EP4694769A1 - VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM BEOBACHTEN EINES MIKTIONSVERLAUFS, GEFÄß SOWIE VERWENDUNG - Google Patents

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM BEOBACHTEN EINES MIKTIONSVERLAUFS, GEFÄß SOWIE VERWENDUNG

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Publication number
EP4694769A1
EP4694769A1 EP24733515.1A EP24733515A EP4694769A1 EP 4694769 A1 EP4694769 A1 EP 4694769A1 EP 24733515 A EP24733515 A EP 24733515A EP 4694769 A1 EP4694769 A1 EP 4694769A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
vessel wall
micturition
vessel
temperature
temperatures
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24733515.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Frank Willems
Paul Bandi
Matthias KÜRTEN
Noel WEINBERG
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Medipee GmbH
Original Assignee
Medipee GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE102023113816.2A external-priority patent/DE102023113816A1/de
Application filed by Medipee GmbH filed Critical Medipee GmbH
Publication of EP4694769A1 publication Critical patent/EP4694769A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/20—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons for measuring urological functions restricted to the evaluation of the urinary system
    • A61B5/207—Sensing devices adapted to collect urine
    • A61B5/208—Sensing devices adapted to collect urine adapted to determine urine quantity, e.g. flow, volume
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/68—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient
    • A61B5/6887—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient mounted on external non-worn devices, e.g. non-medical devices

Definitions

  • the invention relates to a method for observing a person's urination process using a urine-conducting and/or receiving vessel.
  • the invention further relates to a device for observing a person's urination process using a urine-conducting and/or receiving vessel.
  • the invention also relates to a vessel for temporarily collecting excrement, in particular a toilet facility.
  • the invention also relates to a use of a vessel wall of a vessel.
  • EP 4212096 A1 discloses a urine flow measuring device, wherein the inner and outer containers have the shape of a truncated pyramid or truncated pyramid or truncated prism with at least three sides, and the inner container is arranged such that the inner and outer containers can be separate parts or the inner and outer containers can be separate parts or can be connected in one piece with the said shape.
  • the outer container has an elongated neck and a bottom.
  • the base serves to hold the inner container, the inner container ending with an inner base designed to collect urine, the inner base being provided with electronics for operating the device, and at least on three, preferably on each of the sides of the inner container, on the outer surface with at least one, preferably two capacitive electrodes which are able to detect the liquid level on each of the sides with electrodes, at least one sensor for detecting the movement and tilting of the device and at least one temperature sensor for detecting the urine temperature, and optionally an acoustic sensor and/or a spectrophotometric device.
  • the proposal there records a range of data and wants to use this for diagnosis.
  • US 5,062,304 also presents a monitoring device for a urine collector with temperature detection.
  • the present invention is based on the task of providing an improvement or an alternative to the prior art.
  • Patent attorneys April 10, 2024 3 According to a first aspect, the task is solved by a method for observing a person's micturition process on a vessel with a vessel wall that conducts and/or receives urine, whereby temperatures and/or temperature changes are detected on a trickling film of urine that forms on the vessel wall and/or on the vessel wall of the vessel in order to observe the micturition process.
  • three variants are to be understood: observing the trickling film, observing the vessel wall and combined observation of both.
  • the invention also relates to a method for detecting temperatures and/or temperature changes on a falling film and/or on a vessel wall of a toilet facility as a function of micturition.
  • detecting or “detection” in the sense of the invention describe the determination of information in connection with a person's urination behavior, especially absolute and/or relative values or related information, in particular physical quantities. Such values or information can be measured directly or determined indirectly using calculation operations, algorithms or the like.
  • the term "trickling film” in the sense of the invention describes a "layer” of urine or a “film” of urine that forms on the vessel or the vessel wall thereof.
  • the term “vessel” in the sense of the invention describes a device that is designed to enable a person to go to the toilet, in particular to conduct or collect urine. Such a vessel can, for example, be arranged in a sanitary toilet facility or arranged in a sanitary toilet facility. Patent Attorneys April 10, 2024 5, in particular in a toilet vessel, such as a toilet bowl, a urinal or the like. Such a vessel can preferably directly form a toilet bowl, a urinal or the like.
  • the term "vessel wall” describes a wall delimiting a space for guiding and/or receiving excrement, in particular of a toilet vessel, wherein the vessel wall has at least one surface which is intended to come into contact with excrement, such as urine in particular, during micturition or urination.
  • the surface is an inner surface of a vessel, more precisely an inner side of the vessel, in particular of a toilet vessel.
  • the term "on the vessel wall” in the sense of the invention includes detection on the surface of the vessel wall, in particular at an interface with respect to the trickling film and the surface of the vessel wall, and/or within the vessel wall, in particular in the material forming the vessel wall.
  • the vessel wall can be solid or hollow, with a hollow vessel wall being particularly suitable for accommodating technical equipment of a device for carrying out the method, such as in particular sensor elements or the like.
  • a hollow vessel wall can be easily implemented, for example, by means of a double-walled construction.
  • a micturition volume flow and/or a micturition volume are determined by means of detected temperatures and/or temperature changes, since this allows findings on a state of health to be determined particularly precisely. Such comprehensive observation allows findings on a state of health to be determined even more precisely.
  • obstructive bladder emptying can be detected early in the home environment.
  • the term "micturition volume flow” describes the amount of urine (volume) per time, for example in the unit “ml/s”. This makes it very easy to determine, for example, how forceful micturition can be.
  • the term “micturition volume” describes the total amount of urine released during micturition, for example in the unit "ml”.
  • Observing micturition behavior can be advantageous if a urine temperature is detected when a micturition stream enters the area around the vessel and/or when it comes into contact with the vessel wall.
  • Patent Attorneys April 10, 2024 7 Advantageously, this makes it possible to determine the actual temperature of the urine in order to be able to determine a starting temperature of the urine, to which the temperature change of the trickling film in particular can be related. If the urine temperature is measured immediately after entering the environment, the starting temperature is still unaffected by a transfer of thermal energy to the ambient air. If the urine temperature is measured upon contact with the vessel wall, the starting temperature can be measured alternatively, since a transfer of thermal energy from the urine to the ambient air is usually negligible due to the short distances between entry into the environment and impact on the vessel.
  • the starting temperature can still be measured at two points and thus determined particularly reliably. Furthermore, the start of micturition can also be reliably determined in this way. Temperature changes in the vessel wall can be determined more precisely if a reference temperature is detected on the vessel wall at the beginning of the detection of temperatures and/or temperature changes. It is also advantageous to detect the actual temperature on the vessel wall before detecting temperature changes in order to be able to cumulatively or alternatively determine the current starting temperature on the vessel wall. The detection of such a reference or starting temperature can take place on the vessel wall before, during and/or after the start of micturition.
  • Temperatures and/or temperature changes on the trickle film and/or on the vessel wall in connection with micturition can be reliably observed if temperatures and/or temperature changes on the trickle film and/or on the vessel wall are detected over a period of time of greater than or equal to 1 minute, preferably greater than or equal to 3 minutes or particularly preferably greater than or equal to 5 minutes.
  • the temperature change in particular relates to the starting temperature of the urine detected here or to the reference temperature on the vessel wall detected here. As a rule, a detection period of 1 minute to 2 minutes is sufficient, since micturition is usually completed within such a period.
  • the start of the detection of temperatures and/or temperature changes on the vessel wall is determined when a temperature increase of greater than or equal to 0.5 °C is measured on or in the vessel wall, preferably a temperature increase of greater than or equal to 1 °C or particularly preferably greater than or equal to 1.5 °C, the start of the detection period of the temperature changes on the vessel wall can advantageously be determined.
  • the start of the detection of temperatures and/or temperature changes on the vessel wall is determined when a temperature increase of less than or equal to 3 °C is measured on or in the vessel wall, preferably a temperature increase of less than or equal to 2.5 °C or particularly preferably less than or equal to 2 °C, incorrect measurements can be detected and better avoided using the present method, for example, which can be attributed to another cause of temperature changes on the vessel wall. This can avoid or at least significantly reduce the risk of detection that is not related to urination. Detection of temperatures and/or temperature changes can be carried out even more precisely if temperatures and/or temperature changes on the trickling film and/or on the vessel wall are detected depending on the material of the vessel wall.
  • temperatures and/or temperature changes on the trickling film and/or on the vessel wall are detected depending on the geometry of the vessel wall, information on temperatures and/or temperature changes can be determined even more advantageously.
  • a temperature distribution is detected on the trickling film and/or on the vessel wall.
  • advantageous conclusions can also be drawn about the micturition process, for example how a temperature in the middle of the trickling film compares to a temperature in its edge area.
  • the temperature distribution can also be determined depending on the material of the vessel wall and/or depending on the geometry of the vessel wall.
  • the spatial distribution of the trickling film on the vessel wall is detected in order to observe the micturition process.
  • the spatial distribution describes the two-dimensional spread or expansion of the urine on the vessel wall after the urine hits the latter. This is preferably done depending on the shape of the vessel wall. If the shape or form of the surface of the vessel wall is taken into account in the detection of the spatial distribution of the urine, particularly precise information in connection with the spatial distribution can be determined.
  • the spatial distribution can advantageously be determined using an optical device, such as a camera or the like.
  • the spatial distribution of the urine can be detected by means of temperature distributions or temperatures and/or temperature changes on the trickle film or in particular on the vessel wall.
  • a detection area around the micturition jet and/or around an impact point of this on the vessel wall is greater than or equal to 50 mm 2 , preferably greater than or equal to 100 mm 2 or especially greater than or equal to 200 mm 2
  • the area of the detection area can be dynamically adapted to the spreading geometry of the trickle film and preferably does not need to be geometrically circular, oval, rectangular, square or the like.
  • temperatures and/or temperature changes of the free micturition jet are detected in relation to the adjacent air in order to observe the micturition process.
  • Such an observation of the free jet with regard to the urine can be used as a support if necessary.
  • the ambient temperature and/or temperature changes in the area surrounding the vessel receiving the urine are measured. In order to be able to take the influence of the ambient temperature, in particular on detected temperature changes, into account more precisely, it is advantageous if the ambient temperature is also measured. If temperatures and/or temperature changes are detected by measuring the temperatures as a function of time and location on the trickling film and/or on the vessel wall, the course of micturition can be determined particularly reliably.
  • the object is achieved by a device for observing a person's micturition process in a urine-conducting and/or receiving vessel, in particular for carrying out the present method, wherein the device for detecting temperatures and/or temperature changes in a trickling film of urine and/or in a vessel wall of the vessel has at least one infrared sensor device and/or a capacitance sensor device.
  • the present device enables particularly effective and precise observation of an organism's micturition process without requiring a medical device, so that the observation can be made freely accessible for use.
  • the device can be permanently arranged or integrated in a suitably designed toilet facility.
  • the selection of sensors for measuring temperature on surfaces is diverse and offers suitable solutions for different requirements and environments.
  • Patent Attorneys April 10, 2024 13 Thermocouples use the Seebeck effect to generate an electrical voltage when two different metals are connected at different temperatures. They are robust and inexpensive, making them ideal for industrial applications, especially at high temperatures.
  • Resistance thermometers are based on the temperature-dependent resistance of a metal such as platinum. As the temperature increases, the electrical resistance increases proportionally. RTDs offer high precision and are often used in laboratories and industrial processes where accurate temperature measurements are required.
  • Thermistors are semiconductor devices whose resistance depends strongly on the temperature.
  • NTC Near Temperature Coefficient
  • PTC Positive Temperature Coefficient
  • Infrared temperature sensors detect the infrared radiation emitted by an object and convert it into a temperature. These non-contact sensors are particularly useful in situations where direct contact with the surface is not possible or desirable, such as in the food industry or medical applications. Sensors that are in direct contact with the surface use heat conduction to sense temperature. These offer high accuracy and are often used in applications where direct contact is required, such as in material testing or monitoring machine components. These sensors can have different accuracies, costs and applications depending on the requirements and environment.
  • the device has a toilet facility, in particular a toilet vessel thereof, such as a toilet bowl or the like.
  • the present device can be used particularly advantageously on toilet facilities or vessels thereof if the device has at least one detection surface, which is in particular shaped as a free-form surface.
  • the present device can be integrated into the toilet facility with no or almost no functional and/or optical restrictions.
  • previous designs of toilet vessels can be retained, in particular by incorporating capacitive sensor elements.
  • the device and thus also the present method can be used even more flexibly and independently if the device is designed to be attached firmly but detachably to a toilet bowl. This means that even existing or installed toilet facilities can be easily retrofitted or upgraded.
  • the device advantageously has flexible, elastically or plastically deformable free-form surface sensor elements that can adapt or cling to a free-form surface of a toilet bowl. It is also advantageous if the device has at least one data interface by means of which data can be sent or received, in particular information on an observed urination process or the like.
  • the object is also solved by a vessel for receiving excrement, in particular a toilet device, which is designed to carry out the present method according to one of its features and/or which has the present device. It is expedient if the vessel can be set up in a mobile manner. This means that the present vessel can be made available in almost any location, in particular temporarily as a mobile toilet.
  • the object is solved by using a vessel wall of a vessel to observe micturition behavior, in particular to detect temperatures and/or temperature changes in connection with micturition. If a vessel wall is used to detect temperatures or temperature changes caused by urine, information on micturition behavior can be determined in a structurally simple and reliable manner.
  • Fig. 1 shows a schematic tabular view of urine flow rates and minimum micturition volumes for both sexes of different age groups
  • Fig. 2 shows a schematic sectional view of a vessel wall of a vessel of a toilet facility with regard to a typical micturition process.
  • FIG.3 schematically shows a view of a trickling film of urine on a surface of a vessel wall
  • Fig.4 schematically shows a diagram of the Nusselt number as a function of the Reynolds number
  • Fig.5 schematically shows a diagram of a smooth laminar trickling film in connection with a velocity profile
  • Fig.6 schematically shows a diagram of a wavy trickling film in connection with a temperature and velocity profile
  • Fig.7 schematically shows another sectional view of the vessel wall from Fig.2 with thermodynamic aspects shown during the micturition process
  • Fig.8 schematically shows a diagram of a velocity and temperature profile of the fluid during convective heat transfer on a wall element
  • Fig.9 shows a schematic representation of a diagram "Upper limit Rac of the laminar area as a function of the angle of inclination ⁇ "
  • Fig.10 shows a schematic representation of a diagram of a temperature profile
  • urine flow rates and minimum micturition volumes for both sexes of different age groups are shown as examples.
  • two contactless volume flow measurement principles are presented with regard to a first possible, preferably mobile urine analysis device. Firstly, the measurement with the aid of an infrared sensor device with at least one infrared sensor element. Secondly, the measurement with the aid of a capacitance sensor device with at least one capacitive sensor element, preferably several capacitive sensor elements.
  • Patent Attorneys April 10, 2024 20 The present method based on this offers significant advantages over previous methods for measuring a micturition volume flow in terms of accuracy and simplicity of use. Uroflowmetry is used as the first known and previously used method for determining the volume flow of urine.
  • the most common measurement methods in this context work according to the gravimetric or rotational dynamic principle.
  • the gravimetric method it is not the volume flow that is measured, but the mass flow. This is done by urinating into a cup that is placed on a scale. The volume is then calculated using the mass and density.
  • the rotational dynamic principle the urine stream is directed onto a rotating disk. The disk is slowed down by the urine to varying degrees depending on the amount of urine, with the disk being kept at a constant speed. The amount of urine per unit of time can be measured based on the increased power consumption.
  • there are other measuring methods that are not described in detail here such as the low-cost flow meter and the flow meter.
  • the disadvantage of the measuring methods mentioned or the devices used is that these measurements can usually only be carried out in hospitals or doctor's offices. Trained personnel are also usually required to carry out the tests. An unfamiliar environment and the presence of people can also have a significant impact on urination, as people or patients can feel unwell. This also applies to urine samples to some extent, although other factors can also come into play here, such as a lack of knowledge (what is the midstream) and poor hygiene.
  • the aforementioned disadvantages can be avoided with the proposed method, whereby a urine analysis can be carried out at the same time as a urine flow measurement.
  • advantages can be used, such as a familiar environment during the test (home toilet), operation without additional personnel, fully automatic measurement, etc.
  • a vessel 1 for receiving excrement 2, in particular urine 2A is shown with regard to its vessel wall 1A.
  • the vessel 1 is part of a toilet facility 4 with a toilet bowl part 4A (vessel or toilet vessel), a toilet seat part 4B and a cistern part 4C (not shown in detail) (see in particular Figure 13).
  • the siphon area 6 of the vessel 1 can be seen in the lower part of the vessel 1. Fluid dynamic processes during a micturition process are now explained below.
  • FIG. 2 A schematic representation of the micturition process and its fluid dynamic aspects is shown in Figure 2.
  • the micturition process or micturition course that can be observed after leaving a urethra 8, which is only indicated schematically here, begins with urine forming a free micturition jet 12 or free jet after entering the environment 10.
  • a hydraulic jump 14 occurs on the one hand and a trickling film 16 consisting of the urine 2A is formed, which spreads out on the vessel wall 1A, more precisely on its surface 1B.
  • This micturition jet 12 narrows and accelerates after leaving the urethra 8 due to the changing adhesion condition, since the adhesion condition of the urethra 8 no longer applies. In its place comes the almost shear stress-free adhesion condition of the air 10A.
  • a liquid jet in air 10A is unstable in the face of natural and artificial disturbances and begins to "drop" after a certain time. This time is called the disintegration time. The disintegration location depends on the distance of the nozzle position and the jet speed.
  • this micturition jet 12 spreads out in a circle in the typically inclined plane of the surface 1B, as is also shown in more detail in the illustration according to Figure 3.
  • two types (a and b) of a trickle film 16 are now shown as examples, which can arise when a liquid jet 12 hits a vertical wall 1A.
  • the radius R marks the beginning of the hydraulic jump 14, which spreads out to the radius Rc.
  • the angle ⁇ is the contact angle between the liquid and the surface 1B of the wall 1A.
  • the film length is marked with l.
  • the width W of the trickling film 16 depends on the type of surface 1B that has been created: gravity-dominated W, surface tension and gravity have the same influence Wt.
  • the corresponding trickling film 16 is determined using the Reynolds number. It is a gravity-dominated trickling film 16 if the Reynolds number is Re ⁇ 1500.
  • the Reynolds number is relevant for the selection of the formula for the film width W.
  • the falling film 16 that forms has a low height in front of the hydraulic jump 14 and occupies an area with the radius R on the vertical surface 1A.
  • Patent Attorneys April 10, 2024 24 ⁇ ⁇ 2.7
  • the density ⁇ , the surface tension ⁇ and the contact angle ⁇ of the liquid relative to the surface 1A have an influence on the spreading radius.
  • a hydraulic jump 14 forms. This occurs when the speed of a thin liquid film 16 changes from high speed to low speed. Due to the change in speed and for reasons of continuity, the height of the trickling film 16 increases. It can be seen that the width W of the gravity-dominating trickling film 16 is twice as wide as the radius of the trickling film 16 after the hydraulic jump 14. This is related to the radius of the film before the hydraulic jump 14.
  • Trickle films 16 are also usually characterized by their particularly good material and energy transport. This is based on the large specific surface and the flow behavior in the trickle film 16 itself. They differ from pipe flows in their free surface to the adjacent gas phase. With trickle films 16, a distinction is made between smooth laminar, wavy laminar and turbulent films. In general, the Reynolds number is assigned to the respective flow areas. The Reynolds number is defined as the ratio of inertia forces to viscosity forces.
  • the film index can be used to describe the flow areas, which can be defined as: - smooth laminar: 1 - first transition area: 0.47 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ 10 1 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ 2.2 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ 10 Patent attorneys April 10, 2024 27 - stable wave: 2.2 - second transition area: 75 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ 400 - fully turbulent: ⁇ ⁇ ⁇ 400
  • the allocation of the individual areas to the flow conditions is based on observations of vertical water films. Furthermore, the trickle film 16 forms freely during the present micturition.
  • a smooth laminar trickle film 16 usually only occurs at very low Reynolds numbers.
  • the trickle film 16 or liquid film shown in the illustration in Figure 5 has a rather laminar flow profile, which reaches its maximum speed parabolically on the free surface, assuming that there is no exchange of momentum between the liquid and gas phases and that the adhesion conditions apply at the wall.
  • its wavy surface varies in height in the y direction, as shown in the illustration in Figure 6.
  • a wavy laminar trickle film 16 forms at low Reynolds numbers. This differs from the smooth laminar trickle film 16 in that it has a wavy surface at the phase boundary.
  • the trickle film 16 forms wave crests and is therefore no longer of uniform height.
  • layer flow the transport of material, energy and momentum improves compared to the smooth laminar trickle film 16.
  • the reason for this is the additional convective term in the flow. This is caused by a rolling movement within the wave crests. The rolling movement renews the boundary layer and transports the energy into the wave crest.
  • the waves form as the length of the trickle film 16 increases. In the inlet area, the trickle film 16 is laminar. Afterwards, waves of different types form depending on the length, starting with sinusoidal waves, through a two-dimensional wavy film to a three-dimensional wavy trickle film 16.
  • the temperature gradient is the driving force, as can be seen in the illustration in Figure 8.
  • the strength of the temperature gradient dT depends on the boundary layer dy. This becomes thinner due to the convective transport. As a result, the temperature gradient and the heat flow become larger.
  • Newton developed the cooling law to calculate it.
  • Newton's law of cooling describes the molecular and macroscopic energy transport across an interface A based on the temperature difference ⁇ T between the wall and the fluid.
  • the heat transfer coefficient ⁇ describes the ability of the fluid to transfer a heat flow per area and Kelvin of applied temperature difference.
  • the heat transfer from the urine film or trickle film 16 to the adjacent air 10A is preferably determined using equation 2.15.
  • the heat transfer coefficient on the part of the air 10A is preferably determined as follows: To determine the heat transfer coefficient using equation 2.17, the run length L f , the thermal conductivity ⁇ and the Nusselt number are required.
  • the Nusselt number of the fluid is defined here by the Rayleigh number Ra.
  • the Rayleigh number describes the nature of the heat transfer within a fluid and distinguishes whether the heat transfer occurs primarily through convection or through heat conduction. This is indicated by a critical value of the Rayleigh number if the heat transfer is primarily convective.
  • the Rayleigh number is formed from the product of the Prandtl number and the Grashof number Gr.
  • ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ 2.19 2.20
  • P r ⁇ ⁇ 2.21
  • the Grashof number is the ratio of the product of buoyancy force and inertia force to the square of the kinematic viscosity.
  • the thermal expansion coefficient ⁇ is an unknown variable.
  • the Prandtl number is defined as the ratio of the kinematic viscosity and the thermal diffusivity a.
  • the critical Rayleigh number can be determined on the basis of the diagram as shown in Figure 9.
  • the heat transfer coefficient of the trickle film 16 can be determined for various flow characteristics using equation 2.22.
  • Equation 2.25 calculates the Nusselt number for the transition region to turbulent flow and equation 2.26 for turbulent flows.
  • the Nusselt number is preferably selected by comparing the results of equations 2.23 - 2.26. Patent Attorneys April 10, 2024 32
  • P of urine 2A onto the porcelain or vessel wall 1A of vessel 1 or toilet can be described with the heat transfer coefficient ⁇ U
  • L is determined with the heat transfer coefficient ⁇ L.
  • the heat flow Q ⁇ WL within the vessel wall 1A or the porcelain can be determined using the heat conduction equation.
  • the heat conduction equation is derived as an example below. In order to solve a problem of heat conduction, a temperature field ( ⁇ (x, t)) can be determined depending on location x and time t.
  • the associated field of the heat flow density q ⁇ can also be calculated on the basis of Fourier's law.
  • ⁇ ( ⁇ ⁇ , ⁇ ) ⁇ ⁇ grad ⁇ ( ⁇ , ⁇ ) 2.27
  • the temperature field sought can be determined by solving the partial differential equation of the heat conduction equation. This is derived below. To do this, the first law of thermodynamics is applied to a closed system with volume V and surface A. 2.28 This creates the power balance using equation 2.28. This describes the change dt of the internal energy U over time through the heat flow Q ⁇ and the power P.
  • ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ( ⁇ ) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ 2.31 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • the heat flow that flows beyond the surface of the volume can be determined by considering an infinitesimally small element of the surface. The normal n of the element in question is directed outwards. This means that a heat flow flowing into the element is given a minus sign.
  • ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ 2.32
  • the total heat flow is determined by integrating all heat flows (equation 2.32). Using Gauss' integral theorem, the integral stretched over the surface of the volume is converted into the volume integral of the divergence from the specific heat flow q ⁇ .
  • the heat flux density can also be linked to the temperature gradient using Fourier's law.
  • the simulations are based on the assumption that the heat transfer from the micturition jet 12 to the air 10A can be neglected. Whether this assumption is permissible was checked by comparing the thermal resistances.
  • Equation 3.6 shows the Neumann boundary condition expressed mathematically.
  • ⁇ describes ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ the wall temperature of the vessel wall 1A or the porcelain at any given time.
  • ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ describes the temperature of the next point in the vessel wall 1A or in the porcelain and ⁇ ⁇ the distance between the points.
  • Equation 2.15 is modified and used in the boundary condition. This describes the heat transfer between a fluid and a solid, which results in equation 3.7. 3.7
  • the temperature difference in the heat transfer equation describes the difference between the wall temperature and the fluid temperature.
  • the boundary condition for the wall of the porcelain is obtained through forming.
  • Equation 3.8 applies equally to both sides of the vessel wall 1A or the porcelain, both during and after micturition.
  • the boundary condition from equation 3.8 can be used to calculate micturition and cooling in the code (see also the diagram shown in Figure 10).
  • Three-dimensional simulation The three-dimensional simulation with different solvers appears to be hardly able to deliver usable results.
  • a first simulation like the one-dimensional simulation, only considers the vessel wall 1A or the porcelain.
  • Patent Attorneys April 10, 2024 37 For this purpose, the blockMesh generation tool integrated in OpenFoam is used to create a plate part with the dimensions 10 x 12 x 2 cm (L x H x D). The resolution of the mesh is 0.05 cm in each direction. The two large surfaces form the top and bottom of the plate part.
  • the small surfaces are combined as side surfaces.
  • the surfaces are then named individually. This naming is relevant for the allocation of the boundary conditions.
  • the urine film or trickle film 16 is declared as an independent surface using the topoSet and createPatch - overwrite tools. This allows a separate boundary condition to be assigned to this surface.
  • the urine film surface is defined with a constant temperature of 36°C. The simulation is then simulated with LaplacianFoam.
  • the boundary condition laserConvection is a boundary condition that is not integrated in OpenFoam and can simulate the heat transfer. Adjustable parameters are the heat transfer coefficients during heating and cooling, as well as the duration of the heating. The integration of this boundary condition is not possible, the reason for this is not known.
  • the next step is to use a different solver. The chtMultiregionFoam solver is used for this.
  • This solver not only enables the heat conduction within the vessel wall 1A or the porcelain, but also the flow and heat transfer of the trickle film 16 to be calculated.
  • the Simflow program was used for this purpose, which represents a graphical user interface. This is based exclusively on OpenFoam.
  • the geometry for the plate part and the urine film or trickle film is Patent Attorneys April 10, 2024 38 16, which is created using the GMSH program and provided with a mesh. In contrast to the first geometry, here the film has a volume and is not divided.
  • the procedure is similar to the procedure with the LaplacianFoam solver in OpenFoam, but the chtMultiRegionFoam solver requires the material values for the vessel wall 1A or porcelain and urine 2A.
  • the adjustable parameters here are: - Micturition volume, - Micturition volume flow, - Micturition time (as the product of the two above), - Micturition temperature, - The impact location of the jet.
  • the heat transfer coefficient is determined during heat transfer from the free jet or micturition jet 12 to the air 10A.
  • a temperature sensor 20 is arranged on the toilet surface 1B and insulated at the bottom. The micturition jet 12 hits the temperature sensor 20.
  • a grid or a detection surface 22 with a box width of 1x1 cm is attached to the surface 1B of the toilet.
  • the real film width or the spatial distribution 24 can be measured (see illustration according to Figure 14).
  • the film width or the spatial distribution 24 is determined for the volume flows 10 ml/s to 20 ml/s in 2.5 ml/s steps.
  • the micturition jet hits the middle upper end of the grid 22, so that the hydraulic jump 14 and the trickle film 16 spread over the grid 22.
  • a device 30 for observing a micturition process is arranged on the vessel 1, in particular for determining temperatures or temperature changes with regard to the trickle film 16 and/or the vessel wall 1A, wherein the device 30 for detecting temperatures and/or temperature changes on the trickle film 16 of urine 2A and/or on the vessel wall 1A of the vessel 1 has at least one infrared sensor device 32 and/or a capacitance sensor device (not shown here).
  • the infrared sensor device 32 preferably measures or detects a mixture of surface and trickle film temperature during micturition.
  • the penetration depth of infrared rays can be from 5 mm (IR-A) to a few micrometers (IR-C), depending on the radiation.
  • the temperature sensor 34 (see red circle) of the infrared sensor device 32 is attached to an arm part 36 of the device 30 for urine analysis and is aligned in such a way that it measures centrally just before the siphon area 6.
  • the position and size of the measuring spot 38 of the infrared sensor device 32 is shown optically as an example in accordance with the illustration in Figure 15. Patent Attorneys April 10, 2024 40
  • the temperature sensor 34 measures several temperatures across the entire measuring spot 38 and uses these to calculate an average temperature, in particular of the vessel wall 1A.
  • the measuring spot size is determined by the opening angle (10°) and the distance to the vessel wall 1A or the toilet (21 cm). This results in a measuring spot size of 3.7 cm in diameter.
  • three impact points can be defined for the liquid jet or micturition jet 12, as can be seen in the illustration in Figure 16.
  • the measuring point P0 is in a line with the measuring spot 38 of the temperature sensor 34.
  • the other two impact points are, for example, 5 cm to the right (P1) or left (P2) of the point P0.
  • Relevant parameter combinations can be: - constant micturition volume, variable micturition time, - constant micturition time, variable micturition volume, - constant micturition time, variable impact position of the jet, - constant micturition volume, variable impact positions of the jet. All parameter combinations are listed in the following table under the above aspects.
  • the measurement signal, the parameters and the temperature data are stored in an SQL database. This is read out using Python code.
  • the start of micturition (start_pee) is determined by examining peaks in the measurement signal. The peak that belongs to the start time must have a certain width and height. The distance to the next peak is also included in the selection.
  • the end of micturition (end_pee) is also detected using the same principle.
  • the start and end point are automatically determined by a Python Patent Attorneys April 10, 2024 43 Code.
  • the evaluation of the start and end points is also carried out manually.
  • the standard deviation (see illustration in Figure 17) of the start and end values is 2.1% for a manual evaluation.
  • the automatic evaluation shows a significantly higher deviation of 21.4%.
  • the automatic evaluation can be used.
  • the temperature of the surface of the porcelain can be plotted as a function of time.
  • the T-t diagram according to the illustration in Figure 18 shows a characteristic temperature curve.
  • the temperature curve can be divided into three sections.
  • Area I (yellow) covers the start of micturition. A sharp increase in temperature can be observed in the first few seconds.
  • the fluid heats up the porcelain surface.
  • the slope of the curve in area I is determined by the heat transfer coefficient ⁇ U
  • Area II (red) shows the further temperature progression until the end of micturition.
  • the curve rises less than in area I; this is due to the surface temperature approaching the fluid temperature. After the end of micturition, the temperature drops sharply. This can be observed in area III (blue).
  • the negative slope of the temperature curve can be explained on the one hand by the heat transport within the material and on the other hand by the heat transfer from the porcelain to the air. Flushing the catheter before a measurement leads (see Figure 18) to a slight temperature increase before the actual measurement. Flushing is necessary so that the urine does not cool down before leaving the catheter.
  • Three measurements are carried out for each parameter set in order to be able to detect outliers or incorrect measurements. For the simulation fit, the measurement data of a parameter set are averaged and a triplet is created. A triplet consists of three measurement data sets with the same parameters.
  • the time interval between each measuring point and the next varies in relation to the measuring interval. This is determined by the technical conditions of the test bench.
  • the test bench Patent Attorneys April 10, 2024 44 sends the command to measure the surface temperature ten times per second, for example.
  • the system implements this command and assigns a time stamp to each measured value. This is the real time at which the temperature is measured. Since the execution time varies minimally, the time interval between the measurement points also varies minimally. Before the measurement data can be averaged, the time stamps must therefore be adjusted.
  • the heat conduction within the porcelain is described at all times by equation 3.5.
  • the boundary conditions of the model are time-dependent and are described by modified forms of equation 3.8.
  • the boundary condition in area A as shown in Figure 19 reflects the heat transfer from the urine 2A to the vessel wall 1A or to the porcelain (equations 4.1) and from the vessel wall 1A or from the porcelain to the air 10A (equations 4.2).
  • ⁇ ⁇ 0 ⁇ ⁇ ⁇ 1 + ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ 1 + ⁇ 4.1 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • This combination (equations 4.3) describes the beginning of micturition.
  • the remaining curve under the yellow marked micturition area is described with the boundary condition of heat transfer from urine 2A to the vessel wall 1A or to the porcelain by equation 4.1.
  • the slope in part B represents the end of micturition (equations 4.4).
  • each gradient between two adjacent measuring points is calculated and an average gradient is formed over the sum of the gradients.
  • the number of measuring points used depends on the time considered.
  • the time intervals during which the gradients are calculated extend over 1, 4, 7 and 10 seconds, starting from the start of micturition.
  • the maximum value of 10 seconds was chosen due to possible short micturition times.
  • the gradients depend on the heat transfer coefficient. This is defined by the Nusselt number (see equation 2.19) and thus by the Reynolds number (see equation 2.21 -2.24).
  • the Reynolds number is calculated using the mass flow (see equation 2.6). The gradient thus allows conclusions to be drawn about the mass flow or volume flow.
  • the second method looks at the yellow area below the micturition curve (see Figure 19) 1, 4, 7 and 10 seconds after the start of micturition.
  • the heat transfer coefficient is determined directly in the third method.
  • the volume flow is determined in a similar way to the first two methods.
  • Hydrodynamics In the following, the calculations for the liquid film, the hydraulic jump 14 and the trickle film 16 are compared with the observations during the experiments. All material properties used are. The material values refer to the material values of water at 36 °C and for air at 20 °C (see illustration in Figure 21).
  • Liquid jet It is to be calculated whether the liquid jet "drops". To do this, the first step is to calculate the optimal growth rate of the jet using equation 2.5. The diameter of the jet is set equal to the diameter of the catheter and Patent Attorneys April 10, 2024 47 is 4 mm.
  • the evaluation of the experimental data gave the following result: Film width 12.5 17.5 10 ml/s 15 ml/s 20 ml/s ml/s ml/s Theoretical in m 0.050 0.060 0.068 0.077 0.084 Experimental in 0.070 0.085 0.085 0.099 0.108 m Table: Comparison of the theoretically calculated and the experimentally determined film widths.
  • the experimentally determined film width is the maximum width of the film.
  • Patent Attorneys April 10, 2024 48 As can be seen from the illustrations in Figures 22 and 23, the film or trickle film 16 tapers after it has spread for the first time. When measuring the surface temperature, this only happens after the measuring spot has passed and is less pronounced than in the previous figures. A general taper occurs due to the geometry of the toilet or the vessel wall 1A. The differences between the film widths are explained by the fact that equation 2.7 was set up for a vertical film and is therefore only an approximation for an inclined film on a curved plate. Calculating the film thickness and determining the flow area The film thickness is determined using equation 2.12 because the Reynolds number is greater than 400. In the equation, the inclination of the plate is taken into account by the term g cos( ⁇ ). Alpha describes the angle relative to the vertical.
  • the plate slopes at least 16° from the horizontal. This gives an angle of between 0° and 74° for ⁇ .
  • Heat transport The heat transfer coefficients are determined. The thermal resistances are calculated and compared from the heat transfer coefficients. This is how it is checked whether the assumptions on which the simulation is based are permissible. All material values used are taken from the literature [Wagner, 2006; Span 2006], unless otherwise indicated.
  • the material values refer to the material values of water at 36 °C and air at 20 °C and can be taken from the table as shown in Figure 21. Comparison of the heat transfer coefficients The material data for water at 39 °C are used to determine the heat transfer coefficient of the jet. Patent Attorneys April 10, 2024 49 The heat flow for both volume flows is calculated using the average temperature difference and equation 2.16. To do this, the starting temperature (TStart) is subtracted from the average final temperature (TEnd) (see table according to the illustration in Figure 24. T End refers to the temperature when the jet hits the porcelain surface or the vessel wall. TStart refers to the temperature at the end of the urethra 8.
  • the Prandtl number can be taken from the literature or determined using equation 2.21.
  • the Grashof number is calculated using equation 2.20.
  • the critical Rayleigh number is required in addition to the Rayleigh number.
  • the critical Rayleigh number is calculated using the diagram as shown in Figure 9 Patent Attorneys April 10, 2024 50.
  • the heat transfer coefficient for the heat transfer from the urine or trickle film 16 to the vessel wall or porcelain is determined using equation 2.22.
  • the Reynolds number is determined here.
  • the Nusselt number is then determined from the Reynolds number and the Prandtl number. To do this, the results from equations 2.23 to 2.26 are compared in order to find the numerically highest Nusselt number.
  • the heat transfer coefficient for heat transfer from the vessel wall 1A or the porcelain to the air 10A is determined analogously to the heat transfer coefficient from urine 2A to the air 10A.
  • the temperature sensor 34 measures a mixed temperature.
  • the measurement data triplets are evaluated using the first method (gradients). According to the evaluations of gradients and areas, the triplets of the impact location P0 are marked with a circle, of P1 with a diamond and of P2 with a square.
  • Figure 26 shows the mean gradients of the triplets after one second. The scatter of the gradients is consistently wide. The fit of the measurement data can be assumed to be approximately a straight line. In Figure 27, the mean gradients are shown seven seconds after the start of micturition.
  • the trend of a flattening slope and a reduced scatter of the point cloud continues with increasing time interval.
  • the mean gradients ten seconds after the start of micturition show a lower scatter than the mean gradients of previous time intervals, but the fit continues to flatten out in the measurement range under consideration.
  • the triplets of the impact point P2 approach the triplets of the other impact points as the time interval increases. This is because all triplets show a lower scatter as the time interval increases. This behavior suggests that the mean gradients of the temperature curves only differ in the first few seconds after micturition and become more similar as the time interval increases. The gradient evaluation method cannot be used to draw any conclusions about the volume flow.
  • the scatter of the triplets does not allow the volume flow to be determined. In small time intervals, the scatter is so large that it is no longer possible to distinguish between the volume flows. In large time intervals, the scatter becomes smaller, but the slope is so small that it is also not possible to distinguish between the volume flows. Patent Attorneys April 10, 2024 52 This can also be observed in the factors and exponents of the fit. The slope (a) of the fit hardly varies with increasing time interval. However, the influence of the exponent (b) decreases sharply.
  • the parameters of the fit are listed in the following table: According to the representation in Figure 29, the factors and exponents of the fits in the Gradient evaluation method.
  • the physical relationship between the area below the micturition curve and the volume flow can be represented by equation 5.1.
  • the integral of the temperature over time expresses the calculated area below the micturition curve.
  • 5.1 According to the illustration in Figure 30, the area under the temperature curve is plotted against the volume flow one second after the start of micturition. There is a strong scatter, which hardly decreases as the volume flow increases. A slightly funnel-shaped point cloud forms. The fit behaves almost like a straight line in the measurement range.
  • the calculated areas four seconds after the start of micturition (see Figure 31) scatter less than the areas one second after the start of micturition.
  • the scatter decreases further as the volume flow increases, so that the funnel shape of the point cloud is reinforced.
  • the fit can be assumed to be almost a straight line in the measurement range, but is characterized by a lower slope compared to the diagram in Figure 30.
  • the triplets of the impact point P2 can be seen below the triplets of the other impact points, but have a similar slope to the triplets of the other impact points.
  • the trend from the diagram in Figure 31 continues for the calculated areas after seven and ten seconds.
  • the scatter of the areas decreases Patent Attorneys April 10, 2024 53 over the entire volume flow range.
  • the shape of the point cloud remains funnel-shaped.
  • the triplets of the impact point P2 can be seen below the triplets of the other impact points, but have a similar slope.
  • the temperature curves of the triplets are not standardized to a temperature. In the case of variable starting temperatures, this can lead to areas of different sizes with identical test parameters. This results in a scatter of the measured values. Standardizing the starting temperature could lead to a smaller scatter.
  • the factors a and exponents b for the area method are listed below. The factor a of the fit varies greatly, while the exponent b varies little.
  • the table according to the representation in Figure 34 shows factors and exponents of the fits of the area evaluation method.
  • the third method for evaluating the measurement data uses a simulation-based fit of the measurement data (see Figure 35) to determine the heat transfer coefficient.
  • the heat transfer coefficients from the measurement data are shown in the diagram as shown in Figure 36.
  • the experimentally determined Patent Attorneys April 10, 2024 54 Heat transfer coefficients of urine 2A are shown as white circles, those of air 10A as white squares.
  • the black circles mark the mean values of the heat transfer coefficients of urine 2A, the black squares those of air 10A.
  • the black dashed line shows the theoretically determined heat transfer coefficients for an incompletely developed thermal film according to equation 2.22 with an inlet length of 0.12 m. This is the distance that urine 2A travels on the vessel wall 1A or on the porcelain surface to the measuring spot 38.
  • the red line shows an adapted Nusselt correlation of the measurement data.
  • the theoretically calculated heat transfer coefficients are significantly larger than those determined experimentally.
  • the unchanging slope indicates a systematic error in the measurement data.
  • the respective fits of the Nusselt correlations for the individual impact locations (P0, P1, P2) are shown below.
  • the heat transfer coefficients of the triplets of P0 vary greatly.
  • a comparison of the diagrams in Figures 30 and 40 shows the same characteristic behavior of the heat transfer coefficient.
  • the coefficients of the triplets of P2 are lower. Since the two points are a reflection along the axis from P0 to the measuring spot, this was not to be expected.
  • the heat transfer coefficients of the triplets of P1 are comparable to the coefficients of the triplets of P0 (see Figure 38).
  • Patent attorneys April 10, 2024 61 List of reference symbols used 1 vessel or toilet vessel 1A vessel wall 1B surface 2 excrement 2A urine 4 toilet facility 4A toilet bowl part 4B toilet seat part 4C cistern part 6 siphon area 8 urethra 10 environment 10A air 12 micturition jet 13 impact point 14 hydraulic jump 16 trickle film 18 film thickness 20 temperature sensor 22 detection area or grid 24 spatial distribution or trickle film width 30 device 32 infrared sensor device 34 temperature sensor 36 arm part 38 measuring spot or measuring area

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beobachten eines Miktionsverlaufs hinsichtlich einer Person an einem Urin leitenden und/oder aufnehmenden Gefäß mit einer Gefäßwandung, wobei zum Beobachten des Miktionsverlaufs Temperaturen und/oder Temperaturveränderungen an einem sich an der Gefäßwandung ausbildenden Rieselfilm aus Urin und/oder Temperaturveränderungen an der Gefäßwandung des Gefäßes delektiert werden.

Description

Patentanwälte 10. April 2024 1 VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM BEOBACHTEN EINES MIKTIONSVERLAUFS, GEFÄß SOWIE VERWENDUNG Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beobachten eines Miktionsverlaufs hin- sichtlich einer Person an einem Urin leitenden und/oder aufnehmenden Gefäß. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Beobachten eines Miktionsver- laufs hinsichtlich einer Person an einem Urin leitenden und/oder aufnehmenden Ge- fäß. Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Gefäß zur temporären Aufnahme von Ex- krementen, insbesondere eine Toiletteneinrichtung. Die Erfindung betrifft zudem eine Verwendung einer Gefäßwandung eines Gefäßes. Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Urin- und/oder Stuhlproben zu analysie- ren, um mittels entsprechender Analyseergebnisse zumindest erste Erkenntnisse zu einem Gesundheitszustand eines Organismus, insbesondere eines Menschen, erhalten zu können. Damit jedoch überhaupt hinreichend aussagekräftige Analyseergebnisse ermittelt werden können, ist es meist erforderlich, eine etwa an einem WC genommene Urin- und/oder Stuhlprobe in ein Transportgefäß zu verbringen und dieses Transportge- fäß mit der darin befindlichen Probe an ein Analyselabor zu senden. Dies ist jedoch nicht nur umständlich, sondern oftmals auch zeitintensiv, und so kann es mehrere Tage dauern, bevor entsprechende Analyseergebnisse vorliegen. Besonders nach- teilig ist es jedoch auch, dass hierbei wegen des nicht unerheblichen Aufwands in der Regel ein engmaschiges Monitoring im Sinne von kontinuierlichen Vorsorgeun- tersuchungen ausbleibt. Insofern ist es wünschenswert, eine Methode zu schaffen, welche die Analyse von Exkrementen erleichtert. Ferner sind Schnelltest zur Selbstanalyse einer Urinprobe mithilfe eines Urintest- streifens bekannt, mittels welchen zumindest einige Inhaltstoffe in der Urinprobe Patentanwälte 10. April 2024 2 bestimmt werden können. Hierdurch können insbesondere Parameter zu Inhalts- stoffen bestimmt werden, wie etwa Blut/Erythrozyten/Hämoglobin, Glucose, Keton- körper, Ascorbinsäure, Protein, Leukozyten, Nitrit, spezifisches Gewicht, pH-Wert, Bilirubin und Urobilinogen. Dies ermöglicht zumindest erste Rückschlüsse auf ver- schiedene Krankheitsbilder und ihrer Schweregrade. Beispielsweise ist aus der WO 2019/096340 A1 eine Vorrichtung zur Vor-Ort-Ana- lyse von Exkrementen bekannt, mittels welcher sowohl eine Probenentnahme als auch eine Analyse unmittelbar vor Ort vorgenommen werden können. Die EP 4212096 A1 offenbart eine Urinflussmesseinrichtung, wobei der innere und der äußere Behälter die Form eines Pyramidenstumpfes oder Pyramidenstumpf oder Prismenstumpfs mit mindestens drei Seiten aufweisen, und der innere Behäl- ter ist so angeordnet, dass der innere und der äußere Behälter separate Teile sein können oder innere und äußere Behälter getrennte Teile sein können oder in einem Stück mit der genannten Form verbunden sein können. Der äußere Behälter hat einen länglichen Hals und einen Boden. Der Boden dient zur Aufnahme des inneren Behälters, wobei der innere Behälter mit einem inneren Boden endet, der zum Sam- meln von Urin gestaltet ist, wobei der innere Boden mit einer Elektronik zum Betrieb für den Betrieb der Vorrichtung versehen ist, und mindestens auf drei, vorzugsweise auf jeder der Seiten des inneren Behälters, auf der Außenfläche mit mindestens einer, vorzugsweise zwei kapazitive Elektroden angeordnet sind, welche den Flüs- sigkeitsstand auf jeder der Seiten mit Elektroden zu erfassen in der Lage sind, min- destens einen Sensor zum Erfassen der Bewegung und des Kippens der der Vorrichtung und mindestens einem Temperatursensor zur Temperatursensor zur Erfassung der Urintemperatur, sowie optional ein akustischer akustischen Sensor und/oder eine spektrophotometrische Vorrichtung. Mit diesem Aufwand erfasst der dortige Vorschlag eine Reihe Daten und möchte diese zur Diagnose nutzen. Auch die US 5,062,304 stellt eine Überwachung für einen Urinsammler vor, mit einer Temperaturerfassung. Der hier vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dem Stand der Technik eine Verbesserung oder eine Alternative zur Seite zu stellen. Patentanwälte 10. April 2024 3 Nach einem ersten Aspekt löst die gestellte Aufgabe ein Verfahren zum Beobachten eines Miktionsverlaufs hinsichtlich einer Person an einem Urin leitenden und/oder aufnehmenden Gefäß mit einer Gefäßwandung, wobei zum Beobachten des Mikti- onsverlaufs Temperaturen und/oder Temperaturveränderungen an einem sich an der Gefäßwandung ausbildenden Rieselfilm aus Urin und/oder an der Gefäßwan- dung des Gefäßes detektiert werden. Innerhalb des ersten Aspekts der Erfindung seien drei Varianten zu verstehen: ein Beobachten des Rieselfilms, ein Beobachten der Gefäßwandung und kombiniertes Beobachten beider. Es ist wünschenswert, zumindest erste Erkenntnisse zu einem Gesundheitszustand eines Organismus, insbesondere eines Menschen, aber auch von Tieren, möglichst einfach erhalten zu können, insbesondere auch hinsichtlich einer Vielzahl an Er- krankungen in einem möglichst frühen Stadium erkennen zu können, beispielsweise eine obstruktive Blasenentleerung oder ähnliches. Hierzu ist es vorteilhaft, entsprechende Beobachtungen ohne zusätzliche Aufwen- dungen in den normalen Tagesablauf integrieren zu können, bevorzugt in einer häuslichen Umgebung, insbesondere täglich oder in beliebig anderen sinnvollen In- tervallen. Mittels des vorgeschlagenen Verfahrens gelingt ein solcher Erkenntnisgewinn zu einem Miktionsverhalten bei einem alltäglichen Toilettengang besonders einfach und diskret, wenn Temperaturen und/oder Temperaturveränderungen an der Ge- fäßwandung im Zusammenhang mit einer Miktion vorzugsweise einer Person de- tektiert werden. Allein schon mithilfe des Detektierens von Temperaturen und/oder Temperaturver- änderungen hinsichtlich des Rieselfilms können Informationen zu dem Miktionsver- halten bzw. Miktionsverlauf vorteilhaft ermittelt werden. Ebenso können Informationen zu dem Miktionsverhalten bzw. Miktionsverlauf allein schon mithilfe von detektierten Temperaturen und/oder Temperaturveränderungen hinsichtlich der Gefäßwandung vorteilhaft ermittelt werden. Patentanwälte 10. April 2024 4 Der Miktionsverlauf kann noch zuverlässiger ermittelt werden, wenn Informationen zu Temperaturen und/oder Temperaturveränderungen aus einer Kombination von detektierten Rieselfilmtemperaturen und detektierten Gefäßwandungstemperaturen oder Veränderungen hiervon, ermittelt werden, insbesondere an Wandungsoberflä- chen. Mit anderen Worten gesagt, betrifft die Erfindung insofern auch ein Verfahren zum Detektieren von Temperaturen und/oder Temperaturveränderungen an einem Rie- selfilm und/oder an einer Gefäßwandung einer Toiletteneinrichtung in Abhängigkeit von einer Miktion. Anhand des beobachteten Miktionsverlaufs bzw. Miktionsverhaltens beschreibt hierbei beispielsweise den Anstieg des Urinvolumens gegen Anfang der Miktion, oder aber auch das Abklingen des Urinvolumens gegen Ende der Miktion. Auch Unterbrechungen, Schwankungen des Urinvolumens oder dergleichen während der Miktion können hierbei zuverlässig ermittelt werden, um an dieser Stelle nur einige mögliche Beobachtungsergebnisse zu nennen. Die Begrifflichkeiten „Detektieren“ bzw. „Detektion“ beschreiben im Sinne der Erfin- dung ein Feststellen von Informationen im Zusammenhang mit einem Miktionsver- halten einer Person, speziell von absoluten und/oder relativen Werten bzw. diesbezüglichen Informationen, insbesondere von physikalischen Größen. Derar- tige Werte bzw. Informationen können hierbei direkt gemessen oder indirekt mittels Rechenoperationen, Algorithmen oder ähnlichem ermittelt werden. Der Begriff „Rieselfilm“ beschreibt im Sinne der Erfindung eine „Schicht“ aus Urin bzw. einen „Film“ aus Urin, welcher sich an dem Gefäß bzw. der Gefäßwandung hiervon ausbildet. Die Begrifflichkeit „Gefäß“ beschreibt im Sinne der Erfindung eine Einrichtung, wel- che dazu eingerichtet ist, einen Toilettengang zu ermöglichen, insbesondere Urin zu leiten bzw. aufzunehmen. Ein derartiges Gefäß kann beispielsweise in eine sanitäre Toiletteneinrichtung hin- ein angeordnet werden bzw. in einer sanitären Toiletteneinrichtung angeordnet Patentanwälte 10. April 2024 5 sein, insbesondere in einem Toilettengefäß, wie zum Beispiel in einer Toiletten- schüssel, einem Urinal oder dergleichen. Ein derartiges Gefäß kann bevorzugt direkt eine Toilettenschüssel, ein Urinal oder dergleichen ausgestalten. Der Begriff „Gefäßwandung“ beschreibt im Sinne der Erfindung eine einen Raum zum Leiten und/oder Aufnehmen von Exkrementen begrenzende Wand, insbeson- dere eines Toilettengefäßes, wobei die Gefäßwandung zumindest eine Oberfläche aufweist, welche dazu vorgesehen ist, mit Exkrementen, wie insbesondere Urin, während der Miktion bzw. des Urinierens in Kontakt zu kommen. In der Regel handelt es sich bei der Oberfläche um eine Innenoberfläche eines Ge- fäßes, genauer gesagt um eine Innenseite des Gefäßes, insbesondere eines Toi- lettengefäßes. Der Begriff „an der Gefäßwandung“ umfasst im Sinne der Erfindung eine Detektion an der Oberfläche der Gefäßwandung, insbesondere an einer Grenzfläche hinsicht- lich des Rieselfilms und der Oberfläche der Gefäßwandung, und/oder innerhalb der Gefäßwandung, insbesondere in dem die Gefäßwandung ausbildenden Material. Die Gefäßwandung kann hierbei massiv oder auch hohl ausgebildet sein, wobei eine hohle Gefäßwandung besonders geeignet ist, technische Einrichtungen einer Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens aufnehmen zu können, wie insbeson- dere Sensorelemente oder dergleichen. Eine hohle Gefäßwandung kann beispiels- weise durch eine doppelwandige Konstruktion einfach realisiert sein. Begrifflich sei weiter noch folgendes erläutert: Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass im Rahmen der hier vorliegenden Pa- tentanmeldung unbestimmte Artikel und unbestimmte Zahlenangaben wie „ein…“, „zwei…“ usw. im Regelfall als mindestens-Angaben zu verstehen sein sollen, also als „mindestens ein…“, „mindestens zwei…“ usw., sofern sich nicht etwa aus dem Kontext oder dem konkreten Text einer bestimmten Stelle ergibt, dass etwa dort nur „genau ein…“, „genau zwei…“ usw. gemeint sein soll. Weiterhin sind alle Zahlenan- gaben sowie Angaben zu Verfahrensparametern und/oder Vorrichtungsparametern Patentanwälte 10. April 2024 6 im technischen Sinne zu verstehen, d.h. als mit den üblichen Toleranzen versehen zu verstehen. Auch aus der expliziten Angabe der Einschränkung „wenigstens“ oder „mindestens“ o.ä. darf nicht geschlossen werden, dass bei der einfachen Verwen- dung von „ein“, also ohne die Angabe von „wenigstens“ o.ä., ein „genau ein“ gemeint ist. Jedenfalls können mittels Detektion von Temperaturveränderungen an der Gefäß- wandung im Sinne der Erfindung vorteilhaft erste Erkenntnisse über Gesundheits- werte bzw. einen Gesundheitszustand einer Person ermittelt werden. Ein kombiniertes Detektieren kann besonders einfach erfolgen, wenn Temperaturen und/oder Temperaturveränderungen an der Gefäßwandung in einem Bereich des Rieselfilms detektiert werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn mittels detektierter Temperaturen und/oder Tem- peraturveränderungen ein Miktionsvolumenstrom und/oder ein Miktionsvolumen er- mittelt werden, da hierdurch Erkenntnisse zu einem Gesundheitszustand besonders genau ermittelt werden können. Durch eine derart umfassende Beobachtung können Erkenntnisse zu einem Ge- sundheitszustand noch präziser ermittelt werden. Insbesondere eine obstruktive Blasenentleerung kann hierdurch in häuslicher Um- gebung frühzeitig erkannt werden. Der Ausdruck „Miktionsvolumenstrom“ beschreibt vorliegend die Urinmenge (Volu- men) pro Zeit, beispielsweise in der Einheit „ml/s“. Hierdurch kann beispielsweise sehr gut ermittelt werden, wie kräftig eine Miktion erfolgen kann. Der Ausdruck „Miktionsvolumen“ beschreibt vorliegend die Gesamtmenge an Urin, welche bei der Miktion abgegeben wurde, beispielsweise in der Einheit „ml“. Die Beobachtung des Miktionsverhaltens kann vorteilhaft erfolgen, wenn eine Urin- temperatur beim Eintritt eines Miktionsstrahls in die Umgebung des Gefäßes und/oder beim Kontakt mit der Gefäßwandung detektiert wird. Patentanwälte 10. April 2024 7 Vorteilhafterweise kann hierdurch die Ist-Temperatur des Urins ermittelt werden, um so eine Starttemperatur des Urins ermitteln zu können, auf welche insbesondere die Temperaturveränderung des Rieselfilms bezogen werden kann. Wird die Urintemperatur unmittelbar nach Eintritt in die Umgebung gemessen, ist die Starttemperatur noch unbeeinflusst durch einen Wärmeenergieübergang an die Umgebungsluft. Wird die Urintemperatur beim Kontakt mit der Gefäßwandung gemessen, kann die Starttemperatur alternativ gemessen werden, da ein Wärmeenergieübergang vom Urin an die Umgebungsluft aufgrund kurzer Wege zwischen Eintritt in die Umgebung und Aufprall auf das Gefäß meist vernachlässigbar ist. Kumulativ kann die Starttemperatur noch an zwei Stellen gemessen und damit be- sonders zuverlässig ermittelt werden. Ferner kann hierdurch auch der Beginn einer Miktion betriebssicher festgestellt wer- den. Temperaturveränderungen hinsichtlich der Gefäßwandung können präziser ermit- telt werden, wenn zu Beginn des Detektierens von Temperaturen und/oder Tempe- raturveränderungen eine Referenztemperatur an der Gefäßwandung detektiert wird. Es ist auch vorteilhaft, vor dem Detektieren von Temperaturveränderungen die Ist- Temperatur an der Gefäßwandung zu detektieren, um hierdurch kumulativ oder al- ternativ die aktuelle Starttemperatur ermitteln zu können, welche an der Gefäßwan- dung vorliegt. Die Detektion einer derartigen Referenz- bzw. Starttemperatur kann hierbei vor, während und/oder auch nach dem Miktionsbeginn an der Gefäßwandung erfolgen. Rückschlüsse auf das Miktionsverhalten können noch präzisiert werden, wenn Tem- peraturen und/oder Temperaturveränderungen an dem Rieselfilm und/oder an der Gefäßwandung nach Ende der Miktion weiter beobachtet werden. Patentanwälte 10. April 2024 8 Es versteht sich, dass das Ende der Miktion unterschiedlich detektiert werden kann, beispielsweise in Abhängigkeit von Informationen zu einem detektierten Miktions- verlauf. Auch kann das Ende der Miktion festgestellt werden, wenn schlichtweg ermittelt wird, dass der zuvor detektierte Miktionsstrahl nicht mehr vorhanden ist und/oder der zuvor detektierte Rieselfilm sich auflöst bzw. beginnt sich aufzulösen. Kumulativ oder alternativ kann das Ende der Miktion auch anhand von Informatio- nen zu Temperaturveränderungen an der Gefäßwandung festgestellt werden, bei- spielsweise wenn ein Temperaturmaximum an der Gefäßwandung erreicht bzw. überschritten ist. Temperaturen und/oder Temperaturveränderungen an dem Rieselfilm und/oder an der Gefäßwandung im Zusammenhang mit der Miktion, insbesondere nach dem Ende der Miktion, können betriebssicher beobachten werden, wenn Temperaturen und/oder Temperaturveränderungen an dem Rieselfilm und/oder an der Gefäßwan- dung über einen Zeitraum von größer oder gleich 1 min detektiert werden, bevorzugt von größer oder gleich 3 min oder besonders bevorzugt von größer oder gleich 5 min. Bevorzugt bezieht sich insbesondere die Temperaturveränderung auf die hier de- tektierte Starttemperatur des Urins bzw. auf die hier detektierte Referenztemperatur an der Gefäßwandung. In der Regel reicht ein Detektionszeitraum von 1 min bis 2 min, da eine Miktion in einem derartigen Zeitraum meistens abgeschlossen ist. Bei einem Zeitraum über 3 min, 5 min oder beispielsweise 6 min kann eine beson- ders hohe Informationsmenge zu Temperaturen und/oder Temperaturveränderun- gen gemessen werden. In der Regel ist der Detektionszeitraum hinsichtlich des Rieselfilms kürzer als hin- sichtlich der Gefäßwandung, da sich der Reiselfilm am Ende der Miktion relativ schnell an der Gefäßwandung auflöst. Patentanwälte 10. April 2024 9 Das Ermitteln von Informationen zu Temperaturveränderungen kann vorteilhaft be- grenzt werden, wenn Temperaturen und/oder Temperaturveränderungen an dem Rieselfilm und/oder an der Gefäßwandung über einen Zeitraum von kleiner oder gleich 10 min detektiert werden, bevorzugt von kleiner oder gleich 8 min oder be- sonders bevorzugt von kleiner oder gleich 6 min. Wird der Beginn des Detektierens von Temperaturen und/oder Temperaturverän- derungen an der Gefäßwandung festgestellt, wenn an bzw. in der Gefäßwandung ein Temperaturanstieg von größer oder gleich, 0,5 °C gemessen wird, bevorzugt einen Temperaturanstieg von größer oder gleich 1 °C oder besonders bevorzugt von größer oder gleich 1,5 °C, kann der Anfang des Detektionszeitraums der Tem- peraturveränderungen an der Gefäßwandung vorteilhaft bestimmt werden. Wird der Beginn des Detektierens von Temperaturen und/oder Temperaturverän- derungen an der Gefäßwandung festgestellt, wenn an bzw. in der Gefäßwandung ein Temperaturanstieg von kleiner oder gleich, 3 °C gemessen wird, bevorzugt ei- nen Temperaturanstieg von kleiner oder gleich 2,5 °C oder besonders bevorzugt von kleiner oder gleich 2 °C, können beispielsweise Fehlmessungen an dem vorlie- genden Verfahren erkannt und besser vermieden werden, welche zum Beispiel auf eine andere Ursache von Temperaturveränderungen an der Gefäßwandung zurück- zuführen ist. Hierdurch kann die Gefahr einer Detektion vermieden oder zumindest signifikant verringert werden, welche nicht im Zusammenhang mit einer Miktion steht. Ein Detektieren von Temperaturen und/oder Temperaturveränderungen kann noch präziser durchgeführt werden, wenn Temperaturen und/oder Temperaturverände- rungen an dem Rieselfilm und/oder an der Gefäßwandung in Abhängigkeit von dem Material der Gefäßwandung detektiert werden. Werden Materialparameter bei dem Detektieren von Temperaturen und/oder Tem- peraturveränderungen berücksichtig, können Informationen hierzu noch präziser er- mittelt werden. Patentanwälte 10. April 2024 10 Werden Temperaturen und/oder Temperaturveränderungen an dem Rieselfilm und/oder an der Gefäßwandung in Abhängigkeit von der Geometrie der Gefäßwan- dung detektiert, können Informationen zu Temperaturen und/oder Temperaturver- änderungen noch vorteilhafter ermittelt werden. Zudem ist es besonders zweckmäßig, wenn eine Temperaturverteilung an dem Rie- selfilm und/oder an der Gefäßwandung detektiert wird. Mittels einer detektierten Temperaturverteilung können auch vorteilhafte Rück- schlüsse auf den Miktionsverlauf gewonnen werden, beispielsweise wie eine Tem- peratur in der Mitte des Rieselfilms gegenüber einer Temperatur in dessen Randbereich ist. Insbesondere kann die Temperaturverteilung ebenfalls in Abhängigkeit von dem Material der Gefäßwandung und/oder in Abhängigkeit von der Geometrie der Ge- fäßwandung ermittelt werden. Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn zum Beobachten des Miktionsverlaufs die räumliche Verteilung des Rieselfilms an der Gefäßwandung detektiert wird. Durch das Detektieren der räumlichen, zweidimensionalen Verteilung des Urins als Rieselfilm können ebenfalls wichtige Informationen über das Miktionsverhalten er- mittelt werden. Die räumliche Verteilung beschreibt hierbei die zweidimensionale Ausbreitung bzw. Ausdehnung des Urins an der Gefäßwandung nach dem Aufprall des Urins auf Letz- tere. Bevorzugt erfolgt dies in Abhängigkeit von der Form der Gefäßwandung. Wird hier- bei die Form bzw. Gestalt der Oberfläche der Gefäßwandung in die Detektion der räumlichen Verteilung des Urins mitberücksichtigt, können besonders genaue Infor- mationen im Zusammenhang mit der räumlichen Verteilung ermittelt werden. Die räumliche Verteilung kann hierbei mittels einer optischen Einrichtung, wie einer Kamera oder dergleichen, vorteilhaft ermittelt werden. Patentanwälte 10. April 2024 11 Kumulativ oder alternativ kann die räumliche Verteilung des Urins mittels Tempera- turverteilungen bzw. Temperaturen und/oder Temperaturveränderungen an dem Rieselfilm bzw. insbesondere an der Gefäßwandung detektiert werden. Um ein gutes Detektionsergebnis zu erhalten, ist es vorteilhaft, wenn ein Detekti- onsbereich um den Miktionsstrahl herum und/oder um eine Aufprallstelle hiervon an der Gefäßwandung herum größer oder gleich 50 mm2, bevorzugt größer oder gleich 100 mm2 oder besonders größer oder gleich 200 mm2. Die Fläche des Detektionsbereichs kann hierbei dynamisch an die Ausbreitungsge- ometrie des Rieselfilms angepasst sein und braucht vorzugsweise nicht geomet- risch bestimmt kreisrund, oval, rechteckig, quadratisch oder dergleichen ausgebildet zu sein. Des Weiteren ist es zweckmäßig, wenn zum Beobachten des Miktionsverlaufs Tem- peraturen und/oder Temperaturveränderungen des freien Miktionsstrahls gegen- über der angrenzenden Luft detektiert werden. Eine derartige Betrachtung des Freistrahls hinsichtlich des Urins kann gegebenen- falls unterstützend hinzugenommen werden. Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Umgebungstemperatur und/oder Temperaturver- änderungen an der Umgebung des Urins aufnehmenden Gefäßes gemessen wird. Um den Einfluss der Umgebungstemperatur insbesondere auf detektierte Temper- arturveränderungen genauer berücksichtigen zu können, ist es von Vorteil, wenn zusätzlich die Umgebungstemperatur gemessen wird. Werden Temperaturen und/oder Temperaturveränderungen mittels Messungen der Temperaturen als Funktion der Zeit und des Ortes an dem Rieselfilm und/oder an der Gefäßwandung detektiert, kann der Miktionsverlauf besonders zuverlässig er- mittelt werden. Beispielsweise können hierdurch diesbezügliche Informationen von dem Miktions- beginn bis zum Miktionsende und darüber hinaus zuverlässig und genau ermittelt und so das Miktionsverhalten sehr lang und präzise beobachtet werden. Patentanwälte 10. April 2024 12 Ferner ist es für eine äußerst zuverlässige Miktionsverlaufsermittlung vorteilhaft, wenn Temperaturveränderungen mittels Messungen der Wärmestromdichte normal zu der Oberfläche als Funktion der Zeit und des Orts an der Gefäßwandung detek- tiert werden. Es versteht sich, dass die Detektion vorliegend unterschiedlich realisiert sein kann, beispielsweise auch optisch. Eine besonders vorteilhafte Detektion kann in Zusammenhang mit einem toiletten- artigen Gefäß bereitgestellt werden, wenn Temperaturen und/oder Temperaturver- änderungen mittels Infrarot-Messungen oder Kapazitiv-Messungen detektiert werden. Es hat sich herausgestellt, dass es sehr konstruktiv und verfahrenstechnisch güns- tig ist, wenn Temperaturen und/oder Temperaturveränderungen mittels Infrarot- Messungen oder Kapazitiv-Messungen detektiert werden. Die Aufgabe wird nach einem zweiten Aspekt der Erfindung von einer Vorrichtung zum Beobachten eines Miktionsverlaufs hinsichtlich einer Person an einem Urin lei- tenden und/oder aufnehmenden Gefäß gelöst, insbesondere zum Durchführen des vorliegenden Verfahrens, wobei die Vorrichtung zum Detektieren von Temperaturen und/oder Temperaturveränderungen an einem Rieselfilm aus Urin und/oder an ei- ner Gefäßwandung des Gefäßes wenigstens einen Infrarotsensoreinrichtung und/oder eine Kapazitätssensoreinrichtung aufweist. Mittels der vorliegenden Vorrichtung gelingt eine besonders effektive und präzise Beobachtung des Miktionsverlaufs eines Organismus unter Umgehung einer medi- zinischen Einrichtung, so dass die Beobachtung frei zugänglich zur Verführung ge- stellt werden kann. Die Vorrichtung kann hierbei fest in einer entsprechend ausgestalteten Toilettenein- richtung angeordnet bzw. integriert sein. Die Auswahl an Sensoren zur Temperaturmessung an Oberflächen ist vielfältig und bietet für unterschiedliche Anforderungen und Umgebungen passende Lösungen. Patentanwälte 10. April 2024 13 Thermoelemente nutzen den Seebeck-Effekt, um eine elektrische Spannung zu er- zeugen, wenn zwei verschiedene Metalle an verschiedenen Temperaturen mitei- nander verbunden sind. Sie sind robust und kostengünstig und daher ideal für industrielle Anwendungen, insbesondere bei hohen Temperaturen. Widerstandsthermometer (RTDs) basieren auf dem temperaturabhängigen Wider- stand eines Metalls wie Platin. Mit steigender Temperatur steigt der elektrische Wi- derstand proportional an. RTDs bieten hohe Präzision und werden oft in Labors und industriellen Prozessen eingesetzt, wo genaue Temperaturmessungen erforderlich sind. Thermistoren sind Halbleiterbauelemente, deren Widerstand stark von der Tempe- ratur abhängt. Es gibt zwei Haupttypen: NTC (Negative Temperature Coefficient) und PTC (Positive Temperature Coefficient). Sie werden häufig in elektronischen Geräten verwendet, wo eine kostengünstige Lösung ausreicht, wie beispielsweise in Haushaltsgeräten oder Klimaanlagen. Infrarot-Temperatursensoren erfassen die Infrarotstrahlung, die von einem Objekt abgestrahlt wird, und wandeln sie in eine Temperatur um. Diese berührungslosen Sensoren sind besonders nützlich in Situationen, in denen direkter Kontakt mit der Oberfläche nicht möglich oder nicht erwünscht ist, wie beispielsweise in der Lebens- mittelindustrie oder in medizinischen Anwendungen. Sensoren, die direkt mit der Oberfläche in Kontakt stehen, nutzen Wärmeleitung, um die Temperatur zu erfassen. Diese bieten eine hohe Genauigkeit und werden häufig in Anwendungen eingesetzt, in denen direkter Kontakt erforderlich ist, wie beispielsweise in der Materialprüfung oder bei der Überwachung von Maschinen- komponenten.Diese Sensoren können je nach Anforderungen und Umgebung un- terschiedliche Genauigkeiten, Kosten und Anwendungen haben. Die Auswahl des richtigen Sensors hängt von verschiedenen Faktoren ab, einschließlich der benötig- ten Genauigkeit, der Temperaturbereiche, in denen gemessen werden muss, der Umgebungsfaktoren und der Kosten. Patentanwälte 10. April 2024 14 Deswegen sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass aus technischer Hinsicht diese Sensoren zum Einsatz kommen können, generell auch andere Sensoren zum erfassen von Temperaturen einer Oberfläche zum Einsatz kommen. Letztlich wird man bei der Auslegung der Toilette einen Kompromiss zwischen der technischen Präzision und den Kosten wählen. Insofern ist es vorteilhaft, wenn die Vorrichtung eine Toiletteneinrichtung, insbeson- dere ein Toilettengefäß hiervon, wie etwa eine Toilettenschüssel oder dergleichen, aufweist. Die vorliegende Vorrichtung kann besonders vorteilhaft an Toiletteneinrichtungen bzw. Gefäßen hiervon eingesetzt werden, wenn die Vorrichtung wenigstens eine Detektionsfläche aufweist, welche insbesondere als Freiformoberfläche ausgeformt ist. Damit lässt sich die vorliegende Vorrichtung etwa ohne oder nahezu ohne funktio- nale und/oder optische Einschränkungen in die Toiletteneinrichtung integrieren. Ins- besondere lassen sich bisherige Designs von Toilettengefäßen beibehalten, insbesondere unter Einbeziehung von kapazitiv arbeitenden Sensorelementen. Noch flexibler und unabhängiger kann die Vorrichtung und somit auch das vorlie- gende Verfahren eingesetzt werden, wenn die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, fest, aber lösbar an einem Toilettengefäß anbringbar zu sein. Hierdurch können selbst bereits vorhandene bzw. installierte Toiletteneinrichtungen baulich einfach nach bzw. aufrüsten. Vorteilhafterweise weist die Vorrichtung flexible, elastisch bzw. plastisch verform- bare Freiformoberflächensensorelemente auf, welche sich an eine Freiformoberflä- che eines Toilettengefäßes anpassen bzw. anschmiegen kann. Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Vorrichtung wenigstens eine Datenschnittstelle aufweist, mittels welcher Daten gesendet bzw. Empfangen werden können, insbe- sondere Informationen zu einem beobachten Miktionsverlauf oder dergleichen. Patentanwälte 10. April 2024 15 Die Aufgabe löst nach einem dritten Aspekt der Erfindung des Weiteren auch ein Gefäß zur Aufnahme von Exkrementen, insbesondere eine Toiletteneinrichtung, welches zum Durchführen des vorliegenden Verfahrens nach einem seiner Merk- male eingerichtet ist, und/oder welches die vorliegende Vorrichtung aufweist. Zweckmäßig ist es, wenn das das Gefäß mobil aufstellbar ist. Hierdurch kann das vorliegende Gefäß an nahezu beliebigen Orten bereitgestellt werden, insbesondere temporär als Mobiltoilette. Die Aufgabe wird nach einem vierten Aspekt der Erfindung von einer Verwendung einer Gefäßwandung eines Gefäßes zur Beobachtung eines Miktionsverhaltens ge- löst, insbesondere zur Detektion von Temperaturen und/oder Temperaturverände- rungen im Zusammenhang mit einer Miktion. Wird eine Gefäßwandung dazu verwendet, durch Urin verursachte Temperaturen bzw. Temperaturveränderungen zu detektieren, können Informationen zu einem Miktionsverhalten baulich einfach und zuverlässig ermittelt werden. Es versteht sich, dass Merkmale der vorstehend bzw. in den Ansprüchen beschrie- benen Lösungen gegebenenfalls auch kombiniert werden können, um die vorlie- gend erzielbaren Vorteile und Effekte entsprechend kumuliert umsetzen zu können Die vorliegende Erfindung ist nachfolgend darüber hinaus noch hinsichtlich weiterer vorteilhafter Merkmale und Ausgestaltungsmöglichkeiten beschrieben, wobei insbe- sondere Merkmale hinsichtlich einer modelltheoretischen und experimentellen Vo- lumenstromberechnung eines Rieselfilms dargestellt und erläutert sind. Die Erfindung sei nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug- nahme auf die Zeichnung näher erläutert. Dort zeigen Fig.1 schematisch eine tabellarische Ansicht von Urinflussraten und Mindest- miktionsvolumen beider Geschlechter verschiedener Altersklassen; Fig.2 eine schematische Schnittansicht einer Gefäßwandung eines Gefäßes einer Toiletteneinrichtung hinsichtlich eines typischen Miktionsprozesses Patentanwälte 10. April 2024 16 nach dem Verlassen der Harnröhre und dem Eintritt des Urins in die Um- gebung; Fig.3 schematische eine Ansicht eines Rieselfilms aus Urin an einer Oberflä- che einer Gefäßwand: Fig.4 schematisch eine Darstellung eines Diagramms hinsichtlich der Nußelt- Zahl in Abhängigkeit von der Reynolds-Zahl; Fig.5 schematisch eine Darstellung eines glatt laminaren Rieselfilms im Zu- sammenhang mit einem Geschwindigkeitsprofil; Fig.6 schematisch eine Darstellung eines welligen Rieselfilms im Zusammen- hang mit einem Temperatur- und Geschwindigkeitsprofi; Fig 7. schematisch eine weitere Schnittansicht der Gefäßwandung aus der Fi- gur 2 mit dargestellten thermodynamischen Aspekten während des Mik- tionsvorgangs; Fig.8 schematisch eine Darstellung eines Diagramms eines Geschwindigkeits- und Temperaturprofils des Fluids bei einer konvektiven Wärmeübertra- gung an einem Wandelement; Fig.9 schematisch eine Darstellung eines Diagramms „Obergrenze Rac des laminaren Bereiches in Abhängigkeit des Neigungswinkels γ“; Fig.10 schematisch eine Darstellung eines Diagramms eines Temperaturver- laufs der Oberfläche der Gefäßwandung berechnet mit der eindimensio- nalen Simulation; Fig.11 schematisch eine Darstellung eines Temperaturverlaufs der Geometrie mit Gitternetz und Temperaturskala der OpenFoam-Simulation nach 0 s; Fig.12 schematisch eine Darstellung eines Temperaturverlaufs der Geometrie mit Gitternetz und Temperaturskala der OpenFoam-Simulation nach 20 s; Patentanwälte 10. April 2024 17 Fig.13 schematisch eine Aufsicht eines Gefäßes mit einem an der Gefäßwan- dung angeordneten Temperatursensor; Fig.14 schematisch eine Aufsicht der Gefäßwandung mit einem 1x1 cm breiten Gitter auf der gekrümmten Oberfläche; Fig.15 schematisch eine weitere Aufsicht des Gefäßes mit hieran angeordneter Infrarotsensoreinrichtung; Fig.16 schematisch eine weitere Aufsicht des Gefäßes mit diversen Aufprallpo- sitionen und Messfleckgröße eines Messflecks; Fig.17 schematisch eine Darstellung eines Diagramms hinsichtlich eines Ver- gleichs des relativen Fehlers der manuellen und automatischen Start- /Endpunktbestimmung; Fig.18 schematisch eine Darstellung eines Diagramms hinsichtlich eines Tem- peraturverlaufs der Oberfläche während und nach dem Miktionsvorgang; Fig.19 schematisch eine Darstellung eines Diagramms hinsichtlich eines Simu- lationsfits angepasst an Messdaten; Fig.20 schematisch eine Darstellung einer Parametertabelle mit Maximal- und Minimalwerten; Fig.21 schematisch eine Darstellung einer Tabelle mit für die Berechnungen ge- nutzte Stoffwerte; Fig.22 schematisch eine Darstellung hinsichtlich einer experimentellen Bestim- mung der Filmbreite bei unterschiedlichen Volumen-strömen. (10 ml/s oben rechts, 12,5 ml/s oben links, 15 ml/s unten rechts, 17,5 ml/s unten links); Fig.23 schematisch eine Darstellung hinsichtlich einer experimentellen Bestim- mung der Filmbreite beim Volumenstrom von 20 ml/s; Patentanwälte 10. April 2024 18 Fig.24 schematisch eine Darstellung einer Tabelle zu Ergebnissen der Tempe- raturmessung zur Wärmeübergangskoeffizientenbestimmung des Strahls; Fig.25 schematisch eine Darstellung einer Tabelle hinsichtlich eines Vergleichs der Wärmeübergangskoeffizienten der einzelnen Vorgänge; Fig.26 schematisch eine Darstellung eines Diagramms hinsichtlich eines mittle- ren Gradientens eine Sekunde nach Miktionsbeginn; Fig.27 schematisch eine Darstellung eines Diagramms hinsichtlich eines mittle- ren Gradientens sieben Sekunden nach Miktionsbeginn; Fig.28 schematisch eine Darstellung eines Diagramms hinsichtlich eines mittle- ren Gradientens zehn Sekunden nach Miktionsbeginn; Fig.29 schematisch eine Darstellung einer Tabelle hinsichtlich Faktoren und Ex- ponenten der Fits in der Auswertungsmethode der Gradienten; Fig.30 schematisch eine Darstellung eines Diagramms hinsichtlich Miktionsflä- chen eine Sekunde nach Miktionsbeginn; Fig.31 schematisch eine Darstellung eines Diagramms hinsichtlich Miktionsflä- chen vier Sekunden nach Miktionsbeginn; Fig.32 schematisch eine Darstellung eines Diagramms hinsichtlich Miktionsflä- chen sieben Sekunden nach Miktionsbeginn; Fig.33 schematisch eine Darstellung eines Diagramms hinsichtlich Miktionsflä- chen zehn Sekunden nach Miktionsbeginn; Fig.34 schematisch eine Darstellung einer Tabelle hinsichtlich Faktoren und Ex- ponenten der Fits der Auswertungsmethode der Flächen; Fig.35 schematisch eine Darstellung eines Diagramms zu einem Fit an ein Messdatentriplet mit einer Miktionsdauer von 15 Sekunden ; Patentanwälte 10. April 2024 19 Fig.36 schematisch eine Darstellung eines Diagramms hinsichtlich eines Ver- gleichs experimentell bestimmter Wärmeübergangskoeffizienten aller Triplets; Fig.37 schematisch eine Darstellung eines Diagramms hinsichtlich eines Ver- gleichs experimentell bestimmter Wärmeübergangskoeffizienten ohne Triplets des Aufprallpunktes P2; Fig.38 schematisch eine Darstellung eines Diagramms hinsichtlich eines Ver- gleichs experimentell bestimmter Wärmeübergangskoeffizienten der Triplets des Aufprallpunktes P0; Fig.39 schematisch eine Darstellung eines Diagramms hinsichtlich eines Ver- gleichs experimentell bestimmter Wärmeübergangskoeffizienten der Triplets des Aufprallpunktes P1; Fig.40 schematisch eine Darstellung eines Diagramms hinsichtlich eines Ver- gleichs experimentell bestimmter Wärmeübergangskoeffizienten der Triplets des Aufprallpunktes P1; und Fig.41 schematisch eine Darstellung einer Tabelle hinsichtlich Faktoren und Ex- ponenten der Nußelt-Korrelation mit c = 0,344. Gemäß der Darstellung nach der Figur 1 sind vorab beispielhaft Urinflussraten und Mindestmiktionsvolumen beider Geschlechter verschiedener Altersklassen gezeigt. Im Nachfolgenden sind hinsichtlich eines ersten möglichen, bevorzugt mobilen Uri- nanalysegeräts zwei kontaktlose Volumenstrommessprinzip dargelegt. Erstens, die Messung unter Zuhilfenahme einer Infrarotsensoreinrichtung mit we- nigstens einem Infrarotsensorelement. Zweitens, die Messung unter Zuhilfenahme einer Kapazitätssensoreinrichtung mit wenigstens einem Kapazitivsensorelement, bevorzugt mehreren Kapazitivsensorel- ementen. Patentanwälte 10. April 2024 20 Das hierauf beruhende vorliegende Verfahren bietet gegenüber bisherigen Verfah- ren zur Messung eines Miktionsvolumenstroms wesentliche Vorteile in Bezug auf Genauigkeit und Einfachheit in der Anwendung. Als eine erste bekannte und bisher verwendete Methode zur Bestimmung des Vo- lumenstroms von Urin kommt die Uroflowmetrie zur Anwendung. Die in diesem Zu- sammenhang gebräuchlichsten Messmethoden arbeiten nach dem gravimetrischen oder dem rotationsdynamischen Prinzip. Bei der gravimetrischen Methode wird nicht der Volumenstrom, sondern der Massenstrom gemessen. Dies erfolgt über das Urinieren in einen Becher, der auf einer Waage platziert wird. Das Volumen wird anschließend mittels der Masse und der Dichte errechnet. Beim rotationsdynami- schen Prinzip wird der Urinstrahl auf eine rotierende Scheibe geleitet. Die Scheibe wird durch den Urin je nach Urinmenge unterschiedlich stark abgebremst, wobei die Scheibe auf einer konstanten Geschwindigkeit gehalten wird. Anhand des erhöhten Stromverbrauchs kann die Urinmenge pro Zeit gemessen werden. Neben diesen beiden Messprinzipen gibt es weitere hier jedoch nicht weiter beschriebene Mess- methoden, wie etwa das Low-Cost-Flowmeter und das Flowmeter. Der Nachteil der genannten Messmethoden bzw. diesbezüglicher Geräte ist, dass diese Messungen meist nur in Krankenhäusern oder Arztpraxen durchgeführt werden können. Ebenso ist meist geschultes Personal zur Durchführung der Tests erforderlich. Eine fremde Umgebung und die Anwesenheit von Personen können zudem die Miktion maßgeb- lich beeinflussen, da sich Personen bzw. Patienten unwohl fühlen können. Dies gilt in Teilen auch für Probennahmen von Urin, wobei hier noch andere Faktoren hinzu- kommen können, wie fehlendes Wissen (Was ist der Mittelstrahl) und auch man- gelnde Hygiene. Die vorgenannten Nachteile können mit dem vorgeschlagenen Verfahren vermie- den werden, wobei neben einer Urinflussmessung. Sogleich eine Urinanalyse durchgeführt werden kann. Zudem können Vorteile genutzt werden, wie eine ver- traute Umgebung beim Test (heimische Toilette), eine Bedienung ohne zusätzliches Personal, eine vollautomatische Messung usw. Aufgrund nicht mehr erforderlicher Arztbesuche kann auch eine erhöhte Anzahl an Tests durchgeführt und ausgewer- tet werden. Die Messung verläuft hygienischer, da die Testperson nicht mit den Pro- ben in Kontakt kommt. Patentanwälte 10. April 2024 21 Gemäß der Darstellung nach Figur 2 ist ein Gefäß 1 zur Aufnahme von Exkremen- ten 2, insbesondere von Urin 2A, hinsichtlich seiner Gefäßwandung 1A gezeigt. Das Gefäß 1 ist Bestandteil einer Toiletteneinrichtung 4 mit einem Kloschüsselteil 4A (Gefäß bzw. Toilettengefäß), einem Klobrillenteil 4B und einem nicht näher ge- zeigten Spülkastenteil 4C (vgl. insbesondere auch Figur 13). Im unteren Teil des Gefäßes 1 ist der Siphonbereich 6 des Gefäßes 1 zu erkennen. Nachstehend sind nun fluiddynamische Vorgänge bei einem Miktionsvorgang erläu- tert. Allgemein hängen konvektive Transporteigenschaften bei einem Energietrans- port von Strömungsverhältnissen der Fluide ab. Eine schematische Darstellung des Miktionsvorgangs und dessen fluiddynamischer Aspekte ist in Figur 2 dargestellt. Der zu beobachtende Miktionsvorgang bzw. Miktionsverlauf nach Verlassen einer hier nur schematisch angedeuteten Harnröhre 8 beginnt damit, dass Urin nach Eintritt in die Umgebung 10 einen freien Miktionsstrahl 12 bzw. Freistrahl bildet. Nach dem Aufprall des Miktionsstrahls 12 auf der Oberfläche 1B der Gefäßwandung 1A, insbesondere an einer Aufprallstelle 13 kommt es zu einem hydraulischen Sprung 14 einerseits und zu einer Ausbildung eines aus dem Urin 2A bestehenden Rieselfilms 16, welcher sich an der Gefäßwandung 1A ausbreitet, genauer gesagt an dessen Oberfläche 1B. Dieser Miktionsstrahl 12 verengt sich und beschleunigt nach dem Verlassen der Harnröhre 8 aufgrund der sich ändernden Haftbedingung, da die Haftbedingung der Harnröhre 8 entfällt. An ihrer Stelle tritt die nahezu schubspannungsfreie Haftbedin- gung der Luft 10A. Ein Flüssigkeitsstrahl in Luft 10A ist gegenüber natürlichen und künstlichen Störun- gen instabil und beginnt nach einer bestimmten Zeit zu „zertropfen“. Diese Zeit wird Zerfallszeit genannt. Dabei ist der Zerfallsort abhängig vom Abstand der Düsenpo- sition und der Strahlgeschwindigkeit. ^^ ^^ℎ = ^^ ^^ℎ ^^ ^^ ^^ ^^ 2.1 Patentanwälte 10. April 2024 22 Da der Zerfallsort von der Düsenposition abhängig ist, wird die theoretische Zer- fallslänge Lth berechnet. Dies ist das Produkt aus der theoretischen Zerfallszeit Tth und der Strahlgeschwindigkeit vjet. Die theoretische Zerfallszeit wird wie folgt bestimmt: 2.2 δ0 ist die anfängliche Strömungsamplitude. Diese ist einerseits als logarithmisches Verhältnis ( ^^ ^^ ) mit 12 angegeben. Alternativ kann das logarithmische Verhältnis wie folgt definiert sein: 7,68 2.3 In dieser Definition wurde berücksichtigt, dass bei kleinen Strahlradien rjet die an- fängliche Strömungsamplitude zunimmt. Der Grund dafür ist die größere Oh- nesorge-Zahl Oh. Diese Ohnesorge-Zahl Oh beschreibt die Zähigkeit (dynamische Viskosität η) be- zogen auf die Deformation von Tropfen und Blasen (Durchmesser der Düse d; Dichte der Flüssigkeit ρ; Oberflächenspannung der Flüssigkeit σ). 2.4 Die letzte verbleibende Variable aus Gleichung 2.2 ist die optimale Wachstumsrate μopt. Diese ist wie folgt definiert. 2.5 Ob das Phänomen der „Zertropfung“ auf den Urinstrahl zutrifft, wird im späteren Verlauf noch weiter erörtert ist. Patentanwälte 10. April 2024 23 Bevorzugt trifft der Miktionsstrahl 12 nach 10 cm bis 20 cm auf die Oberfläche 1B der Gefäßwandung 1A, je nach Geschlecht, Länge der Harnröhre 8 und Toiletten- geometrie. Nach dem Aufprall des Miktionsstrahls 12 auf diese Oberfläche 1B breitet sich die- ser Miktionsstrahls 12 in der typischerweise geneigten Ebene der Oberfläche 1B kreisförmig aus, wie auch gemäß der Darstellung nach der Figur 3 detaillierter dar- gestellt ist. Gemäß der Darstellung nach Figur 3 sind nun beispielhaft zwei Arten (a bzw. b) eines Rieselfilms 16 gezeigt, die entstehen können, wenn ein Flüssigkeitsstrahl 12 auf eine vertikale Wand 1A trifft. Der Radius R kennzeichnet den Beginn des hydraulischen Sprungs 14, der sich bis zum Radius Rc ausbreitet. Der Winkel β ist der Kontaktwinkel zwischen der Flüs- sigkeit und der Oberfläche 1B der Wand 1A. Die Filmlänge ist mit l gekennzeichnet. Die Breite W des Rieselfilms 16 ist abhängig von der Art des entstandenen Oberflä- che 1B: Schwerkraftdominierend W, Oberflächenspannung und Schwerkraft haben den gleichen Einfluss Wt. Hierbei wird der entsprechende Rieselfilm 16 mit Hilfe der Reynolds-Zahl bestimmt. Es handelt sich um einen schwerkraftdominierten Rieselfilm 16, wenn die Reynolds- Zahl Re ≤ 1500 beträgt. Dabei wurde der Term des Massenstroms aus Messdaten gefittet. ^ ^^ = 4 4,3 ^^0,43 0,23 ^ ^^ ^^ 2.6 Aus der Formel kann abgeleitet werden, dass die Reynolds-Zahl vom Massenstrom ṁ und der dynamischen Viskosität μ abhängig ist. Die Reynolds-Zahl ist für die Aus- wahl der Formel der Filmbreite W von Relevanz. Der sich ausbildende Rieselfilms 16 hat vor dem hydraulischen Sprung 14 eine ge- ringe Höhe und nimmt auf der vertikalen Oberfläche 1A eine Fläche mit dem Radius R ein. Patentanwälte 10. April 2024 24 ^^ = 2.7 Neben dem Massenstrom und der dynamischen Viskosität haben die Dichte ρ, die Oberflächenspannung σ und der Kontaktwinkel β der Flüssigkeit gegenüber der Oberfläche 1A einen Einfluss auf den Ausbreitungsradius. Sobald der Rieselfilm 16 den Radius R erreicht, bildet sich ein hydraulischer Sprung 14 aus. Dieser entsteht, wenn sich die Geschwindigkeit eines dünnen Flüssigkeits- films 16 mit hoher Geschwindigkeit zu einer geringen Geschwindigkeit ändert. Durch die Änderung der Geschwindigkeit und aus Gründen der Kontinuität steigt die Höhe des der Rieselfilm 16 an. Es zeigt sich, dass die Breite W des schwerkraft- dominierenden der Rieselfilm 16 doppelt so breit wie der Radius des der Rieselfilm 16 nach dem hydraulischen Sprung 14 ist. Dieser steht im Verhältnis zum Radius des Films vor dem hydraulischen Sprung 14. 2 ^^ ≥ ^^ ^^ ≥ ^^ Es zeigt sich, dass Rc gleich R ist, wenn der Öffnungswinkel des Strahls 0° ist. Daraus ergibt sich eine Filmbreite W von: ^^ = 2 ^^ = 2 ^^ ^^ 2.8 Für den Fall, dass die Oberflächenspannung den gleichen Einfluss hat wie die Schwerkraft, berechnet sich die Filmbreite Wt wie folgt: 2.9 Gleichung 2.9 wird integriert und nach Wt umgestellt und das gelöste Integral mit f(β) ersetzt. Die Dichte und die dynamische Viskosität werden in die kinematische Viskosität ν umgewandelt. Der Winkel λ ist die Winkelkoordinate wie folgt: Patentanwälte 10. April 2024 25 Die Filmdicke δ bzw.18 wird in gemäß Nußelt ür die einzelnen Reynolds-Zahlen beschrieben. Gemäß der Darstellung nach Figur 4 ist noch ein Diagramm hinsichtlich der mittle- ren Nußelt-Zahl in Abhängigkeit von der Reynolds-Zahl bei nicht siedenden Rie- selfilmen gezeigt. Die Gleichung 2.11 für die Filmdicke 18 für glatte Filme 16 kann auch im pseudola- minaren Bereich Re < 400 genutzt werden. Experimentelle Untersuchungen bestä- tigen dies. Die zunehmende fluiddynamische Instabilität bei Re > 400 führt zu Gleichung 2.12 für die Berechnung der Filmdicke 18 für turbulente Filme 16. 2.11 ^^ = 2.12 Patentanwälte 10. April 2024 26 Die Gleichung 2.11 - 2.12 gelten auch für Rieselfilme 18 an geneigten Flächen, je- doch wird die Komponente der Schwerkraft g durch das Produkt aus der Schwer- kraft und dem Neigungswinkel der Gefäßwandung 1A g cos(α) ersetzt. Allgemein sind Rieselfilme 16 Flüssigkeitsfilme mit geringen Filmdicken 18. Sie bil- den sich beim gravitationsbedingten Fluss an einer vertikalen oder geneigten Platte oder Rohren bzw. Gefäßwandungen 1A. Rieselfilme 16 zeichnen sich ferner meist durch ihren besonders guten Stoff- und Energietransport aus. Dieser beruht auf der großen spezifischen Oberfläche und dem Strömungsverhalten im Rieselfilm 16 selbst. Sie unterscheiden sich von Rohrströmungen durch ihre freie Oberfläche zur angrenzenden Gasphase. Bei Rie- selfilmen 16 wird zwischen glatt laminaren, wellig laminaren und turbulenten Filmen unterschieden. Allgemein wird die Reynolds-Zahl den jeweiligen Strömungsbereichen zu geordnet. Die Reynolds-Zahl ist definiert als Verhältnis von Trägheitskräften zu Zähigkeits- kräften. Bei der Filmströmung entspricht dies der Umfangsbelastung (Massenstrom ṁ pro Filmbreite W) als Trägheitskraft und die dynamische Viskosität (η) als Zähigkeits- kraft: Es kann für die Beschreibung der Strömungsbereichen die Filmkennzahl verwendet werden, wobei diese definiert werden kann als: - glatt laminar: 1 - erster Übergangsbereich: 0,47 ^^ ൗ ^^ 10 1 ≤ ^^ ^^ ≤ 2,2 ^^ ൗ ^^ 10 Patentanwälte 10. April 2024 27 - stabile Welle: 2,2 - zweiter Übergangsbereich: 75 ≤ ^^ ^^ ≤ 400 - voll turbulent: ^^ ^^ ≥ 400 Die Zuordnung der einzelnen Bereiche zu den Strömungszuständen beruht auf Be- obachtungen bei senkrechten Wasserfilmen. Ferner bildet sich der Rieselfilm 16 bei der vorliegenden Miktion frei aus. Diese beiden Faktoren beeinflussen den Benetzungsgrad. Ein glatt laminarer Rie- selfilm 16 tritt in der Realität meist nur bei sehr kleinen Reynolds-Zahlen auf. Der gemäß der Darstellung nach der Figur 5 gezeigte der Rieselfilm 16 bzw. Flüs- sigkeitsfilm hat ein eher laminares Strömungsprofil, welches parabolisch seine Ma- ximalgeschwindigkeit an der freien Oberfläche erreicht, unter der Annahme, dass kein Impulsaustausch zwischen Flüssigkeits- und Gasphase herrscht und, dass an der Wand die Haftbedingungen gelten. Im Gegensatz hierzu variiert bei einem welligen Rieselfilm 16 seine wellige Oberflä- che die Höhe in y-Richtung, wie gemäß der Darstellung nach der Figur 6 gezeigt. Ein wellig laminarer Rieselfilm 16 bildet sich bei kleinen Reynolds-Zahlen aus. Die- ser unterscheidet sich vom glatt laminaren Rieselfilm 16 durch eine wellige Oberflä- che an der Phasengrenze. Der Rieselfilm 16 bildet Wellenberge und ist somit nicht mehr von gleichmäßiger Höhe. Trotz der anhaltenden laminaren Strömung (Schicht- strömung) verbessert sich der Stoff-, Energie- und Impulstransport gegenüber dem glatt laminaren Rieselfilm 16. Der Grund dafür ist der hinzukommende konvektive Term in der Strömung. Dieser entsteht durch eine Rollbewegung innerhalb der Wel- lenberge. Die Rollbewegung erneuert die Grenzschicht und transportiert die Energie in den Wellenberg. Die Ausbildung der Wellen erfolgt mit steigender Lauflänge des Rieselfilms 16 Im Einlaufbereich ist der Rieselfilm 16 laminar. Danach bilden sich Wellen verschiedener Art in Abhängigkeit von der Lauflänge beginnend mit sinus- förmigen Wellen über einen zweidimensionalen-welligen Film bis hin zu einen drei- dimensionalen-welligen Rieselfilm 16. Patentanwälte 10. April 2024 28 Der turbulente Rieselfilm 16 unterscheidet sich vom wellig laminaren Rieselfilm 16 durch die fehlende Schichtströmung, die durch eine vollständige Durchmischung ersetzt wird. Aus diesem Grund ist ein verbesserter Energietransport zu beobach- ten. Gemäß der Darstellung nach der Figur 7 sind nun die thermodynamischen Aspekte des Miktionsvorgangs dargestellt. Wie dort gut zu sehen ist, können beim Miktionsvorgang fünf thermodynamisch relevante Vorgänge bestimmt werden. Beginnend mit dem Miktionsstrahl 12, der nach dem Verlassen der Harnröhre 8 entsteht. Dieser Miktionsstrahl 12 gibt Energie in Form von Wärme an die Umgebung 10 abgegeben. Wenn Energie nicht allein durch molekularen Austausch, sondern auch durch makroskopische Bewegung des Fluids bzw. Urins 2A zwischen einen Fluid und einem Feststoff übertragen wird, wird von konvektiven Energietrans- port gesprochen. Beim konvektiven sowie beim molekularen Energietransport ist der Temperaturgradient die treibende Kraft, wie gemäß der Darstellung nach Figur 8 zu sehen ist. Die Stärke des Temperaturgradienten dT ist abhängig von der Grenzschicht dy. Diese wird durch den konvektiven Transport dünner. Dadurch werden der Tempe- raturgradient und der Wärmestrom größer. Basierend auf empirischen Beobachtun- gen des Phänomens wurde zur Berechnung desselben von Newton das Abkühlungsgesetz entwickelt. ^^ ≡ ^^ ^^ ∆ ^^ 2.15 Das Newtonsche Abkühlungsgesetz beschreibt den molekularen und den makro- skopischen Energietransport über eine Grenzfläche A aufgrund der Temperaturdif- ferenz ΔT zwischen Wand und Fluid. Der Wärmeübergangskoeffizient α beschreibt dabei die Fähigkeit des Fluids, einen Wärmestrom pro Fläche und Kelvin angelegter Temperaturdifferenz zu übertragen. Dieser ist jedoch keine Stoffeigenschaft, sondern abhängig von Geometrie, Strö- mungsverhältnissen und Stoffeigenschaften. Die Bestimmung erfolgt entweder ex- perimentell oder durch semi-empirische Korrelationsgleichungen. Patentanwälte 10. April 2024 29 Die Bestimmung des Wärmestroms Q̇F|L und des Wärmeübergangskoeffizienten αF|L erfolgt experimentell. Der Aufwand des Experimentes ist gering, da neben dem Wärmeübergang vom Freistrahl bzw. Miktionsstrahl 12 zur Luft 10A kein anderer Vorgang abläuft. Die Berechnung des Wärmeübergangskoeffizient erfolgt bevorzugt mit Gleichung 2.15. Die Bestimmung des benötigten Wärmestroms kann durch Gleichung 2.16 erfolgen. Für die Berechnung wird neben dem Massenstrom und der Temperaturdifferenz die spezifische Wärmekapazität cp benötigt. Die Temperaturdifferenz wird bevorzugt durch zwei Temperatursensoren am Stahlanfang und -ende gemessen. ^^ = ^^ ^^ ^^ ൫ ^^ ^^, ^^ ^^ ^^ − ^^ ^^, ^^ ^^ ^^ ^^ ^^ ൯ 2.16 Der nächste Vorgang bei der Miktion ist der Wärmeübergang vom Urinfilm bzw. Rieselfilm 16 zur angrenzenden Luft 10A. Infolgedessen wird der Wärmestrom Q̇U|L bevorzugt mit Gleichung 2.15 bestimmt. Um den Wärmeübergangskoeffizienten der Luft 10A zu berechnen, wird die An- nahme gemacht, dass der Rieselfilm 16 sich wie eine geneigte ruhende Wand ver- hält. Der Wärmeübergangskoeffizient seitens der Luft 10A wird bevorzugt wie folgt be- stimmt: Um den Wärmeübergangskoeffizienten mit Gleichung 2.17 zu bestimmen, werden die Lauflänge Lf, die Wärmeleitfähigkeit λ und die Nußelt-Zahl benötigt. Die Nußelt-Zahl ist für ein Fluid auf einer geneigten Platte bzw. Wand wie folgt de- finiert: Patentanwälte 10. April 2024 30 1 1 ^^ ^^ = 0,56 ( ^^ ^^ ^^ cos ^^)1ൗ 3 + 0,13 ^ ^^ ^^3 − ^^ ^^ ^ 3 ^^ 2.18 Im Gegensatz zur Definition der Nußelt-Zahl beim Rieselfilm 16 wird die Nußelt-Zahl des Fluids hier durch die Rayleigh-Zahl Ra definiert. Die Rayleigh-Zahl beschreibt den Charakter der Wärmeübertragung innerhalb eines Fluids und unterscheidet, ob die Wärmeübertragung primär durch Konvektion oder durch Wärmeleitung geschieht. Dies wird durch einen kritischen Wert der Rayleigh- Zahl indiziert, wenn die Wärmeübertragung primär konvektiv ist. Die Rayleigh-Zahl bildet sich aus dem Produkt der Prandtl-Zahl und der Grashof-Zahl Gr. ^^ ^^ = ^^ ^^ ^^ ^^ 2.19 2.20 Pr = ^^ ^^ 2.21 Die Grashof-Zahl gibt das Verhältnis des Produktes aus Auftriebskraft und Träg- heitskraft bezogen auf das Quadrat der kinematischen Viskosität. Als unbekannte Variable ist der Wärmeausdehnungs-koeffizient β zu nennen. Die Prandtl-Zahl ist definiert als Verhältnis der kinematischen Viskosität und der Temperaturleitfähigkeit a. Die kritische Rayleigh-Zahl kann auf Basis des Diagramms gemäß der Darstellung nach Figur 9 bestimmt werden. Die Bestimmung des Wärmeübergangskoeffizienten des Rieselfilms 16 kann für verschiedene Strömungscharakteristiken mit Gleichung 2.22 bestimmt werden. 2.22 Patentanwälte 10. April 2024 31 Um den Wärmeübergangskoeffizienten zu bestimmen, muss die Wärmeleitfähigkeit λ des Rieselfilm 16 und die Nußelt-Zahl Nu bestimmt werden. Die Nußelt-Zahl dient zur Beschreibung des konvektiven Wärmeübergangs und ist abhängig von der Rey- nolds-Zahl und der Prandtl-Zahl. Die Reynolds-Zahl muss für jede Problemstellung neu berechnet werden, da sich ihre spezifische Definition mit der Problemstellung ändert. Die spezifische Definition gemäß Gleichung 2.6 ist identisch mit der Defini- tion, welche die Nußelt-Zahl beschreibt. Die Prandtl-Zahl ist in diesen Vorgang ebenso definiert wie in Gleichung 2.21. Für den Rieselfilm 16 kann die Nußelt-Zahl für die verschiedenen Strömungsberei- che unterschiedlich bestimmt werden. ^^ ^^ = 0,0425 ^^ ^^ 1 5 ^^ ^^ 0,344 2.25 ^^ ^^ = 0,0136 ^^ ^^ 2 5 ^^ ^^ 0,344 2.26 Die Nußelt-Zahl für laminare thermisch ausgebildete Strömungen wird mit Glei- chung 2.23 berechnet. C∞ wird für einen konstanten Wärmestrom mit 1,43 ange- nommen. Gleichung 2.24 berechnet die Nußelt-Zahl für die thermische Einlauflänge. Die thermische Einlauflänge ist die Länge, die der Film benötigt, um eine vollständig ausgebildete thermische Strömung auszubilden. Es wird ^^0̅= 1,10 für einen konstanten Wärmestrom angenommen. Die Filmlange ist mit L gekenn- zeichnet. Gleichung 2.25 berechnet die Nußelt-Zahl für den Übergangsbereich zur turbulenten Strömung und Gleichung 2.26 für turbulente Strömungen. Die Auswahl der Nußelt-Zahl erfolgt bevorzugt über den Vergleich des Ergebnisses der Gleichun- gen 2.23 – 2.26. Patentanwälte 10. April 2024 32 Der Wärmestrom Q̇U|P des Urins 2A auf das Porzellan bzw. die Gefäßwandung 1A des Gefäßes 1 bzw. der Toilette kann mit dem Wärmeübergangskoeffizient αU be- stimmt werden. Der Wärmestrom Q̇P|L erfolgt mit dem Wärmeübergangskoeffizient αL. Die Wärmestrom Q̇WL innerhalb der Gefäßwandung 1A bzw. des Porzellans kann mittels der Wärmeleitungsgleichung ermittelt werden. Im Folgenden wird die Wär- meleitungsgleichung beispielhaft hergeleitet. Um ein Problem der Wärmeleitung lö- sen zu können, kann ein Temperaturfeld (ϑ(x, t)) in Abhängig von Ort x und Zeit t bestimmt werden. Mit der Bestimmung des Temperaturfeldes kann auf Basis des Gesetzes nach Fourier auch das dazugehörige Feld der Wärmestromdichte q̇ be- rechnet werden. ^^(̇ ^^, ^^) = − ^^ gradϑ( ^^, ^^) 2.27 Dadurch kann jeder durch Leitung transportierte Wärmeström an beliebigen Stellen des Körpers bestimmt werden. Das gesuchte Temperaturfeld kann durch das Lösen der partiellen Differentialgleichung der Wärmeleitungsgleichung bestimmt werden. Diese wird im Folgenden hergeleitet. Dafür wird der erste Satz der Thermodynamik auf ein geschlossenes System mit dem Volumen V und der Oberfläche A ange- wandt. 2.28 Dadurch entsteht mit Gleichung 2.28 die Leistungsbilanz. Diese beschreibt die zeit- liche Änderung dt der inneren Energie U durch den Wärmestrom Q̇ und die Leistung P. Unter der Annahme, dass im Fall dieser Thesis die Wärmeleitung eines Festkör- pers betrachtet wird und die Temperaturdifferenz gering ist, kann die Dichte ρ als konstant angesehen werden. 2.29 Patentanwälte 10. April 2024 33 Das entstandene Integral erstreckt sich über das Volumen des betrachteten Sys- tems. Neben der Annahme der konstanten Dichte wird ebenso die spezifische in- nere Energie u eingeführt. Dadurch ergibt sich mit der spezifischen Wärmekapazität c(ϑ): ^^ ^^ = ^^(ϑ)dϑ 2.30 Mit den Gleichungen 2.29 und 2.30 kann die Gleichung für die zeitliche Änderung der inneren Energie des betrachteten Bereichs formuliert werden. ^^ ^^ ^^ ^^ = ^^^ ^^(ϑ) ^^ ^^ ^^ ^^ 2.31 ^^ ^^ ^^ Der Wärmestrom, der über die Oberfläche des Volumens hinaus fließt, kann be- stimmt werden, indem ein infinitesimal kleines Element der Oberfläche betrachtet wird. Die Normale n des betrachteten Elements ist nach außen gerichtet. Dadurch ist ein in das Element einfließender Wärmestrom mit einem Minuszeichen versehen. ^^ ^^ = − ^^ ^^̇ ^^ ^^ 2.32 Durch die Integration aller Wärmeströme (Gleichung 2.32) wird der Gesamtwär- mestrom ermittelt. Durch den Gaußschen Integralsatz wird das über die Oberfläche des Volumens gespannte Integral in das Volumenintegral der Divergenz vom spe- zifischen Wärmestrom q̇ umgewandelt. Die Divergenz kann in diesen Fall als Quell- dichte betrachtet werden. Wärmeströme, die hineinfließen (Senken) haben eine negative Divergenz. Bei einer Divergenz = 0 ist das System quellfrei. ^^ ^^̇ ^^ 2.33 Unter der Annahme, dass im Porzellan keine interne Wärmequelle vorhanden ist, vereinfacht sich folgende Gleichung um den entsprechenden Term. Für die folgende Gleichung werden Gleichung 2.31 und 2.33 in die Gleichung der Leistungsbilanz eingesetzt. Patentanwälte 10. April 2024 34 ^ ^ ^^c(ϑ) ^^ϑ + ^^ ^^ ^^ ^^ ^^ ^̇^ = 0 2.34 ^^ ^^ ^^ Für beliebige Bilanzbereiche verschwindet das Volumenintegral, sofern der In- tegrand null ist. Ebenso kann mittels des Gesetzes von Fourier die Wär- mestromdichte mit dem Temperaturgradienten verknüpft werden. grad(ϑ)] 2.35 Unter der Annahme einer konstanten Wärmeleitfähigkeit λ wird die Divergenz in einen Laplace-Operator umgewandelt. Dadurch kann eine Temperaturleitfähigkeit a gebildet werden. 2.36 ^^ ^^ = ^^ ^^ 2.37 Mittels Gleichung 2.38 ergibt sich für ein 3-dimensionales Problem folgende Lösung. 2.38 Mit Gleichung 2.38 können die Temperaturen im Inneren des Körpers in alle Koor- dinatenrichtungen x, y, z beschrieben werden. Dadurch wird jedoch das Tempera- turfeld nicht vollständig festlegt. Damit die Differentialgleichung erfüllt werden kann, müssen Grenzbedingungen festgelegt werden. Zeitliche Grenzbedingungen werden Anfangsbedingungen genannt. Diese be- schreiben den Zustand des Systems, in diesen Fall die Starttemperatur. Die Zeitzählung beginnt ebenfalls an diesen Punkt. Aufgrund dessen ergibt sich die Be- dingung ϑ(x, y, z, t=0) = ϑ0(x, y, z). Örtliche Grenzbedingungen werden Randbedingungen genannt. Diese beschreiben den Zustand des Systems an dessen Oberfläche. Randbedingungen können in zwei Gruppen unterteil werden: Patentanwälte 10. April 2024 35 - Randbedingungen 1. Art (Dirichelt): Die Temperatur ist als Funktion der Zeit und des Ortes festgeschrieben ϑ(x, y, z, t), - Randbedingungen 2. Art (Neumann): Die Wärmestromdichte normal zur Oberfläche ist als Funktion der Zeit und des Ortes festgeschrieben ^^ =̇ Bei Test konnten folgende Simulationen mit zwei Simulationstools durchgeführt wer- den; und zwar ein Pythoncode zur eindimensionalen Berechnung und eine dreidi- mensionale Simulation mit dem Programm OpenFoam. Für die Simulationen soll die Annahme gelten, dass der Wärmeübergang vom Mik- tionsstrahl 12 zur Luft 10A vernachlässigt werden kann. Ob diese Annahme zulässig ist, wurde durch den Vergleich der Wärmewiderstände geprüft. Eindimensionale Simulation Die Wärmeleitung innerhalb der Gefäßwandung 1A bzw. des Porzellans wird mittels Gleichung 2.38 beschrieben. Bei der eindimensionalen Simulation entfallen die Terme in Koordinatenrichtungen y und z. Daraus ergibt sich hergeleitet aus Glei- chung 3.1 die folgenden Gleichungen für die Wärmeleitung, wobei n für den Zeit- schritt und i für die Position auf der Raumkoordinate steht. ^^ ^^ ^^2 ^ 3.1 ^ = ^^ ^ ^^ ^ ^^ ^^2 In der eindimensionalen Simulation wird lediglich die Gefäßwandung 1A bzw. das Porzellan betrachtet. Patentanwälte 10. April 2024 36 Der Rieselfilm 16 und die angrenzende Luft 10A werden jeweils mittels einer Neumann-Bedingungen dargestellt. 3.6 Gleichung 3.6 zeigt die Neumann-Randbedingung mathematisch ausgedrückt. Da- bei beschreibt ^^ ^ ^ ^^ die Wandtemperatur der Gefäßwandung 1A bzw. des Porzellans zu einer beliebigen Zeit. ^^ ^ ^ ^^ beschreibt die Temperatur des nächsten Punktes in der Gefäßwandung 1A bzw. in dem Porzellan und ∆ ^^ den Abstand zwischen den Punk- ten. In die Randbedingung wird Gleichung 2.15 abgewandelt eingesetzt. Diese be- schreibt den Wärmeübergang zwischen einem Fluid und einen Feststoff, daraus ergibt sich Gleichung 3.7. 3.7 Die Temperaturdifferenz in der Gleichung des Wärmeübergangs beschreibt die Dif- ferenz zwischen Wandtemperatur und Fluidtemperatur. Durch Umformen erhält ergibt sich die Randbedingung für die Wand des Porzellans. Gleichung 3.8 gilt sinngemäß gleichermaßen für beide Seiten der Gefäßwandung 1A bzw. des Porzellans, sowohl während als auch nach der Miktion. Mit der Randbedingung aus Gleichung 3.8 kann im Code die Miktion und die Ab- kühlung berechnet werden (vgl. auch Diagramm gemäß der Darstellung nach der Figur 10). Dreidimensionale Simulation Die dreidimensionale Simulation mit verschiedenen Solver erscheint kaum verwert- baren Ergebnisse liefern zu können. Eine erste Simulation betrachtet damit, wie die eindimensionale Simulation, lediglich die Gefäßwandung 1A bzw. das Porzellan. Patentanwälte 10. April 2024 37 Dafür wird das in OpenFoam integrierte Generierungswerkzeug blockMesh verwen- det, um ein Plattenteil mit den Maßen von 10 x 12 x 2 cm (L x H x T) zu erstellen. Die Auflösung des Netzes beträgt 0,05 cm in jede Richtung. Die zwei großen Flä- chen bilden dabei die Ober- und Unterseite des Plattenteils. Die kleinen Flächen werden als Seitenflächen zusammengefasst. Die Oberflächen werden anschlie- ßend einzeln benannt. Diese Benennung ist für die Zuteilung der Randbedingungen von Relevanz. Der Urinfilm bzw. Rieselfilm 16 wird mit Hilfe der Werkzeuge topoSet und createPatch – overwrite als eine eigenständige Oberfläche deklariert. Dadurch kann dieser Oberfläche eine separate Randbedingung zugewiesen werden. Der Urinfilm bzw. Rieselfilm 16 ist aufgrund der Symmetrie entlang der Fließrichtung geteilt. Er setzt sich aus einem Viertelkreis und einem Rechteck zusammen. Im ers- ten Versuch wird der Oberseite und der Unterseite eine Neumannbedingung q̇ = 0 zugwiesen. Die Randbedingung der Seiten der Plattenteile werden auf die gleiche Weise beschrieben. Die Urinfilmfläche wird mit einer konstanten Temperatur von 36°C definiert. Danach wird die Simulation mit dem LaplacianFoam simuliert. Nach der Berechnung des Problems werden die Ergebnisse mittels foamToVTK in ein geeignetes Format umgewandelt. Diese werden anschließend in Paraview visuali- siert (vgl. hierzu Figuren 11 und 12). Da die Simulation allein das Aufheizen des Plattenteils, aber nicht den Wärmeüber- gang vom Fluid an das Plattenteil simuliert, wurde die Simulation mit einer neuen Randbedingung versehen. Die Randbedingung laserConvection ist eine nicht in O- penFoam integrierte Randbedingung, die den Wärmeübergang simulieren kann. Einstellbare Parameter sind die Wärmeübergangskoeffizienten während des Auf- heizens und des Abkühlens, sowie die Dauer des Aufheizens. Die Integrierung die- ser Randbedingung ist nicht möglich, der Grund dafür ist nicht bekannt. Der nächste Schritt besteht in der Nutzung eines anderen Solvers. Dafür wird der Solver chtMultiregionFoam genutzt. Dieser Solver ermöglicht nicht nur die Wärme- leitung innerhalb der Gefäßwandung 1A bzw. des Porzellans, sondern auch die Strömung und den Wärmeübergangs des Rieselfilms 16 berechnen. Zu diesem Zweck wurde das Programm Simflow genutzt, das eine grafische Benutzeroberflä- che darstellt. Diese beruht ausschließlich auf OpenFoam. Für die erste Simulation mit Simflow wird die Geometrie für des Plattenteils und den Urinfilm bzw. Rieselfilm Patentanwälte 10. April 2024 38 16 vorgegeben, die mit Hilfe des Programms GMSH erstellt und mit einem Netz versehen wird. Im Gegensatz zur ersten Geometrie besitzt hier der Film ein Volu- men und ist nicht geteilt. Das Vorgehen ist ähnlich zum Vorgehen mit dem Laplaci- anFoam-Solver in OpenFoam, jedoch erfordert der Solver chtMultiRegionFoam- Solver die Stoffwerte für die Gefäßwandung 1A bzw. Porzellan und Urin 2A. Für Urin 2A wurden die Stoffwerte von Wasser angenommen. Nachfolgend wird beispielhaft ein Miktionsvorgang beschrieben. Die einstellbaren Parameter hierbei sind: - Miktionsvolumen, - Miktionsvolumenstrom, - Miktionszeit (als Produkt der oberen beiden), - Miktionstemperatur, - Der Aufprallort des Strahls. Die Bestimmung des Wärmübergangskoeffizienten des Flüssigkeitsstahls bzw. Mik- tionsstrahls 12, der Filmbreite und der Oberflächentemperatur der Gefäßwandung 1A bzw. des Porzellans. Zuerst wird der Wärmeübergangskoeffizient beim Wärmeübergang vom Freistrahl bzw. Miktionsstrahl 12 zur Luft 10A bestimmt. Wie gemäß der Darstellung nach Figur 13 gut zu erkennen ist, ist ein Temperatur- fühler 20 auf die Toilettenoberfläche 1B angeordnet und nach unten hin isoliert. Der Miktionsstrahl 12 trifft hierbei den Temperaturfühler 20. Währenddessen wer- den die Temperaturen am Ausgang TStart der Harnröhre 8 und auf der Toilettenober- fläche TEnd erfasst. Diese Prozedur wird für einen Miktionsvolumenstrom von 10 ml/s und 20 ml/s jeweils dreimal wiederholt. Da der Temperaturfühler 20 meist träge in seinem Messverhalten ist, erfolgt die Miktion bis zum Erreichen einer kon- stanten Temperatur. Mit Gleichung 2.16 wird der übertragende Wärmestrom be- rechnet. Der Massenstrom kann über den Volumenstrom bestimmt werden. Für cp wird die die Wärmekapazität von Wasser bei der entsprechenden Temperatur an- genommen. Diese wird als konstant vorausgesetzt, falls die Temperaturdifferenz Patentanwälte 10. April 2024 39 kleiner 10°C ist. Mit dem Wärmestrom aus Gleichung 2.16 und Gleichung 2.15 wird der Wärmeübergangskoeffizient bestimmt. Für die experimentelle Bestimmung der Filmbreite bzw. der räumlichen Verteilung 24 des Rieselfilms 16 wird auf die Oberfläche 1B der Toilette wird ein Gitter bzw. eine Detektionsfläche 22 mit einer Kästchenbreite von 1x1 cm angebracht. So kann trotz Krümmung der Oberfläche 1B die reale Filmbreite bzw. die räumlichen Vertei- lung 24 gemessen werden (vgl. Darstellung gemäß der Figur 14). Die Bestimmung der Filmbreite bzw. der räumlichen Verteilung 24 erfolgt für die Volumenströme 10 ml/s bis 20 ml/s in 2,5 ml/s Schritten. Dafür trifft der Miktions- strahl auf das mittlere obere Ende des Gitters 22, sodass sich der hydraulische Sprung 14 und der Rieselfilm 16 über dem Gitter 22 ausbreiten. Wie gemäß der Darstellung nach der Figur 15 gut erkennbar ist, ist insbesondere zur Bestimmung von Temperarturen bzw. Temperaturveränderungen hinsichtlich des Rieselfilms 16 und oder der Gefäßwandung 1A an dem Gefäß 1 eine Vorrich- tung 30 zum Beobachten eines Miktionsverlaufs angeordnet, wobei die Vorrichtung 30 zum Detektieren von Temperaturen und/oder Temperaturveränderungen an dem Rieselfilm 16 aus Urin 2A und/oder an der Gefäßwandung 1A des Gefäßes 1 we- nigstens eine Infrarotsensoreinrichtung 32 und/oder eine Kapazitätssensoreinrich- tung (hier nicht gezeigt) aufweist Die Infrarotsensoreinrichtung 32 misst bzw. detektiert während der Miktion bevor- zugt eine Mischung aus Oberflächen- und Rieselfilmtemperatur. Die Eindringtiefe von Infrarotstrahlen kann je nach Strahlung von 5 mm (IR-A) bis wenige Micrometer (IR-C) betragen. Der Temperatursensor 34 (siehe roter Kreis) der Infrarotsensoreinrichtung 32 ist an einem Armteil 36 der Vorrichtung 30 zur Urinanalyse befestigt und derart ausgerich- tet, dass er mittig kurz vor dem Siphonbereich 6 misst. Die Position und Größe des Messflecks 38 der Infrarotsensoreinrichtung 32 ist ge- mäß der Darstellung nach der Figur 15 beispielhaft optisch dargestellt. Patentanwälte 10. April 2024 40 Der Temperatursensor 34 misst über den gesamten Messfleck 38 hinweg mehrere Temperaturen und berechnet aus diesen eine mittleren Temperatur insbesondere der Gefäßwandung 1A. Die Messfleckgröße wird durch den Öffnungswinkel (10°) und der Entfernung zur Gefäßwandung 1A bzw. der Toilette (21 cm) bestimmt. Da- raus ergibt sich einen Messfleckgröße von 3,7 cm im Durchmesser. Für bereits zuverlässige die Messungen können drei Aufprallpunkte für den Flüssig- keitsstrahl bzw. Miktionsstrahl 12 festgelegt werden, wie gemäß der Darstellung nach der Figur 16 zu erkennen ist. Der Messpunkt P0 liegt in einer Linie zum Mess- fleck 38 des Temperatursensors 34. Die anderen beiden Aufprallpunkte liegen bei- spielhaft 5 cm rechts (P1) bzw. links (P2) zum Punkt P0. Hierbei können relevanten Parameterkombinationen sein: - konstantes Miktionsvolumen, variable Miktionszeit, - konstante Miktionszeit, variable Miktionsvolumen, - konstante Miktionszeit, variable Aufprallposition des Strahls, - konstantes Miktionsvolumen, variable Aufprallpositionen des Strahls. Unter den genannten Gesichtspunkten werden in der folgenden Tabelle alle Para- meterkombinationen aufgeführt. Wiederho- Ge- Miktionsvolu- Miktionsdurch- Miktions- Posi- -1 lung pro samt- men /ml fluss /ml•s zeit /s tion Messung anzahl 210, 240, 270, 14, 16, 18, 20, 15 P0 3 15 300, 330 22 200, 220, 240, 10,11, 12, 12.5, 20 P0 3 39 250, 260, 280, 13, 14, 15, 16, 300, 320, 340, 17, 17.5, 18, 19, 20 Patentanwälte 10. April 2024 41 350, 360, 380, 400 250, 300, 350, 10 25, 30, 35, P0 3 12 400 40 200, 400 15 13.3, 26.7 P0 3 6 200 20 10 P0 3 3 200* 9 22.2 P0 3 3 550* 20 27.5 P0 3 3 200, 220, 240, 10,11, 12, 13, 20 P1 3 33 260, 280, 300, 14, 15, 16, 17, 320, 340, 360, 18, 19, 20 380, 400 300, 400 10 30, 40 P1 3 6 200, 300 20 10, 15 P1 3 6 200, 220, 240, 10,11, 12, 13, 20 P2 3 33 260, 280, 300, 14, 15, 16, 17, 320, 340, 360, 18, 19, 20 380, 400 300, 400 10 30, 40 P2 3 6 200, 300 20 10, 15 P2 3 6 Die Parameter und die Messwerte können mit den folgenden Genauigkeiten einge- stellt beziehungsweise gemessen werden: Parameter/Messwert Genauigkeit phys. Einheit Patentanwälte 10. April 2024 42 Temperatur Porzellanoberfläche ± 0,5 °C Temperatur Reservoir ± 0,1 °C Temperatur Katheter ± 0,1 °C Temperatur Umgebung ± 0,2 °C Volumen -0,5/+4,0 % Messposition 0,015 mm Die Überprüfung der Temperatursensoren ergab folgende Werte: Ort mittler Temperatur Standardabweichung [°C] Umgebung 23,75 0,0 Toilettenoberfläche 23,57 0,16 Reservoir 23,65 0,03 Katheter 23,16 0,02 Auswertung der Messdaten und des simulationsbasierten Fit Bevor die Messdaten beispielhaft gefittet werden können, müssen diese aufbereitet werden. Das Messsignal, die Parameter und die Temperaturdaten werden in einer SQL-Datenbank gespeichert. Diese wird mittels eines Pythoncodes ausgelesen. Der Start der Miktion (start_pee) wird ermittelt, indem Peaks im Messsignal unter- sucht werden. Dabei muss der Peak, welcher zur Startzeit gehört, eine gewisse Breite und Höhe haben. Ebenso wird die Distanz zum nächsten Peak mit in die Auswahl einbezogen. Nach dem gleichen Prinzip wird auch das Ende der Miktion (end_pee) detektiert. Der Start- und Endpunkt wird automatisch durch einen Python- Patentanwälte 10. April 2024 43 Code bestimmt. Die Auswertung des Start- Endpunktes erfolgt außerdem nochmals manuell. Die Standardabweichung (vgl. Darstellung nach Figur 17) der Start- und Endwerte liegt bei einer manuellen Auswertung bei 2,1%. Die automatische Auswertung, weist eine deutlich höhere Abweichung mit 21,4% auf. Dies liegt hauptsächlich an weni- gen Ausreißern mit einem relativen Fehler von bis zu circa -95%. Durch Eliminierung der Ausreißer oder anschließender manueller Auswertung dieser, kann die automa- tische Auswertung verwendet werden. Bei der Auswertung kann die Temperatur der Oberfläche des Porzellans in Abhän- gigkeit von der Zeit aufgetragen werden. Das T-t-Diagramm gemäß der Darstellung nach der Figur 18 zeigt einen charakteristischen Temperaturverlauf. Die Temperaturkurve kann in drei Abschnitte eingeteilt werden. Bereich I (gelb) um- fasst den Beginn der Miktion. In den ersten Sekunden ist ein starker Anstieg der Temperatur zu beobachten. Das Fluid heizt die Porzellanoberfläche auf. Die Stei- gung der Kurve im Bereich I wird durch den Wärmeübergangskoeffizienten αU|P be- stimmt. Je größer der Wärmeübergangskoeffizient, desto steiler der Anstieg. Bereich II (rot) zeigt den weiteren Temperaturverlauf bis zum Ende der Miktion. Die Kurve steigt geringer als in Bereich I, dies ist auf die Annäherung der Oberflächen- temperatur an die Fluidtemperatur zurückzuführen. Nach Ende der Miktion fällt die Temperatur stark ab. Dies kann in Bereich III (blau) beobachtet werden. Die nega- tive Steigung der Temperaturkurve lässt sich einerseits durch den Wärmetransport innerhalb des Materials, anderseits durch den Wärmeübergang vom Porzellan auf die Luft erklären. Das Spülen des Katheters vor einer Messung führt (siehe Figur 18) zu einem leichten Temperaturanstieg vor der eigentlichen Messung. Das Spülen ist nötig, damit der der Urin nicht vor dem Verlassen das Katheters abkühlt. Zu jedem Parametersatz werden drei Messungen durchgeführt, um Ausreißer oder fehlerhafte Messungen erkennen zu können. Für den Simulationsfit werden die Messdaten eines Parametersatzes gemittelt und ein Triplet erstellt. Ein Triplet be- steht aus drei Messdatensätze mit gleichen Parametern. Der zeitliche Abstand ei- nes jeden Messpunktes zum nächsten variiert bezogen auf das Messintervall. Die ist durch die technischen Gegebenheiten des Teststandes bedingt. Der Teststand Patentanwälte 10. April 2024 44 sendet beispielsweise zehnmal pro Sekunde den Befehl, die Oberflächentempera- tur zu messen. Das System setzt diesen Befehl um und versieht jeden Messwert mit einen Zeitstempel. Dieser ist die reelle Zeit, zu der die Temperatur gemessen wird. Da die Ausführungszeit minimal variiert, variiert auch der zeitliche Abstand zwischen den Messpunkten minimal. Bevor die Messdaten gemittelt werden kön- nen, müssen daher die Zeitstempel angepasst werden. Die Wärmeleitung innerhalb des Porzellans wird zu jeder Zeit durch die Gleichung 3.5 beschrieben. Die Randbedingungen des Modells sind zeitabhängig und werden durch abgewandelte Formen der Gleichung 3.8 beschrieben. Die Randbedingung im Bereich A gemäß der Darstellung nach Figur 19 spiegelt den Wärmeübergang des Urins 2A an die Gefäßwandung 1A bzw. an das Porzellan (Gleichungen 4.1) und von der Gefäßwandung 1A bzw. von dem Porzellan an die Luft 10A (Gleichungen 4.2) wider. ^^0 ^^ = ^^ ^^ 1 + ^^ ^^ ^^ ^^ ∆ ^^ 1 + ^^ 4.1 ^^ ∆ ^^ ^^ ^^ ^^ ^^ ^^ Diese Kombination (Gleichungen 4.3) beschreibt den Beginn der Miktion. Die rest- liche Kurve unter der gelbmarkierten Miktionsfläche, wird mit der Randbedingung des Wärmeübergangs vom Urin 2A zu der Gefäßwandung 1A bzw. zu dem Porzel- lan durch Gleichung 4.1 beschrieben. Die Steigung in Teil B stellt das Ende der Miktion (Gleichungen 4.4) dar. 4.4 Patentanwälte 10. April 2024 45 Nach Bereich B ändert sich die Randbedingung zum Wärmeübergang von der Ge- fäßwandung 1A bzw. von dem Porzellan zu Luft 10A, der mit Gleichung 4.2 be- schrieben wird. Nachdem der Fit physikalisch ausformuliert wurde, wird dieser an die Messdaten angepasst. Dafür wird das Python-Paket lmfit genutzt. Lmfit passt den Fit an die Messwerte mit Hilfe der Methode der kleinsten Quadrate an. Im Ge- gensatz zu andern Python-Paketen bietet lmfit die Möglichkeit, Parameter mit einem Status zu versehen. Der Status eines Parameters entscheidet darüber, ob dieser bei der Anpassung des Fit verändert wird oder konstant bleibt. Die folgenden Para- meter werden beim Fit angepasst: Die nachstehende Tabelle zeigt Maximal- und Minimalwerten. Der Startwert ist nicht angegeben, wenn dieser vom Messwertsatz abhängig ist und dadurch kein Fehler in der Anpassung auftritt. Formel- phys. Minimal- Maximal- Start- Parameter zeichen Einheit wert wert wert Wärmeüber- W m-2 K-1 gangs-koeffizient h 100 10 000 5000 Urin Wärmeüber- W m-2 K-1 gangs-koeffizient h_luft 5 200 75 Luft Initialtemperatur K T_init 20 41 - Urin Zeitschrittgröße dt_ind ms 1 300 - Aus den Messdaten und dem simulationsbasierten Fit werden mit Hilfe von drei Me- thoden Informationen über den Miktionsvolumenstrom gewonnen. Je nach der be- schriebenen Methode wird gemäß der Darstellungen nach den Figuren 25 bis 33 Patentanwälte 10. April 2024 46 und Figuren 36 bis 40 wird jeweils der Gradient, die Fläche oder der Wärmeüber- gangskoeffizient in Abhängigkeit vom Volumenstrom dargestellt. Die erste Methode betrachtet den Gradienten zwischen den Messpunkten, die im gelbmarkierten Be- reich liegen (siehe Figur 19). Dazu wird jeder Gradient zwischen zwei benachbarten Messpunkten errechnet und ein mittlerer Gradient über die Summe der Gradienten gebildet. Die Menge der verwendeten Messpunkte richtet sich dabei nach der be- trachteten Zeit. Die Zeitintervalle, während derer die Gradienten berechnet werden, erstrecken sich, ausgehend vom Start der Miktion, über 1, 4, 7 und 10 Sekunden. Der Maximalwert von 10 Sekunden wurde aufgrund von möglichen kurzen Miktions- zeiten gewählt. Die Gradienten sind abhängig vom Wärmeübergangskoeffizienten. Dieser ist über die Nußelt-Zahl (siehe Gleichung 2.19) und dadurch über die Rey- nolds-Zahl (siehe Gleichung 2.21 -2.24) definiert. Die Reynolds-Zahl wird mit dem Massenstrom (siehe Gleichung 2.6) berechnet. Somit erlaubt der Gradient Rück- schlüsse auf den Massenstrom beziehungswiese Volumenstrom. Die zweite Methode betrachtet die gelbmarkierte Fläche unterhalb der Miktions- kurve (siehe Figur 19) 1, 4, 7 und 10 Sekunden nach Beginn der Miktion. Anhand der Fläche werden Rückschlüsse auf den Volumenstrom gezogen. Mit Hilfe des Simulationsfits wird im Rahmen der dritten Methode der Wärmeüber- gangskoeffizient direkt bestimmt. Die Ermittlung des Volumenstroms erfolgt analog zu den ersten beiden Methoden. Hydrodynamik Im Folgenden werden die Berechnungen für den Flüssigkeitsfilm, den hydraulischen Sprung 14 und den Rieselfilm 16 mit den Beobachtungen während der Experimente verglichen. Sämtliche verwendeten Stoffwerte sind. Die Stoffwerte beziehen sich auf die Stoffwerte von Wasser bei 36 °C und für Luft auf 20 °C (siehe Darstellung gemäß der Figur 21). Flüssigkeitsstrahl Es soll berechnet werden, ob der Flüssigkeitsstrahl „zertropft“. Dafür wird als erster Schritt die optimale Wachstumsrate des Strahls mit Gleichung 2.5 berechnet. Der Durchmesser des Strahls wird dem Durchmesser des Katheters gleich-gesetzt und Patentanwälte 10. April 2024 47 beträgt 4 mm. Die Berechnung der Wachstumsrate ergibt μopt = 33 s-1. Der nächste Schritt besteht in der Berechnung der Ohnesorge-Zahl gemäß Gleichung 2.4. Diese ergibt eine Ohnesorge-Zahl von Oh = 1,34∙10-3. Aus der Wachstumsrate und der Ohnesorge-Zahl kann über Gleichung 2.3 die theoretische Zerfallszeit mit Gleichung 2.2 berechnet werden. Der Strahl zerfällt nach Tth = 0,77 s. Daraus folgt nach Gleichung 2.1, dass bei einem Volumenstrom von 10-20 ml s-1 der Strahl nach Lth = 0,62-1,23 m zertropft. Die Strahlgeschwindigkeit wird aus dem Volumenstrom und der Querschnittsfläche des Strahls berechnet. Die Beobachtungen während der Messungen bestätigen die Ergebnisse, da der Strahl unzertropft auf das Porzellan auftrifft. Theoretische und experimentelle Filmbreite Bevor die Breite des Films bzw. des Rieselfilms 16 berechnet werden kann, muss der Film kategorisiert werden. Dies geschieht über die Reynolds-Zahl, die durch Gleichung 2.6 definiert wird. Da bei der Miktion der Volumen- bzw. Massenstrom schwankt, werden der niedrigste (10 ml s-1) und der höchste (20 ml s-1) Volumenstrom für die Messung genutzt. Die Reynolds-Zahl liegt zwischen Re = 634 und Re = 851. Folglich wird der Film durch die Schwerkraft dominiert. Der Radius des Films wird bis zum hydraulischen Sprung mit Gleichung 2.7 berechnet. Der theoretische Radius des Films beträgt R = 0,025 - 0,042 m. Der Kontaktwinkel von Wasser und Porzellan konnte in der Literatur [Manjang, 2006] ermittelt werden. Da es sich bei dem Film um einen schwerkraftdominierten Film handelt, wird die Breite des Films mit Gleichung 2.8 ermittelt. Daraus folgt eine Filmbreite von W = 0,050 m bis 0,084 m. Die Auswertung der experimentellen Daten ergab folgendes Ergebnis: Filmbreite 12,5 17,5 10 ml/s 15 ml/s 20 ml/s ml/s ml/s Theoretisch in m 0,050 0,060 0,068 0,077 0,084 Experimentell in 0,070 0,085 0,085 0,099 0,108 m Tabelle: Vergleich der theoretisch berechneten und der experimentell bestimmten Filmbreiten. Bei der experimentell bestimmten Filmbreite handelt es sich um die maximale Breite des Films. Patentanwälte 10. April 2024 48 Wie gemäß der Darstellungen nach den Figuren 22 und 23 zu sehen ist, verjüngt sich der Film bzw. der Rieselfilm 16 nach erstmaliger Ausbreitung. Dies geschieht bei der Messung der Oberflächentemperatur erst nach dem Passieren des Messflecks und weniger stark ausgeprägt als in den vorherigen Abbildungen. Eine generelle Verjüngung erfolgt durch die Geometrie der Toilette bzw. der Gefäßwandung 1A. Die Unterschiede zwischen den Filmbreiten erklären sich dadurch, dass Gleichung 2.7 für einen vertikalen Film aufgestellt wurde und somit bei einem geneigten Film auf einer gekrümmten Platte nur eine Näherung darstellt. Berechnung der Filmdicke und Bestimmung des Strömungsbereichs Die Filmdicke wird mit Gleichung 2.12 bestimmt, da die Reynolds-Zahl größer als 400 ist. In der Gleichung wird die Neigung der Platte durch den Term g cos(α) be- rücksichtigt. Alpha beschreibt den Winkel gegenüber der Vertikalen. Die Platte fällt mit mindestens 16° gegenüber der Horizontalen ab. Dadurch ergibt sich für α ein Winkel zwischen 0° und 74°. Die Berechnung der Filmdicke erfolgt für den niedrigs- ten und höchsten Volumenstrom. Daraus folgt eine Filmdicke für 10 ml s-1 von δ = 0,51 – 0,78 mm und für 20 ml s-1 von δ = 0,59 – 0,91 mm. Wärmetransport Es werden die Wärmeübergangskoeffizienten bestimmt. Aus den Wärmeüber- gangskoeffizienten werden die Wärmewiderstände berechnet und verglichen. Auf diese Weise erfolgt die Überprüfung, ob die Annahmen, die der Simulation zugrunde liegen, zulässig sind. Sämtliche verwendeten Stoffwerte sind aus der Literatur [Wag- ner, 2006; Span 2006] entnommen, sofern sie nicht anders gekennzeichnet sind. Die Stoffwerte beziehen sich auf die Stoffwerte von Wasser bei 36 °C und Luft bei 20°C und können aus der Tabelle gemäß der Darstellung nach der Figur 21 ent- nommen werden. Vergleich der Wärmeübergangskoeffizienten Für die Bestimmung des Wärmeübergangskoeffizienten des Strahls werden die Stoffdaten für Wasser bei 39°C verwendet. Patentanwälte 10. April 2024 49 Mit der mittleren Temperaturdifferenz und der Gleichung 2.16 wird der Wärmestrom für beide Volumenströme berechnet. Dafür wird von der mittleren Endtemperatur (TEnd) die Starttemperatur (TStart) subtrahiert (vgl. Tabelle gemäß der Darstellung nach Figur 24. TEnd bezieht sich auf die Temperatur beim Aufprall des Strahls auf die Porzellan- oberfläche bzw. die Gefäßwandung. TStart bezieht sich auf die Temperatur am Ende der Harnröhre 8. Dadurch ergibt sich für die beiden Volumenströme folgende mittlere Temperaturdifferenz: ∆ ^ത^(10 ml/s) = 0,17; ∆ ^ത^(20 ml/s) = 0,38. Daraus folgt ein Wärmestrom von Q̇ = 0,007 – 0,032 W. Anschließend erfolgt an- hand von Gleichung 2.15 die Berechnung des Wärmeübergangskoeffizienten. Die dafür benötigte Austauschfläche ist die Außenseite des Flüssigkeitsstrahls. Die mitt- lere Temperaturdifferenz für die Berechnung des Wärmeübergangskoeffizienten beträgt: ∆ ^ത^(10 ml/s) = 13,71; ∆ ^ത^(20 ml/s) = 13,56. Unter der Annahme, dass der Durchmesser des Flüssigkeitsstrahles konstant dem des Katheters d = 0,004 m entspricht und die Länge des Strahls 0,2 m (gemessener Wert) beträgt, ergibt sich die folgende Fläche A = 0,0025 m2, sowie die daraus fol- genden Wärmeübergangskoeffizienten: αF|L = 0,2 W m-2 K-1 (10 ml s-1), 0,95 W m-2 K-1 (20 ml s-1). Der Wärmeübergangskoeffizient für den Wärmeübergang seitens der Luft 10A wird mittels Gleichung 2.17 bestimmt. Dazu muss die Nußelt-Zahl und in diesem Zusam- menhang die Rayleigh-Zahl berechnet werden. Die Rayleigh-Zahl setzt sich aus der Grashof-Zahl und der Prandtl-Zahl zusammen. Die Prandtl-Zahl kann aus der Lite- ratur entnommen oder nach Gleichung 2.21 bestimmt werden. Die Grashof-Zahl wird mit Gleichung 2.20 berechnet. Die Länge des Films beträgt L = 0,2 m. Die Er- gebnisse für die zwei dimensionslosen Kennzahlen lauten Pr = 0,7082 und Gr = 3,9∙106. Die Rayleigh-Zahl ist das Produkt aus Prandtl-Zahl und Grashof-Zahl und beträgt Ra = 2,8∙106 (vgl. Gleichung 2.19). Um die Nußelt-Zahl zu berechnen, wird neben der Rayleigh-Zahl die kritische Rayleigh-Zahl benötigt. Die kritische Rayleigh-Zahl wird anhand des Diagramms gemäß der Darstellung nach Figur 9 Patentanwälte 10. April 2024 50 bestimmt. Der Neigungswinkel des Plattenteils gegenüber der Vertikalen ist 74°, dies führt zu einer kritischen Rayleigh-Zahl von Rac = 1∙105. Anschließend wird die Nußelt-Zahl mit Gleichung 2.17 bestimmt, es ergibt sich Nu = 22. Der resultierende luftseitige Wärmeübergangskoeffizient liegt bei αL = 4,7 W m-2 K-1. Der Wärmeübergangskoeffizient für den Wärmeübergang vom Urin- bzw. Rieselfilm 16 zur Gefäßwandung bzw. zum Porzellan wir mit Hilfe von Gleichung 2.22 ermittelt. Hierbei wird die Reynolds-Zahl bestimmt. Die Prandtl-Zahl wird mit Gleichung 2.21 errechnet, kann aber auch aus der Literatur entnommen werden und beträgt Pr = 4,74. Aus der Reynolds-Zahl und der Prandtl-Zahl wird nun die Nußelt-Zahl be- stimmt. Dafür werden die Ergebnisse aus Gleichung 2.23 bis 2.26 verglichen, um die zahlenmäßig höchste Nußelt-Zahl zu finden. Die höchste Nußelt-Zahl wird mit Gleichung 2.26 bestimmt und beträgt für den kleinen Volumenstrom Nu = 0,306 und für den großen Volumenstrom Nu = 0,345. Mit Gleichung 2.22 ergibt sich ein Wär- meübergangskoeffizient zwischen αf = 5131 W m-2 K-1 (10 ml s-1) bis 5780 W m-2 K- 1 (20 ml s-1). Der Wärmeübergangskoeffizient beim Wärmeübergang von der Gefäßwandung 1A bzw. dem Porzellan zur Luft 10A wird analog zum Wärmeübergangskoeffizient von Urin 2A zur Luft 10A bestimmt. Da sich die Luft 10A außerhalb und innerhalb des Gefäßes 1 bzw. der Toilette unter den angenommenen Bedingungen thermodyna- misch annähernd gleich verhält, kann folgendes angenommen werden: αP|U = αU|L. Die Abkühlung des Urins 2A während des Wärmeübergangs vom Flüssigkeitsstrahl bzw. Miktionsstrahl 12 zur Luft 10A und vom Urin 2A zur Luft 10A kann aufgrund des im Vergleich zu αU|P kleinen Wärmeübergangskoeffizienten vernachlässigt wer- den. Die Berechnungen bestätigen die Annahme, dass in Rieselfilmen 16 der Wär- meübergang zur Luft 10A vernachlässigt werden kann (siehe hierzu auch Figur 25). Auswertung der Oberflächentemperaturmessung der Gefäßwandung/Porzellan Zwischen dem für die Auswertung bestimmten Gradienten und dem abgegeben Wärmestrom an der Gefäßwandung 1A bzw. an das Porzellan besteht ein direkter physikalischer Zusammenhang. Der Temperatursensor 34 misst eine Mischtempe- Patentanwälte 10. April 2024 51 ratur aus Gefäßwandungsoberfläche bzw. Porzellanoberfläche und der Rieselfilm- temperatur. Dadurch ist der Anstieg der Oberflächentemperatur direkt proportional zum abgegebene Wärmestrom des Rieselfilms 16. Mit Hilfe der ersten Methode (Gradienten) werden die Messdatentriplets ausgewer- tet. Gemäß den Auswertungen von Gradienten und Flächen werden die Triplets des Aufprallortes P0 mit einem Kreis, von P1 mit einer Raute und von P2 mit einem Quadrat gekennzeichnet. Figur 26 zeigt die mittleren Gradienten der Triplets nach einer Sekunde. Die Streu- ung der Gradienten ist durchgehend breit. Der Fit der Messdaten kann annähernd als Gerade angenommen werden. In Figur 27 werden die mittleren Gradienten sieben Sekunden nach Miktionsbeginn dargestellt. Die Streuung nimmt bei kleinen Volumenströmen im Vergleich zu den mittleren Gradienten ab. Der Trend einer abflachenden Steigung und einer verrin- gerten Streuung der Punktewolke setzt sich mit steigendem Zeitintervall fort. Die mittleren Gradienten zehn Sekunden nach Miktionsbeginn (siehe Figur 28) zeigen eine geringere Streuung als die mittleren Gradienten vorheriger Zeitintervalle, je- doch flacht der Fit im betrachteten Messbereich weiter ab. Die Triplets des Aufprallpunktes P2 nähern sich mit steigendem Zeitintervall den Triplets der anderen Aufprallpunkte an. Das liegt daran, dass alle Triplets durch die Erhöhung des Zeitintervalls eine geringere Streuung aufweisen. Dieses Verhalten lässt darauf schließen, dass sich die mittleren Gradienten der Temperaturkurven nur in den ersten Sekunden nach der Miktion unterscheiden und mit steigendem Zeitintervall einander angleichen. Mit der Auswertungsmethode der Gradiente kön- nen keine Rückschlüsse auf den Volumenstrom gezogen werden. Die Streuung der Triplets lässt eine Ermittlung des Volumenstroms nicht zu. In kleinen Zeitintervallen ist die Streuung so groß, dass zwischen den Volumenströmen nicht mehr unter- schieden werden kann. Bei großen Zeitintervallen wird die Streuung kleiner, die Steigung aber so gering, dass eine Unterscheidung zwischen den Volumenströmen ebenfalls nicht möglich ist. Patentanwälte 10. April 2024 52 Dies kann auch in den Faktoren und Exponenten des Fits beobachtet werden. Die Steigung (a) des Fits variiert mit steigendem Zeitintervall kaum. Allerdings nimmt der Einfluss des Exponenten (b) stark ab. Die Parameter des Fits sind in der folgen- den Tabelle gelistet: Gemäß der Darstellung nach Figur 29 sind Faktoren und Exponenten der Fits in der Auswertungsmethode der Gradienten. Die Gleichung des Fits hat die Formത gതrതതaതdതT = a ^^ ^^ Der physikalische Zusammenhang zwischen der Fläche unterhalb der Miktions- kurve und dem Volumenstrom kann durch Gleichung 5.1 dargestellt werden. Dabei drückt das Integral der Temperatur über die Zeit die berechnete Fläche unterhalb der Miktionskurve aus. 5.1 Gemäß der Darstellung nach Figur 30 wird die Fläche unter der Temperaturkurve eine Sekunde nach Miktionsbeginn über den Volumenstrom aufgetragen. Es zeigt sich eine starke Streuung, die mit zunehmendem Volumenstrom kaum nachlässt. Es bildet sich eine leicht trichterförmige Punktwolke aus. Der Fit verhält sich im Messbereich annähernd wie eine Gerade. Die berechneten Flächen vier Sekunden nach Miktionsbeginn (siehe Figur 31) streuen weniger stark als die Flächen eine Sekunde nach dem Beginn der Miktion. Die Streuung nimmt mit steigenden Volumenstrom weiter ab, sodass die Trichter- form der Punktwolke verstärkt wird. Der Fit kann im Messbereich annähernd als Gerade angenommen werden, zeichnet sich jedoch im Vergleich zum Diagramm aus Figur 30 durch eine geringere Steigung aus. Die Triplets des Aufprallpunktes P2 sind unterhalb der Triplets der anderen Aufprallpunkte zu sehen, weisen jedoch eine ähnliche Steigung wie die Triplets der anderen Aufprallpunkte auf. Bei den berechneten Flächen jeweils nach sieben und zehn Sekunden setzt sich der Trend aus dem Diagramm gemäß Figur 31 fort. Die Streuung der Flächen nimmt Patentanwälte 10. April 2024 53 über den gesamten Volumenstrombereich ab. Die Form der Punktewolke bleibt trichterförmig. Die Triplets des Aufprallpunktes P2 sind unterhalb der Triplets der anderen Aufprallpunkte zu sehen, weisen jedoch eine ähnliche Steigung auf. Sie nähern sich im Vergleich zur Figur 30 an die Triplets der anderen Aufprallpunkte an. Die Fits gemäß den Figuren 32 und 33 können annähernd als Gerade angenommen werden, flachen aber mit steigendem Zeitintervall ab. Ein gerader Fit wäre eventuell im Messbereich möglich gewesen. Mit der Auswertungsmethode der Flächen können Rückschlüsse auf den Volumen- strom gezogen werden. Wie bei der Auswertungsmethode der Gradienten ist auch bei den Flächen zu beobachten, dass mit steigendem Zeitintervall die Streuung ab- nimmt. Bei größeren Zeitintervallen wird die Fläche im Bereich I (siehe Figur 18) im Vergleich zur restlichen Fläche kleiner. Dies führt dazu, dass die unterschiedlichen Steigungen und somit die Flächen des Bereiches I weniger Einfluss auf die Gesamt- fläche haben. Wenn die Triplets des Aufprallpunktes P2 aus der Betrachtung aus- geklammert werden, nimmt die Streuung ab. Dies gilt aber nur für Zeitintervalle von vier, sieben und zehn Sekunden. Die Temperaturkurven der Triplets sind nicht auf eine Temperatur normiert. Dies kann im Falle variabler Starttemperaturen zu unter- schiedlich großen Flächen bei identischen Versuchsparametern führen. Daraus re- sultiert eine Streuung der Messwerte. Eine Normierung der Starttemperatur könnte zu einer geringeren Streuung führen. Folgend sind die Faktoren a und Exponenten b für die Flächenmethode gelistet. Der Faktor a des Fits variiert dabei stark, wobei der Exponent b wenig variiert. Die Tabelle gemäß der Darstellung nach der Figur 34 zeigt Faktoren und Exponen- ten der Fits der Auswertungsmethode der Flächen. Die Gleichung des Fits hat die Form A = a ^^ ^^. Die dritte Methode zur Auswertung der Messdaten verwendet einen simulations- basierten Fit der Messdaten (siehe Figur 35), um den Wärmeübergangskoeffizien- ten zu bestimmen. Die Wärmeübergangskoeffizienten aus den Messdaten sind in dem Diagramm ge- mäß der Darstellung nach der Figur 36 dargestellt. Die experimentell bestimmten Patentanwälte 10. April 2024 54 Wärmeübergangskoeffizienten des Urins 2A sind als weiße Kreise, die der Luft 10A als weiße Quadrate dargestellt. Die schwarzen Kreise markieren die Mittelwerte der Wärmeübergangskoeffizienten des Urins 2A, die schwarzen Quadrate die der Luft 10A. Die schwarze Strichpunktlinie zeigt die theoretisch bestimmten Wärmeüber- gangskoeffizienten für einen nicht vollausgebildeten thermischen Film nach Glei- chung 2.22 mit einer Einlauflänge von 0,12 m. Dies ist die Strecke, die der Urin 2A an der Gefäßwandung 1A bzw. auf der Porzellanoberfläche bis zum Messfleck 38 zurücklegt. Die rote Linie zeigt eine eigene angepasste Nußelt-Korrelation der Messdaten. Die theoretisch errechneten Wärmeübergangskoeffizienten sind deutlich größer als die experimentell bestimmten. Das beruht auf den verwendeten Nußelt-Zahl-Korre- lationen, die in Gleichung 2.23 – 2.26 beschrieben werden, da diese lediglich für einen Rieselfilm 16 gelten. Die Messdaten zeigen, dass der Urin 2A in dem Gefäß 1 bzw. der Toilette keinen Rieselfilm 16 bildet. Aufgrund dessen wurde aus den Messdaten eine neue Nußelt-Korrelation entwickelt. Das Grundkonstrukt der Nußelt-Zahl-Definition bleibt dabei unverändert. ^^ ^^ = ^^ ^^ ^^ ^^ ^^ ^^ ^^ 5.2 Die Faktoren a, b und c sind die durch den Fit veränderlichen Variablen. Der Term der Prandtl-Zahl in Gleichung 5.2 beschreibt den Einfluss der Temperaturleitfähig- keit und Viskosität. Dies ist von Relevanz, wenn unterschiedliche Flüssigkeiten mit- einander verglichen werden sollen. Da es sich bei der Miktion immer um Urin handelt, bleibt infolgedessen dieser Term unverändert und die Variable c hat den Wert 0,344. Die vorherige genutzte Reynolds-Zahl-Definition aus Gleichung 2.6 be- schreibt den Volumenstrom pro berieselter Fläche. Dies setzt voraus, dass ein Film mit über die Lauflänge gleichmäßiger Dicke gebildet wird. Dies ist in der Toilette aufgrund von Geometrieeigenschaften dieser nicht möglich und kann mittels der Figuren 22 und 23 beobachtet werden. Ob sich der Film in Toiletten anderer Bau- weise, beispielweise einem Urinal, genauso verhält, kann aus den vorliegenden Da- ten nicht geschlossen werden. Patentanwälte 10. April 2024 55 Die Reynolds-Zahl soll Strömungen in geometrisch ähnlichen Körpern beschreiben. In Gleichung 5.2 bezieht sich die Reynolds-Zahl auf den Volumenstrom am Kathe- terausgang. Begründet wird dies mit dem geometrisch ähnlichen Aufbau der Harn- rohre eines Geschlechtes. Ob dies für beide Geschlechter gleichermaßen gültig ist, muss noch untersucht werden. An Anlehnung an die Reynolds-Zahl für ein durch- flossenes Rohr wird die Reynolds-Zahl in diesen Fall wie folgt definiert: Die Streuung der Messwerte ist wie in dem Diagramm gemäß der Darstellung nach der Figur 36 sehr groß. Die Wärmeübergangskoeffizienten aus den Messdaten mit dem Aufprallort P2 liegen deutlich unter denen von P0 und P1, verhalten sich jedoch mit steigendem Volumenstrom gleich. Ein Grund dafür kann die eventuell nicht sym- metrische dreidimensionale Oberfläche, oder eine nicht vollständige Benetzung des Messflecks sein. Aufgrund dessen werden die Triplets dieser Messdaten aus dem Fit entfernt. Das Diagramm gemäß der Darstellung nach der Figur 37 zeigt die Nußelt-Korrela- tion ohne die Triplets des Messpunkts P2. Der Fit der Nußelt-Korrelation verschiebt sich im Vergleich zur Figur 36 im Gesamten nach oben. Die sich nicht verändernde Steigung deutet auf einen systematischen Fehler in Messdaten hin. Folgend sind die jeweiligen Fits der Nußelt-Korrelationen für die einzelnen Aufprallorte (P0, P1, P2) dargestellt. In dem Diagramm gemäß der Darstellung nach der Figur 38 ist zu sehen, dass die Wärmeübergangskoeffizienten der Triplets von P0 sehr stark variieren. Ein Ver- gleich der Diagramme hinsichtlich der Figuren 30 und 40 zeigt das gleiche charak- teristische Verhalten des Wärmeübergangskoeffizienten. Die Koeffizienten der Triplets von P2 sind niedriger. Da es sich bei den beiden Punkten um eine Spiege- lung entlang der Achse von P0 zum Messfleck handelt, war dies nicht zu erwarten. Die Wärmeübergangskoeffizienten der Triplets von P1 (siehe Figur 39) sind ver- gleichbar mit den Koeffizienten der Triplets von P0 (siehe Figur 38). Für die Variab- len a und b der Nußelt-Korrelationen (Gleichung 5.2) ergeben sich die Werte gemäß der Tabelle aus Figur 41. Patentanwälte 10. April 2024 56 Die Diagramme gemäß der Darstellungen nach den Figuren 38 bis 40 zeigen, dass der Wärmeübergang trotz der unterschiedlichen Aufprallpunkte ein charakteristi- sches Verhalten aufweist. Weiterhin wird ersichtlich, dass ein Fit der Messdaten Rückschlüsse von der Aufheizung des Porzellans auf den Volumenstrom erlaubt. Die vorstehend beschriebenen Merkmale bzw. Erkenntnisse hinsichtlich des Wär- meübergangs eines Urinfilms bzw. Rieselfilms 16 können für die kontaktlos Mikti- onsvolumenstrommessung genutzt werden.
Patentanwälte 10. April 2024 57 Symbolverzeichnis: Lateinische Symbole a m2 s-1 Temperaturleitfähigkeit A m2 Fläche C Konstante Cp kJ kg-1 K-1 spezifische Wärmekapazität d m Durchmesser g m s-2 Erdbeschleunigung Gr Grashof-Zahl h mm Filmhöhe h W m-2 K-1 Wärmeübergangskoeffizient k W m-2 K-1 Wärmedurchgangskoeffi- zient Kf Filmkennzahl L m Länge l m Länge ṁ kg s-1 Massenstrom Oh ^^ Ohnesorge-Zahl ^ ^^ ^^ ^^ Patentanwälte 10. April 2024 58 Pr ^^ Prandtl-Zahl ^^ Q̇ W Wärmestrom q̇ W m-2 Wärmestromdichte R K W-1 Wärmewiderstand R m Radius hydraulischer Sprung r m Radius Ra ^^ ^^ ^^ ^^ Rayleigh-Zahl Rc m Radius vom Film Re 0,43 0,23 4 4,3 ^^ ^^ Reynolds-Zahl für den Rie- ^^ selfilm Re ^^̇ Reynolds-Zahl für den Rie- ^^ ^^ selfilm Re ^^ ^^ ^^ ^^ ^^ ^^ ^^ ^^ Reynolds-Zahl für den Ka- ^^ ^^ ^^ ^^ theter s m Wandstärke T s Zerfallskonstante T K Temperatur U J innerer Energie u J kg-1 spezifische innere Energie V m3 Volumen v m s1 Strahlgeschwindigkeit W m Filmbreite w m s-1 Filmgeschwindigkeit x Koordinate y Koordinate Koordinate Griechische Symbole α W m-2 K-1 Wärmeübergangskoeffizient α, γ ° Neigungswinkel der Platte gegenüber der Vertikalen ° Kontaktwinkel Flüssig- keit/Feststoff Patentanwälte 10. April 2024 59 β K-1 Wärmeausdehnungskoeffi- zient δ m Filmdicke δ m Strömungsamplitude η, μ kg m−1 s−1 dynamische Viskosität ϑ °C Celsius-Temperatur λ W m-1 K-1 Wärmeleitfähigkeit λ ° Winkelkoordinate μ s-1 Wachstumsrate ν m2 s−1 kinematische Viskosität ρ kg m-3 Dichte σ N m-1 Oberflächenspannung Indizes 0 Startwert c kritisch End Ende des Flüssigkeitsstrahls f Film F|L Flüssigkeitsstrahl | Luft jet Strahl l Wärmeleitung L Luft m mittlere max Maximum min Minimum opt optimal P|L Porzellan | Luft pee Miktion r Residual Start Start des Flüssigkeitsstrahls t Zeit th theoretisch Patentanwälte 10. April 2024 60 u Wärmeübergang U|L Urin | Luft U|P Urin | Porzellan w Wand WL Wärmeleitung x Position auf der x-Koordi- nate y Position auf der y-Koordi- nate z Position auf der z-Koordi- nate
Patentanwälte 10. April 2024 61 Liste der verwendeten Bezugszeichen 1 Gefäß bzw. Toilettengefäß 1A Gefäßwandung 1B Oberfläche 2 Exkremente 2A Urin 4 Toiletteneinrichtung 4A Kloschüsselteil 4B Klobrillenteil 4C Spülkastenteil 6 Siphonbereich 8 Harnröhre 10 Umgebung 10A Luft 12 Miktionsstrahl 13 Aufprallstelle 14 hydraulischer Sprung 16 Rieselfilm 18 Filmdicke 20 Temperaturfühler 22 Detektionsfläche bzw. Gitter 24 räumliche Verteilung bzw. Rieselfilmbreite 30 Vorrichtung 32 Infrarotsensoreinrichtung 34 Temperatursensor 36 Armteil 38 Messfleck bzw. Messbereich

Claims

Patentanwälte 10. April 2024 62 Patentansprüche 1. Verfahren zum Beobachten eines Miktionsverlaufs hinsichtlich einer Person an einem Urin (2A) leitenden und/oder aufnehmenden Gefäß (1) mit einer Ge- fäßwandung (1A), wobei zum Beobachten des Miktionsverlaufs Temperaturen und/oder Temperaturveränderungen an einem sich an der Gefäßwandung (1A) ausbildenden Rieselfilm (16) aus Urin (2A) detektiert werden. 2. Verfahren zum Beobachten eines Miktionsverlaufs hinsichtlich einer Person an einem Urin (2A) leitenden und/oder aufnehmenden Gefäß (1) mit einer Ge- fäßwandung (1A), wobei zum Beobachten des Miktionsverlaufs Temperaturen und/oder Temperaturveränderungen an der Gefäßwandung (1A) des Gefäßes (1) detektiert werden. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und Anspruch 2. 4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, dass Temperaturen und/oder Temperaturveränderungen an der Gefäß- wandung (1A) in einem Bereich des Rieselfilms (16) detektiert werden. 5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, dass mittels detektierter Temperaturen und/oder Temperaturveränderun- gen ein Miktionsvolumenstrom und/oder ein Miktionsvolumen ermittelt werden. 6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, dass eine Urintemperatur eines Miktionsstrahls (12) beim Eintritt in die Umgebung (10) und/oder beim Kontakt mit der Gefäßwandung (1A) detektiert wird. 7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, dass zu Beginn des Detektierens von Temperaturen und/oder Tempera- turveränderungen eine Referenztemperatur an der Gefäßwandung (1A) detektiert wird. Patentanwälte 10. April 2024 63 8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, dass Temperaturen und/oder Temperaturveränderungen an dem Riesel- film (16) und/oder an der Gefäßwandung (1A) nach Ende der Miktion weiter beobachtet werden. 9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, dass Temperaturen und/oder Temperaturveränderungen an dem Riesel- film (16) und/oder an der Gefäßwandung (1A) über einen Zeitraum von größer oder gleich 1 min detektiert werden, bevorzugt von größer oder gleich 3 min oder besonders bevorzugt von größer oder gleich 5 min. 10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, dass Temperaturen und/oder Temperaturveränderungen an dem Riesel- film (16) und/oder an der Gefäßwandung (1A) über einen Zeitraum von kleiner oder gleich 10 min detektiert werden, bevorzugt von kleiner oder gleich 8 min oder besonders bevorzugt von kleiner oder gleich 6 min. 11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, dass der Beginn des Detektierens von Temperaturen und/oder Tempera- turveränderungen an der Gefäßwandung (1A) festgestellt wird, wenn an bzw. in der Gefäßwandung (1A) ein Temperaturanstieg von größer oder gleich, 0,5 °C gemessen wird, bevorzugt einen Temperaturanstieg von größer oder gleich 1 °C oder besonders bevorzugt von größer oder gleich 1,5 °C. 12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, dass der Beginn des Detektierens von Temperaturen und/oder Tempera- turveränderungen an der Gefäßwandung (1A) festgestellt wird, wenn an bzw. in der Gefäßwandung (1A) ein Temperaturanstieg von kleiner oder gleich, 3 °C gemessen wird, bevorzugt einen Temperaturanstieg von kleiner oder gleich 2,5 °C oder besonders bevorzugt von kleiner oder gleich 2 °C. 13. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, dass Temperaturen und/oder Temperaturveränderungen an dem Riesel- film (16) und/oder an der Gefäßwandung (1A) in Abhängigkeit von dem Patentanwälte 10. April 2024 64 Material der Gefäßwandung (1A) und/oder in Abhängigkeit von der Geometrie der Gefäßwandung (1A) detektiert werden. 14. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, dass eine Temperaturverteilung an dem Rieselfilm (16) und/oder an der Gefäßwandung (1A) detektiert wird 15. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, dass zum Beobachten des Miktionsverlaufs die räumliche Verteilung 24 des Rieselfilms (16) an der Gefäßwandung (1A) detektiert wird, insbesondere in Abhängigkeit von der Form der Gefäßwandung (1A). 16. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, dass ein Detektionsbereich um den Miktionsstrahl (12) herum und/oder um eine Aufprallstelle (13) hiervon an der Gefäßwandung (1A) herum größer oder gleich 50 mm2, bevorzugt größer oder gleich 100 mm2 oder besonders größer oder gleich 200 mm2. 17. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, dass zum Beobachten des Miktionsverlaufs Temperaturen und/oder Temperaturveränderungen des freien Miktionsstrahls (12) gegenüber der an- grenzenden Luft (10A) detektiert werden. 18. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, dass die Umgebungstemperatur und/oder Temperaturveränderungen an der Umgebung (10) des Urins (2A) aufnehmenden Gefäßes (1) gemessen wird. 19. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, dass Temperaturveränderungen mittels Messungen der Temperaturen als Funktion der Zeit und des Ortes an dem Rieselfilm (16) und/oder an der Gefäßwandung (1A) detektiert werden. Patentanwälte 10. April 2024 65 20. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, dass Temperaturen und/oder Temperaturveränderungen mittels Messun- gen der Wärmestromdichte normal zu der Oberfläche (1B) als Funktion der Zeit und des Orts an der Gefäßwandung (1A) detektiert werden. 21. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, dass Temperaturen und/oder Temperaturveränderungen mittels Infrarot- Messungen oder Kapazitiv-Messungen detektiert werden. 22. Vorrichtung (30) zum Beobachten eines Miktionsverlaufs hinsichtlich einer Person an einem Urin (2A) leitenden und/oder aufnehmenden Gefäß (1), insbesondere eingerichtet mit Mitteln zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (30) zum Detektieren von Temperaturen und/oder Tempera- turveränderungen an einem Rieselfilm (16) aus Urin (2A) und/oder an einer Gefäßwandung (1A) des Gefäßes (1) wenigstens einen Infrarotsensoreinrich- tung (32) und/oder eine Kapazitätssensoreinrichtung und/oder eine anderwei- tige Temperatur-Sensorik aufweist. 23. Vorrichtung (30) nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Vor- richtung (30) eine Toiletteneinrichtung (4), insbesondere ein Toilettengefäß (1) hiervon, wie etwa eine Toilettenschüssel (4A) oder dergleichen, aufweist, wo- bei die Toiletteneinrichtung (4) bevorzugt eine elektromechanisch ausgerüs- tete Toiletteneinrichtung sein kann und/oder eine elektrosensorische Einrichtung in einem Toilettensitz angeordnet sein kann. 24. Vorrichtung (30) nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (30) wenigstens eine Detektionsfläche (22) aufweist, welche insbesondere als Freiformoberfläche ausgeformt ist. Patentanwälte 10. April 2024 66 25. Vorrichtung (30) nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeich- net, dass die Vorrichtung (30) dazu eingerichtet ist, fest, aber lösbar an einem Toilettengefäß (4A) anbringbar zu sein. 26. Gefäß (1) zur Aufnahme von Exkrementen (2A), insbesondere Toilettenein- richtung (4), eingerichtet zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 21 und/oder gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (30) nach einem der An- sprüche 22 bis 25. 27. Gefäß (1) nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Gefäß (1) mobil aufstellbar ist. 28. Verwendung einer Gefäßwandung (1A) eines Gefäßes (1) zur Beobachtung eines Miktionsverhaltens, insbesondere zur Detektion von Temperaturen und/oder Temperaturveränderungen im Zusammenhang mit einer Miktion.
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