。气流生成部CC2的动作利用来自测量定时控制部75的控制信号ST3进行控制。
能够通过利用环境温度调整部CD,按照每次测量,使环境温度Tout(以及环境等效温度Tout’)可靠地不同。此外,能够将环境温度Tout(以及环境等效温度Tout’)设定为正确的温度。此外,例如还能够将第1测量时的环境温度Tout1(以及环境等效温度Tout’)、与第2测量时的环境温度Tout2(以及环境等效温度Tout’)的差设定得较大。另外,以上的例子只是一个例子。
接着,使用图6~图8对第1计算式(采用了图1的(A)的式(1)的深部温度Tc的运算)进行具体说明。
图6(A)~图6(C)是示出环境温度(以及第3温度)恒定这样的条件下的、第1温度与第2温度之间的关系以及将该关系应用于深部温度的计算式时的结果的图。
在图6(A)中,在基材40上设置有第1温度传感器50、第2温度传感器52以及第3温度传感器55。基材40、第1温度传感器50、第2温度传感器52以及第3温度传感器55是温度测量部43的结构要素。基材40具有第1面(接触面)SR1和第2面(基材40的上表面)SR2。温度测量部43例如被粘贴到被测量体6(例如人体)上。
另外,将环境7的温度表述为Tout,将通过第1温度传感器50测量出的第1温度表述为Tb,将通过第2温度传感器52测量出的第2温度表述为Tp,将通过第3温度传感器55测量出的第3温度(环境等效温度)表述为Tout’。
图6(B)是示出第2温度Tb与第1温度Tp之间的关系的图。在图6(B)中,横轴为Tp,纵轴为第2温度Tp和第1温度Tb的温度T。在环境温度(Tout)恒定的状态下第1温度Tb线性变化时,第2温度Tp也线性变化。即,第1温度Tb相对于第2温度Tp具有线性关系。
如图6(B)所示,第1温度Tb通过将第2温度Tp设为变量的一次函数表示。即,下述式(2)成立。
在此,a为第1斜率,b为第1截距(或者第1偏移值),均为常数。当Tp为TPA时,Tb=aTPA+b,并且,当Tp为TPB时,Tb=aTPB+b。
图6(C)是示出将通过两次的温度测量而得到的温度数据T1~T4应用于之前说明的深部温度的计算式时的结果的图。设为通过时刻t1的温度测量得到第1温度T1和第2温度T2。此外,设为通过时刻t2的温度测量得到第1温度T3和第2温度T4。T1~T4通过下述式(3)表示。
在此,将式(3)的各值代入到式(4)(与图25所示的式(F)相同)。式(4)是用于求出深部温度Tcore的计算式,如之前说明的那样,包含由热平衡引起的误差分量ΔTc。
结果,得到式(5)。
接着,参照图7,考察改变了环境温度Tout时,即改变了环境等效温度Tout’时的第1温度Tb与第2温度Tp之间的关系。图7(A)~图7(D)是示出改变了环境温度(以及环境等效温度)时的、第1温度与第2温度之间的关系以及将该关系应用于深部温度的计算式时的结果的图。
如图7(A)所示,变动的环境等效温度(第3温度)Tout’通过第3温度传感器55测量。如之前说明的那样,在设第2温度Tp为TPA时,能够表现为Tb=aTPA+b。常数b是第1截距(第1偏移值),该第1截距b具有相对于环境等效温度(第3温度)Tout’的线性关系。
即,如图7(B)所示,当环境等效温度(第3温度)Tout’变动时,第1截距b的值随着环境等效温度(第3温度)Tout’呈线性变化。因此,下述式(6)的关系成立。
b=cTout′+d …(6)
在此,c、d均为常数。c是第2斜率,d是第2截距。当环境等效温度(第3温度)Tout’为Tout1’时,第1截距b为b1(=cTout1’+d),当环境等效温度(第3温度)Tout’为Tout2’时,第1截距b为b2(=cTout2’+d)。
图7(C)示出了Tout1’时的第2温度Tp与第1温度Tb(=Tb1)之间的关系,以及Tout2’时的第2温度Tp与第1温度Tb(=Tb2)之间的关系。在Tout’从Tout1’变化为Tout2’时,一次函数的斜率(第1斜率a)没有变化,但是第1截距b的值从b1变化为b2,因此表示Tp与Tb的关系的一次函数平行移动b1与b2的差分的量。
由此,第1温度Tb不仅相对于第2温度Tp,还相对于环境等效温度(第3温度)Tout’示出线性关系。在将上述式(6)代入到上述式(3)所示的Tb=aTp+b这样的式子中时,得到下述式(7)。
Tb=aTp+cTout′+d …(7)
该式(7)是包含第2温度Tp和第3温度Tout’作为变量,并且包含多个常数a、b、c的函数。利用该函数对第1温度Tb、第2温度Tp和第3温度Tout’进行相关。
此外,在将上述式(6)代入到式(5)中时,得到式(8)。
在此,由于温度差而产生热移动,因此在环境温度(即第3温度Tout’)与深部体温Tc的值相等时不产生由热平衡引起的误差ΔTc。因此,在式(8)中,设为Tout’=ΔTc,设为ΔTc=0。于是,式(8)变形为式(1)。
该式(1)示出了不包含由热平衡引起的误差的深部温度Tc。但是,为了解式(1),需要确定多个常数a、c、d的值。多个常数a、c、d利用由上述式(7)表示的函数相互关联。为了求出3个常数的值,解三元的联立方程式即可。因此,使时间不同,至少执行3次温度测量。
在此,设为在第1次的测量时,得到作为第1温度的Tb1、作为第2温度的Tp1、作为第3温度的Tout1’,在第2次的测量时,得到作为第1温度的Tb2、作为第2温度的Tp2、作为第3温度的Tout2’,在第3次的测量时,得到作为第1温度的Tb3、作为第3温度的Tp3、作为第3温度的Tout3’。
这9个测量数据能够通过式(9)的行列式表现。
因此,能够通过包含逆矩阵的式(10),求出多个常数a、c、d。
在决定多个常数a、c、d的值时,将各值代入到式(1)。由此,能够得到深部温度Tc。
图8(A)~图8(D)是示出第1实施方式中的深部温度的测量方法的图。如图8(A)所示,至少测量三次3点的温度,即第1温度Tb、第2温度Tp和第3温度Tout’。所得到的9个测量数据(Tb1、Tp1、Tout1’、Tb2、Tp2、Tout2’、Tb3、Tp3、Tout3’)能够通过图8(B)所示的行列式(9)进行相关。因此,多个常数a、c、d能够通过图9(C)所示的行列式(10)求出。并且,能够通过图8(D)所示的式(1)计算深部温度Tc。
接着,对温度测量装置的整体结构进行说明。图9(A)和图9(B)是示出温度测量装置的整体结构例的图。
在图9(A)的例子中,第1温度传感器50和第2温度传感器52被埋入到基材40的内部。此外,在绝热材料20a上设置有第3温度传感器55。第1温度传感器50、第2温度传感器52、基材40以及第3温度传感器55构成第1单元100。
并且,在绝热材料20b上设置有第2单元200。第2单元200包含控制部73和运算部74。另外,运算部74可包含常数计算部和深部温度计算部作为功能块。此外,虽然未图示,但是第2单元200还能够设置报知运算结果的报知部(例如显示部)。
此外,图9(A)的温度测量装置具有用于将基材40的第1面(接触面)SR1粘贴到被测量体6的表面的粘贴结构10。粘贴结构10例如能够由粘接带构成。粘接带可具有剥离纸8和支撑层(粘接层)9。
能够利用粘贴结构10将第1单元100粘贴到被测量体6的表面。因此,温度测量装置的操作性和便携性提高。此外,例如将温度测量装置用于幼儿或婴幼儿等的体温计测的情况下,幼儿等频繁移动身体,因此难以良好地将温度测量装置与体表面的接触保持预定时间。但是,即使在这种情况下,也能够使用粘贴结构10将温度测量装置整体粘贴到被测量体6的表面,因此即使幼儿或婴幼儿移动了身体,也能够良好地维持体表面与温度测量装置的接触状况。因此,能够进行正确且稳定的温度测量。
在图9(B)的例子中,采用第1单元100和第2单元200分离的分体结构。第1单元100包含第1无线通信部CA,第2单元200包含第2无线通信部CB。
将第1温度(Tb)的信息和第2温度(Tp)的信息,或者第1温度(Tb)的信息、第2温度(Tp)的信息以及第3温度(Tout)的信息从第1无线通信部CA发送到第2无线通信部CB。设置于第2单元的运算部74根据由第2无线通信部CB接收到的第1温度(Tb)的信息和第2温度(Tp)的信息,或者第1温度(Tb)的信息、第2温度(Tp)的信息以及第3温度(Tout)的信息执行运算,求出被测量体6的深部温度Tc。
根据图9(B)的结构,能够将第1单元100(例如温度测量装置的主体)的结构的部件数量抑制为最小限度,从而能够实现第1单元100的轻量化。因此,例如即使在使第1单元100长时间接触作为被测量体6的被检者的体表面的情况下,也不会给被检者带来大的负担。因此,例如能够连续长时间监测温度。
此外,在第1单元100与第2单元200之间,能够进行利用无线通信的温度数据发送接收,因此能够从第1单元100远离一定程度地设置第2单元200。此外,由于利用无线通信,因此不需要通信用的布线。因此,第1单元的操作性提高。此外,能够使第1单元100从第2单元200完全分离,因此能够进一步促进第1单元100的轻量化。
图10(A)和图10(B)是用于说明利用了无线通信的温度测量装置的使用例的图。在图10(A)中,在作为被测量体6的幼儿胸部的体表面6A上佩戴(粘贴)有第1单元100。此外,将第2单元200佩戴于抱着作为被测量体6的幼儿的保护者(温度测量装置的用户)MA的左手腕。在此,第2单元200还作为显示部发挥功能。
如图10(B)所示,第1单元100具有第1温度传感器50、第2温度传感器52、第3温度传感器55、A/D转换部56、无线通信部CA以及天线AN1。此外,第2单元200具有无线通信部CB、控制部73、运算部74、显示部77、操作部79以及存储部81。操作部79能够兼作图4所示的定时控制信息输入部83。
在运算部74中,存储有用于计算上述多个常数a、b、d的计算式、和用于计算深部体温Tc的计算式。此外,在存储部81中,存储有接收到的第1温度Tb、第2温度Tp、环境温度Tout,并且还存储有计算出的多个常数a、b、d的值,并且还存储有求出的深部体温Tc。
存储部81构成为可存储与多个被测量体(在此为被检者)相关的温度信息。因此,能够按照作为被检体的每个幼儿存储深部体温Tc等数据。另外,在存储部81中,除了温度信息以外,还可以存储例如被测量体6(在此为作为被检者的幼儿)的姓名、年龄、测量日期时间等测量信息。此时,保护者MA(温度测量装置的用户)能够对操作部79进行操作来输入这些测量信息。
温度测量装置例如如下动作。保护者MA能够通过操作第2单元200的操作部79来接通第2单元200的电源。于是,从无线通信部CB发送电波。通过该电波的电磁感应,使天线AN1产生电动势,并通过该电动势对第1单元100内的电源(电池)进行充电。于是,起动第1单元100,并起动第1温度传感器50、第2温度传感器52和第3温度传感器55。并且,第1单元100朝向第2单元200发送备用信号。
接着,第1单元100内的控制部73在接收到备用信号时,指示无线通信部CB发送温度测量开始信号。第1单元100在接收到温度测量开始信号时,开始利用第1温度传感器50、第2温度传感器52、第3温度传感器55测量温度。另外,优选在从被检者6的深部向体表面6A的传热变成稳定状态(平衡状态)的状态下进行第1温度Tb和第2温度Tp的测量。因此,优选在从温度测量开始信号的接收定时起经过了实现平衡状态所需的时间后的定时开始温度测量。
用A/D转换部56将测量出的温度信息(第1温度Tb、第2温度Tp、第3温度Tout)从模拟信号转换为数字信号,并通过无线通信部CA发送到第2单元200。执行多次温度测量,按照每次测量发送测量数据。能够考虑环境(大气等)的状况和趋势等,适当调整各次测量的执行间隔。
第2单元200内的运算部74将以预定间隔发送来的一组第1温度Tb、第2温度Tp、第3温度Tout的数据临时存储到存储部81。并且,在得到全部所需温度数据后,以上述顺序执行预定运算,从而测量被检者(幼儿)6的深部温度Tc。测量出的深部温度Tc例如显示在显示部77上。
图11是示出第1实施方式中的深部温度的测量顺序的图。首先,取得温度数据(步骤S10)。在温度数据中,包含有在第1测量中得到的第1温度Tb1、第2温度Tp1、第3温度Tout1’,在第2测量中得到的第1温度Tb2、第2温度Tp2、第3温度Tout2’,以及在第3测量中得到的第1温度Tb3、第2温度Tp3、第3温度Tout3’。
接着,计算多个常数a、c、d(步骤S20)。接着,使用之前说明的第1计算式运算深部温度(步骤S30)。
(深部温度的测量结果例)
接着,对使第3温度传感器55的设置位置不同时的、每个设置位置的深部温度Tc的基于计算机仿真的计算结果进行说明。在本实施方式中,如上所述,替代环境7的温度(环境温度)Tout,使用通过设置于基材40的第3温度传感器55测量出的环境等效温度(第3温度)。为了提高深部温度Tc的测量精度,尽可能正确地测量跟随环境温度Tout而线性变化的第3温度Tout’非常重要。
图12是示出使第3温度传感器的设置位置不同时的、每个设置位置的深部温度计算结果的图。在图12的例子中,将多个第3温度传感器55配置于基材40的不同位置,使用各温度传感器的测量值计算深部温度Tc,并比较测量精度。由此,测量环境等效温度Tout’的第3温度传感器55的优选设置位置的例子变得清楚。以下具体进行说明。
在图12的例子中,将用于测量环境等效温度Tout’的第3温度传感器55设置于测量点p3(a)~测量点p3(d)这4个点。
测量点p3(a)是位于基材40的侧面顶部(基材40的第2面SR2附近)的测量点,测量点p3(b)是位于基材40的侧面中央的测量点,测量点p3(c)是位于基材40的侧面底部(基材40的第1面SR1附近)的测量点。并且,测量点p3(d)是位于基材40内部(基材40的中心附近)的测量点。另外,测量点p3(b)和测量点p3(d)配置成大致横向一列。
在图12的例子中,假定人体作为被测量体6,将深部4的温度Tc设定为37℃。在该实验中,使用聚氯乙烯(PVC)作为与表层部5相当的结构体的材料。聚氯乙烯的导热系数为0.144283(W/m·K)。此外,将与表层部5相当的PVC结构体(长方体)的厚度设定为20mm。此外,在该PVC结构体的上表面的中央,设置有由硅橡胶构成且具有圆柱形状的基材40。硅橡胶的导热系数为0.05(W/m·K)。
此外,基材40的截面为圆形,该圆的直径为20mm。此外,基材40的高度为2mm。此外,第1温度传感器50和第2温度传感器52被设置于处于与基材40的底面(即接触面)SR1垂直的垂线L1上的两点(第1测量点和第2测量点)的位置上。第1温度传感器50与第2温度传感器52之间的距离为2mm。即,在基材40的底面(即接触面)SR1上设定第1测量点,在基材40的上表面SR2上设定第2测量点。
此外,在图12的例子中,环境(大气)7的热传递系数(与大气的热移动度成正比的常数)被设定为0.01W/m2·K。另外,为了测量环境温度Tout,设置了大气温度传感器54。
在图12的例子中,对环境温度Tout、环境等效温度Tout’、第1温度Tb以及第2温度Tp进行n次测量。在本例中,执行三次(n=3)的温度测量。此外,按照每3次测量,环境温度Tout(Tout1~Tout3)的值发生变化。Tout1为23℃,Tout2为30℃,Tout3为35℃。
实测数据的例子在图12(B)的下侧用表形式示出。将与Tout1~Tout3对应的第2温度Tp设为Tp1~Tp3。Tp1为27.4605℃,Tp2为32.2303℃,Tp3为35.6372℃。
此外,将与Tout1~Tout3对应的第1温度Tb设为Tb1~Tb3。Tb1为29.2884℃,Tb2为33.1442℃,Tb3为35.8983℃。
此外,将测量点p3(a)处的Tout’设为Tout’(a),将与Tout1~Tout3对应的Tout’(a)设为Tout’1(a)、Tout’2(a)、Tout’3(a)。此时,Tout’1(a)为26.2482℃,Tout’2(a)为31.6241℃,Tout’3(a)为35.8983℃。
此外,将测量点p3(b)处的Tout’设为Tout’(b),将与Tout1~Tout3对应的Tout’(b)设为Tout’1(b)、Tout’2(b)、Tout’3(b)。此时,Tout’1(b)为27.1235℃,Tout’2(b)为32.0617℃,Tout’3(b)为35.5891℃。
此外,将测量点p3(c)处的Tout’设为Tout’(c),将与Tout1~Tout3对应的Tout’(c)设为Tout’1(c)、Tout’2(c)、Tout’3(c)。此时,Tout’1(c)为28.7516℃,Tout’2(c)为32.8758℃,Tout’3(c)为35.8217℃。
此外,将测量点p3(d)处的Tout’设为Tout’(d),将与Tout1~Tout3对应的Tout’(d)设为Tout’1(d)、Tout’2(d)、Tout’3(d)。此时,Tout’1(d)为28.371℃,Tout’2(d)为32.6855℃、Tout’3(d)为35.8983℃。
如上所述,能够根据第1温度Tb、第2温度Tp、环境温度Tout的值或者环境等效温度Tout’的值,求出a、c、d的值,并通过d/(1-a-c)的运算求出深部温度Tc。
使用环境温度Tout求出的深部温度Tc1为36.9999℃。真正的深部温度为37℃,因此测量误差仅为0.0001℃。
使用环境等效温度Tout’(a)求出的深部温度Tc2为36.9999℃,与Tc1同样得到高精度的测量结果。
使用环境等效温度Tout’(b)求出的深部温度Tc3为36.9998℃。虽然是高精度的测量结果,但是测量误差为0.0002℃,与Tc1、Tc2相比,测量误差扩大。
使用环境等效温度Tout’(c)求出的深部温度Tc4为36.9996℃。虽然是高精度的测量结果,但是测量误差为0.0004℃,与Tc1~Tc3相比,测量误差扩大。
使用环境等效温度Tout’(d)求出的深部温度Tc5为36.9996℃(与Tc4为相同的值)。虽然是高精度的测量结果,但是测量误差为0.0004℃,与Tc1~Tc3相比,测量误差扩大,并且与Tc4为相同精度。
根据以上的测量结果首先可知,无论将用于测量环境等效温度Tout’的第3温度传感器55设置于第1测量点p3(a)~第4测量点p3(d)中的哪个点,都能够进行非常高精度的深部温度Tc的测量。
并且还可知,在将第3温度传感器55设置于测量点p3(a)时,能够实现与直接对环境温度Tout进行实测时同等的最高测量精度。关于这一点,考虑以下理由。首先,上述第1计算式(式(1))在环境温度Tout(环境等效温度Tout’)与深部温度Tc相等的条件下,通过校正运算而导出。即,在假定校正运算式中的条件后,Tout(Tout’)=Tc,因此实际测量出的环境等效温度Tout’与环境温度Tout稍有不同,这在校正运算后不会有特别的影响。但是,校正运算式以基材中的温度分布相对于环境温度Tout呈线性关系为前提,因此在用于运算的环境温度Tout’的值、与实际的环境温度Tout的差扩大的情况下,可能不能满足基材中的温度分布相对于环境温度Tout呈线性关系的前提,此时,深部温度的测量结果产生误差。从该观点出发,优选环境等效温度Tout’与环境温度Tout的差较小。
在此,测量点p3(a)位于基材40的侧面顶部附近,与其他测量点相比,位于最远离被测量体6的位置。因此,设置于测量点p3(a)的第3温度传感器55难以受到在被测量体6与环境7之间产生的热流影响,因此,能够相应地抑制环境等效温度Tout’与环境温度Tout之间的差。因此,可认为深部温度Tc的测量误差最小。
同样,在对测量点p3(b)与测量点p3(c)进行比较时,测量点p3(c)位于接近作为热源的被测量体6的深部4的位置。因此,在将第3温度传感器55设置于测量点p3(c)时,第3温度传感器55更容易受到在被测量体6与环境7之间产生的热流影响。因此,可认为测量误差相应地扩大。
并且,测量点p3(d)位于基材40内部(中央部附近)。与基材40的第1面SR1之间的距离与测量点p3(b)相同,但是与基材40的侧面之间的距离不同。即,在将第3温度传感器55设置到测量点p3(b)时和设置到测量点p3(d)时,在与环境7的热交换的便利性方面产生差异。即,测量点p3(d)位于基材40的内部,因此在与环境7之间的热交换方面比较不利。因此,在将第3温度传感器55设置于测量点p3(d)而得到的深部温度Tc5的测量精度与Tc1~Tc3相比降低。
因此可知,用于测量环境等效温度Tout’的第3温度传感器55优选设置到如下地点:难以受到在被测量体6与环境7之间产生的热流影响,并且容易进行与环境7的热交换。具体而言,相比基材40的内部优选设置到外表面上。例如,第3温度传感器55能够设置到基材40的侧面附近。此外,第3温度传感器55优选配置于远离被测量体6的位置。例如,第3温度传感器55最优选设置于基材40的侧面顶部附近(但是不限于此)。
在图12的例子中,在固定了用于测量第1温度Tb的第1测量点p1和用于测量第2温度Tp的第2测量点p2后,改变用于测量第3温度Tout’的第3测量点的位置。
接着,对在固定了第3测量点p3后,改变第1测量点p1和第2测量点p2的位置时的实验例进行说明。根据该实验例可知:在深部温度Tc的测量时,第1测量点p1和第2测量点p2无论在基材40中处于哪个位置,都能够得到充分高精度的深部温度Tc的测量结果。
以下,使用图13~图18对以三阶段改变环境温度Tout时的第1温度Tb和第2温度Tp的数据例、以及根据该数据例计算出的深部温度的例子(计算结果例)进行说明。另外,在以下的例子中,例如用设置在大气中的大气温度传感器54三次测量环境温度Tout,得到环境温度Toutn(n=1、2、3)。
(图13的例子)
图13是示出深部温度的计算结果的一例的图。在图13中,假定人体作为被测量体6,将深部4的温度Tc设定为37℃。在该实验中,使用聚氯乙烯(PVC)作为与表层部5相当的结构体的材料。聚氯乙烯的导热系数为0.144283(W/m·K)。
将该与表层部5相当的PVC结构体(长方体)的厚度设定为20mm。此外,在该PVC结构体的上表面的中央,设置有由硅橡胶构成且具有圆柱形状的基材40。硅橡胶的导热系数为0.05(W/m·K)。
此外,基材40的截面为圆形,该圆的直径为20mm。此外,基材40的高度为2mm。第1温度传感器50和第2温度传感器52被设置于处于与基材40的底面(即接触面)SR1垂直的垂线L1上的两点(第1测量点和第2测量点)的位置上。第1温度传感器50与第2温度传感器52之间的距离为2mm。即,在基材40的底面(即接触面)SR1上设定第1测量点,在基材40的上表面SR2上设定第2测量点。
此外,在图13的例子中,环境(大气)7中的热传递系数(与大气的热移动度成正比的常数)被设定为0.01W/m2·K。对环境温度(第3温度)Tout、第1温度Tb以及第2温度Tp进行n次测量。在本例中,执行三次温度测量。因此,n是1、2、3中的任意一个。
Tout1为23℃,Tout2为30℃,Tout3为35℃。Tb1为29.2884℃,Tb2为33.1442℃,Tb3为35.8983℃。Tp1为27.4605℃,Tp2为32.2303℃,Tp3为35.6327℃。
测量(计算)出的深部温度为36.99986℃,与实际的深部温度Tc(=37℃)相比,仅包含微小的误差。即,可知能够使用小型化的基材40极高精度地测量深部温度。
(图14的例子)
图14是示出深部温度的计算结果的另一例的图。图14的例子中的测量环境和测量条件与图13的例子基本相同。但是,在图14的例子中,将第1温度传感器50和第2温度传感器52设置到基材40的侧面上,且设置到垂线L2上。第1温度传感器50与第2温度传感器52之间的距离为2mm。
Tout1为23℃,Tout2为30℃,Tout3为35℃。Tb1为28.7516℃,Tb2为32.8758℃,Tb3为35.8217℃。Tp1为26.2482℃,Tp2为31.6241℃,Tp3为35.464℃。
测量(计算)出的深部温度为37.00000℃,与实际的深部温度Tc(=37℃)相比,没有识别到误差。即,可知能够使用小型化的基材40极高精度地测量深部温度。
(图15的例子)
图15是示出深部温度的计算结果的又一例的图。图15的例子中的测量环境和测量条件与前述例子基本相同。但是,在图15的例子中,将第1温度传感器50设置到基材40的接触面SR1的中心附近,并且将第2温度传感器52设置到基材40的侧面上。
Tout1为23℃,Tout2为30℃,Tout3为35℃。Tb1为29.2884℃,Tb2为33.1442℃,Tb3为35.8983℃。Tp1为26.2482℃,Tp2为31.6241℃,Tp3为35.464℃。
测量(计算)出的深部温度为37.00000℃,与实际的深部温度Tc(=37℃)相比,没有识别到误差。即,可知能够使用小型化的基材40极高精度地测量深部温度。
(图16的例子)
图16是示出深部温度的计算结果的再一例的图。图16的例子中的测量环境和测量条件与前述例子基本相同。但是,在图16的例子中,将第1温度传感器50设置到基材40的上表面SR2上。将第2温度传感器52设置到基材40的侧面上。第2温度传感器52被设置在通过第1温度传感器50并且与接触面SR2平行的直线L3上。即,第1温度传感器50和第2温度传感器52位于横向一条线的位置上。
Tout1为23℃,Tout2为30℃,Tout3为35℃。Tb1为28.7516℃,Tb2为32.8758℃,Tb3为35.8217℃。Tp1为26.2482℃,Tp2为31.6241℃,Tp3为35.464℃。
测量(计算)出的深部温度为37.00000℃,与实际的深部温度Tc(=37℃)相比,没有识别到误差。即,可知能够使用小型化的基材40极高精度地测量深部温度。
根据以上的实验结果可知,第1温度传感器50和第2温度传感器52的相对位置关系没有特别问题。即,第1温度传感器50和第2温度传感器52可以位于通过热源(被测量体的深部)的铅直线上,并且,第1温度传感器50和第2温度传感器52也可以位于横向一条线的位置上。
即,设置第1温度传感器50的第1测量点和设置第2温度传感器52的第2测量点只要是位于基材40的外表面(如果用上述例子来说,是作为底面的被接触面SR1、上表面SR2和侧面中的任意一个)上、或者位于基材40的内部的两点即可。但是,为了进行使用了行列式的深部温度的计算,至少需要满足与环境温度(第3温度)Tout1、Tout2、Tout3中的任意一个对应的一组Tb和Tp不是相同的值(Tb≠Tp)这样的条件。即,需要三组第1温度Tb与第2温度Tp中的至少一组Tb与Tp产生温度差。因此,以满足该条件的方式设计第1单元100。
接着,考察基材40的内部的温度分布与测量结果之间的关系。图17(A)和图17(B)是示出基材内部的温度分布与测量结果之间的关系的一例的图。图17(A)所示的数据例与图13所示的数据例相同。图17(B)是示出Tout1(=23℃)时的基材40的垂线方向的温度分布的图。在图17(B)中,横轴为以接触面SR1为基准的垂线L1方向的距离,纵轴为基材40的温度。如图17(B)所示,基材40的温度随着远离热源(被测量体6的深部4)呈直线状下降。
图17(A)的数据例是在图17(B)所示的基材40的热分布下计算深部温度而得到的结果,如之前说明的那样,能够得到极高精度的测量结果。
图18(A)和图18(B)是示出基材内部的温度分布与测量结果之间的关系的另一例的图。图18(A)的例子中的测量环境和测量条件与图17(A)的例子基本相同。但是,在图18(A)的例子中,将基材40的高度设为20mm,设为图17(A)的例子中的基材40的高度(2mm)的10倍。由此,当增高基材40的高度时,圆柱侧面的面积增加,因此从圆柱状的基材40的侧面的散热增加。并且,从该侧面散热的量同与热源(被测量体6的深部4)之间的距离对应变化。
图18(B)是示出Tout1(=23℃)时的基材40的垂线方向的温度分布的图。在图18(B)中,横轴为以接触面SR1为基准的垂线L1方向的距离,纵轴为基材40的温度。如图18(B)所示,基材40的温度随着远离热源(被测量体6的深部4)而降低,但是表示温度分布的特性线不为直线而为曲线。这是因为如之前说明的那样,当增高基材40的高度时,圆柱侧面的面积增加,从圆柱状的基材40的侧面的散热增加,并且,从该侧面散热的量同与热源(被测量体6的深部4)之间的距离对应变化。
图18(A)的数据例是在图18(B)所示的基材40的热分布下计算深部温度而得到的结果。Tout1为23℃,Tout2为30℃,Tout3为35℃。Tb1为29.62274℃,Tb2为33.31137℃,Tb3为35.94611℃。Tp1为23.29526℃,Tp2为30.14763℃,Tp3为35.04218℃。测量(计算)出的深部温度为37.00000℃,与实际的深部温度Tc(=37℃)相比,没有识别到误差。即,可知即使在用曲线表示基材40的内部温度分布的情况下,如果使用本实施方式的温度测量方法,则也能够极高精度地测量深部温度。因此,对基材40的高度没有制约,并且也不存在与接触面的面积和基材40的高度的比相关的限制。因此,能够相当自由地构成第1单元100。
(第2实施方式)
在本实施方式中,使用与前述实施方式不同的第2计算式作为深部温度的计算式。此外,在本实施方式中,至少执行两次温度测量(取得温度信息)。
图19是用于说明第2实施方式中的深部温度的测量方法的图。如图19所示,在本实施方式中,执行第1测量和第2测量,并使第1测量中的环境温度Tout1(以及第3温度Tout1’)、与第2测量中的环境温度Tout2(第3温度Tout2’)不同。
设在第1测量中得到的第1温度为Tb1,第2温度为Tp1,第3温度为Tout1’,设在第2测量中得到的第1温度为Tb2,第2温度为Tp2,第3温度为Tout2’。
运算部74使用在第1测量中得到的第1温度Tb1和第2温度Tp1、以及在第2测量中得到的第1温度Tb2和第2温度Tp2,执行基于第2计算式的运算,计算深部温度Tc。所述第2计算式由下述式(11)表示。
在使用基于式(11)的第2计算式时,如上所述,第2测量中的环境温度Tout2的值(第3温度Tout2’)需要为与第1测量中的环境温度Tout1(第3温度Tout1’)不同的值。
使用图20和图21对在利用由式(11)表示的第2计算式时,能够不产生由热平衡引起的误差分量地测量深部温度的理由进行说明。
图20(A)和图20(B)是用于说明在专利文献1所示的现有例中,产生由热平衡引起的误差分量的理由的图。图20(A)示出了现有例的温度测量部中的6点的温度(T1、T2、Tt1、T2、T4、Tt2)和热阻的状态。图20(B)示出了图20(A)所示的温度测量部中的、环境温度(第3温度)Tout与深部温度Tc之间的热阻和热流通量的状态。
在现有例中,使用并列配置的两个温度测量部形成两个热流系统。此外,环境温度(第3温度)Tout恒定,并且温度测量部通过设置于基材40的上表面的第1绝热材料38A和第2绝热材料38B从环境(大气)进行热隔断。并且,环境(大气)中的热传递系数(与气体中的热移动度成正比的常数)为n。此外,设被测量体的表层部的热阻为Rb,基材40的热阻为R1,第1绝热材料38A的热阻为R2,第2绝热材料38B的热阻为R3。
在现有例中,在环境温度Tout恒定的前提下,通过使绝热材料38A和绝热材料38B不同,形成了不同的两个热流通量。即,在现有例中,以如下情况为前提:在热流通量Qb1、热流通量Q11以及热流通量Q12之间,Qb1=Q11=Q12这样的关系成立,并且,在热流通量Qb2、热流通量Q21以及热流通量Q22之间,Qb2=Q21=Q22这样的关系成立。
但是,在促进了温度测量部的小型化时,第1系统的3点的温度(T1、T2、Tt1)和第2系统的3点的温度(T2、T4、Tt2)受到环境温度(第3温度)Tout的影响。因此,Qb1=Q11=Q12以及Qb2=Q21=Q22这样的前提不成立。此时,作为现有例的计算式的式(F)的左边成为Tc+ΔTc,产生与热平衡的差分等效的测量误差ΔTc。
即,在专利文献1记载的温度计中,在如下的设计思想下设计温度测量部:成为通过设置于表层部的绝热材料从环境(大气)进行截断的结构,因此,热流通量在温度测量部的顶部结束,基本不存在与环境(大气)之间的热平衡而可以忽略。但是,在进一步促进了温度计的小型化的情况下,例如在温度测量部的侧面与环境(大气)之间的热平衡显著,从而不能忽略与热平衡的差分对应的测量误差。
图21(A)和图21(B)是用于说明在本发明的第2实施方式中,不产生由热平衡引起的误差分量的理由的图。图21(A)示出了第2实施方式的温度测量部中的温度和热阻的状态。图21(B)示出了图21(A)所示的温度测量部中的环境温度Tout1、Tout2与深部温度Tc之间的热阻和热流通量的状态。
在本实施方式中,至少执行两次温度测量(取得温度信息),在各温度测量中,使环境温度Tout的值不同(Tout1≠Tout2)。在使环境温度不同而执行2次温度测量时,在第1测量中,构成设始端为被测量体的深部4,终端为环境(大气等)的第1热流通量的系统。此外,在第2测量中,构成设始端为被测量体的深部,终端为环境(大气等)的第2热流通量的系统。在各系统中环境温度Tout不同,因此各系统的热流通量是相互不同的热流通量。
并且,环境(大气)7中的热传递系数(与气体中的热移动度成正比的常数)为n。第1温度为Tb1(或者T1)、Tb2(或者T3)。此外,第2温度为Tp1(或者T2)、Tp2(或者T4)。被测量体6的表层部5的热阻为Rb,基材40的热阻为R1。此外,如图21(B)所示,在第1系统中,产生了热流通量Qb1、热流通量Q11和热流通量Qa1。在第2系统中,产生了热流通量Qb2、热流通量Q21和热流通量Qa2。
在这两个热流通量的系统中,热流通量的终端是允许温度变动的环境7,因此不会产生在现有例中成为问题的热平衡的差分这样的概念。即,仅是还包含该热平衡,唯一确定(适当变动)环境温度Tout(以及第3温度Tout’)。
此外,在第1热流通量的系统、第2热流通量的系统中,使用的基材40的导热系数(即热阻)相同。即,热阻的分布在第1系统与第2系统之间没有任何变化。因此,在基材上设定了第1测量点和第2测量点时,(第1测量点与第2测量点的温度差)/(被测量体的深部温度Tc与第1测量点的温度差)在第1热流通量的系统、第2热流通量的系统中均相同。因此,下式成立。
在关于Tc解该式(12)时,能够得到上述第2计算式(上述式(11))。不产生现有例中的ΔTc这样的误差分量的概念本身,因此根据第2计算式,得到大致理想的深部温度Tc。
第2计算式(式(11))在形式上看起来与现有例中的计算式(式(F))相同,但是第2计算式(式(11))与现有例的计算式(式(F))是根本不同的计算式。即,第2计算式(式(11))是根据从设环境为终端的两个热流通量的系统得到的数据,从基材中的热阻的比相同这样的观点出发导出的计算式,是根本不同的计算式。
另外,在本实施方式中,环境温度Tout(以及第3温度Tout’)不与深部温度Tc的计算本身直接相关。但是,如上所述,需要使第1测量中的Tout1(以及Tout1’)与第2测量中的Tout2(以及Tout2’)不同,在Tout1=Tout2(Tout1’=Tout2’)时,不能进行正确的深部温度的计算。
因此,用第3温度传感器55测量出的与Tout等效的第3温度Tout’能够用于确认是否满足可计算条件(第1测量与第2测量中的环境温度(即第3温度)不同这样的条件),即能够用于可否运算的判断。
图22(A)和图22(B)是示出第2实施方式中的深部温度的测量顺序、和第2实施方式中的深部温度的计算结果例的图。首先,取得温度数据(步骤S40)。在温度数据中,包含有在第1测量中得到的第1温度Tb1、第2温度Tp1、第3温度Tout1’,以及在第2测量中得到的第1温度Tb2、第2温度Tp2、第3温度Tout2’(≠Tout1’)。接着,使用第2计算式运算深部温度Tc(步骤S50)。
图22(B)是示出第2实施方式中的深部温度的计算结果例的图。在此,使用图13所示的测量环境。在第1测量中的第3温度(环境等效温度)Tout1’为23℃时,第1温度Tb1为28.371℃,第2温度Tp1为26.2482℃。在第2测量中的环境等效温度(第3温度)Tout2’为30℃时,第1温度Tb2为32.6855℃,第2温度Tp2为31.6241℃。将作为热源的深部温度Tc设定为37℃。相对于该深部温度的计算结果为37.00000,没有产生误差。因此可知,根据本实施方式,能够极高精度地测量深部温度。
如以上说明的那样,根据本发明的至少一个实施方式,能够进行更高精度的深部温度测量。并且,能够同时实现温度测量部的小型化和高精度的测量。
以上,针对几个实施方式进行了说明,但是本领域技术人员能够容易地理解到,可根据本发明的新颖内容和效果进行实体上未脱离的多个变形。因而,这种变形例全部包含在本发明的范围内。例如,在说明书或附图中,对于至少一次地与更广义或同义的不同用语一起记载的用语,在说明书或附图的任何位置,都可以将其置换为该不同的用语。
Claims (8)
1.一种温度测量装置,其特征在于,
该温度测量装置具有温度测量部、运算部以及控制所述温度测量部和所述运算部的动作的控制部,
所述温度测量部具有:
作为热介质的基材,其具有作为与被测量体接触的接触面的第1面;
第1温度传感器,其测量所述基材的第1测量点处的温度作为第1温度;
第2温度传感器,其测量所述基材的与所述第1测量点不同的第2测量点处的温度作为第2温度;以及
第3温度传感器,其测量所述基材的与所述第1测量点和所述第2测量点不同的第3测量点处的温度作为第3温度,该第3温度是代用作所述基材的周围的环境温度的温度,
所述第1测量点、所述第2测量点以及所述第3测量点位于所述基材的外表面上或者所述基材的内部,
所述第1温度传感器、所述第2温度传感器以及所述第3温度传感器在所述环境温度不同的条件下,多次测量所述第1温度、所述第2温度以及所述第3温度,
所述运算部根据通过所述多次测量而得到的所述第1温度、所述第2温度以及所述第3温度,基于深部温度的运算式,求出远离所述第1面的、所述被测量体的深部的深部温度。
2.根据权利要求1所述的温度测量装置,其特征在于,
所述控制部将所述第1温度、所述第2温度以及所述第3温度的测量时间段分割为多个时间段,使所述第1温度传感器和所述第2温度传感器按照每一个时间段以预定间隔执行多次温度测量,
此外,所述运算部使用通过所述多次测量而得到的多个温度的测量数据进行平均运算,按照每一个时间段决定所述第1温度、所述第2温度以及所述第3温度,
所述运算部使用按照所述每一个时间段决定的所述第1温度、所述第2温度以及所述第3温度,执行基于所述深部温度的计算式的运算,求出所述被测量体的深部的深部温度。
3.根据权利要求1所述的温度测量装置,其特征在于,
该温度测量装置还具有能够改变所述环境温度的环境温度调整部,
所述控制部在使所述第1温度传感器、所述第2温度传感器以及所述第3温度传感器执行所述多次测量时,每当一次测量结束时,通过所述环境温度调整部改变所述环境温度。
4.根据权利要求1所述的温度测量装置,其特征在于,
该温度测量装置还具有定时控制信息输入部,该定时控制信息输入部输入定时控制信息,该定时控制信息决定所述第1温度传感器、所述第2温度传感器以及所述第3温度传感器执行所述多次测量的定时,
所述控制部每当从定时控制信息输入部输入所述定时控制信息时,使所述第1温度传感器、所述第2温度传感器以及所述第3温度传感器执行温度测量。
5.根据权利要求1~4中的任意一项所述的温度测量装置,其特征在于,
在通过设所述第2温度和所述第3温度为变量且包含多个常数的函数表示所述第1温度时,所述运算部根据测量出的所述第1温度、所述第2温度以及所述第3温度计算所述多个常数,通过使用了计算出的所述多个常数基于所述深部温度的计算式进行运算,计算所述被测量体的深部温度。
6.根据权利要求5所述的温度测量装置,其特征在于,
通过设所述第2温度为变量且具有第1斜率和第1截距的第1一次函数表示所述第1温度,
通过设所述第3温度为变量且具有第2斜率和第2截距的第2一次函数表示所述第1一次函数的所述第1截距,
所述多个常数对应于所述第1斜率、所述第2斜率以及所述第2截距,
当设在第1测量中得到的所述第1温度为Tb1,所述第2温度为Tp1,所述第3温度为Tout1’,设在第2测量中得到的所述第1温度为Tb2,所述第2温度为Tp2,所述第3温度为Tout2’,设在第3测量中得到的所述第1温度为Tb3,所述第2温度为Tp3,所述第3温度为Tout3’时,
所述运算部根据在所述第1测量中得到的所述第1温度Tb1、所述第2温度Tp1以及所述第3温度Tout1’,在所述第2测量中得到的所述第1温度Tb2、所述第2温度Tp2以及所述第3温度Tout2’,以及在所述第3测量中得到的所述第1温度Tb3、所述第2温度Tp3以及所述第3温度Tout3’,计算所述第1斜率、所述第2斜率以及所述第2截距的值,通过使用计算出的所述第1斜率、所述第2斜率以及所述第2截距的值基于所述深部温度的运算式进行运算,计算所述被测量体的深部温度。
7.根据权利要求6所述的温度测量装置,其特征在于,
在设所述第1斜率为a,所述第2斜率为c,所述第2截距为d时,所述运算部通过下式计算所述a、c、d的值,
所述运算部通过由下式表示的作为所述深部温度的运算式的第1计算式计算所述深部温度Tc,
8.根据权利要求1所述的温度测量装置,其特征在于,
当设在第1测量中得到的所述第1温度为Tb1,所述第2温度为Tp1,所述第3温度为Tout1’,设在第2测量中得到的所述第1温度为Tb2,所述第2温度为Tp2,所述第3温度为Tout2’,并且所述Tout2’的值为与所述Tout1’不同的值时,
所述运算部使用在所述第1测量中得到的所述第1温度Tb1和所述第2温度Tp1、以及在所述第2测量中得到的所述第1温度Tb2和所述第2温度Tp2,执行基于作为所述深部温度的运算式的第2计算式的运算,计算所述深部温度Tc,
所述第2计算式由下式表示,
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