DE2414048B2

DE2414048B2 - Praezisionsmessfuehler zur messung der oberflaechentemperatur der menschlichen und tierischen haut

Info

Publication number: DE2414048B2
Application number: DE19742414048
Authority: DE
Inventors: Der Anmelder Ist
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1974-03-21
Filing date: 1974-03-21
Publication date: 1976-03-18
Also published as: US3938387A; DE2414048A1

Description

1. sehr einfacher Aufbau,

2. leichte Kalibrierung,

3. geringe Beeinflussung der Wärmestrahlung und der Perspiratio insensibilis,

4. geringe Wärmekapazität,

5. vernachlässigbare Hautreaktionen,

6. Absolut- und Differenzmessungen möglich,

7. einfache Auswertung der Meßsignale, da handelsübliche Detektoren verwendet werden,

8. automatische zeitliche Aufzeichnung des Meßsignals möglich,

9. Messungen können auch während einer Bestrahlung oder radiologischen Untersuchung vorgenommen werden.

Die Erfindung betrifft ein Berührungsthermometer zur Messung der Hauttemperatur.

Das Thermometer zeichnet sich aus durch eine Meßgenauigkeit von absolut ΔΤ = ± 0,1⁰C und einer thermischen Auflösung zweier Punkte von besser als AT = 0,02⁰C und durch geringe Ansprechzeiten bis zu τ = 2 ms. Dies wird erreicht durch eine nur sehr kleine Beeinflussung der Perspiratio insensibilis und der Wärmestrahlung der Haut. Außerdem wird die Temperatur der Haut kaum verändert, da die Wärmekapazität der verwendeten Detektoren sehr klein ist und der umgebende Behälter gut isoliert werden kann. Die Hautreaktion kann dabei vernachlässigt werden. Als Detektoren können Miniatur-Thermistoren und Miniatur-Maniel-Thermoelemente eingesetzt werden. Bei dem Thermometer handelt es sich um eine Kontaktmessung bei Zimmertemperatur, bei der die Haut nicht beschädigt wird. Während der Messung, die zeitlich aufgezeichnet werden kann, ist es möglich, Bestrahlungen durch die Haut vorzunehmen.

Es sind schon verschiedene Meßeinrichtungen bekannt, mit denen die Oberflächentemperatur der Haut gemessen werden kann. Thermographische Folien und Temperaturmeßfarben beeinflussen die Wärmestrahlung und die Perspiratio insensibilis erheblich.

Temperaturabhängige Widerstände, Kristalle und Thermoelemente ohne zusätzliche Maßnahmen sind den Temperaturschwankungen durch die Konvektion der Luft ausgesetzt. Werden sie jedoch durch Abdeckungen abgeschirmt, wird die Wärmestrahlung und die Perspiratio insensibilis beeinflußt. Die bisher leistungsfähigste Methode ist die Messung der Wärmestrahlung der Haut. Mit dieser Methode können zwei schwarze Körper mit der Temperaturdifferenz von AT'— 0,2⁰C und bei Verzicht auf Bildaufzeichnung von AT= 0,05⁰C unterschieden werden. Die Messung der Wärmestrahlung ist relativ kompliziert und aufwendig. Temperaturdifferenzen werden leicht erhalten, jedoch ist eine Kalibrierung der Messung schwer, da Instabilitäten durch Kühlung und Elektronik die Messung In einem wärmeisolierten Stab, dessen beide Seitenflächen auf einem unterschiedlichen Temperaturniveau sich befinden, fällt die Temperatur nach der Theorie der

$0 Wärme linear von der höheren zur niedrigeren ab. Befindet sich nun die eine Seite des Stabes auf der Hautoberfläche //mit der Temperatur 7Ϊ, während die andere die Zimmertemperatur Ti der umgebenden Luft L hat, so zeigt A b b. 1 den funktioneilen Zusammenhang zwischen der Temperatur T im Stab und des Abstandes von der Hautoberfläche x. Auf der Ordinate ist dift Temperatur Tundauf der Abszisse der Abstand ν von der Hautoberfläche aufgetragen. / bedeutet die Länge des Stabes. Die Temperatur, die in einem beliebigen Punkt des Stabes im Abstand a- von der Hautoberfläche existiert, ist durch folgende Gleichung angegeben:

45 T[x) =

T-T

'2 M

+ 7;

In der A b b. 2 besteht der Stab aus Luft und ist von einem Behälter 3 umgeben. Die eine Seite ist unmittelbar mit der Hautoberfläche H und die andere mit der umgebenden Luft L verbunden. Der Behälter 3 verhindert, daß die umgebende Luft die Luft im Stab in Konvektion versetzt. Weiterhin ist die Größe des Behälters 3 so gering gehalten, daß die Luft im Stab nicht von allein zur Konvektion kommt. Der Behälter 3 besteht aus einem Material, das für Wärmestrahlen durchlässig ist. Da einerseits Luft ein guter Wärmeisolator und andererseits die Wärmeabstrahlung der Luft wegen der Transparenz der Luft für Wärmestrahlen gering ist, ist die Voraussetzung eines wärmeisolierten Stabes hinreichend erfüllt.

Wird nun die Oberflächentemperatur der Haut 7Ί mit einem Detektor 4 gemessen, so nimmt die eine Seite des Detektors die Temperatur Γι an und die andere Seite im

('S Abstand h von der Hautoberfläche die Temperatur TJh). Gemessen wird eine Temperatur zwischen 7Ί und ifh). Wird nun eine Meßgenauigkeit Δ T < 71 - T\h) gefordert, so ergibt sich nach Gleichung (1), wenn für a- die

Bauhöhe h des Detektors eingesetzt wird, die Bedingung:

(2)

Sei z.B. /= 50mm, Γι - Γ: = 10⁰C und ΔΤ= 0,2°C, so wird für Λ< lmm erhalten. Diese Bauhöhe läßt sich leicht mit handelsüblichen Thermistoren (h = 0,35 mm) und Thermoelementen (h = 0,25 !Am) verwirklichen.

Bei einer konvektionsfreien Luftschicht von / = 50 mm über der Haut, einem Temperaturunterschied der Hautoberfläche zur umgebenden Wand von 1O⁰C und unter Ruhebedingungen verhalten sich die Wärmeabgaben der Haut durch Wärmestrahlung, durch Perspiratio insensibilis und durch Wärmeleitung ungefähr wie 1 :0,25 :0,08. Daraus ist ersichtlich, daß die Wärmeabstrahlung der Haut der gröⁿte Posten der Energiebilanz ist. Da der menschliche Körper allgemein wärmer ist als die Umgebung, sollte im Gleichgewichtszustand der Temperatui der größte Posten der Wärmeabgabe nicht beeinflußt werden. Dies wird erreicht, indem der Behälter 3 des Stabes aus Luft aus einem Material besteht, der für Wärmestrahlen der Haut durchlässig ist, aber eine Wärmeleitung zur und Konvektion durch die umgebende Luft verhindert. Ein Aufbau dieses Behälters 3 als evakuierte Doppelwand aus wärmestrahlendurchlässigem Material erfüllt diese Bedingung. Bei der in A b b. 3 dargestellten Kcnstruktion wurde auf die evakuierte Doppelwand verzichtet und der Behälter aus einer wärmestrahlendurchlässigen Folie gebaut. Die einfachere Lösung der A b b. 3 lieferte Ergebnisse mit hinreichender Genauigkeit. Die Luft des Stabes ist zur umgebenden Luft L hin auf der einen Seite mit dieser Luft unmittelbar verbunden. Dadurch wird die Perspiratio insensibilis ermöglicht. Eine Konvektion der Luft innerhalb des Stabes wird durch geeignete Wahl eines kleinen Durchmessers des Stabes verhindert. Eine Wärmeisolation des Behälters 3 zur Haut H sowie eine Abdichtung zur Umgebung wird durch einen Filzstreifen 7 zwischen Haut Hund Behälter 3 erreicht.

Die Luft des Stabes berührt unmittelbar die Hautoberfläche H. In der Mitte dieser Berührungsfläche ist der Temperaturdetektor 4 angeordnet Die elektrischen Drähte 8 des Temperaturdetektors 4 führen zum elektrischen Anschluß 2.

A b b. 4 zeigt eine Aufsicht auf die Hautoberfläche durch den Meßfühler. Die Lage des Temperaturdetektors 4 wird durch Perlonfäden 5 fixiert, so daß der Detektor immer unter leichter Spannung auf der Hautoberfläche aufliegt. Wird eine hohe zeitliche Auflösung verlangt, so werden als Detektoren Miniaturthermoelemente verwendet, die mit Ansprechzeiten bis zu r = 2 ms auf dem Markt erhältlich sind.

Eine punktförmige Temperaturmessung hat jedoch den Nachteil, daß sich durch eine geringe seitliche Verschiebung der Meßeinrichtung der Einfluß von kleinen »hot spots« auf die Temperaturmessung bemerkbar macht. Eine integrierte Messung über einem kleinen Flächenelement der Haut vermeidet diesen Nachteil. Ein Metalldrahtgitter 6, das auf der Hautoberfläche H liegt, ist wärmeleitend mit dem Detektor 4 verbunden (vgl. A b b. 4 und 5).

Das Metalldrahtgitter stellt sich dabei auf eine mittlere Temperatur der Hautoberfläche ein. Sind die Temperaturdifferenzen auf der zu messenden Hautfläche bei Δ T < 0,rC, wird als Metall Reinstsilber verwendet, und ist der Abstand des entferntesten Punktes des Gitters vom Detektor kleiner als 0,5 cm, so findet der Temperaturausgleich innerhalb der Meßgenauigkeit, wie sich leicht aus der Theorie der Wärme ergibt, in Zeiten kleiner als 0,3 s statt. Dieser Wert liegt wesentlich unter der Ansprechzeit von Miniatur-Thermistoren von τ = 9 s.

Die Projektionsfläche des Metalldrahtgitters 6 beträgt nur etwa 10% der abgedeckten Gesamtfläche des Gitters, wenn der Durchmesser des Drahtes 0,1 mm und der Gitterabstand 2 mm beträgt. Da der Draht nicht überall dicht auf der Haut aufliegt, bleibt die Perspiratio insensibilis um den Draht herum im wesentlicher, ungehindert erhalten. Auch die Wärmestrahlung wird durch den Draht, nachdem er geschwärzt wurde, wenig beeinflußt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Berührungsthermometer zur Messung der Hauticrnperaiur, d a d u r c h g e k e η η ζ e i c h η ε t, -daß der Temperaturdetektor (4) in einem Behälter (3) angeordnet ist, daß der Behälter für Wärmestrahlen durchlässig ist, daß die Konvektion der Luft innerhalb des Behälters verhindert ist und daß die Perspiration aufrechterhalten bleibt, wenn der Behälter auf die Oberfläche aufgesetzt wird.

2. Thermometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (3) die Form eines Zylinders hat, Grund- und Deckfläche offen sind und eine Luftsäule eingeschlossen ist und daß der Temperaturdetektor (4) in 13öhe des einen offenen Endes befestigt ist, während das dem Meßobjekt abgewandte Ende mit der umgebenden Luft verbunden ist.

3. Thermometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturdetektor mit einem wärmeleitfähigen Gitter (6) verbunden ist.

beeinflussen. Der ständige Vergleich mit einem Referenzstrahler erfordert Strahler, die über längere Zeit ihre angegebenen Eigenschaften beibehalten.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Oberflächentemperatur der menschlichen Haut bei Zimmertemperatur jederzeit reproduzierbar innerhalb enger Fehlergrenzen zu messen. Diese Aufgabe wird mit den im Hauptanspruch gekennzeichneten Maßnahmen gelöst.

Der Erfindungsgegenstand vereinigt die Vorzüge: