CN1125320C - 高速精确温度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种特别用于测量人体温度的高速精确温度测量装置，该装置包括(a)一细长的温度探针，(b)位于探针表面下方的第一温度传感器，(c)位于探针内并且平行于第一传感器的至少一个第二温度传感器，(d)位于第一传感器和第二传感器(或多个传感器)之间的热绝缘部件，(e)接至第一和第二温度传感器的数据处理单元，它根据物体与第一传感器之间和第一与第二传感器(或多个传感器)之间测得的热通量计算物体温度，以及(f)接至数据处理单元的数据显示器。

Description

高速精确温度测量装置

发明领域

本发明一般涉及一种高速精确温度测量装置，该装置特别用于测量下文称作“物体”(如人体)低导热率腔的温度。更具体地说，本发明涉及一种高速精确温度测量装置，其中根据物体与第一温度传感器位置之间和第一温度传感器与第二温度传感器(或多个传感器)位置之间测得的热通量计算物体温度。

发明背景

每个温度测量过程包括将来自被测物体的热传递到测量装置探针。热传递可以有三种方式；传导、对流和辐射。本发明的方法除了测量热传导(如以气流或液流)外，还可测量热对流。由于实现精确性有赖于早先关于高可靠性下是未知的常数的知识，所以辐射热测量缺乏精确性。

利用对流或传导的大多数温度测量装置要求温度测量传感器与被测物体达到热平衡。如果被测物体是热的不良导体，则(与温度测量传感器)达到平衡的时间就可能相当长。这一(达到平衡的)测量等待时间是热力学上必须的。现有目的在于缩短这一等待时间的各种方法。例如DE3527942和US4183248公开了一种方法，该方法包括两个温度传感器和一个加热元件。这一等待时间的缩短常常要付出测量精确度的代价。

本发明的装置消除了这一等待时间。本发明的装置不是直接测量温度(这要求等待达到平衡)，而是通过推算温度传感器测量值来计算温度。这种推算依靠一热传递公式，优选是一热传导公式，由此根据(a)物体与第一温度传感器之间和(b)第一温度传感器与第二传感器(或多个传感器)之间测得的热通量计算物体温度。由于首先热通量测量不要求等待热平衡，其次该计算本身在标准微处理器上实时进行，所以本发明的装置可以迅速显示物体的精确温度。

下面是对推导这些必要公式的详细说明(实施于根据本发明的数据处理单元所使用的算法中)。

传导热传递公式(一维无热源，因为在温度测量过程中本装置的加热体不工作)： ${\mathrm{\ρC}}_p\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dt}}=\frac{-d}{\mathrm{dx}}\left(k\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dx}}\right)$

该公式表示在所讨论的物体入口与出口之间的热通量差分。 $\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{{\mathrm{\ρC}}_p\mathrm{\Δx}}\mathrm{\Δ}\[k\frac{\mathrm{dT}}{{\mathrm{dx}}_{\mathrm{in}}}-k\frac{\mathrm{dT}}{{\mathrm{dx}}_{\mathrm{out}}}\]$

其中一维热通量(Q)被定义为相对于位置变化dx的常数“k乘以温度变化dT： $(*)---Q=-k\frac{\mathrm{\ΔT}}{\mathrm{\ΔX}}$

利用有限差分公式(*)可写成： $\frac{T(t+\mathrm{\Δt})-T\left(t\right)}{\mathrm{\Δt}}=\frac{1}{{\mathrm{\ρC}}_p\mathrm{\Δx}}\[k\frac{T(x+\mathrm{\Δx})-T\left(x\right)}{\mathrm{\Δx}}{|}_{x=x_{\mathrm{in}}}-k\frac{T(x+\mathrm{\Δx}-T\left(x\right))}{\mathrm{\Δx}}{|}_{x=x_{\mathrm{out}}}\]$

如果我们设： ${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{in}}=\frac{\mathrm{k\Δt}}{{\mathrm{\ρC}}_p\mathrm{\Δ}{x^2}_{\mathrm{in}}}$ 和 ${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{out}}=\frac{\mathrm{k\Δt}}{{\mathrm{\ρC}}_p\mathrm{\Δ}{x^2}_{\mathrm{out}}}$

那么： $(**)T(t+\mathrm{\Δt})-T{\left(t\right)}_{|x=\frac{1}{2}(x_{\mathrm{in}}+x_{\mathrm{out}})}={\mathrm{\ω}}_{\mathrm{in}}{\[T(x+\mathrm{\Δx})-T\left(x\right)\]}_{|x=x_{\mathrm{in}}}-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{out}}{\[T(x+\mathrm{\Δx})-T\left(x\right)\]}_{|x=x_{\mathrm{out}}}$

如果有两个热传感器，位于x_in的“S₁”和位于x_out的“S₂”，而且这些传感器被一具有已知热传导系数的限定距离(例如一热绝缘部件)所分开，且“S₁”与物体热接触，而“S₂”在热探针内，而且物体位于x_in+Δx，那么由(**)可清楚地看到约为： $T(t+\mathrm{\Δt})-T{\left(t\right)}_{|x=\frac{1}{2}(x_{\mathrm{in}}+x_{\mathrm{out}})}={\mathrm{\ω}}_{\mathrm{in}}{\[T_{\mathrm{boby}}-T_{s_1}\]}_1-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{out}}\[T_{s_1}-T_{s_2}\]$ 如在位置1/2(x_in+x_out)所估计的那样，温度上升被定义为从物体进入的热ω_in乘以：[(T_body)减(Ts₁)]减ω_out乘以从探针出的热[(Ts₁)减(Ts₂)]。

本发明的装置根据代表热通量的测量温度解出该公式，求得未知的T_body、ω_in、ω_out，而不必等待热平衡。

发明概述

本发明涉及一种特别用于测量人体温度的高速精确温度测量装置，该装置包括(a)一细长的温度探针，(b)位于探针表面下方的第一温度传感器，(c)位于探针内并且平行于第一传感器的至少一个第二温度传感器，(d)位于第一传感器和第二传感器(或多个传感器)之间的热绝缘部件，(e)接至第一和第二温度传感器的数据处理单元，它根据物体与第一传感器之间和第一与第二传感器(或多个传感器)之间测得的热通量计算物体温度，以及(f)接至数据处理单元的数据显示器。

发明详述

本发明涉及一种特别用于测量人体温度的高速精确温度测量装置。本发明的装置同样也用于测量动物体温和测量任何低导热率腔的温度。

本发明的装置包括：

(a)一细长的温度探针。该探针用于插入体腔内(本发明中，单词“体腔”也指腋窝；口腔和直肠)。该探针具有一圆的插入端以便于安全插入敏感的体腔中。

(b)第一温度传感器。第一传感器位于插入端附近的探针表面下方(以便于使插入深度最小)。

(c)至少一个第二温度传感器。该第二传感器位于探针内并且平行于第一传感器。

(d)一热绝缘部件。该部件位于第一传感器和第二传感器(或多个传感器)之间。应强调的是(如将要描述的那样)，传感器和绝缘部件的整个结构优选能被卷起。

(e)一数据处理单元。该数据处理单元接至第一和第二温度传感器。该数据处理单元根据(i)物体与第一传感器之间和(ii)第一与第二传感器之间测得的热通量计算物体温度。

(f)一数据显示器。该数据显示器接至数据处理单元，用于显示如由数据处理单元所计算的物体温度。该数据显示器也可显示信息(如测量误差)。

根据本发明装置的优选实施例，一加热元件位于温度探针内。该加热元件将该探针预热至一预定值(在测量人体温度时，达到近似34～38℃)。在探针如此预热时，进行测量的高阶外推法(highorder extrapolation)所需要的时间比使用一种室温探针的实例所需要的时间短(见背景部分中描述的热传递公式)。

一种可选择附加的第二传感器(下文中的“第三传感器”)可被数据处理单元用来提高温度测量计算的速度和精确度。该第三传感器位于(温度)探针内并且平行于第一传感器。该第三传感器同样也接至数据处理单元。该数据处理单元因此还可以另外根据在第一传感器和第三传感器之间测得的热通量计算物体温度。

预热步骤是可选择的，但很重要，因为通过限制所测量温度的范围，可提高分辨率(resolution)。

另外，根据本发明装置的优选实施例，第一传感器、第二传感器(或多个传感器)以及加热元件都被光刻到一个柔性衬底(印刷线路板)上。然后卷曲或折叠该衬底(以便将两个传感器或三个传感器平行排列)，并且将一个绝缘部件置于这些传感器之间。在卷曲时，衬底本身就是绝缘介质。将如此排列的传感器(及其绝缘介质)插入细长的探针中，由此保持这种排列(以便于实现两个或三个所需通量的测量)。

本发明装置的细长探针由金属或具有高导热率的任何其他材料制成。用于该细长探针的材料选择也应考虑到使用的卫生因素，例如易于清洁或消毒(如果是医学用途)。

包括两个(或三个)传感器和一个加热体的组件具有价格更便宜、更易于制造、制造中不需要手工劳动以及不要求传感器彼此相对调谐等优点。

通过图1-3将更详细地描述和说明本发明。这些图只是要说明本发明的优选实施例，而不是要以任何方式限定本发明的范围。

图1：示出一被插入探针的示意性截面。

图2：示出排列好的传感器的等角投影截面。

图3是用于高速精确温度测量装置中的操作程序流程图。

图1示出一被插入探针的示意性截面。显示出一个插入人体腔(2)内的加装金属套管的温度探针(1)。一个三部分组件包括第一传感器(3)，它通过一个热绝缘部件(5)与第二传感器(4)分开。该三部分组件在接近探针插入端的位置，其中第一传感器的一侧与温度探针的金属套管热接触，而第二传感器靠近探针的轴。一个加热(线圈)元件(6)位于绝缘部件内。此外还显示了可供选择的第三传感器(7)。

图2示出排列好的传感器的等角投影截面。弯曲的三部分组件(其与探针的弯曲部分有等角形状(conformal shape)从而可将其插入探针中-见图1)包括第一传感器(3)(在公式中指定为“T1”)，它通过宽度为“X”的热绝缘部件(5)与平行的第二传感器(4)(在公式中指定为“T2”)分开。因此在公式Q＝k(dT/dX)(见背景部分)中，“dT”等同于(T_s2-T_s1)或T_body-T_s1，而“dX”是沿“X”轴的最终距离(final distance)。

第一传感器通过电接点(8)和(9)接至数据处理单元(见图5)的电路。第二传感器通过电接点(10)和(11)接至数据处理单元(见图5)的电路。数据处理单元(包括任何所需的模/数转换电路和电源，例如电池)又接至数据显示器(见图5)。

图3是高速精确温度测量装置中采用的操作程序的流程图。在装置启动探针中的加热元件后，加热元件预热(12)探针约达34～38℃(在人体体温测量中)，从两个传感器中进行数据读取需要约3～4秒钟(13)，根据这些测量值，数据处理单元计算(14)收敛在ε极限常数范围的体温。如果计算出的体温不在可接受的体温范围内(15)，那么从两个传感器中取出另外的温度测量值约0.5秒钟并重复计算步骤(14)。如果计算出的体温在可接受的范围内(16)，那么将计算的体温显示(17)在数据显示器上。

根据本发明的装置有一模拟电路和一数字电路。模拟电路的目的是采样温度并启动加热元件。该电路接至两个传感器(可选择第三传感器)、一个加热元件和数字电路，以便传送数据采样值和用数字方法处理数据。每个传感器具有一分开的电路。把在一个非常低的电压(总电压100μV)下到达的每个传感器的信号传送到一个噪声滤波器。然后将该信号放大并传送到模拟电路部分的输出端。

数字电路的目的是：控制预加热和启动模拟部分的全部操作过程；产生测量值；接收来自模拟电路部分的放大和滤波信号；将这些信号转换为二进制(数字)数值，进行所需的数学计算和显示计算温度。

多路转换单元接收模拟数据并连续地将其传送到A/D转换器，该转换器可用二进制(数字)数值表示电压。微处理器计算温度而且还控制电路的程序运行。这个电路还包括一显示单元和为微处理器提供一个稳定电子工作环境的其他电路元件部分。

现在数据处理单元可接在适当的电子接点上。卷曲(或折叠)衬底以便平行排列两个传感器，有一个绝缘部件置放在传感器之间。如此排列的传感器连同绝缘部件插入延长的探针中并保持排列状态。然后数据处理单元、数据显示器、电池和适当的支架及连接器可插入距探针插入端有一定距离的区域，为一定的卫生用途如特别用于测量人体温度的温度测量装置，可以与外界隔绝地密封探针。

Claims (7)

1.一种特别用于测量人体温度的高速精确温度测量装置，包括：

a)一细长的温度探针，具有用于插入物体腔内的圆形插入端；

b)一第一温度传感器，位于探针插入端附近的表面下方；

c)至少一个第二温度传感器，位于探针内且平行于第一传感器；

d)一热绝缘部件，位于第一传感器和第二传感器之间；

e)一数字数据处理单元，接至第一和第二温度传感器；

f)一数据显示器，接至所述数据处理单元；

其中该数据处理单元利用来自所述温度传感器的读数计算物体温度，并且根据在物体与第一传感器之间和第一传感器与第二传感器之间的热通量用数字方法求解热传递方程式。

2.根据权利要求1的装置，还有一位于温度探针内的加热元件，所述加热元件预热探针达一预定温度，在测量人体温度时，达到近34～38℃。

3.根据权利要求1的装置，有一位于探针内并平行于第一传感器的第三传感器，所述第三传感器接至数据处理单元，所述数据处理单元还根据第一传感器与第三传感器之间测得的热通量计算物体温度。

4.根据权利要求2的装置，其中第一传感器、第二传感器和加热元件被光刻到一柔性衬底上。

5.根据权利要求4的装置，其中所述柔性衬底还包括被光刻到该柔性衬底上的第三传感器。

6.根据权利要求4的装置，其中该衬底卷曲或折叠以便平行排列两个传感器，且在所述传感器之间置放一绝缘部件，将如此排列的传感器及其绝缘介质插入细长的探针中，由此保持排列状态。

7.根据权利要求1的装置，其中细长的探针由金属或其他易进行热传导的类似材料制成。

Images