CN110785641A - 量热计 - Google Patents

Abstract

一种用于测量样品的热通量的量热计包括容器(100)、第一散热器(101)和第二散热器(102)，由此所述样品被布置在所述容器(100)中。所述第一散热器(101)和所述第二散热器(102)被布置在所述容器(100)上相距彼此一定距离处。所述第一散热器(101)包含第一热换能器元件(111)，并且所述第二散热器(102)包含第二热换能器元件(121)。所述第一和第二热换能器元件(111、121)中的每一个包含热接收表面(114、124)和热吸收表面(115、125)，所述热接收表面(114、124)和热吸收表面(115、125)用于产生相当于到或来自相应散热器(101、102)的热通量的电动力以被发送给检测单元(130)，以便获得表示离开或穿过所述容器(100)的电势。

Description

量热计

技术领域

本发明涉及一种量热计。这种量热计能够被用于吸收或产生热的化学或生理过程的分析。热能够是用于化学反应、新陈代谢活动或细胞功能(例如微生物中的细胞功能)的指标。在最一般的意义上，量热计是测量由正被用作样品的接受器的容器内部的这种样品产生的热的装置。等温量热计是当保持容器的内部与外部散热器之间的差最小(理想地接近零)时不断移除并且同时测量这种样品中产生的热的量热计。所产生的热对应于能够被传感器(诸如接触式温度传感器(例如温度计、热电传感器、热敏电阻、晶体管、电阻式温度检测器(RTD)、铂电阻温度计、热机械传感器)或非接触式传感器(诸如红外光学传感器、二极管))测量的热流。

背景技术

生物过程能够产生在小于每毫升样品体积1微瓦的范围内的热，这需要所使用的传感器具有高热灵敏性，因此涉及微量热法，具体地，允许检测在毫微瓦范围内的热能的等温微量热法。要被检测的热通量能够是在1毫微瓦直到并且包括1毫瓦的范围内。优选地，热通量能够是在0.1微瓦直到并且包括1080微瓦的范围内。

热敏电阻是能够在微量热法中使用的一种类型的传感器。热敏电阻是对热敏感的电阻器。具体地，负温度系数热敏电阻(NTC)能够被使用，其特征在于热敏电阻的电阻与由热敏电阻感测的温度成反比。热敏电阻以高增益为特征，这使得它们能够解决给定温度范围内的非常小的温度。然而，热敏电阻在测量之间需要彻底的清洁和灭菌，因此如果对大量样品的测量必须在有限的时间段内被执行，则此类热敏电阻会是不适合的。

热电元件是利用热电性将电流转换成热流或将热流转换成电流的装置。为双金属传感器的热电偶通过产生与两个表面之间的温度差成比例的电势差来利用这种原理。热电性描述了温度与电之间的关联。热电元件能够被用于将电流转换成热流或将热流转换成电流。电流成为热流的转换被称为珀尔帖效应，其应用于珀尔帖元件中。珀尔帖元件由彼此不同并且在每端中的一端处彼此连接的两个导电材料组成。如果导电材料是半导体，珀尔帖效应能够被最佳地观察到。一种导电材料是p-型半导体，而另一种导电材料是n-型半导体。包括电池的电路被连接到p-型半导体和n-型半导体的自由端。如果电路被闭合，则来自电池的负极的电子流入p-型半导体的方向，并且通过填充该材料中的正“孔”而沿着该p-型半导体内部移动直至它们到达p-型半导体与n-型半导体之间的边界。由于在n-型半导体中晶体结构中的所有可用“孔”都具有负极性的事实，电子的移动至少暂时被边界阻挡并且需要克服该阻挡。如果边界被附接到桥接热交换表面，当需要能量输入来解阻电子并且“推动”它们通过n-型半导体以支持如被具有电池的电路应用的势差时，这种桥接热交换表面冷却。在它们到电池的正极的途中，所输送的能量以及电子在p-型半导体和n-型半导体的相应端处消散，由此热通量被产生。如果热交换表面被提供在p-型半导体和n-型半导体的源侧端，该热交换表面的温度上升，使得它变成热表面。

如果两种不同材料在其端处被连接在一起，它们能够形成环/回路，由此两种材料的接触表面被带到不同温度，热电性导致电路电流的产生。假如p-型半导体和n-型半导体的相同布置被使用，则当p和n-型半导体的热端包括朝向冷端移动的更多更高能量电子并且冷端包括移动到热端的更多低能量电子时，向连接两个半导体的表面的边界供应的热导致热扩散。这种热扩散也由于不同材料的使用而导致电流差。假如电流被中断，则势差产生，其能够被测量为电压，即赛贝克电压。赛贝克电压理想地大约平行于温度差。热电偶能够被用作温度传感器，假设它被相应地校准。

珀尔帖元件能够被用于电流成为热流的转换。珀尔帖元件的逆操作导致电流发生器，由此借助于赛贝克效应，热流能够被转换成电流。如果电路被中断，该电流导致势差，其能够被测量为电压。热电偶能够被认为是产生电动力的装置，并且可以被用作通过根据由热扩散产生的热流来测量从电流获得的电压的传感器。

多个热电偶能够被组合以形成堆，所谓的热电堆。这种热电堆是多层热电偶，其能够被用来使用热电元件作为传感器来测量从涉及例如生物过程的样品到散热器的热流。

McKinnon等人在文章“Commercial Bismuth Telluride-based Peltier Platesfor Use as Heat Flux Transducers(A Concept)”(Clinton McKinnon,RonaldR.Bernardini,Wayne Thesher,Stuart L.Ruis,David W.Yarbrough)中表明低成本的商用碲化铋珀尔帖板能够被用来测量建立元件的热性能和/或热绝缘。珀尔帖板被布置在样品周围，包括也是碲化铋模块的中心换能器。所获得的电压在没有放大的情况下为大约270mV，而在放大的情况下为大约1300mV。这意味着这种设备似乎不适合于由归因于例如样品中的细菌活动的热流产生的在皮伏(10-12伏)的范围内的任何测量。

在US2004/0107986中已经描述了多通道量热计的使用。这种多通道量热计包含以阵列方式布置的多个井，由此每个井被配置为样品容器。样品容器包含底部表面，其被配置为接收热传感器，诸如热敏电阻。热敏电阻被接收在底部表面的对应凹陷中。底部表面被配置为为热流提供最小阻力，因此底部表面的壁厚相对于不与任何热传感器接触的井的其他壁表面被减小。多个井能够以规则型式被布置在井板上以允许平行测量。

已知量热计的缺点是它制造起来昂贵并且具有高度复杂构造的事实。生长的微生物(例如细菌)的热通过已知量热计上的传感器来测量，成为用于热产生的时间检测的当今金标准。存在优化传感器的性质并且以更有效方式布置传感器的需要。在GB2093995A中公开了用于简化构造的微量热计的探针。探针包含用于接收样品容器(例如安瓿)的中空圆柱形主体。探针能够被连接到热换能器，其被配置为珀尔帖元件。然而，需要适配器零件来提供从探针的圆柱形护套到扁平珀尔帖元件的过渡。探针、适配器和被布置在探针的护套上的可选的额外管都促进热消散。由于该原因，不认为微量热计GB2093995A适合于测量具有相当热产生的微生物活动或其他样品。

发明内容

因此，本发明的目的是提供用于减少完成分析所需的时间的装置和方法。具体地，本发明的目的是提供用于获得基质中的微生物活动的快速结果的装置和方法。又一目的是由热换能器元件捕获在样品中发展的大部分热。

本发明的又一目的是提供需要更不复杂的电子设备并且制造起来简单且易于组装的量热计。

本发明的又一目的是提供用于通过根据前述实施例中的一个的量热计由能量源(例如病原体、细胞或细菌活动)产生或吸收的热的方法，由此测量能够在至多8小时、优选地至多4小时、最优选地至多2小时的时间范围内被完成。根据一实施例，测量能够花费至少10分钟。根据一示例性实施例，测量能够持续至少30分钟。根据一实施例，测量时段能够从至少10分钟延伸到至多8小时。根据一示例性实施例，测量时段能够从至少30分钟延伸到至多4小时。根据优选的示例性实施例，测量时段能够从至少30分钟延伸到至多2小时。

本发明的又一目的能够是执行由微生物的培养并且具体地微生物的新陈代谢产生的热通量的测量。

该问题通过根据权利要求1的装置来解决。装置的进一步有利的实施例隶属于从属权利要求。

如果术语《例如》在以下描述中使用，该术语涉及实施例或示例，这不被解释为本发明的教导的更优选应用。术语“优选地”或“优选的”要被理解为使得它们涉及来自多个实施例和/或示例中的示例，这不被解释为本发明的教导的更优选应用。相应地，术语“例如”、“优选地”或“优选的”可以涉及多个实施例和/或示例。

随后的详细描述包括根据本发明的量热计的不同实施例。量热计能够在不同尺寸上利用不同材料来进行制造，使得对特定尺寸或特定材料的提及要被认为仅仅是示例性的。在描述中，与任何技术特征相关的术语《包括》、《包含》、《被配置为》因此要被理解为使得它们包括相应的特征，但不限于仅包括该相应特征的实施例。

即使量热计已经被具体地应用于微生物的培养并且具体地微生物的新陈代谢，它也决不被限制于任何具体的能量源。要被测量的样品能够包括产生或吸收热的任何能量源。

一种用于测量样品的热通量的量热计，包括容器、第一散热器和第二散热器。所述样品被布置在所述容器中。所述第一散热器和所述第二散热器被布置在所述容器的外表面中的至少一个上相距彼此一定距离处。所述第一和第二散热器中的每一个包含热换能器元件。所述第一散热器包含第一热换能器元件，并且所述第二散热器包含第二热换能器元件。所述第一和第二热换能器元件中的每一个包含热接收表面和热吸收表面，所述热接收表面和热吸收表面被配置为产生相当于到或来自相应散热器的热通量的电动力以被发送给检测单元，以便获得表示离开或穿过所述容器的电势。热通量能够具有正或负值，这取决于能量源的性质，其能够是热源或冷源。第一和第二热换能器元件与包括样品的容器直接接触。

根据一实施例，容器被第一和第二热换能器元件支撑。有利地，除了通过第一和第二热换能器元件的热通量之外，不存在进入容器或从容器中出来的其他热通量。

样品容器在第一和第二热换能器元件之间的放置具体地允许在样品容器中产生的热以静止方式的测量。因此不存在通过样品容器的任何流动的需要。任何温度变化能够直接归因于要通过第一和第二热换能器元件检测的在样品中产生的热。

根据一实施例，所述第一热换能器元件以相对于所述第二热换能器元件的颠倒构造方式被安装。热吸收表面中的一个和热接收表面中的一个能够面向容器表面，和/或能够被附接到容器表面。热吸收表面中的一个和热接收表面中的一个能够面向散热器。热吸收表面中的一个和热接收表面中的一个能够被附接到散热器。如果热吸收和/或热接收表面被附接到容器表面(例如容器壁)，热主要通过传导被转移到热接收表面和/或热吸收表面。如果被热吸收或热接收表面中的至少一个覆盖的容器的部分对应于容器表面的至少50％，通过传导的热转移是特别有利的。更优选地，被热吸收或热接收表面中的至少一个覆盖的容器的部分对应于容器表面的至少65％。最优选地，被热吸收或热接收表面中的至少一个覆盖的容器的部分对应于容器表面的至少80％。

容器能够被自由地移动到第一和第二热换能器元件之间的测量位置，例如从它被附接到的屋顶悬挂。容器被配置为使得它可适合于精确地配合到由第一和第二热换能器元件形成的间隙内。具体地，间隙能够被配置为使得它刚好稍微小于被容器所需的空间。由此容器与第一和第二热换能器元件之间的最佳接触能够被实现。

第一和第二热换能器元件能够包括绝缘构件，该绝缘构件能够被布置在散热器与容器之间。绝缘构件能够是表现出良好电绝缘性质的导热元件。热接收表面和热吸收表面中的每一个能够被包括在这种绝缘构件中，或能够被配置为绝缘构件。热接收表面和热吸收表面可以被设置有大于零的壁厚。热吸收表面能够是热吸收板的一部分。热吸收表面能够包含热吸收材料。热接收表面能够被配置为热接收板。热接收表面能够包含热接收材料。热吸收表面能够是热吸收板的一部分。热吸收表面能够包含热吸收材料。热接收表面能够被配置为热接收板。热接收表面能够包含热接收材料。

包含热接收表面的热接收材料和/或包含热吸收表面的热吸收材料可以具有多达7mm、优选地多达5mm、更优选地多达2mm的壁厚。绝缘构件能够紧挨着容器表面被布置，因此容器和绝缘构件具有共同的表面。绝缘构件能够触及容器表面。热接收表面和热吸收表面中的每一个能够触及容器表面。热接收和热吸收表面中的任一个的形状能够对应于容器表面的形状。

面向散热器的绝缘构件能够紧挨着散热器被布置，因此散热器和绝缘构件具有共同的表面。绝缘构件能够触及散热器表面。热接收表面和热吸收表面中的每一个能够触及散热器表面。热接收和热吸收表面中的任一个的形状能够对应于散热器表面的形状。

具体地，所述第一和第二热换能器元件中的一个的所述热吸收表面面向外容器表面，并且所述第一和第二热换能器元件中的另一个的所述热吸收表面面向所述散热器。根据一实施例，该构造允许从第一热换能器通过容器到达第二热换能器的热流。热流继续通过散热器回到第一热换能器。根据一实施例，该构造允许热流从第二热换能器通过容器到达第一热换能器的热流。热流继续通过散热器回到第二热换能器。如果样品被引入到太冷或太热的系统内，散热器能够操作为阻尼元件。有利地，散热器的热容相当多地大于样品的热容。被具体地配置为珀尔帖元件的第一或第二热换能器中的任一个能够具有更暖的和更冷的表面。在更暖的表面下方，旨在具有比环境更高的温度的表面。在更冷的表面下方，旨在具有比环境更冷的温度的表面。珀尔帖元件因此被设置有极性，这导致正、负或中性的测量信号，这取决于其在量热计中的取向。

根据一实施例，由所述第一和第二热换能器元件产生的所述电动力被配置为在所述检测单元中被转换成输出电压。第一和第二热换能器元件中的每一个能够包含正和负连接器。正和负连接器中的每一个能够被配置为被连接到热吸收和热接收表面。第一热换能器元件的正连接器与负连接器之间的电势差导致电流被获得作为由从容器到第一散热器的热通量产生的第一热换能器元件的输出。电流通过电导管(诸如电线)从正连接器流到检测单元。因此，热转移元件提供限定的电性构造，并且定向的热流通过穿过包括样品的容器的热转移元件被产生，并且对应的电信号被产生。

根据一实施例，所述第一和第二热换能器元件以由如果所述容器与所述第一和第二散热器处于相同温度则发生的非零赛贝克效应产生的电力彼此补偿的这种方式被安装。

根据一实施例，由所述第一和第二热换能器元件产生的所述电动力被配置为在所述检测单元中被转换成输出电压。所述检测单元能够包含第一电阻器R1和第二电阻器R2。如果所述第一散热器和所述第二散热器与所述容器的所述温度相同，电阻器的电阻的比R1/R2能够被用来调整所述输出电压。如果输出电压能够通过电阻器R1和R2的电阻的比来调整，获得与偏移电压的使用相比更容易的稳定。

根据一实施例，所述检测单元包含第一电阻器R1、第二电阻器R2、放大器和反馈电阻器Rf、从所述第一热换能器元件的连接器通向所述第一电阻器R1的电导管和从所述第二热换能器元件的连接器通向所述电阻器R2的电导管，并且所述第一电阻器R1、所述第二电阻器R2和所述反馈电阻器Rf被连接到所述放大器的负输入端。来自所述第一和第二热换能器元件的所述连接器的所述电导管能够是可在聚集导管中在被布置在所述电阻器R1、R2下游的求和点处组合的。根据一实施例，聚集导管被接收在求和放大器中，使得输出电压能够在求和放大器的输出端处被产生。因此，通过R1和R2从第一和第二热换能器元件到达求和点的净电流在放大器的输出端处被转换为输出电压。具体地，所述第一和第二电阻器R1和R2是可调的，由此来自所述第一和第二热换能器元件的所述电连接器的所述电流在所述求和点处被补偿。因此，如果热换能器元件被布置在颠倒的位置中，通过热换能器元件中的一个流入容器的热和通过热换能器元件中的另一个离开容器的热不产生输出电压。实际上，如果第一和第二热换能器元件完全相同，在第一热换能器元件处产生的输出电压具有与由第二热换能器元件产生的输出电压相同的绝对值。因此，不检测热的吞吐量。如果第一和第二热换能器元件关于其非零赛贝克效应稍微不同于彼此，差别输出电压将会被检测单元检测到。该差别输出电流能够通过调整电阻器R1、R2中的至少一个的电阻来补偿。

当利用根据实施例中的任一个的量热计执行测量时，当使用根据实施例中的任一个的检测单元时，来自第一热换能器元件的电流和来自第二热换能器元件的电流因此被求和。由于电阻器R1、R2中的一个被电连接到正连接器并且电阻器R1、R2中的另一个被连接到负连接器的事实，电流在相反的意义上在通向电阻器R1、R2的电导管中流动。通过在被布置在电阻器R1、R2与放大器的输入端之间的求和点处求和相反意义的这些电流，获得来自第一热换能器元件的电流与来自第二热换能器元件的电流的差。来自求和点的得到的电流被馈送到放大器的输入端内，由此产生补偿通过反馈电阻器Rf的这些电流的输出电压。输出电压对应于由容器中的样品产生的热。由此，非零赛贝克电流被消除，使得量热计能够在不必电性地补偿非零赛贝克效应的情况下测量非常低的热通量。

根据一实施例，电阻器R1或R2的电阻应当是非常小的，并且能够是零欧姆。由此测量第一和第二热换能器元件中的至少一个产生的整个电流是可能的。电阻器的比R1/R2能够被用来精调当容器和散热器都被保持在相同温度并且没有热在系统中的任何地方被产生时获得的零输出电压基线。

第一和第二热换能器元件发出备用电流。如果没有能量源的样品被使用，由第一热换能器元件产生的备用电流最可能不同于第二热换能器元件的备用电流。校准能够通过调整电阻器R1、R2的电阻以补偿源于由于制造差异的第一热换能器元件相对于第二热换能器元件的备用电流的任何偏差来执行。如果校准未被执行，除了由热通量产生的电流之外，将会测量备用电流，由此要在操作中检测的样品的热通量的测量值将会被影响。

根据等温微量热法的原理，环境的温度被有利地保持恒定。根据一实施例，优选的温度是37℃。

根据一实施例，第一或第二热换能器元件中的任一个能够包含热流检测器，其能够包括半导体。热换能器元件能够包含包括导电p材料的层和紧挨着彼此布置的包括导电n-材料的层。包括导电p材料的层或包括导电n材料的层中的每一个可以包含半导体。通过由热通量产生的热转移，电流被诱发。电流被电连接器聚集，该电连接器被布置在包括p-型导电材料的每个层和包括n-型导电材料的每个层的两个相对端处。在包括p-型导电材料的层中，电子沿一个方向例如从容器行进到散热器。电子被中间连接器引导到下一个包括n-型导电材料的层。电子被阻挡，并且只有他们获得能够被转移经过或穿过包括n-型导电材料的层的足够能量才能够通过。散热器能够形成用于该能量的贮存器，因此从散热器到连接器的热通量导致用于电子的能量的增长，电子能够经过包括n-型导电材料的层以被运送到随后的包括p-型导电材料的层，假如多个此类层在堆中被相互连接。

如果该堆覆盖容器的大表面部分，在容器中产生的基本上所有热都通过该堆被转移到散热器。

对于根据实施例中的任一个的量热计的操作，能量源能够被提供在容器中。容器能够包括样品。根据一实施例，样品能够包括能量源，使得热能够由所述能量源产生以提供热通量。由所述能量源产生的所述热通量可通过所述第一和第二热换能器元件中的至少一个与所述检测单元来检测。

进而，量热计能够被用来检测样品中的能量源的存在，样品中的能量源的存在可通过自不包括能量源或包括参考能量源的容器中的预期的热通量的偏差来检测。由于任何差别热流导致输出电压的事实，能量源的存在可通过比较实际的输出电压与不包括能量源或参考能量源的参考样品的预期的输出电压来检测。

自预期的热通量的偏差导致检测到的输出电压的偏差，使得检测到的输出电压与预期的输出电压之间的差是可获得的。检测到的输出电压与预期的输出电压之间的差与由样品中的能量源产生的热通量成比例。此外，样品中的能量源的存在因此能够通过检测到的输出电压自不包括能量源或包括参考能量源的参考样品的预期的输出电压的偏差来检测。

具体地，能量源包含化学反应，其能够是放热化学反应或吸热化学反应中的一个。如果能量源产生能量，热通量被能量源增加。如果化学反应是吸热化学反应，热通量被能量源减少。具体地，化学反应的发生导致可在样品中检测的热通量。通过根据实施例中的任一个的量热计在等温微量热法的领域中的布置，能够检测在毫微瓦或皮瓦范围内的热通量。

一种用于利用量热计测量热通量的方法包含测量可归因于样品中的热源的从预期的热通量到测量的热通量的偏差的步骤。测量能够在小于8小时、优选地小于4小时、最优选地小于2小时内被完成，这需要仪器尽可能快地进入热稳定状况。如果不仅在测量期间而且在测量之前并且此后维持恒定的温度，能够更快地到达热稳定状况。对于生物过程，优选地，37℃的温度能够被使用。温度能够通过保护量热计(具体地，容器、样品、散热器、热换能器元件)的至少一个、优选地多个绝缘层的使用来保持恒定。为了消除来自检测单元的温度影响，检测单元也能够以绝缘方式被包括。为了保持温度恒定，有利地，检测单元的温度能够被控制。

具体地，自预期的热通量的偏差导致检测到的电势的偏差，使得检测到的电势自预期的电势之间的势差被获得。如果如之前描述的校准在测量之前被执行，预期的电势能够对应于零输出电压。

实施例进一步涉及根据前述实施例中的任一个的量热计用于检测样品中的能量源的存在的使用，诸如化学反应或生物过程、病原体、细胞(例如肿瘤细胞)、或微生物(诸如细菌、病毒或真菌)。样品能够是液体的、固体的或气态的。样品能够实心的、不透明的或透明的。例如，样品能够是血液、血细胞、血液制品、血小板、血浆、滑膜液、精液、脑脊液或尿液中的一种。被处理的样品能够被回收，并且当样品在测量期间保持几乎未被动过时，经受额外的分析。

根据本发明的量热计的优点是量热计能够以简单的方式并且以与现有技术量热计相比降低的成本被制造。量热计的又一优点是随即在至多8小时(这取决于微生物的浓度和生长速率)的时间跨度内执行的测试的结果的可用性，这允许大量样品的快速预筛选。此外，量热计能够省掉任何参考样品。由于当前差被测量，因此不需要参考样品。量热计仅仅需要单个初始校准来补偿第一和第二热换能器元件之间的制造差异。

考虑热产生的200μW的检测极限，根据Braissant等人的“IsothermalMicrocalorimetry for the Investigation of Clinical Samples:Past and Present,chapter 19,pages 356,357”，大约需要100000个细菌来到达检测极限。针对热产生速率考虑0.01pW/cell直到329pW/cell的范围，如果考虑200nW的检测极限，样品尺寸可以在从大约1000到20百万个细胞的范围内变动。

除了大量样品的快速筛选的优点之外，样品数据能够利用生长模型来分析以允许样品的生长速率的快速确定。如已经由Braissant等人指出的，热产生型式可以被用来识别病原体。此外，未处置的样品与被添加有不同化合物的样品的比较允许例如对照给定病原体或癌症类型的分子功效的快速比较，以评估新的化合物或微生物或体外细胞的活动。

在随后的附图中示出了许多实施例。

附图说明

图1示出了根据现有技术的量热计的布置，

图2是根据本发明的第一实施例的量热计的布置，

图3是根据本发明的第二实施例的量热计的布置，

图4是根据之前实施例中的一个的第一散热器的细节，

图5是根据之前实施例中的一个的第二散热器的细节，

图6是热换能器的细节。

具体实施方式

图1示出了现有技术的量热计的布置，诸如由McKinnon等人公开的量热计。根据图1的量热计由一堆部件1、热板2、冷板4、第一样品9、第二样品11和被夹在第一样品9与第二样品11之间的热通量换能器10组成。

热板2由40mm乘40mm乘4mm珀尔帖板制作。热板2的一面在一面上被附接到能够被风扇7冷却的散热器16，并且在另一面上被附接到铜板3。铜板3能够具有40mm乘40mm的相同表面和1mm的厚度。冷板4由40mm乘40mm乘4mm珀尔帖板制作。冷板4的一面在一面上被附接到能够被风扇8冷却的散热器6，并且在另一面上被附接到铜板5。铜板5能够具有40mm乘40mm的相同表面和1mm的厚度。形成热板2的珀尔帖板的极性相对于形成热板4的珀尔帖板的极性被颠倒。

被放置在热和冷板2、4之间的热通量换能器10被配置为珀尔帖板。热和冷板2、4中的每一个配备有DC电源来控制珀尔帖板来冷却。通过向热板2的DC供应的变化，获得温度差。发生从下热板2通过铜板3、样品9、热通量换能器10、样品11、铜板5和冷板4的热转移。该堆部件被容纳在由聚苯乙烯泡沫制作的包壳中，所述包壳在图1中被示为横向壁12、13。

热通量换能器10也被称为赛贝克模块。热通量换能器能够被配置为碲化铋模块(BTM)。碲化铋模块包括铋和碲的合金。类似于双金属热电偶，当热梯度被横向地应用通过材料时，BTM表现出电性质。单个半导体片状器件产生单个K型热电偶结的输出的大约四倍，这被称为赛贝克效应。具有40mm乘40mm乘4mm的总体尺寸的BTM由此产生15伏的电势和4安培的电流。

赛贝克模块负责产生所谓的赛贝克效应，由温度梯度产生的电压梯度。从赛贝克模块的电压的测量获得的电压梯度能够被数字化并且被记录或在数字化之前利用运算放大器来调节。中间范围未被放大的信号均值为270+/-2mV，而中间范围未被放大的信号均值为1300+/-1.4mV。温度差已经被递增地增加，并且赛贝克输出已经被记录。假如在如图1中所示的构造中具有25mm的厚度以及10.7kg/m³的密度的扩张的EPS样品被用作样品9、11，观察到赛贝克电压根据将电压y与温度差相关联的公式x：y＝kx+d随着温度差而大约线性地增加，其中k＝4.2436并且d＝64.41。由于聚苯乙烯泡沫的绝缘性质，斜率系数k是小的。这些极限接近针对非常高的热导率(大约1W/mK)的材料和非常低的热导率(大约0W/mK)的材料预期的极限。在这些极限之间，存在充足的灵敏性来表征显示宽范围的热导率的建立材料的热性质。该现有技术布置需要热到热板的提供和经由样品从热板到冷板的热转移。热转移与样品的绝缘特性成比例。McKinnon的设备因此比较该热转移与已知绝缘特性的参考样品。然而，该设备不能检测样品中的热源的存在。假若热源存在于样品中，预期通过热通量换能器测量的热通量要增加。然而，如果样品由于其材料性质而具有不同的绝缘特性或如果结果是要归因于存在于样品中的热源，从结果本身获得信息是不可能的。因此，McKinnon的量热计不适合于提供关于样品中的热源的信息。

图2示出了根据本发明的第一实施例的量热计的布置。根据图2的量热计包含容器100、第一散热器101、第二散热器102。容器是热绝缘的，使得在容器100与第一散热器101或第二散热器102之间通过热换能器元件111、121充分地发生热转移。

容器能够接收小于500微升、有利地小于350微升、更优选地小于200微升的样品体积。对于特定应用，样品体积能够是1微升或更少。对于动物健康护理，会需要这种样品尺寸。可能的应用领域例如是动物尿液测量。本申请中提到的值、值的范围、材料是示例性的。对本领域技术人员显而易见的相当物、备选方案、修改、偏差被考虑，并且被认为被包含在所公开的发明的范围内。例如，容器能够具有包含如下组中的至少一个元素的形状，该组包含圆柱体、圆锥体、圆锥体的截锥体、棱柱、平行六面体、棱锥体、矩形或正方形横截面的容器。

第一散热器101包含第一热换能器元件111，第一热换能器元件111包含面向容器壁的热接收表面114和热吸收表面115。第一热换能器元件111被设置有电连接器112。电连接器112能够包含正连接器116和负连接器117，如在图4中更详细地示出的。第一热换能器元件111能够包含一堆p-n层，因此包括p-型导电材料的层和包括n-型导电材料的层，由此形成例如如图6中所示的热电堆。

在该实施例中，热接收表面114邻近容器100的壁被布置，具体地，它能够与容器壁接触。第一热换能器元件111通过热吸收表面115从散热器101接收热通量/向散热器101传输热通量。当由于来自热通量的能量供应而在该堆p-n传导层之间产生势差时，热通量在热换能器元件111中被变换成电流。根据该实施例，负连接器117被连接到地，如在图4中详细地示出的。正连接器116通过电导管(诸如电线)被连接到电阻器R1。

第二散热器102被设置有第一热换能器元件121，第一热换能器元件121包含面向第二散热器102的热接收表面124和面向容器壁的热吸收表面125。有利地，热吸收表面125与容器壁接触。第二热换能器元件121被设置有电连接器122。电连接器122能够包含正连接器126和负连接器127，如在图5中更详细地示出的。第二热换能器元件121能够包含一堆包括p-型导电材料的层和包括n-型导电材料的层，由此形成例如如图6中所示的热电堆。

在该实施例中，热吸收表面125邻近容器100的壁被布置，具体地，它能够与容器壁接触。第二热换能器元件121通过热吸收表面125从容器100接收热通量/向容器100传输热通量。当由于来自热通量的能量供应或从热通量汲取的能量而在该堆包括p-型导电材料的层与包括n-型导电材料的层之间产生势差时，热通量在第二热换能器元件121中被变换成电流。。根据该实施例，正连接器126被连接到地，如在图4中详细地示出的。正连接器116通过电导管(诸如电线)被连接到电阻器R2。

电阻器R1和R2相对于彼此以并联布置方式被布置。电阻器R2被连接到第二热换能器元件121的负连接器127，并且电阻器R1被连接到第一热换能器元件111的正连接器116。由于该原因，第一散热器101相对于第二散热器102以反并联安装方式被安装。电阻器R1和电阻器R2的输出电流在求和点134中被收集并且被相加。提供从求和点134到放大器130的负输入端132的电导管。来自求和点132的组合的输出电流通过电导管经由负输入端132被引入到放大器130内。由于离开电阻器R1的电流具有与离开电阻器R2的电流相比相反的方向的事实，在求和点134中获得这两个电流的差。如果来自R1的电流与来自R2的电流具有相同的绝对值，得到的电流可以为零安培。电阻器R1或R2中的每一个的欧姆电阻通过如之前提到的校准来调整，使得非零赛贝克电流被消除。因此，本发明的量热计的第一和第二散热器101、102的反并联安装导致消除根据现有技术的任何量热计必须应付的非零赛贝克电流。在放大过程的电流到电压转换中使用电阻器Rf。

求和放大器130产生对应于在容器100中产生的热通量的输出电压135。求和放大器130包含正输入端133，正输入端133被连接到地。求和放大器130的使用使可靠地检测非常小的热流成为可能，诸如由任何类型的化学反应或生物过程或新陈代谢(例如由细胞活动、病原体或病毒、真菌、细菌)发出的那些。热通量能够在某一时间段内被记录，并且可以特征于某一现象。因此，热通量曲线中的峰值的位置能够被用来检测存在于容器中的样品中的病原体、细胞、病毒、真菌或细菌的种类。因此，量热计不仅有助于检测样品中的能量源的存在，它还能够有助于确定热源的类型，例如造成热产生的病原体、细胞、病毒、真菌或细菌的种类。

根据图3的实施例在第一散热器101相对于第二散热器102的配置方面不同于之前的实施例。第一散热器101和第二散热器102被布置在容器100的同一侧上。在图3的实施例中，相同的参数数字被用于如在图2中相同的零件。在图2的实施例中，第一散热器101被布置在相对于第二散热器102不同的容器100的一侧上。根据图3的实施例，第一散热器101被布置在与第二散热器102相同的容器的一侧上。

图4示出了根据本发明的包括第一热换能器元件111的第一散热器101的细节。热换能器元件111包含热吸收表面115。第一散热器101与热吸收表面115接触，以便允许从散热器101到第一热换能器元件111的热转移。第一热换能器元件111包含热接收表面114。热接收表面114与容器100的壁接触。热接收表面114和热吸收表面115被配置为导热的电绝缘器113。一堆包括p-型导电材料的层和包括n-型导电材料的层被布置在热吸收表面115与热接收表面114之间，以便将例如从热吸收表面115到热接收表面114的热通量变换成电流。两个最外导体被连接到通向电导管的端连接器116、117。端连接器116是正连接器，端连接器117是负连接器。在图4中，负连接器117被连接到地。容器壁能够在空间中具有任何取向，该取向不限于如图4中所示的竖直布置。这意味着第一热换能器元件111能够被附接到竖直容器壁、倾斜壁或水平容器壁(例如容器底壁)。

图5示出了根据本发明的包括第二热换能器元件121的第二散热器102的细节。热换能器元件121包含热吸收表面125。第二热换能器元件121包含热接收表面124。第二散热器102与热接收表面124接触，以便允许从第二热换能器元件121到散热器102的热转移。热吸收表面125与容器100的壁接触。热接收表面124和热吸收表面125被配置为导热的电绝缘器123。一堆包括p-型导电材料的层和包括n-型导电材料的层被布置在热吸收表面125与热接收表面124之间，以便将例如从热吸收表面125到热接收表面124的热通量变换成电流。两个最外导体被连接到通向电导管的端连接器126、127。端连接器126是正连接器，端连接器127是负连接器。在图5中，正连接器126被连接到地。

图6示出了能够与在之前的实施例中使用的第一和第二热换能器元件111、121相同的热换能器元件21的示例。热换能器元件由此操作为热流传感器。热换能器元件是被设置有内电阻器R的电动力(emf)产生元件。它将热流变换成电功率(电压和/或电流)。通过将包括所有电导管的检测单元放置在量热计的温度稳定的空间内，形成检测单元的部件中的任一个的任何温度依赖效应能够被消除。热换能器元件21包含热接收表面24和热吸收表面25。热接收表面24和热吸收表面能够与容器100的壁或与散热器(诸如图2-5中的任一个的散热器101、102)接触。

热接收表面24和热吸收表面25包含导热的电绝缘器23。一堆包括p-型导电材料的层和包括n-型导电材料的层被布置在热吸收表面25与热接收表面24之间，以便将从热吸收表面25到热接收表面24的热通量变换成电流。包括p-型导电材料的层和包括n-型导电材料的层以交替布置方式被有利地布置在堆中，因此包括p-型导电材料的层由包括n-型导电材料的层跟随并且反之亦然。包括p-型导电材料的层28和包括n-型导电材料的层29通过电连接器22以包括p-型导电材料的层28总是被连接到包括n-型导电材料的层29并且包括n-型导电材料的层29总是被连接到包括p-型导电材料的层28的这种方式被连接。两个最外导体22被连接到通向电导管的端连接器26、27。当被操作为传感器时，应用的热通量从热吸收表面25到热接收表面24，热吸收表面25被加热，而热接收表面24是冷的，由此负电流被产生。如果热流被颠倒，获得正电流。

当被操作为珀尔帖元件时，应用的正电流产生从热吸收表面25到热接收表面24的热流，由此它对热吸收表面25进行冷却。

根据又一实施例，热换能器元件能够被配置为热敏电阻。热敏电阻可以包括半导体材料，例如锰、镍、钴、铜、铀、铁、锌、钛、钡、镁的金属氧化物。温度系数通过混合物中的氧化物的性质来确定。热敏电阻包含串珠或杆，并且第一和第二导电表面可以被配置为电导线，具体地，包括导电材料(诸如铜)的双股导线。

对于本领域技术人员应该明显的是，除了已经描述的改进之外的更多的改进在不脱离本文中的发明概念的情况下是可能的。因此，除了在所附权利要求书的范围内之外，本发明的主题并不受到限制。此外，在解释说明书和权利要求书时，应该按照与上下文一致的最广泛方式来解释所有术语。具体地，术语“包含(comprises)”和“包含(comprising)”应该按照非排他性的方式被解释为涉及元件、组件或步骤，从而指示可以呈现或利用所引用的元件、组件、或步骤，或可以将其与未明确引用的其它元件、组件、或步骤组合。当说明书和权利要求涉及选自由A、B、C……和N组成的组的元件或组合物中的至少一种的情况下，应该将文本解释为仅仅需要来自该组的一个元件，而不是A+N或B+N等。

Claims (15)

1.一种用于测量样品的热通量的量热计，包括容器(100)、第一散热器(101)和第二散热器(102)，由此所述样品被布置在所述容器(100)中，由此所述第一散热器(101)和所述第二散热器(102)被布置在所述容器(100)上相距彼此一定距离处，其中所述第一散热器(101)包含第一热换能器元件(111)，并且所述第二散热器(102)包含第二热换能器元件(121)，其特征在于，所述第一热换能器元件和第二热换能器元件(111、121)中的每一个包含热接收表面(114、124)和热吸收表面(115、125)，所述热接收表面(114、124)和热吸收表面(115、125)被配置为产生相当于到或来自相应散热器(101、102)的热通量的电动力以被发送给检测单元(130)，以便获得表示离开或穿过所述容器(100)的电势。

2.根据权利要求1所述的量热计，其中所述第一热换能器元件(111)相对于所述第二热换能器元件(121)以颠倒构造方式被安装。

3.根据前述权利要求中的任一项所述的量热计，其中所述第一热换能器元件和第二热换能器元件(111、121)以由如果所述容器(100)与所述第一散热器和第二散热器(101、102)处于相同温度则发生的非零赛贝克效应产生的电力彼此补偿的这种方式被安装。

4.根据前述权利要求中的一项所述的量热计，其中所述第一热换能器元件和第二热换能器元件(111、121)中的一个的所述热吸收表面(115、125)面向外容器表面，并且所述第一热换能器元件和第二热换能器元件(111、121)中的另一个的所述热吸收表面(115、125)面向所述散热器(101、102)。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的量热计，其中由所述第一热换能器元件和第二热换能器元件(111、121)产生的所述电动力被配置为在所述检测单元(130)中被转换成输出电压(135)。

6.根据权利要求5所述的量热计，其中所述输出电压(135)与所述热通量成比例。

7.根据前述权利要求5或6中的一项所述的量热计，其中所述检测单元(130)包含第一电阻器R1和第二电阻器R2。

8.根据权利要求7所述的量热计，其中如果所述第一散热器(101)和所述第二散热器(102)与所述容器(100)的温度相同，电阻器的电阻的比R1/R2被用来调整所述输出电压(135)。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的量热计，其中所述检测单元(130)包含第一电阻器R1、第二电阻器R2、放大器(131)和反馈电阻器Rf、从所述第一热换能器元件(111)的连接器(116)通向所述第一电阻器R1的电导管和从所述第二热换能器元件(121)的连接器(127)通向所述电阻器R2的电导管，并且所述第一电阻器R1、所述第二电阻器R2和所述反馈电阻器Rf被连接到所述放大器(131)的负输入端(132)。

10.根据权利要求9所述的量热计，其中来自所述第一热换能器元件和第二热换能器元件(111、121)的所述连接器(116、127)的所述电导管在被布置在所述电阻器R1、R2下游的求和点(134)处可组合在聚集导管中。

11.根据权利要求10所述的量热计，其中所述第一电阻器R1和第二电阻器R2是可调的，其中来自所述第一热换能器元件和第二热换能器元件(111、121)的所述电连接器(116、127)的所述电流在所述求和点(134)处被补偿。

12.根据前述权利要求中的任一项所述的量热计，其中如果所述样品包括用于产生或吸收热的能量源，则所述第一散热器(101)的温度不同于所述第二散热器(102)的温度，其中由所述能量源产生的热通量可通过所述第一热换能器元件和第二热换能器元件(111、121)中的至少一个与所述检测单元(130)来检测。

13.根据前述权利要求中的任一项所述的量热计，包含多个容器(100)，每个容器(100)包含相应的第一散热器和第二散热器(101、102)。

14.根据前述权利要求中的任一项所述的量热计用于检测样品中的能量源的存在的使用。

15.根据权利要求14所述的使用，其中所述能量源包括来自化学反应、微生物、病原体、细胞的组的至少一个元素。

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