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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Doppeltemperatursensor zur Bestimmung der Körperkerntemperatur eines Lebewesens mit einem Sensorblock, der an einer Seite einen zur Auflage auf der Hautoberfläche vorgesehenen ersten Temperatursensor und an der anderen Seite auf Abstand zu dem ersten einen zweiten Temperatursensor trägt, und mit einer Auswerteeinheit, die dazu eingerichtet ist, die Körperkerntemperatur unter Verwendung der Messwerte des ersten und zweiten Temperatursensors zu berechnen.
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Ein derartiger Doppeltemperatursensor misst mit dem ersten Temperatursensor die Temperatur an der Hautoberfläche und mit dem zweiten Temperatursensor die Temperatur am anderen Ende des Sensorblocks entfernt von dem ersten Temperatursensor. Aus der Differenz der Temperaturen des ersten und zweiten Sensors ergibt sich der Wärmefluss durch den Materialkörper des Sensorblocks, und daraus lässt sich bei bekannten Wärmeleitfähigkeiten von Sensorblock und Körpergewebe sowie der Hauttemperatur die Körperkerntemperatur im Inneren des Körpers des Lebewesens berechnen. Ein Problem, das die Genauigkeit der Messung beeinträchtigt, besteht darin, dass Wärme durch den Sensorblock nicht nur in Längsrichtung, also in der den ersten und zweiten Temperatursensor verbindenden Richtung, fließt, sondern auch quer dazu zu den Seitenwänden des Sensorblocks hin. Dieser quer verlaufende Wärmefluss geht dem eigentlich durch den ersten und zweiten Temperatursensor zu bestimmenden Wärmefluss verloren. Daher gab es bereits Versuche, diesen störenden, quer verlaufenden Wärmefluss in dem Sensorblock zu reduzieren oder anderweitig zu kompensieren.
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In
DE 10 2005 004 933 B3 ist ein Doppeltemperatursensor beschrieben, der die Merkmale des Oberbegriffs von Patentanspruch 1 aufweist. Bei dem dort beschriebenen Doppeltemperatursensor ist vorgesehen, dass der quer verlaufende Verlustwärmefluss im Sensorblock rechnerisch kompensiert wird. Dazu ist ein dritter Temperatursensor an einer Seitenfläche des Sensorblocks vorgesehen, um ein Maß für den quer verlaufenden Verlustwärmefluss zu erfassen. Diese Temperatur des dritten Temperatursensors geht dann in eine, in der genannten Patentschrift aufgeführte, erweiterte Formel zur Berechnung der Kerntemperatur ein, um so die tatsächliche Körperkerntemperatur unter Berücksichtigung des Verlustwärmeflusses genauer zu errechnen. Allerdings ist eine solche rechnerische Kompensation des quer verlaufenden Verlustwärmestroms nur eine näherungsweise Korrektur, bzw. verlangt ferner einen größeren apparativen Aufwand im Zusammenhang mit dem dritten Temperatursensor. Es wäre natürlich an sich eher anzustreben, dass bei einem Doppeltemperatursensor eine solche rechnerische Korrektur nicht erforderlich wäre.
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Bei dem aus
DE 10 2008 026 642 B4 bekannten Doppeltemperatursensor, der ebenfalls die Merkmale des Oberbegriffs von Patentanspruch 1 aufweist, wird das Problem des quer verlaufenden Verlustwärmeflusses durch den Sensorblock in folgender Weise angegangen. Der Doppeltemperatursensor hat ein Aufnahmeelement mit einem Isolatorblock darin, in den die ersten und zweiten Temperatursensoren eingebracht sind, wobei der erste Temperatursensor zur Erfassung einer hautseitigen Temperatur und der zweite Temperatursensor zur Erfassung einer oberseitigen Umgebungstemperatur angeordnet ist. Hier soll nun das Aufnahmeelement oder der Isolierungsblock in der Materialstruktur derart ausgebildet sein, dass eine anisotrope Wärmeleitung vorliegt, insbesondere natürlich eine Anisotropie derart, dass die Wärmeleitung in Längsrichtung von dem ersten zum zweiten Temperatursensor größer ist als die Wärmeleitung in Querrichtung. Auf diese Weise soll der die Messung störende quer verlaufende Verlustwärmestrom gegenüber dem für die Messung benötigten in Längsrichtung unterdrückt werden. Dazu kann vorgesehen sein, dass in dem Isolierungsblock in Querrichtung Störstellen für die Wärmeleitung in Form von längs verlaufenden Bohrungen oder konzentrischen Nutenkreissegmenten vorgesehen sind. Allerdings wird dadurch nur eine gewisse Reduzierung des die Messung störenden quer verlaufenden Verlustwärmeflusses erreicht, aber keine wirklich deutliche Reduzierung des Messfehlers.
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Aus
EP 2 251 660 A1 ist ein Doppeltemperatursensor bekannt, der ebenfalls einen Sensorblock mit einem ersten und einem zweiten Temperatursensor wie bei den zuvor beschriebenen Doppeltemperatursensoren aufweist. Der Sensorblock wird hier mit einem Haltebügel an die Hautoberfläche gedrückt, wobei die zur Hautoberfläche reichenden Arme des Haltebügels dort mit Klebeelementen an der Haut angeklebt sind. Zwischen dem Haltebügel und der von der Haut abgewandten Oberseite des Sensorblocks wirkt ferner eine Feder, um den Sensorblock anzudrücken. Um den quer verlaufenden Verlustwärmefluss zu reduzieren, ist der Sensorblock hier allseitig von einem Schaumstoffkörper als Isolator umgeben. Allerdings findet auch durch diesen Schaumstoffkörper noch ein Wärmeaustausch statt, so dass Verlustwärmeströme die Messung nach wie vor stören. Bei einem bekannten derartigen Doppeltemperatursensor hat der poröse Schaumstoff des Isolators eine durchschnittliche Wärmeleitfähigkeit von 0,06 W/m·K. Der mittlere Durchmesser des gesamten bekannten Sensors beträgt ca. 55 mm, während der Sensorblock etwa 10 mm Durchmesser hat. Die durchschnittliche Entfernung zwischen der seitlichen Außenwand des Sensorblocks und dem Außenraum des Sensors außerhalb des Schaumstoffs beträgt etwa 22,5 mm. Damit wird ein Wärmedurchgangswert von ca. 2,67 W/m
2·K erreicht. Damit bleibt der quer verlaufende Verlustwärmefluss aber noch in einem Umfang erhalten, der die Messung des Doppeltemperatursensors erheblich stört.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Doppeltemperatursensor so auszubilden, dass der Einfluss von quer verlaufenden Verlustwärmeflüssen durch den Sensorblock auch ohne rechnerische Kompensation vernachlässigbar klein wird.
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Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die Merkmale des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß ist der Sensorblock in einer haubenförmigen Gehäuseschale mittig gehalten, die so geformt ist, dass der erste, zur Anlage an der Hautoberfläche vorgesehene Temperatursensor und der auf Abstand dazu umlaufende äußere Rand der Gehäuseschale in einer Ebene liegen, so dass der Sensorblock bei auf der Hautoberfläche aufliegende Gehäuseschale von einem von der Gehäuseschale abgeschlossenen luftgefüllten Hohlraum umgeben ist. Es hat sich herausgestellt, dass eine den Sensorblock in einer Hemisphäre umgebende Gehäuseschale, die mit ihrem äußeren umlaufenden Rand auf Abstand zu dem Sensorblock an der Hautoberfläche anliegt, einen isolierenden, luftgefüllten Hohlraum schafft, der störenden, quer verlaufenden Wärmefluss in dem Sensorblock weitaus besser reduziert als alle bisherigen Gehäusestrukturen für Doppeltemperatursensoren, so dass der dadurch noch bedingte Messfehler absolut vernachlässigbar ist. Es wird weiter unten im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel gezeigt, dass bei einem erfindungsgemäßen Doppeltemperatursensor der Wärmedurchgangswert gegenüber einem Doppeltemperatursensor, dessen Sensorblock durch umgebenden Schaumstoff isoliert ist, um mehr als einen Faktor 2 reduziert ist. Der danach noch verbleibende Messfehler durch quer verlaufenden, seitlich aus dem Sensorblock gerichteten Wärmefluss ist vernachlässigbar, so dass auch keine rechnerischen Korrekturen mehr nötig sind.
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Unter „haubenförmig” wird hier eine Gehäuseschale verstanden, die bei Auflage ihrer Außenränder auf der Haut ihren Innenraum über der Hautoberfläche innerhalb der Außenränder wie eine Kuppel oder Glocke überwölbt. Diese haubenförmige Gestalt im Sinne der vorliegenden Erfindung soll aber keine Rotationssymmetrie (wie eine Kugelkalotte) implizieren und auch keinen kontinuierlich glatten Verlauf der Wände der Gehäuseschale implizieren. Die Gehäuseschale könnte auch einen vieleckigen Außenrand haben und aus Stücken mit ebenen Wandflächen zusammengesetzt sein, also z. B. die Form einer Pyramide oder eines Pyramidenstumpfes haben. Ebenso sind Mischformen wie die Form eines Kegelstumpfes möglich.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist im Inneren der Gehäuseschale wenigstens ein von der Innenwand der Gehäuseschale abstehender Steg gebildet, um die Gehäuseschale zu versteifen. Die Gehäuseschale kann aus Kunststoff mit einer geringen Wandstärke aufgebaut sein. Um der Struktur genügend Steifigkeit zu verleihen, können dann ein oder mehrere an der Innenwand gebildete Stege vorhanden sein, die als Versteifungsrippen wirken.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform sind der oder die Stege in ihrer Höhe so bemessen, dass die von der Innenwand der Gehäuseschale abgewandten Ränder der Stege in der Ebene des äußeren umlaufenden Randes der Gehäuseschale liegen. Damit liegen die untenliegenden Ränder der Stege bei Anlage der Gehäuseschale an der Hautoberfläche ebenfalls auf der Hautoberfläche auf, was zur Stabilisierung der Lage des Doppeltemperatursensors in Anlage auf der Haut beiträgt. Ferner können die unteren Ränder der Stege ebenso wie der äußere umlaufende Rand der Gehäuseschale mit Klebeelementen versehen sein, so dass der Doppeltemperatursensor so haftend an der Hautoberfläche gehalten werden kann. Grundsätzlich ist es auch möglich, dass ein oder mehrere solcher Stege eine durchgängige Wand im Inneren der Gehäuseschale bilden, so dass der innere Hohlraum der Gehäuseschale in Teilvolumina unterteilt wird.
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Die Gehäuseschale kann z. B. einen kreisförmigen äußeren Rand haben, der im Gebrauch auf der Hautoberfläche aufliegt. Die Gehäuseschale kann dann z. B. die Form eines Kugelsegments (Kugelkalotte) haben. Grundsätzlich sind aber auch Formen der Gehäuseschale möglich, bei der der auf der Hautoberfläche aufliegende äußere Rand einen vieleckigen oder anders geformten Umfang hat und die Form der Gehäuseschale nicht sphärisch ist. In jedem Fall kann für den äußeren umlaufenden Rand der Gehäuseschale ein mittlerer Durchmesser definiert werden. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der mittlere Durchmesser des umlaufenden äußeren Randes der Gehäuseschale mehr als doppelt so groß wie der mittlere Durchmesser des Sensorblocks, wobei der Mittelpunkt des mittleren Durchmessers des Sensorblocks durch die Längsachse gebildet wird, welche zwischen dem ersten und zweiten Temperatursensor verläuft. Noch weiter bevorzugt ist der mittlere Durchmesser des umlaufenden äußeren Randes der Gehäuseschale mehr als dreimal so groß wie der mittlere Durchmesser des Sensorblocks. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der mittlere Durchmesser des äußeren Randes der Gehäuseschale mehr als viermal größer als der Durchmesser des Sensorblocks. In einer noch weiter bevorzugten Ausführungsform ist der mittlere Durchmesser des umlaufenden äußeren Randes der Gehäuseschale mehr als fünfmal so groß wie der Durchmesser des Sensorblocks. Der Durchmesser des Sensorblocks kann zum Beispiel etwa 10 mm betragen und der Durchmesser des umlaufenden äußeren Randes der Gehäuseschale etwa 55 mm oder mehr betragen. Ein solcher Temperatursensor ist einerseits im Hinblick auf seine Größe gut handhabbar, andererseits ist der den Sensorblock seitlich umgebenden luftgefüllte Hohlraums weit ausgedehnt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Sensorblock in der Gehäuseschale durch wenigstens ein Befestigungselement gehalten, das einerseits mit dem Sensorblock an der Seite des zweiten Temperatursensors verbunden ist und andererseits direkt oder indirekt mit der Innenwand der Gehäuseschale in ihrem zentralen Bereich verbunden ist. Dadurch ist der durch die Befestigung des Sensorblocks verursachte Wärmefluss durch das Befestigungselement unkritisch, da der Wärmefluss zu dem zweiten Temperatursensor hin dadurch praktisch nicht mehr beeinflusst wird. Es können zum Beispielen am oberen, von der Haut abgewandten Ende des Sensorblocks zwei oder mehr dünne Träger gebildet sein, die im zentralen Bereich der Gehäuseschale mit deren Innenwand oder mit einem oder mehreren der Stege verbunden sind. Eine solche Aufhängung des Sensorblocks in der Gehäuseschale minimiert jeden störenden Wärmefluss durch die Aufhängungselemente.
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Ein weiterer kritischer Punkt störender Wärmeflüsse hängt mit der elektrischen Leitung zusammen, die den ersten Temperatursensor auf der Hautoberfläche mit der Auswerteeinheit verbindet. Da elektrisch gut leitfähige Materialien in der Regel auch thermisch gut leitfähig sind, besteht das Problem, dass die zu dem ersten Temperatursensor führende Leitung, die auch in den Außenraum der Gehäuseschale bis zur Auswerteeinheit reicht, einen störenden Wärmeabfluss von dem ersten Temperatursensor bewirkt, da die Temperatur außerhalb der Gehäuseschale meistens geringer ist als die Temperatur der Hautoberfläche, so dass Wärme von dem ersten Temperatursensor abfließen kann. Um dieses Problem zu umgehen, ist die mit dem ersten Temperatursensor verbundene Leitung so in der Gehäuseschale geführt, dass sie im Betrieb bei Anlage der Gehäuseschale auf der Hautoberfläche in Wärmeleitungskontakt mit der Hautoberfläche steht. Die Leitung hat auf diesem Weg in Wärmeleitungskontakt innerhalb der Gehäuseschale eine wenigstens teilweise nicht-geradlinigen oder gekrümmten Verlauf von dem ersten Temperatursensor nach außen zum äußeren umlaufenden Rand der Gehäuseschale, an dem sie aus der Gehäuseschale herausgeführt ist. Die Leitung ist also nicht direkt in radialer Richtung nach außen zum äußeren Rand der Gehäuseschale und dort aus dieser heraus geführt, sondern hat einen wenigstens teilweise gekrümmten oder zickzackförmigen Verlauf, so dass die Länge der Leitung, die in Wärmeleitungskontakt mit der Hautoberfläche steht, gegenüber einer direkten Herausleitung aus der Gehäuseschale vergrößert ist. Durch diese vergrößerte Leitungslänge, die in Wärmeleitungskontakt mit der Hautoberfläche steht und die zwischen der Herausführung der Leitung aus der Gehäuseschale und dem ersten Temperatursensor liegt, wird eine so große Pufferstrecke geschaffen, so dass innerhalb typischer Messzeiten kein merklicher Wärmeabfluss am ersten Temperatursensor auftritt. Auf diese Weise kann ein Wärmefluss effektiv minimiert werden, der durch die Leitung stattfindet, welche den ersten Temperatursensor mit der Auswerteeinheit verbindet.
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Zu diesem Zweck kann die von dem ersten Temperatursensor ausgehende Leitung zum Beispiel zunächst einen radialen Verlauf bis in die Nähe des äußeren umlaufenden Randes der Gehäuseschale haben. Die Leitung kann dabei zum Beispiel in dem Verlauf an einem unteren Rand eines Steges geführt sein. Daran anschließend kann die Leitung am äußeren Rand im Inneren der Gehäuseschale umlaufend verlaufen, wobei sie an dem umlaufenden Rand zum Beispiel um 180°, also halb um den umlaufenden äußeren Rand umlaufend, geführt sein kann, bevor sie aus der Gehäuseschale herausgeführt wird. Auf diese Weise wird eine genügende Leitungslänge in Wärmeleitungskontakt mit der Hautoberfläche erzielt, so dass Temperaturschwankungen auf die Messung keinen merklichen Einfluss haben. Alternativ kann auch eine kurze Leitung direkt zum Sensor geführt werden, wenn das Kabel beispielsweise aus Nickel besteht, das einen geringen elektrischen Widerstand aber eine geringe Wärmeleitung hat.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels in den Zeichnungen erläutert, in denen
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1 eine schematische seitliche Schnittansicht eines Doppeltemperatursensors zeigt und
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2 den durch quer verlaufenden Wärmefluss verursachte Messfehler als Temperaturdifferenz zwischen der gemessenen Kerntemperatur und der tatsächlichen Kerntemperatur des Körpers als Funktion der Umgebungstemperatur für den erfindungsgemäßen Doppeltemperatursensor im Vergleich zur herkömmlichen Doppeltemperatursensoren zeigt.
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Der in 1 gezeigte Doppeltemperatursensor hat einen Sensorblock 2, der auf der der Hautoberfläche zugewandten Seite einen ersten Temperatursensor 4 und an dem gegenüberliegenden, Haut abgewandten Ende einen zweiten Temperatursensor 5 trägt. Der Sensorblock 2 wird in einer Hemisphäre von einer haubenförmigen Gehäuseschale 1 abgeschirmt. Die Gehäuseschale 1 ist so geformt, dass ihr äußerer umlaufender Rand 8 in der gleichen Ebene wie der erste Temperatursensor 4 liegt, so dass die Gehäuseschale bei Anlage des Doppeltemperatursensors auf der Hautoberfläche einen geschlossene, luftgefüllten Hohlraum 6 um den Sensorblock 2 herum bildet. Im Inneren der Gehäuseschale 1 können ein oder mehrere von der Innenwand der Gehäuseschale ausgehende Stege 7 vorgesehen sein, die der Gehäuseschale eine höhere Steifigkeit geben. Die Stege 7 können in ihrer Höhe so dimensioniert sein, dass ihre unteren Ränder ebenfalls in der durch den äußeren umlaufenden Rand 8 der Gehäuseschale definierten Ebene liegen und so bei Anlage des Doppeltemperatursensors auf der Hautoberfläche ebenfalls auf der Haut aufliegen. Der äußere umlaufende Rand 8 und die unteren Ränder der Stege 7 können mit Klebeelementen versehen sein, so dass der Doppeltemperatursensor auf die Hautoberfläche geklebt werden kann. Alternativ kann der Doppeltemperatursensor durch ein Halteband oder anderweitig auf der Hautoberfläche gehalten sein.
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Der Sensorblock 2 ist im Zentrum der Gehäuseschale 1 durch ein oder mehrere Befestigungselemente 3 gehalten, die zum Beispiel als dünne Tragarme ausgebildet sein können. Durch die Anordnung der Befestigungselemente 3 am oberen äußeren Ende des Sensorblocks 2 wird der Einfluss von Wärmefluss durch die Befestigungselemente auf die Temperaturmessung des zweiten Temperatursensors 5 minimiert, da dadurch der Wärmefluss zu dem zweiten Temperatursensor 5 hin nicht mehr merklich beeinflusst wird.
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Der mittlere Außendurchmesser des umlaufenden äußeren Randes 8 der Gehäuseschale 1 ist vorzugsweise um ein mehrfaches größer als der Durchmesser des Sensorblocks 2. Der mittlere Durchmesser der Gehäuseschale kann zum Beispiel 55 mm betragen, während der Sensorblock einen Durchmesser von 10 mm hat.
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So ist ein luftgefüllter abgeschlossener Hohlraum um den Sensorblock 2 herum gebildet, durch den der seitliche Verlustwärmefluss im Sensorblock 2 minimiert ist. Mit den oben angegebenen Dimensionen und einer durchschnittlichen Wärmeleitfähigkeit von Luft von 0,026 W/m·K ergibt sich für den erfindungsgemäßen Doppeltemperatursensor ein Wärmedurchgangswert von 1,16 W/m2·K. Betrachtet man dagegen einen herkömmlichen Doppeltemperatursensor, so ergibt sich wie oben gezeigt ein Wärmedurchgangswert von 2,67 W/m2·K, der mehr als doppelt so groß wie der des erfindungsgemäßen Doppeltemperatursensors ist.
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In
2 ist die Abweichung ΔT der gemessenen Körperkerntemperatur von der tatsächlichen Körperkerntemperatur eines Kunstkopfes als Funktion der Umgebungstemperatur gezeigt, wobei die Ergebnisse des erfindungsgemäßen Doppeltemperatursensors (Tcore-Sensor) denen eines herkömmlichen, mit Schaumstoff isolierten Doppeltemperatursensors (Tstudy) und denen eines Doppeltemperatursensors mit Korrekturrechnung (Tcu-STUDY) wie in
DE 10 2005 004 933 B3 gegenübergestellt sind. Es ist zu erkennen, dass sich für den erfindungsgemäßen Doppeltemperatursensor nur noch eine vernachlässigbare Abweichung innerhalb von 0,1°C ergibt, was vergleichbar ist mit einem Doppeltemperatursensor mit rechnerischer Korrektur wie in
DE 10 2005 004 933 B3 beschrieben. Demgegenüber zeigt schaumstoffisolierte herkömmliche Doppeltemperatursensor eine erheblich größere Abweichung als Funktion der Umgebungstemperatur.
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Der erfindungsgemäße Doppeltemperatursensor schafft gegenüber dem aus
DE 10 2008 026 642 B4 bekannten noch einmal eine Verbesserung in Bezug auf die Unterdrückung der störenden seitlichen Wärmeströmung aus dem Sensorblock. In dem genannten Patent wird beansprucht, dass die seitliche Wärmeleitung um den Faktor 2 bis 20 niedriger als die Wärmeleitung in Längsrichtung durch den Sensorblock ist. Durch den Sensorblock
2 wie er in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, besteht eine Wärmeleitung von etwa K
S = 28 bis 90 W/m
2·K, je nach Aufbau des Sensorblocks. Wie oben erwähnt beträgt der störende seitliche Wärmefluss für den erfindungsgemäßen Doppeltemperatursensor in einem abgeschirmten Lufthohlraum nur 1,16 W/m
2·K. Die Unterdrückung des seitlichen Wärmeflusses ist also noch stärker oder anders ausgedrückt die Anisotropie der Wärmeleitung noch größer als bei der in
DE 10 2008 026 642 B4 beschriebenen Struktur. Der entscheidende Unterschied zwischen der erfindungsgemäßen Doppeltemperatursensorstruktur und dem in
DE 10 2008 026 642 B4 beschriebenen Doppeltemperatursensor besteht darin, dass das umgebende Sensorgehäuse nicht aus einem Vollmaterial besteht, das an einzelnen Stellen mit Bohrungen oder Nuten versehen ist, um die seitliche Wärmeleitung zu stören, sondern dass bei dem erfindungsgemäßen Doppeltemperatursensor die Gehäuseschale den Sensorblock in einer Hemisphäre abschirmt und der Sensorblock nur an seiner Oberseite im zentralen Bereich der Gehäuseschale in deren Hohlraum hält. Der Sensorblock wird so von der Gehäuseschale
1, die mit ihrem äußeren umlaufenden Rand
8 auf der Hautoberfläche aufliegt, umgeben und abgeschlossen, dass der Sensorblock seitlich von einem luftgefüllten Hohlraum umgeben ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005004933 B3 [0003, 0023, 0023]
- DE 102008026642 B4 [0004, 0024, 0024, 0024]
- EP 2251660 A1 [0005]
