CN1251168A - 用于辐射式温度计的探头 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于辐射式温度计的探头(10),其中待测的红外辐射通过一个波导器件(12)被引向一个辐射式传感器(14),所说的传感器(14)把输入的辐射转换成电输出信号,并且借助于下游的电子测量电路从这个电输出信号来决定目标温度。为了减小传感器(14)内的温度梯度,本发明提供一种传感器外壳(16),所说的外壳经过热偶合装置(24、28、30)热偶合到波导器件(12),使波导器件(12)经热偶合装置(24、28、30)与传感器外壳(16)的靠近辐射的一侧以及它的相对侧直接热接触。优选地,由导热良好的材料制成的热偶合装置(24、28、30)使它的几乎全部表面积都与传感器外壳(16)的对应侧顶接。另外,还描述了用于减小辐射式传感器(14)的外壳(16)中的温度梯度的方法。本发明的探头(10)在发生不均匀加热时也能准确确定温度。还有,该探头体积小、重量轻、并且结构紧凑,因而可制成便携式用户喜爱的辐射式温度计,这些温度计习惯上是用来在人的耳道中进行测量的。
Description
本发明涉及按照权利要求1的现有技术前叙部分所述的用于辐射式温度计的一种探头，并且涉及加入这种探头的一种辐射式温度计。本申请进一步还涉及一种减小现有技术的探头的辐射式传感器中的温度梯度的方法。
辐射式温度计越来多地用于迅速而准确地测量人的体温。这涉及采用简单的方法把温度计的探头引入耳道内，测量耳膜的红外发射，耳膜的红外发射是人体温度的准确表示，并且比口腔的、直肠的、或腋窝的测量对于温度变化的响应更加灵敏。和常规的填充水银的医用温度计相比，辐射式温度计已经证实不仅更加迅速而准确得多，而且还消除了由于与粘膜接触而产生交叉感染的危险(例如像在用水银温度计进行口腔或直肠测量时可能发生的情况)。此外，还消除了穿入直肠的危险，否则当用传统的温度计测婴儿或儿童的体温时会造成永久性的伤害。
辐射式温度计的探头一般包括一个开口，用于吸收通过从开口到一个热辐射式传感器延伸的红外波导引导的待测红外辐射，所说的热辐射式传感器例如是热电式传感器、热电偶、或热敏电阻辐射热测量计器件。这个器件把在传感器中产生的部分温升转换成电的输出信号，从这个电输出信号借助于下游的电子测量电路来确定目标温度。
例如由于与耳道接触而使探头受热并在探头中产生温度梯度以使温度梯度发生变化时，由于热电式传感器的灵敏度很高，所以如果不进行适当补偿就经常会产生测量误差。
为了避免产生这种错误的读数，在本领域中，有各种不同的公知方法。
例如，在美国专利No.4,602,642中建议，先把医用辐射式温度计的探头预加热到约37℃的预期目标温度，而后再进行测量，从而使通常为耳道的测量点和其中容纳辐射式传感器的探头之间的温度梯度最小，借此使这个温度梯度对测量精度的影响最小。然而，均匀地预加热探头涉及十分复杂的技术，它不仅对测量过程和相应的费用有不利的影响，而且对用户对这种探头的喜爱程度也有不利影响。此外，必要的预加热周期是相当长的，不能进行很方便容易的测量，并且因为相伴的高功耗使应用也是不切实际的，尤其是使用电池供电的辐射式温度计的场合更是如此。
另一种可能性涉及把辐射式传感器集成在一个很大的热库上，使热的输入只产生一个小的温升和小的温度梯度。例如，EP0441866B1描述了一种探头，其中的传感器放在一个散热片上，来自耳朵的热量在传感器周围进入传感器，从而使这个热量远离传感器。在美国专利No.4,895,164中，用一个具有良好导热性能的并且具有足够大尺寸的金属块包围波导的绝大部分以及传感器器件，从而大体上可以保证等热条件。这种处理方法的缺点是：大的热库使温度计难以手持并且很重，因此不可能作成小型的可转动的探头。此外，对设计和结构的制约是很严格的。
按照美国专利No.5,293,877的教导，辐射式传感器应和探头热隔离，以使进入探头的热量只在传感器中产生一个很小的温升和一个很小的温度梯度。然而，当探头的加热发生时，隔热的传感器将具有一个不同的温度，因此该传感器同时还要测量波导和输入窗口的固有发射。因此，为了计及这种固有发射，除了要确定传感器温度以外，还要确定波导和输入窗口的温度。
为了解决上述问题，美国专利No.5,127,742号建议，在使用例如一个光栅实际测量了辐射之前和/或之后很快进行“零补偿”，但这加大了机电复杂程度。
在美国专利No.5,293,877中，通过温度传感器来确定探头或传感器中形成的温度梯度，并且在计算辐射温度时对于这些梯度进行适当考虑。然而，由于温度差一般来说是十分小的，所以这些温度差的测量是十分复杂的过程。另一个缺点是对于传感器和它们的引线在很小的探头中的空间要求较大。此外，还增加了辐射温度的校准和计算的复杂性。
在美国专利No.4,722,612中，通过与第一传感器反向串接的一个第二辐射式传感器来补偿“传感器偏差“，所说的第二传感器曝露于温度梯度但不曝露于辐射。然而，和单个的传感器相比，这种类型的双传感器自然是更加昂贵和更加庞大。
在文件JP63-91526中，本发明的权利要求1的现有技术部分即按此文件措词，从波导器件到传感器外壳的圆柱形侧壁的热偶合被建议成减小温度梯度的一项措施。借助于这一措施，大约在传感器外壳中部的最佳偶合位置的选择不仅取决于可能发生的温度梯度的大小和符号，而且还特别地取决于传感器外壳的特殊结构，其中不仅各个外壳部分的不同热容量而且在这些传感器中一般都存在的横向焊缝都起一定的作用，这些焊缝的导热率在不同的传感器之间可能有很大差别。因此，为了获得好的结果，在实践中必须逐个地调节偶合位置，这在批量生产中肯定要牵涉到某种制造方面的费力。此外，这种类型的热偶合没有考虑到通过传感器引线到传感器外壳的底部的热偶合，随之带来了测量误差严重恶化。在所引的文件中，通过在传感器外壳底部的一个补偿元件来计及存在的这种温度梯度。
本发明的一个目的是提供一种用于辐射式温度计的探头，它制造起来最容易最经济、重量轻、容易手持和结构紧凑、使温度的测量准确容易并且和探头内可能发生的任何温度梯度无关、并且没有以上所说的现有技术器件的上述缺点。本发明的另一个目的是提供一种减小热辐射式传感器外壳中的温度梯度的方法，借助于这种方法可大大地抑制由温度梯度引起的错误读数。
在按照本发明的一个探头中，为了实现这些目的，把包括辐射式传感器和热偶合装置在内的一个装置在其热重心热偶合到波导上。术语热重心应理解为可提供热量但又不会产生辐射式传感器的不均匀温度变化的所说的装置上的点、线、或面积。这样作的好处是，即使在波导和辐射式传感器之间存在温度梯度，破坏测量结果的温度梯度也不会出现在辐射式传感器内部。此外，通过保持热偶合装置的热容量在一个低的水平，可使在波导和辐射式传感器之间可能出现的任何温度差迅速补偿掉。另一方面，高热容量具有如下优点：在测量期间由于例如与待测目标的接触而引起的通常较少的热量的提供或传走不会在探头内产生明显的温度梯度。
在本发明的探头的一个优选实施例中，热偶合装置包括一个蓄热器和一个散热器，蓄热器和散热器只经过一个热结合部相互直接热接触，而在别处它们是相互隔热的，传感器外壳与散热器热接触，并且热结合部位于由辐射式传感器和散热器组成的一个装置的热重心。特别优选的是，传感器外壳的至少两个相对的壁与散热器直接热接触，从而使传感器外壳的温度的一个变化将产生传感器外壳的这些特定侧的温度的一个均匀的变化。蓄热器与波导器件直接热接触，并且最好与探头外壳是隔热的。
为了优化热传输，热偶合装置最好由导热性好的材料制成，如铜、铝、或锌，并且它的热容量相当大以减小产生温度梯度。
在从属权利要求中要求保护本发明的另一些优选实施例，而权利要求13涉及的是配有本发明的探头的一种辐射式温度计。在本发明的权利要求14中表示的是用于减小热辐射式传感器的外壳中温度梯度的一种方法。
从结合附图对优选实施例的随后描述中，本发明的其它特征和优点都将变得明显清楚。在附图中相同的标号代表相同的部件。
图1是本发明的一个探头的示意图，表示和相关的辐射式传感器的外壳的按照本发明的热偶合；和
图2是用于辐射式温度计的本发明的一个探头实施例的视图。
现在参照附图1，其中示意地表示本发明的用于辐射式温度计的一个探头10。探头10包括一个波导器件12，用于传送待测的红外辐射，使之从一个入口(未示出)传送到一个辐射式传感器或者一个热电式换能器14，在这里把进入传感器内的辐射产生的部分温升转换成电输出信号，借助于下游的电子测量电路(未示出)从所说的电输出信号来确定目标温度。
辐射式传感器或温度传感器14包括一个传感器外壳16，外壳16中例如安排热电偶作为传感器元件18，传感器元件18经过位于传感器外壳16的底部的导线(未示出)连接到下游的电子测量电路。靠近入射的辐射或波导器件12的传感器外壳16的一侧设有一个传感器窗口20，用于引入待测的红外辐射。波导器件12和辐射式传感器14彼此之间通过一个空气间隙22隔热。
辐射式传感器14由热偶合装置24、28、30包围。该热偶合装置包括一个蓄热器24，蓄热器24在由标号26指定的位置与波导器件12直接热接触。按常规方式，用一个空气间隙来实现蓄热器24的自探头外壳(未示出)到外部的隔热作用，以便维持热输入在最低可能的水平。一个散热器28设置在辐射式传感器14和蓄热器24之间，散热器28包围着辐射式传感器14，并且通过空气间隙22与波导器件12进行隔热。蓄热器24和散热器28彼此之间以类似的方式通过空气间隙22进行隔热。在它们之间的直接热接触只经过横向安排的热结合部30而存在。通过空气间隙32使散热器28内部与传感器外壳16的侧面隔热，同时散热器28与靠近入射辐射或波导器件12的传感器外壳16的一侧即外壳16的上侧或顶盖和它的相对侧即外壳16的下侧或底部直接热接触。为了使传感器外壳16得到加热或冷却的最大可能的均匀性，散热器28最好使除了它的传感器窗口20以外的几乎整个表面面积都与传感器外壳16的上述各侧对接起来。
蓄热器24和散热器28最好由导热性良好的材料制成，例如由铜、铝、锌、或类似物构成，以便可以保证最佳的热传导和迅速的热平衡调节。
在通过外部作用加热或冷却波导器件12或蓄热器24时，在所说的部件中产生温度梯度。部分热能在开始时就从蓄热器24通过热结合部30传送到散热器28，散热器28再向传感器外壳16的底部和盖传送热量。热结合器30的位置及散热器28的形状总要选择为，使向传感器外壳16的底部和顶盖的热传递能大体上均匀地发生，从而可防止在辐射式传感器14中可能发生的任何温度梯度，所说的这种温度梯度可能导致传感器14的冷端和热端的不同程度的加热，并且可能导致反映这种情况的一种传感器输出信号。这是由于传感器14的结构产生的结果，在此结构中具有高热容量的冷端一般直接偶合到传感器外壳16的底部，而热端则位于一个具有极低热容量的隔热膜上，所说的热端只经过所说的膜、传感器外壳16中的气体、并且通过热辐射偶合到传感器外壳16上。
在本发明中公开的进入传感器外壳16的热偶合中，散热器28及热结合部30配置成不仅对底部和顶盖的热容量之间通常相当大的差别进行补偿，而且还对经辐射式传感器14的引线进入传感器外壳16的底部的热偶合进行补偿，从而可在发生不均匀加热的情况下保证准确的温度测量。
由于辐射式传感器14通过热偶合装置24、28、30与波导器件12热接触(并且，在可应用时，与吸入辐射的窗口热接触(未示出))，因此对波导器件12(以及窗口吸入的辐射)的固有发射不必提供补偿。也不必对由于使用了光栅、附加的传感器、双辐射式传感器、或类似物引起的零点漂移进行补偿。本发明的热偶合处理方法还允许利用廉价的热电偶，因此不再需要特殊优化的昂贵的特殊东西。
图2表示本发明的用于辐射式温度计的一个探头的具体实施例。探头10在它的前端有一个入口或窗口34用于通过待测的红外辐射，该红外辐射通过波导12引向辐射式传感器14，辐射式传感器14通过一个空气间隙22与波导12实现隔热。
波导12沿着由标号26表示的一个剖面与蓄热器24热接触，蓄热器24对于简单的装置来说包括一个上部24a和一个容易与上部24a接合的下部24，把两个部分进行设计成使它们具有相当大的热容量从而可减小温度梯度。为了维持热输入在尽可能低的水平，空气间隙36提供从一般由塑料制成的探头外壳38向蓄热器24外部的绝热作用。
蓄热器24由一个散热器包围，所说的散热器同样由容易接合在一起的两个部分28a和28b组成，除了可能存在的几个接触点以外蓄热器24通过空气间隙22与所说的散热器实现隔离。在蓄热器24的下部24b和散热器的下部28b之间提供一个弹性O形环31，它的导热性很差，用于补偿容差(如果有的话)。散热器的上部28a通过空气隙32与传感器外壳16的侧壁实现隔热，并且通过空气间隙22与波导器件12实现隔热，同时与传感器外壳16的上侧或顶盖实现直接热接触。散热器的下部28b几乎全部表面与传感器外壳16的下侧或底部实现热接触，以便可以保证最佳可能的热传输。
为了得到更加优化的热传输，蓄热器24和散热器28由导热良好的材料制成，如铜、铝、锌等。
传感器14的引线40位于蓄热器24中并且与蓄热器24是隔热的。传感器14经过一个可弯曲的柔性印刷电路板41电连接到辐射式温度计的下游的电子电路(未示出)，后者用于处理辐射式传感器14产生的电输出信号。为使经引线40的热输入最小，该印刷电路板要具有极薄的结构。出于同样的理由，还要将印刷电路板设计成具有很差的导热性，并且贴近O形环将其热偶合到蓄热器24。
从以上所述显然可以看出，本发明所公开的传感器外壳16到波导器件12或周围部件的热偶合可以产生一个体积小、重量轻、结构紧凑的探头，可用于容易手持的用户喜爱的辐射式传感器，其中能可靠地避免由于温度梯度引起的错误读数。由于结构简单并且利用了低成本的常规辐射式温度计，例如热电偶或热敏电阻辐射热测量计，所以本发明的探头另外的优点是容易制造和成本低。
Claims (14)
1.一种用于辐射式温度计的探头(10)，它具有一个入口(34)，用于通过待测的辐射，所说的辐射通过从入口(34)开始延伸的一个波导器件(12)被引向一个辐射式传感器(14)，所说的传感器(14)把输入的辐射转换成电输出信号，并且包括一个传感器外壳(16)，所说的外壳(16)经过一个热偶合装置(24、28、30)热偶合到波导器件(12)上，
其特征在于：包括辐射式传感器(14)和热偶合装置(28)在内的一个装置在其热重心热偶合到波导器件(12)。
2.如权利要求1所述的探头，其特征在于：热偶合装置(24、28、30)包括一个蓄热器(24)和一个散热器(28)，蓄热器(24)和散热器(28)只经过一个热结合部(30)相互直接热接触，而其它部位它们是相互隔热的；传感器外壳(16)与散热器(28)直接热接触；及热结合部(30)位于由辐射式传感器(14)和散热器(28)组成的一个装置的热重心处。
3.如权利要求2所述的探头，其特征在于：传感器外壳(16)的至少两个相对侧与散热器(28)直接热接触，因而传感器外壳(16)的温度变化将产生传感器外壳(16)的至少所说侧的温度的均匀变化。
4.如权利要求2或3所述的探头，其特征在于：蓄热器(24)与波导器件(12)直接热接触。
5.如前述权利要求中任何一个所述的探头，其特征在于：热偶合装置(24、28、30)由具有良好导热性能的材料制成。
6.如权利要求2-5中任何一个所述的探头，其特征在于：蓄热器(24)和/或散热器(28)每一个都包括两个互相配合的部分(24a、24a、28b、28b)。
7.如权利要求2-6中任何一个所述的探头，其特征在于：在蓄热器(24)和散热器(28)之间设置一个低导热性的弹性的O形环来补偿公差。
8.如权利要求2-7中任何一个所述的探头，其特征在于：蓄热器(24)有一个相当大的热容量以减小温度梯度。
9.如权利要求2-8中任何一个所述的探头，其特征在于：蓄热器(24)向外部与外壳(38)是隔热的。
10.如权利要求2-9中任何一个所述的探头，其特征在于：散热器(28)和波导器件(12)彼此是隔热的。
11.如权利要求4-10中任何一个所述的探头，其特征在于：传感器(14)的引线(40)设置在蓄热器(24)内并且与其隔热。
12.如权利要求11所述的探头，其特征在于：引线(40)电连接到一个下游的印刷电路板，所说的印刷电路板具有一个薄的结构并且具有低的导热性；引线(40)在贴近热结合部(30)处热偶合到蓄热器(24)上。
13.一种配有如权利要求1-12中任何一个所述探头的辐射式温度计。
14.一种用于减小如权利要求1的现有技术部分所述探头的辐射温度梯度的方法，其特征在于：经过由辐射式传感器(14)和热偶合装置(28)组成的一个装置的热重心，向探头提供一定量的热量或从所说的探头传走的热量而作用在辐射式传感器上。
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