KR20010012163A - 고속 정밀 온도 측정 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 (a) 가늘고 긴 온도 프로브, (b) 프로브 표면 아래에 위치한 제1 온도센서, (c) 프로브 내부에 위치하고 제1 센서와 평행인 최소한 하나의 제2 온도센서, (d) 제1 센서와 제2 센서(센서들) 사이에 위치한 열차단 부재, (e) 제1 및 제2 온도센서와 연결되고, 몸체와 제1 센서사이 및 제1 센서와 제2 센서(센서들)사이에서 측정된 열유속에 따라 체온을 계산하는 데이터 처리장치, 및 (f) 상기 데이터 처리장치와 연결된 데이터 표시장치로 구성된 특별히 인간의 체온을 측정하는데 유용한 고속 정밀 온도측정 장치에 관한 것이다.

Description

고속 정밀 온도 측정 장치{A High Speed Accurate Temperature Measurement Device}

모든 온도측정 과정은 측정된 몸체에서 측정 프로브(probe) 장치까지의 열 이동을 포함한다. 열은 세 가지 방식으로 이동한다; 전도, 대류 및 복사에 의한 이동. 본 발명의 방법은 열 전도 뿐만 아니라 열 대류도 측정한다(흐르는 공기 또는 액체에서와 같은). 복사열 측정은 얻어지는 정밀도가 정확하게 알려지지 않은 상수의 예비지식에 의존하기 때문에 정밀하지 않다.

대부분의 온도측정 장치는 온도측정센서가 측정될 몸체와 열적 평형상태에 도달하게 하는 대류 또는 전도를 이용한다. 몸체가 나쁜 열 전도체에 의해 측정되면, 평형(온도측정 센서로) 도달 시간은 상당히 길어진다. 열적 평형상태에 도달하기 위한 이 측정대기 시간은 열역학적인 필요에 의한 것이다. 이 대기시간의 감소는 항상 측정의 정밀도를 떨어뜨린다.

본 발명의 장치는 이 대기 시간을 없앤다. 직접 온도를 측정(평형에 도달하기 위한 대기시간이 필요)하는 대신, 본 발명의 장치는 온도센서 측정을 예고함으로써 온도를 계산한다. 이 예고는 상기 체온은 (a) 몸체와 제1 온도센서 사이 및 (b) 제1 온도센서와 제2 온도센서(또는 센서) 사이에서 측정되는 열 유속에 따라 계산되는 열 전달 방정식, 및 바람직하게는 열전도 방정식에 의존한다. 첫번째로 열 유속 측정은 열적 평형상태를 기다릴 필요가 없고, 두번째로 계산 그 자체는 표준 마이크로 프로세서에 의해 실시간으로 실시되기 때문에, 본 발명의 장치는 신속하게 정확한 체온을 표시한다.

하기는 본 발명에 따른 데이터 처리단위에 의해 사용되는 알고리즘 내에서 구체화된 주요방정식을 유도하는 구체적인 설명이다.

열전도 전달 방정식(본 장치의 열체는 온도측정하는 동안 작동되지 않기 때문에, 열원없는 일차원이다):

하기 방정식은 논의중인 몸체의 입구 및 출구사이의 열 유속 차이를 나타낸다.

하기 일차원 열 유속(Q)은 위치변화 dx에 따른 온도변화 dT의 상수"k"배에 의해 결정된다:

유한 차이 방정식을 이용하여 (*)를 표현하면:

그러면:

만일 x_in에위치한 "S₁" 및 x_out에위치한 "S₂" 두 개의 열센서가 있다면, 상기 센서들은 알려진 열전도 상수(열차단 항)를 갖는 유한거리만큼 분리되고, "S1"은 몸체와 열적접촉을 하고, "S2"는 열프로브 내부에 있고, 그리고 몸체는 x_in+Δx의 위치에 놓이고, 그러면 (**)는 명백히 하기와 같이 간소화된다:

1/2(x_in+x_out)위치에서 측정된 온도는 [(T_body)-(T_S1)]의 ω_in배의 입력온도로부터 [T_S1-T_S2] 프로브로부터 나오는 열을 ω_out배 한 것을 뺀 것으로 정의한다.

본 발명의 장치는 열적 평형상태를 기다릴 필요없이, 열 유속을 나타내는 측정온도에 따라 알려지지 않은 T_body, ω_in, ω_out에 대한 상기 방정식을 푼다.

발명의 요약

본 발명은 (a) 가늘고 긴 온도 프로브, (b) 프로브 표면 아래에 위치한 제1 온도센서, (c) 프로브 내부에 위치하고 상기 제1 센서와 평행인 최소한 하나의 제2 온도센서, (d) 상기 제1 센서와 상기 제2 센서(센서들) 사이에 위치한 열차단 부재, (e) 상기 제1 및 제2 온도센서와 연결되고, 몸체와 제1 센서사이 및 제1 센서와 제2 센서(센서들)사이에서 측정된 열유속에 따라 체온을 계산하는 데이터 처리장치, 및 (f) 상기 데이터 처리장치와 연결된 데이터 표시장치로 구성된 특별히 인간의 체온을 측정하는데 유용한 고속 정밀 온도측정 장치에 관한 것이다.

본 발명은 일반적으로 고속 정밀 온도 측정 장치에 관한 것으로, 특히 이하 "몸체"(즉, 인체)라 불리는 낮은 열 전도성 구멍의 온도 측정에 유용한 온도측정 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 상기 체온이 몸체와 제1 온도센서 위치 사이 및 제1 온도센서와 제2 온도센서(또는 센서)위치 사이에서 측정되는 열유속에 따라 계산되는 고속 정밀 온도측정 장치에 관한 것이다.

본 발명은 특히 인간의 체온을 측정하는데 유용한 고속 정밀 온도측정 장치에 관한 것이다. 본 발명의 장치는 또한 동물의 체온 측정 및 낮은 열전도 구멍의 온도를 측정하는데도 유용하다.

본 발명의 장치는 하기 구성요소로 이루어진다:

(a) 가늘고 긴 온도 프로브. 상기 프로브는 몸체 구멍 속으로 삽입을 위한 것이다(본 발명에서, "몸체구멍"이라는 용어는 겨드랑이; 입 구멍 및 직장을 의미한다). 프로브는 섬세한 몸체구멍으로의 안전한 삽입을 용이하게 하기 위해 둥그런 삽입단을 갖는다.

(b) 제1 온도센서. 이 제1 센서는 삽입단 주위의 프로브 표면 아래에 위치한다(최소깊이 삽입을 용이하게 하기 위해).

(c) 최소한 하나의 제2 온도센서. 이 제2 센서는 프로브 내부 및 첫 번째 센서에 평행하게 위치한다.

(d) 열차단 부재. 이 부재는 상기 제1 센서와 제2 센서(센서들) 사이에 위치한다. 센서 및 차단부재의 전체구조는 바람직하게 둥그렇게 감싸는 구조임이 강조되어야 한다.

(e) 데이터 처리장치. 이 데이터 처리장치는 상기 제1 및 제2 온도센서에 연결되어 있다. 이 데이터 처리장치는 (ⅰ) 몸체와 제1 센서사이 및 (ⅱ) 제1 센서와 제2 센서사이에서 측정된 열유속에 따라 체온을 계산한다.

(f) 데이터 표시장치. 이 데이터 표시장치는 상기 데이터 처리장치에 연결되어 있고, 데이터 처리장치에 의해 계산된 체온을 표시하기 위한 것이다. 데이터 표시장치는 메시지도 나타낸다(즉, 측정에러).

본 발명에 따른 장치의 바람직한 구체예에 따르면, 열소자는 온도 프로브 내부에 위치한다. 상기 열소자는 프로브를 미리 결정된 값으로 예열시킨다(인간의 체온측정시 약 34 또는 38℃). 프로브가 예열되면, 측정실시의 고도의 추정을 위해 필요한 시간은 실온 프로브를 사용하는 다른 경우보다 짧아진다(배경기술 부분에서 기술된 열전달 방정식 참조).

선택적으로 부가되는 제2 센서(이하 "제3 센서"라 한다)는 온도측정 계산의 속도 및 정밀도를 향상시키기 위하여 데이터 처리장치에 의해 사용될 수 있다. 제3 센서는 (온도)프로브 내부 및 제1 센서와 평행하게 위치한다. 제3 센서는 이와 같이 데이터 처리장치에 연결되어 있다. 데이터 처리장치는 그것에 의해서 제1 센서 및 제2 센서 사이에서 측정되는 열유속에 따라 몸체 온도를 부가적으로 계산할 수 있다.

예열단계는 측정되는 온도범위를 제한함으로써 결과가 향상되므로 선택사항이지만 중요하다.

게다가, 본 발명에 따른 장치의 바람직한 구체예에 따라, 제1 센서, 제2 센서(센서들), 및 열소자가 단일 유동기판(인쇄회로 기판)상에 포토에칭(photo-etched)된다. 상기 기판은 센서사이에 놓이는 차단부재와 함께 동그랗게 말리거나 접혀진다(두개의 센서(또는 세 개의 센서)를 평행하게 정렬하기 위해). 감아올린 경우, 기판은 그 자체가 차단매개체가 된다. 이렇게 정렬된 센서(차단 매개체와 함께)는 가늘고 긴 프로브 속에 삽입되고, 이에 따라 정렬상태가 된다(필요한 두 개(또는 세 개)의 유속측정을 용이하게 하기 위해).

본 발명에 따른 장치의 가늘고 긴 프로브는 높은 열 전도율을 갖는 금속 또는 다른 물질로 만들어진다. 가늘고 긴 프로브의 물질선택은 또한 간편한 세척 또는 살균과 같은 사용상 위생인자(의학적 사용인 경우)와 연계되어 있다.

두 개(또는 세 개)의 센서 및 열체로 구성된 상기 장치(module)는 싸고, 생산하기 쉽고, 생산에 있어 인력이 필요하지 않고, 그리고 센서들을 서로 상대적으로 조정할 필요가 없는 장점을 갖는다.

본 발명은 도1 내지 도5에 의해 더 자세하게 기술되고 명백하게 될 것이다. 이 도면들은 단지 본 발명의 바람직한 구체예를 나타내기 위한 것이고, 어떤 식으로든 본 발명의 범위를 한정하기 위한 것은 아니다.

도1은 삽입된 프로브의 개략적인 단면도를 나타낸다.

도2는 정렬된 센서의 같은 용적의 단면도를 나타낸다.

도3은 고속 정밀 온도측정 장치에서 사용되는 동작절차의 플로우 챠트(flow chart)이다.

도4는 장치의 아날로그 회로부분의 다이어그램(diagram)을 나타낸다.

도5는 장치의 디지털 회로부분의 다이어그램을 나타낸다.

도1은 삽입된 프로브의 개략적인 단면도를 나타낸다. 인체(2)의 구멍 내부에 삽입된 금속 케이스 온도 프로브(1)가 보여진다. 세 부분 조합은 열적 차단부재(5)에 의해 제2 센서(4)에서 분리된 제1 센서(3)로 구성되어 있다. 상기 세 부분 조합은 프로브의 삽입단 근처에 위치하고, 상기 제1 센서의 한쪽 면은 온도 프로브의 금속케이스 및 프로브 축 근처의 제2 센서와 열적접촉을 하고 있다. 열(코일)소자(6)는 차단부재의 내부에 위치한다. 게다가, 선택적인 제3 센서(7)도 도시되어 있다.

도2는 정렬된 센서의 같은 용적의 단면도를 나타낸다. 휘어진 세 부분 조합(그곳으로 삽입될 프로브의 곡률에 적합한 공형모양 -도1 참조)은 폭이"X"인 열 차단부재(5)에 의해 평행한 제2 센서(4: 방정식에서 "T_S2"로 표현)에서 분리된 제1 센서(3: 방정식에서 "T_S1"으로 표현)로 구성된다. 따라서, 식 Q=k(dT/dX)(배경기술 참조)에서 "dT"는 (T_S2-T_S1) 또는 (T_body-T_S1)과 같고, "dX"는 "X"축상의 마지막 거리이다.

제1 센서는 전기접촉(8, 9)에 의해 데이터 처리장치(도5참조)의 회로에 연결되어 있다. 제2 센서는 전기접촉(10, 11)에 의해 데이터 처리장치(도5참조)의 회로에 연결되어 있다. 데이터 처리장치(도5참조)(필요한 아날로그-디지탈 변환 회로, 전원(즉, 베터리)을 포함)는 교대로 데이터 표시장치(도5참조)에 연결되어 있다.

도3은 고속 정밀 온도측정 장치에서 사용되는 동작절차의 플로우 챠트(flow chart)이다. 장치가 프로브내의 열소자를 구동시킨 후, 열소자는 프로브를 대략 34 내지 38℃(인간의 체온 측정에서)까지 예열시키고(12), 두개의 센서가 3 내지 4초 동안 데이터를 읽고(13), 그리고 상기 측정으로부터 데이터 처리장치는 ε극한의 상수범위에 집중되는 체온을 계산한다(14). 만일 계산된 체온이 체온의 합당한 범위에 있지 않을 때는(15), 약 0.5초간 두 개의 센서로부터 추가적인 온도측정이 이루어지고, 계산단계(14)가 반복된다. 만일 계산된 체온이 범위에 있을 때에는(16), 계산된 체온이 데이터 표시장치에 표시된다(17).

도4는 장치의 아날로그 회로부분의 다이어그램(diagram)을 나타낸다. 상기 회로의 목적은 온도를 샘플링(sampling)하여 열소자를 구동시키는 것이다. 상기 회로는 데이터 샘플을 중계하고 데이터를 디지털 처리하기 위하여 두 개의 센서(제3 센서의 추가선택과 함께)가 열소자 및 디지털회로에 연결되어 있다. 센서 및 열소자로의 연결이 보여진다(18). 각 센서는 분리회로를 갖는다. 매우 낮은 전압(전체 100㎶)으로 도달하는 각 센서의 신호는 노이즈 필터(19, 20: noise filter)에 중계된다. 그 다음, 신호는 (21) 및 (22)에서 증폭되고, 아날로그 회로부분의 출구(23)에 중계된다.

도5는 장치의 디지털 회로부분의 다이어그램(diagram)을 나타낸다. 상기 회로의 목적은 측정을 내고, 아날로그 회로 부분으로부터 증폭되고 여파된 신호를 수신하고, 이 신호를 이진(디지탈)값으로 전환하고, 필요한 수학적 계산을 하고, 그리고 계산된 온도를 표시하는 아날로그 부분의 예열 및 작동의 모든 동작을 제어하는 것이다.

아날로그 회로의 입력이 보여진다(23). 멀티플렉서 장치(24: multiplexer)는 아날로그 데이터를 수신하여 전압을 이진(디지털)값으로 수량화하는 A/D 변환기(25)로 연속적으로 전달한다. 마이크로 프로세서(26)는 온도를 계산하고, 또한 회로의 프로그램 흐름을 제어한다. 표시장치(27) 및 마이크로 프로세서에 안정적 동작환경을 제공하기 위한 다른 회로소자 부분이 보여진다.

데이터 처리장치는 적절한 전기 연결에 부속될 수 있다. 그 다음, 기판은 센서사이에 놓인 차단부재를 갖는 평행한 두 개의 센서를 정렬하기 위해 감기거나(또는 접힌다). 차단부재를 갖는 정렬된 센서는 가늘고 긴 프로브 속으로 삽입되고 그럼으로써 정렬상태가 된다. 그 다음 데이터 처리장치, 데이터 표시장치, 배터리 및 적절한 홀더(holder), 및 커넥터(connector)는 입력단에서 떨어진 프로부 지역으로 삽입될 수 있고, 프로부는 온도측정, 특히 인간의 체온을 측정하는데 유용한 것으로서 적절한 보건상 이용을 위해 용접 밀봉할 수 있다.

Claims (8)

1. 둥근 삽입단을 갖고 인체구멍에 삽입하기 위한 가늘고 긴 온도 프로브, 삽입단 주위 프로부의 표면 아래에 위치한 제1 온도센서, 프로부 내부에 위치하고 상기 제1 센서와 평행한 최소한 하나의 제2 온도센서, 상기 제1 센서와 제2 센서 사이에 위치한 열차단 부재, 몸체와 제1 센서사이 및 제1 센서와 제2 센서 사이에서 측정되는 열유속에 따라 몸체온도를 계산하는 제1 및 제2 온도센서에 연결된 데이터 처리장치, 및 상기 데이터 처리장치에 연결된 데이터 표시장치로 구성되는 것을 특징으로 하는 인체의 온도를 측정하는데 유용한 고속 정밀 온도측정 장치.
2. 제1항에 있어서, 온도프로부 내부에 위치하고, 일정 온도로 프로부를 예열시키고, 인체온도 측정시에는 대략 34 내지 38℃까지 예열시키는 열소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고속 정밀 온도측정 장치.
3. 제1항에 있어서, 프로부 내부에 위치하고 제1 센서와 평행한 제3 센서를 더 포함하고, 상기 제3 센서는 데이터 처리장치에 연결되어 있고, 상기 데이터 처리장치는 제1 센서와 제3 센서 사이에서 측정되는 열유속에 따라 체온을 부가적으로 계산하는 것을 특징으로 하는 고속 정밀 온도측정 장치.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 센서, 제2 센서, 및 열소자는 단일 유동기판 상에 포토에칭(photo-etching)되는 것을 특징으로 하는 고속 정밀 온도측정 장치.
5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 제3 센서는 제1 센서, 제2 센서 및 열소자를 갖는 유동기판 상에 포토에칭(photo-etching)되는 것을 특징으로 하는 고속 정밀 온도측정 장치.
6. 제4항 또는 5항에 있어서, 상기 기판이 상기 센서들 사이에 놓인 차단부재를 갖는 두 센서를 평행하게 정렬하고, 따라서 차단 매개물을 갖는 정렬된 센서들은 가늘고 긴 프로브 속으로 삽입되고 이에 따라 정렬상태가 되는 것을 특징으로 하는 고속 정밀 온도측정 장치.
7. 제1항에 있어서, 상기 가늘고 긴 프로브는 금속 또는 열전도가 좋은 다른 유사한 물질로 만들어지는 것을 특징으로 하는 고속 정밀 온도측정 장치.
8. 상기 설명되고 예시된 고속 정밀 온도측정 장치.