DE19857145A1 - Verfahren zur Bestimmung einer Temperatur sowie Strahlungsthermometer mit mehreren Infrarot-Sensorelementen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Temperatur mittels eines Strahlungsthermometers mit mehreren Infrarot-Sensorelementen, die Infrarot-Strahlung aus voneinander verschiedenen Raumbereichen detektieren und entsprechende Temperatursignale abgeben, insbesondere ein Verfahren zur Fiebermessung mittels eines Ohrthermometers. Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der an sich bekannten Tatsache, daß das Trommelfell eine höhere Temperatur aufweist als der Ohrkanal. Daher wird ein Teil der Sensorelemente, nämlich die, die das Trommelfell sehen, eine höhere Temperatur detektieren, als die restlichen Sensorelemente, die den Ohrkanal sehen. Ausgewertet wird erfindungsgemäß nur das Temperatursignal des Sensorelements, das im Vergleich zu den anderen Sensorelementen den größten Temperaturwert liefert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Temperatur mittels eines Strah­ lungsthermometers mit mehreren Infrarot-Sensorelementen sowie ein derartiges Thermo­ meter.

Es sind Strahlungsthermometer mit nur einem einzigen Infrarot-Sensorelement bekannt, das mit einem bestimmten Abstand vom Ende eines Lichtleiters angebracht ist. Daher kann nur Strahlung aus einem bestimmten, vom Abstand abhängigen Raumwinkelbereich auf das Sensorelement treffen. So ist beispielsweise die Meßspitze eines Infrarot-Thermometers zur Fiebermessung im Ohr so dimensioniert, daß das Sensorelement nur ein Gesichtsfeld von der ungefähren Größe des Trommelfells hat. Allerdings liegen meistens im Gesichtsfeld des Sensorelements Teile sowohl des Trommelfells als auch des Ohrkanals, die unterschiedliche Temperaturen aufweisen. Daher wird im allgemeinen nicht die Trommelfelltemperatur ge­ messen, die als das beste Maß für die Körperkerntemperatur gilt, sondern immer nur ein Zwischenwert, der zwischen der Trommelfell- und der Ohrkanaltemperatur liegt. Somit hängt die Genauigkeit einer Temperaturmessung von der Plazierung der Meßspitze im Ohrkanal ab, d. h. vom ihrem Abstand zum Trommelfell und vom Winkel, den sie mit dem Ohrkanal bildet.

Aus der WO 95/14913 ist ein Ohrthermometer bekannt, bei dem am Ende eines Lichtleiters mehrere Sensorelemente so angeordnet sind, daß sie Strahlung aus unterschiedlichen Raumwinkelbereichen aufnehmen. Durch entsprechende Auswertung der von den Senso­ relementen gelieferten Signale wird zwar ein Temperaturmeßwert erhalten, der von der Pla­ zierung der Meßspitze im Ohr relativ unabhängig ist, jedoch ebenfalls einen Zwischenwert darstellt, der nicht der Trommelfelltemperatur entspricht.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Bestimmung einer Temperatur und ein ein­ fach aufgebautes Strahlungsthermometer anzugeben, mit dem selektiv die Temperatur von Objekten meßbar ist, die nur einen Teil des Gesichtsfelds des Strahlungsthermometers ausfüllen, insbesondere die Temperatur des Trommelfells.

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, bei der Temperatur­ bestimmung nur das Temperatursignal des Infrarot-Sensorelements zu verwenden, das im Vergleich zu den restlichen Temperatursignalen dem größten/kleinsten Temperaturwert ent­ spricht. Auf diese Weise können beispielsweise bei einem Ohrthermometer zur Fiebermes­ sung die im Gesichtsfeld des Thermometers liegenden kälteren Raumbereiche ausgeblendet werden, d. h. die Bereiche, die erfahrungsgemäß dem Ohrkanal zuzuordnen sind. Für andere Anwendungen können natürlich auch die wärmeren Raumbereiche ausgeblendet werden.

Auch wenn sich das Trommelfell überhaupt nicht im Sichtbereich des Thermometers befin­ det, liegt die höchste von einem Sensorelement gemessene Temperatur näher an der Trommelfelltemperatur als eine aus allen gemessenen Temperaturen gemittelte Temperatur oder eine mittlere Temperatur, wie sie von einem herkömmlichen Ohrthermometer mit nur einem Sensorelement gemessen würde. Daher ist ein ortsauflösendes Strahlungsthermo­ meter, d. h. ein Thermometer mit mehreren Infrarot-Sensorelementen, die Infrarot-Strahlung aus voneinander verschiedenen Raumbereichen detektieren und entsprechende Tempera­ tursignale abgeben, auch in diesem Fall genauer als ein herkömmliches Thermometer.

Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf die Temperaturbestimmung in ei­ nem Ohrthermometer wird also die räumliche Temperaturverteilung im Ohr berücksichtigt, indem die relative Lage des Trommelfells als dem wärmsten Bereich im Gesichtsfeld des Thermometers ermittelt wird, und nur das größte Sensorsignal zur Temperaturbestimmung herangezogen wird. Nimmt das Trommelfell nur einen sehr kleinen Bereich im Gesichtsfeld des Thermometers ein, d. h. unterschreitet die Anzahl der größeren Temperatursignale be­ zogen auf die Gesamtzahl der Temperatursignale einen bestimmten Schwellwert, wird von einer Auswertungseinrichtung vorteilhafterweise ein Warnsignal ausgegeben, das den Be­ nutzer auffordert, das Thermometer im Ohrkanal besser auszurichten.

Allerdings kann auch ein ortsauflösendes Thermometer dann keinen Bereich mit erhöhter Temperatur mehr ausmachen, wenn die Umgebungstemperatur ungefähr so hoch oder hö­ her ist als die Körpertemperatur, weil dann zwischen der Temperatur des Ohrkanals und des Trommelfells praktisch kein Unterschied mehr vorhanden ist. In diesem Fall könnte daher statt der maximalen Temperatur auch der Mittelwert aller gemessenen Temperaturen be­ stimmt werden. Daher muß in der Auswertungseinrichtung bei Ausgabe des Warnsignals die Umbebungstemperatur berücksichtigt werden.

Wenn die größeren Temperaturwerte am Rand des Gesichtsfelds des Thermometers liegen, kann vorteilhafterweise ein weiteres Signal ausgegeben werden, insbesondere ein die Rich­ tung anzeigendes Signal, in die ein Benutzer das Thermometer im Ohrkanal schwenken sollte, um die vom Trommelfell ausgehende Infrarot-Strahlung besser zu erfassen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels für ein Verfahren zur Bestimmung einer Temperatur sowie ein Strahlungsthermometer mit mehreren Infrarot-Sen­ sorelementen erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist. Weitere Ausgestaltungen sind in der Beschreibung beschrieben. Die einzige Figur zeigt schematisch eine Meßspitze eines erfindungsgemäßen Ohrthermometers.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird am Beispiel eines Infrarot-Ohrthermometers be­ schrieben, dessen Strahlungssensor eine matrixförmige Anordnung einzelner Sensorele­ mente E_ij aufweist, wobei die Indices i und j die Zeile bzw. Spalte bezeichnen, in der sich das jeweilige Sensorelement befindet. Jedes Sensorelement E_ij gibt ein Temperatursignal S_ij ab, das einem Temperaturwert T_ij entspricht.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird aus den Temperaturwerten T_ij der größte Tempe­ raturwert T_max als Temperaturmeßwert T ausgegeben. Die Bestimmung des Maximalwerts kann sowohl mittels analoger Schaltungen, beispielsweise mit Komparatoren oder Differen­ zierem und einer Sample and Hold Schaltung, als auch mit digitalen Schaltungen, beispiels­ weise ND-Wandlern und entsprechender Software, erfolgen.

Fig. 2 zeigt schematisch eine Meßspitze 10 eines erfindungsgemäßen Strahlungsthermo­ meters, die teilweise in einen ebenfalls schematisch dargestellten Ohrkanal 50 eingeführt ist, an dessen innerem Ende sich ein Trommelfell 55 befindet. Die Meßspitze 10 enthält einen Infrarot-Sensor 20, der aus mehreren Sensorelementen E_ij besteht, die matrixförmig ange­ ordnet sind. Die Meßspitze weist an ihrem Ende eine Öffnung 12 auf, durch die Infra­ rot-Strahlung ins Innere der Meßspitze gelangen und auf den Sensor 20 auftreffen kann. Ein optisches System, bestehend aus einer Linse 30, ist zwischen dem Sensor 20 und der Öff­ nung 12 angeordnet. Die Linse 30 bewirkt, daß die im Blickfeld des Thermometers liegenden Bereiche des Ohrkanals oder Trommelfells auf die Sensorelemente abgebildet werden.

Geeignete Linsen aus infrarotdurchlässigem Material bestehen beispielsweise aus Polye­ thylen, Silizium oder Zinkselenid. Besonders preisgünstig sind Fesnel-Linsen aus Polyethy­ len. Im einfachsten Fall ist eine einzige Linse ausreichend. Um jedoch einen großen Öff­ nungswinkel möglichst tief im Ohrkanal zu erhalten, sind Linsensysteme, wie sie aus Endo­ skopen bekannt sind, besonders vorteilhaft. Als optisches System eignen sich statt Linsen aber auch entsprechend geformte Spiegel, beispielsweise goldbeschichtete Hohlspiegel. Weiterhin möglich sind Bündel von Infrarotlicht leitenden Fasern oder verspiegelten Röhren.

Um die maximale Temperatur im Ohr zu bestimmen, ist es nicht erforderlich, daß das opti­ sche System das Trommelfell und den inneren Ohrkanal auf den Infrarot-Sensor abbildet; es reicht aus, das Gesichtsfeld des Strahlungsthermometers mit entsprechend angeordneten optischen Elementen, z. B. Spiegeln, Prismen, Röhren oder Fasern, auf eine eindimensio­ nale Anordnung von Sensorelementen zu projizieren. In diesem Fall läßt sich ein zweidi­ mensionales Bild durch Bewegen des Thermometers im Ohrkanal erhalten.

Zum Nachweis der Infrarotstrahlung eignen sich prinzipiell alle bekannten Infrarotdetektoren, wie beispielsweise Thermopiles, Bolometer, pyroelektrische Sensoren oder auch Halbleiter­ sensoren.

Bei der Auswertung der gemessenen Temperaturverteilung im Ohr lassen sich jedoch auch weitere Informationen gewinnen. Weicht die gemessene Temperaturverteilung deutlich von der normalen Verteilung im Ohr (wärmeres Trommelfell mit kälterem Ohrkanal) ab, kann beispielsweise der Benutzer auf einen Bedienungsfehler aufmerksam gemacht werden.

Strahlungssensoren sind im allgemeinen nicht nur für Strahlungswärme empfindlich, son­ dern reagieren auch auf Wärme, die über Konvektion oder Wärmeleitung übertragen wird. Um daraus resultierende Meßfehler zu vermeiden, können beispielsweise die Sensorele­ mente paarweise in Reihe geschaltet werden, wobei jeweils ein Sensorelement der zu mes­ senden Strahlung ausgesetzt wird, das andere jedoch mehr oder weniger stark abgeschirmt ist. Ein entsprechender Sensor ist in der DE 197 10 946.2 beschrieben. Alternativ kann das optische System so ausgelegt sein, daß zumindest ein Sensorelement nicht aufs Meßobjekt, d. h. ins Ohr, sondern auf einen Referenzpunkt, beispielsweise eine Blende, blickt, dessen Temperatur bekannt ist, vgl. EP 0 642 656 B1.

Claims (8)

1. Verfahren zur Bestimmung einer Temperatur mittels eines Strahlungsthermometers mit mehreren Infrarot-Sensorelementen, die Infrarot-Strahlung aus voneinander ver­ schiedenen Raumbereichen detektieren und entsprechende Temperatursignale ab­ geben, insbesondere zur Fiebermessung im Ohr, dadurch gekennzeichnet, daß zur Temperaturbestimmung nur das Temperatursignal (S_ij) des Sensorelements (E_ij) verwendet wird, das im Vergleich zu den restlichen Sensorelementen den größ­ ten Temperaturwert (T_max) liefert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Warnsignal ausgegeben wird, wenn die Anzahl größerer Temperaturwerte bezogen auf die Gesamtzahl der von den Sensorelementen gelieferten Temperatur­ werte einen bestimmten Schwellwert unterschreitet.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgabe des Warnsignals unterbleibt, wenn die Umgebungstemperatur im Bereich der Körpertemperatur liegt oder höher ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Signal ausgegeben wird, wenn die größeren Temperaturwerte am Rand des Gesichtsfelds des Thermometers liegen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal die Richtung anzeigt, in die ein Benutzer das Thermometer im Ohr­ kanal schwenken soll.

6. Strahlungsthermometer zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorherge­ henden Ansprüche mit mehreren Infrarot-Sensorelementen zur Detektion von Infra­ rot-Strahlung aus voneinander verschiedenen Raumbereichen, dadurch gekennzeichnet, daß es ein optisches System (30) mit mindestens einer Linse, einem Spiegel und/oder mehreren lichtleitenden Fasern oder verspiegelten Röhren aufweist, durch das den einzelnen Sensorelementen (E_ij) Infrarot-Strahlung aus voneinander ver­ schiedenen Raumbereichen zuführbar ist.

7. Strahlungsthermometer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorelemente (E_ij) zeilenförmig oder matrixförmig angeordnet sind.

8. Strahlungsthermometer nach Anspruch 6 oder 7 dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Sensorelement vorhanden ist, das gegen vom Meßobjekt ausge­ hende Infrarotstrahlung abgeschirmt ist.