DE2831064A1

DE2831064A1 - Elektronischer kalorienmesszaehler

Info

Publication number: DE2831064A1
Application number: DE19782831064
Authority: DE
Inventors: Elmer M Lipsey
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-07-14
Filing date: 1978-07-14
Publication date: 1979-02-22
Also published as: US4192000A; NO782443L; FR2397681A1; JPS5475186A; GB2004058B; GB2004058A; NL7807592A; BE869009A; CA1121054A

Description

Anmelderin: . Calorie Counter Limited

1o19 19th Street, N.W. Washington D. C. USA

Bezeichnung : Elektronischer Kalorienmeßzähler

Die Erfindung betrifft einen elektronischen Kalorienmeßzähler.

Derartige auch als Trainingsmeßvorrichtung bekannte Vorrichtungen sind seit längerer Zeit bekannt. Z. B. ist nach der US-PS 3 511 o97 (Kerwin) ein fahrradähnliches Bewegungsmeßgerät bekannt, das mit einer Elektronik bestehend aus einem Stromintegrator zur Messung der Energieabgabe des Fahrrades verbunden ist und eine stetige Zähleranzeige über das Ausmaß der übung ermöglicht. Ein Nachteil dieser Vorrichtung besteht jedoch darin, daß die meisten Menschen, denen eine Bewegungsübung vorgeschrieben ist oder die diese wünschen, eine größere Freiheit in der Wahl ihrer auszuführenden Bewegung wünschen, was mit einem derartigen stationären Gerät nicht möglich ist. Eine ähnliche Vorrichtung, die die verbrauchten Kalorien an einer elektronischen Anzeige wiedergibt, wird auch in der US-PS 3 984 666 (Darron) beschrieben. Diese Vorrichtung hat aber die gleichen Nachteile wie die von Kerwin.

Zur Überwindung dieser Nachteile hat man einen magnetischen Beschleunigungsmesser vorgeschlagen, wie er in der US-PS 3 129 347 (Tognola) gezeigt wird. Dieser Beschleunigungs-

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messer hat einen Magneten in seinem Inneren, der sich in diesem teilweise verschiebt,um die Bewegung der übenden Person festzustellen. Es ist desweiteren vorgeschlagen worden, das Gehäuse dieses Beschleunigungsmessers, wie z. B. in Fig. 1 gezeigt, mit einem mechanischen Schalter, wie einem Blattfederschalter (reed-switch) auszustatten, um festzustellen, wann der bewegbare Magnet sich in der Nähe des stationären Magneten aufgrund der von der übenden Person ausgeübten Kraft bewegt. Obwohl diese Vorrichtung vom Grundprinzip von gewissem Interesse ist, ist sie nicht kommerziell verwendbar, da das mechanische System zur Feststellung der Lage des Magneten üngenauigkeiten und Ausfälle verursacht, die zwangszweise mit einer solchen mechanischen Konstruktion verbunden sind.

Alternativ ist auch schon vorgeschlagen worden, zur Bewegungsfeststellung einen Magneten zu benutzen, der neben einer Prüfspule gelagert ist (ÜS-PS 3 547 1o6, Bornmann). Solch eine Prüfspule zur Lagefeststellung (die auch im Tognola-Patent gezeigt wird), ist aber in der Ausführung teuer. Ihr Ausgangssignal benötigt einen besonderen Schaltkreis zur Verarbeitung, wie dies in dem Blockschaltbild der Fig. 1 der ÜS-PS 3 547 1o6 gezeigt ist, wonach ein Bandpaßfilter, ein Gleichrichter, ein Trigger, ein Multivibrator, ein Zeitglied und ein Flip-Flop benötigt wird.

Um ein kommerziell vertreibbares Meßgerät zu schaffen,besteht somit offensichtlich die Notwendigkeit für den Meßumwandler einen vereinfachten Meßkreis zur Lagefeststellung zu schaffen, der ein genaues verläßliches Signal liefert. Ein weiterer Nachteil des Standes der Technik

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besteht darin, daß die bekannten. Vorrichtungen es nicht erlauben, die physische Kondition der trainierenden Person als Variable bei der Messung des Kalorienverbrauches festzuhalten und zu berücksichten.

Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein Kalorienmeßgerät zu schaffen, daß diese aufgezeigten Nachteile nicht aufweist. Zur Lösung ist der in Anspruch 1 beschriebene Kalorxeniaeß ζ ähler aus einem Bewegungsgeber und Mitteln zur Berechnung des Energieverbrauchs während der Bewegungsübung vorgesehen.

Mit einem derartigen Kalorienmeßzähler werden die in einem bestimmten Zeitabschnitt verbrauchten Kalorien gemessen. Die senkrechte Komponente der Bewegung der übenden Person wird dabei durch einen die Bewegung registrierenden Meßumwandler in Kombination mit Mitteln zur Bestimmung der Lage des Meßumwandlers auf optisch-elektrische Art gemessen. Die Bewegung wird dabei in elektrische Impulse pro Zeiteinheit umgewandelt. Diese Impulse, die proportional zur Beschleunigung , welche dem Wandler zur Feststellung der Bewegung bei der übung der entsprechenden Person erteilt wird, sind* liefern ein Eingangssignal an einen Prozessor, der von eijxeiE Speieher, (read-only memory) angesteuert wird, welcher ±n Abhängigkeit eines Satzes von Gleichungen programmiert ist, die die physische Kondition der übenden Person berücksichtigen. .Das sicii ergebende Ausgangssignal des Mikroprozessors liefert eine stetige Anzeige des Kalorienverbrauchs der übenden Person.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung beruht unter anderem auf einzigartig vereinfachtem Mitteln zur optisch-elektrischen Bestimmung der Lage des sich im Meßumwandler bewegenden Magneten. Dabei, ist an der einen Seite des Gehäuses des

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Meßumwandlers eine Leuchtdiode und an der anderen Seite eine Fotozelle zur Messung der von der Leuchtdiode ausgehenden Strahlung angelegt. Das Ausgangssignal der Fotozelle wird auf ein frequenzgesteuertes Und-Gatter gegeben. Wenn das Licht der Leuchtdiode nicht auf die Fotozelle fällt, wird von dem Und-Gatter eine Impulsfolge abgegeben und von dem Prozessor registriert und gespeichert.

Die Genauigkeit der Berechnung der Rate und des gesamten Kalorienverbrauchs durch die Versuchsperson ist eine Funktion der Pulsfrequenz , die auf den äußeren Eingang des ünd-Gatteis gegeben wird.

In einer bevorzugten Weiterbildung ist ein Satz von Handschaltern vorgesehen, um die physische Kondition der übenden Person festzusetzen. Der Prozessor prüft den Zustand dieser Schalter und stellt in Abhängigkeit eines Datenerfassers im Speicher eine Konstante fest, die die physische Kondition des Benutzers darstellt.

Das Kalorienmeßgerät wird durch ein Programm gesteuert, das im Speicher (read-only memory) auf der Grundlage eines Satzes von Gleichungen gemäß der Veröffentlichungen von V. Antonetti in "the equation governing weight change in human beings" the American Journal of chemical nutrition, vol. 26, No. 1, Jan. 1973 enthalten ist. Mittels dieser Gleichungen kann ist äußerst genauer Rechnung der Kalorienverbrauch der übenden Person ermittelt werden, welcher durch deren physische Kondition bedingt ist.

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Die Erfindung betrifft somit ein elektronisches Kalorienmeßgerät/ das eine digitale Anzeige der Größe der während einer Bewegungsübung verbrauchten Kalorien ermöglicht, wobei die vertikale Komponente der Bewegung der übenden Person ermittelt und diese Bewegung in elektrische Impulse umgewandelt wird. Die vertikale Komponente der Bewegung der übenden Person wird ununterbrochen mit Hilfe eines elektromagnetischen Meßumwandlers in Verbindung mit Mitteln zur Bestimmung einer optisch-elektrischen Achsen im Meßumwandler ermittelt.

Das Ausgangssignal der optisch-elektrischen Vorrichtung wird auf ein gepulstes Gatter gegeben,.das eine Impulsfolge über eine Zeiteinheit erzeugt, die proportional zur ermittelten vertikalen Beschleunigung ist. Der Ausgang des Gatters wird auf einen programmierten Prozessor gegeben, der mathematische Gleichungen benutzt, die hergeleitet sind, um den Kalorienverbrauch von Menschen während Bewegungsübungen zu berechnen. Der Prozessor wird außerdem von einigen Eingangsschaltern angesteuert, die die physischen Parameter der übenden Personen zur Berechnung des Kalorienverbrauches anzeigen. Die Ausgangsgröße des Mikroprozessors, die optisch dargestellt wird, umfaßt alle Kalorien, die von der übenden Person während einer bestimmten Zeiteinheit verbraucht worden sind.

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In den Zeichnungen wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines elektronischen KalorienmeßZählers gemäß der Erfindung

Fig. 2 den im Blockdiagramm der Fig. 1 gezeigten magnetischen Bewegungsgeber

Fig. 3 in weiteren Einzelheiten Teile des Systems nach Fig. 1.

Der im Folgenden beschriebene elektronische Kalorienmeßzähler ist insbesondere zum Zweck der Bestimmung der von seinem Benutzer über eine bestimmte Zeiteinheit verbrauchten Kalorienhöhe entworfen. Der Rechner des Kalorienmeßzählers arbeitet,indem er die Bewegung des Patienten wahrnimmt und die senkrechte Komponente der Bewegung in elektronische Impulse umwandelt. Indem ein eüäctro-optischer Stellungsmeßgeber (electro-optic position sensor) in Verbindung mit einem magnetischen Bewegungsumwandler benutzt wird, wird ein Frequenzsignal gebildet, dessen Impulszahl über eine Zeiteinheit proportional zu der wahrgenommenen Beschleunigung ist. Die verbrauchten Kalorien lassen sich damit als eine Funktion der registrierten Impulsanzahl berechnen.

Die von einer Person verbrauchte Energie ist desweiteren eine Funktion der Morphologie und des Alters der den Rechner gebrauchenden Person.Die vorliegende Erfindung weist daher Mittel zum Festsetzen dieser Konstanten durch Eingabe von Höhe, Gewicht, Alter und Geschlecht des jeweiligen Benutzers in den Rechner auf. Dies wird durch den Gebrauch eines Satzes von Wählschaltern 1, 2, 3, 4, wie in Fig. 1 gezeigt, erreicht. Die Schalter liefern dabei Konstanten, die von dem Mikrocomputer 6 zur Berechnung der verbrauchten Kalorien benötigt werden.

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Die Programmgleichungen, die in dem Speicher 21 ( readonly memory) gespeichert sind, benötigen außer den erwähnten Konstanten das Ausgangssignal des Energiegebers 8 für den Mikrocomputer 6 zur Berechnung und Wiedergabe der verbrauchten Kalorien auf einer Anzeige 11. Der Bewegungsgeber 8 besteht selbst, wie in Fig. 2 gezeigt, aus einem Gehäuse 1o, in dem ein fest angeordneter Magnet 12 und ein zweiter Magnet 14, der innerhalb des Gehäuses 1ο verschiebbar ist, angeordnet sind. Es ist aus Fig. 2 ersichtlich, daß die Magnete 12, 14 zueinander mit gleichen sich gegenüberliegenden Polen ausgerichtet sind, so daß im Gleichgewichtzustand die Magnete 12, 14 auseinanderliegen. Eine optisch-elektrische Achse 16 ist durch die in Fig. 3 erkennbaren Mittel zur Feststellung der Bewegung des schwebenden Magnetes 14 festgelegt. Die Bewegung dieses Magneten ist das mechanische Analog zur senkrechten Bewegungskomponente des Benutzers des Zählers. Der die Bewegung feststellende magnetische Meßumwandler 8 arbeitet entsprechend der im Patent Tognola beschriebenen Prinzipien. Der Meßumwandler wird in einer Konstruktion wie einer füllfederhalterähnlichen Klemme aufgenommen, so daß der Träger den Meßumwandler senkrecht an seinem Körper mit der Achse des MeBumwandlers zu der zu registrierenden Bewegung, die der vertikalen Komponente der Körperbewegung entspricht, trägt.

Wie in Fig. 3 gezeigt, werden Geschlecht,Größe , Gewicht und Älter mit den Schaltern 1,2,3 und 4 gewählt. Der Processor 6 liest diese Schalter und steuert einen Datenerfasser 2o (table look-up portion) eines Speichers 21 ans um eine Konstante K_ß dem Mikrocomputer 6 zuzuführen.

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Das Gewicht der jeweiligen Person wird auch jeweils direkt als Eingangsgröße dem Mikrocomputer 6 zugeführt. Die dritte wesentliche Eingangsgröße, die zur Lieferung der zur Berechnung des zeitlichen Energieverbrauchs benötigten Informationen gebraucht wird, wird durch eine die Stellung feststellende logische Schaltung (Fig. 3) zugeführt, die mit dem Geber 8 zusammenwirkt.

um diese dritte Eingangsgröße zu bilden, wird die Bewegung des Benutzers in eine Zeitgröße umgewandelt, indem die Lage des bewegbaren Magneten 14 relativ zur elektrooptischen Achse 16 festgestellt wird. Die Achse 16 selbst wird durch eine Leuchtdiode 32 und ein Fotoelement 34 bestimmt. Wenn der bewegbare Magnet 14 nach unten auf den festliegenden Magneten 1o durch.die optische Achse 16 verschoben wird, wird die Lichtemission der Leuchtdiode 32 zur Fotozelle 34 unterbrochen. Während der Unterbrechung des Lichtes läßt das Gatter 36 Frequenzsignale vom Pulsgenerator 38 zum Mikrocomputer 6 durch, der die während einer Zeiteinheit zugeführten Impulse zählt und speichert. Die abstoßende Kraft zwischen den Polen der Magnete 1o und 14 führt schließlich dazu, daß der bewegbare Magnet 14 über die optische Achse 16 wieder zurück in seine Gleichgewichtsstellung sich bewegt und damit die Implusfolge unterbricht. Die Anzahl der während einer Zeiteinheit aufgezählten Impulse verändert sich mit der Heftigkeit der durchgeführten Übung, da der bewegbare Magnet sich mit zunehmender Bemühung der Person häufiger über die Achse 16 bewegt. Die Ausgangsgröße C .. / die während einer Zeiteinheit verbrauchten Kalorien), wird von dem Prozessor 6 als Funktion von Gewicht K-und K_entsprechend der Gleichungen, die in dem Artikel von Antonetti angegeben sind, berechnet.

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Wie in Fig. 3 gezeigt wird, werden die verbrauchten Kalorien auf einer vierziffrigen Leuchtdiodenanzeige wiedergegeben, deren kleinste Einheit in Einheiten von 1o cal. geeicht ist -Ein üblicher Übungsablauf sollte zwischen 2ooo und 4ooo cal pro Tag verbrauchen, so daß der Rechner die innerhalb eines Monats verbrauchten Kalorien gesammelt wiedergeben kann. Die Anzeige wird jedoch nur beleuchtet, wenn ein Schalter an der Vorrichtung niedergedrückt wird.. Dadurch wird eine in der Anzeige vorhandene Batterie geschont. Der Schalter kann z. B. in dem Deckel der füllhalterartigen Konstruktion angebracht sein, die eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darstellt. Indem der Schalter zweimal in schneller Folge niedergedrückt wird, läßt sich die Vorrichtung auf O zurückstellen.

Zum Gebrauch wird die Vorrichtung am Körper der jeweiligen Person getragen, und zwar in der Tasche eines Hemdes oder mit einem Gurt befestigt. Die persönlichen Daten werden dem Computer dadurch eingegeben, daß die vier Drehschalter 1,2,3, 4 am unteren Ende des Halters entsprechend der individuellen Größe,des Gewichtes, des Alters und des Geschlechtes der jeweiligen Person eingestellt werden. Danach erfolgt dann die Anzeige völlig automatisch.

Da der jeweilige Benutzer auch Energie in sitzender Stellung verbraucht, berechnet der Rechner eine Grundanzahl von Kalorien auch dann weiter, wenn keine übung durchgeführt wird und deshalb die optisch-elektrische Achse 16 nicht durch den Magneten 1o des Meßumwandlers unterbrochen wird. Folglich liefert der Rechner ein vollständiges Maß der während einer vom Benutzer bestimmten Zeit verbrauchten Kalorien:

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Eine vorteilhafte Abwandlung der Schaltung des Rechners weist einen Oszillator mit einstellbarer Frequenz in dem Pulsgenerator 38 auf, der die Pulsfolge,die von dem Mikrocomputer gezählt wird, liefert. Dabei kann durch einen einfachen RC-Kreis die Einstellbarkeit der Zeitkonstante des Oszillators ermöglicht werden. Die Einstellbarkeit erfolgt dabei, nachdem die Magnete in ihrem Gehäuse angeordnet sind, um damit der veränderlichen Permeabilität der Magnete unter den gegebenen Herstellungsbedingungen Rechnung zu tragen. Die veränderliche Permeabilität verändert dabei die auf dem oberen beweglichen Magneten 14 von einem Zähler zum nächsten ausgeübte Kraft und deshalb die Rate, mit der dieser Magnet 14 sich über die Achse 16 hinsichtlich des Magneten 12 bewegt. Die Einstellbarkeit der Frequenz des Impulsgebers erübrigt es dabei, die Magnete einander anzupassen oder im Computer 6 programmierte Konstanten zu ändern, um zutreffende genaue Meßwerte der aufgewendeten Kraft oder wirklich verbrauchten Energie zu erhalten.

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Claims

Patentansprüche

T.) Elektronischer Kalorienmeßzähler, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem Bewegungsgeber (8), der

a). ein Gehäuse (1o), einei ersten Magneten (12), der in fester Lage im Gehäuse angeordnet ist,

b) einen zweiten Magneten (14), der bewegbar innerhalb des Gehäuses . (1o) ist und in umgekehrter Polarität zum Magneten (12) mit einem zu dessen Polen ausgerichteten Pol angeordnet ist, so daß der zweite Magnet {14} eine bestimmte Stellung im Abstand von dem ersten Magneten (12) einnimmt, und

c) Mittel {32, 34) aufweist, durch die eine optischelektrische Achse (16) zwischen dem ersten Magneten (12) und dem zweiten Magneten (14) bestimmt wird, welche durch den zweiten bewegbaren Magneten (14) in Abhängigkeit von der Bewegung des Benutzers des Kalorienmeßzählers unterbrochen wird, und

Mittel zur Berechnung der während der Übung verbrauchten Energie besteht, die

a> Mittel (8_f32,34, 36, 38) zur Bestimmung einer ersten Variablen, die eine Funktion der Zeit, in der der erste Magnet (14) die Achse (16) unterbricht, ist,

b) Mittel (T,2,3,4,2o,21) zur Bestimmung einer zweiten Variablen, die eine Funktion von physischen ^ Kennwerten der übenden Person ist,und

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OBJGW4AL INSPECTED

c) Datenverarbeitungsmittel (6,11) _r zur Berechnung und Darstellung des Umfangs der Bewegungsaktivitäten auf der Grundlage der ersten und zweiten Variablen aufweist.
2. Kalorienraeßzähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Bestimmung der Zeitvariablen ein frequenzgesteuertes Gatter (36) aufweisen, das einen Regeleingang aufweist, der mit den Mitteln (32, 34) zur Bestimmung der optisch-elektrischen Achse (16) verbunden ist, und daß die Zeitdauer der Unterbrechung der Achse (16) durch den zweiten Magneten (14) durch das Ausgangssignal des Impulsgatters (36) bestimmt wird.
3. Kalorienmeßzähler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Bestimmung der zweiten Variablen einen Speicher (21),der einen Datenerfasser (2o) (table look-up portion) zur Festsetzung der zweiten Konstanten besitzt, und eine Vielzahl von Handschaltern (1 - 4) zur Bestimmung der physikalischen Kennwerte des Benutzers des Kalorienmeßzählers aufweisen, wobei die Datenverarbeitungsmittel (6,11) die Handschalter abtasten und in Abhängigkeit davon, die genannte zweite Variable von dem Datenerfasser (2o) ableiten.
4. Kalorienmeßzähler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Bestimmung der optischelektrischen Achse (16) eine Leuchtdiode (32) auf einer Seite des Gehäuses (1o) aufweisen und auf der gegenüberliegenden Seite des Gehäuses (1o) eine Fotozelle (34).

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