專利名稱：高速精確溫度測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及一種高速精確溫度測量裝置，該裝置特別用于測量下文稱作“物體”(如人體)低導(dǎo)熱率腔的溫度。更具體地說，本發(fā)明涉及一種高速精確溫度測量裝置，其中根據(jù)物體與第一溫度傳感器位置之間和第一溫度傳感器與第二溫度傳感器(或多個傳感器)位置之間測得的熱通量計算物體溫度。
背景技術(shù)：
每個溫度測量過程包括將來自被測物體的熱傳遞到測量裝置探針。熱傳遞可以有三種方式；傳導(dǎo)、對流和輻射。本發(fā)明的方法除了測量熱傳導(dǎo)(如以氣流或液流)外，還可測量熱對流。由于實現(xiàn)精確性有賴于早先關(guān)于高可靠性下是未知的常數(shù)的知識，所以輻射熱測量缺乏精確性。
利用對流或傳導(dǎo)的大多數(shù)溫度測量裝置要求溫度測量傳感器與被測物體達到熱平衡。如果被測物體是熱的不良導(dǎo)體，則(與溫度測量傳感器)達到平衡的時間就可能相當(dāng)長。這一(達到平衡的)測量等待時間是熱力學(xué)上必須的。這一等待時間的縮短常常要付出測量精確度的代價。
本發(fā)明的裝置消除了這一等待時間。本發(fā)明的裝置不是直接測量溫度(這要求等待達到平衡)，而是通過推算溫度傳感器測量值來計算溫度。這種推算依靠一熱傳遞公式，優(yōu)選是一熱傳導(dǎo)公式，由此根據(jù)(a)物體與第一溫度傳感器之間和(b)第一溫度傳感器與第二傳感器(或多個傳感器)之間測得的熱通量計算物體溫度。由于首先熱通量測量不要求等待熱平衡，其次該計算本身在標準微處理器上實時進行，所以本發(fā)明的裝置可以迅速顯示物體的精確溫度。
下面是對推導(dǎo)這些必要公式的詳細說明(實施于根據(jù)本發(fā)明的數(shù)據(jù)處理單元所使用的算法中)。
傳導(dǎo)熱傳遞公式(一維無熱源，因為在溫度測量過程中本裝置的加熱體不工作)ρCpdTdt=-ddx(kdTdx)]]>該公式表示在所討論的物體入口與出口之間的熱通量差分。dTdt=1ρCpΔxΔ[kdTdxin-kdTdxout]]]>其中一維熱通量(Q)被定義為相對于位置變化dx的常數(shù)“k”乘以溫度變化dT(*)----Q=-kΔTΔX]]>利用有限差分公式(*)可寫成T(t+Δt)-T(t)Δt=1ρCpΔx[kT(x+Δx)-T(x)Δx|x=xin-kT(x+Δx)-T(x)Δx|x=xout]]]>如果我們設(shè)ωin=kΔtρCpΔx2in]]>和ωout=kΔtρCpΔx2out]]>那么(**)T(t+Δt)-T(t)|x=12(xin+xout)=ωin[T(x+Δx)-T(x)]|x=xin-ωout[T(x+Δx)-T(x)]|x=xout]]>如果有兩個熱傳感器，位于xin的“S1”和位于xout的“S2”，而且這些傳感器被一具有已知熱傳導(dǎo)系數(shù)的限定距離(例如一熱絕緣部件)所分開，且“S1”與物體熱接觸，而“S2”在熱探針內(nèi)，而且物體位于xin+Δx，那么由(**)可清楚地看到約為T(t+Δt)-T(t)|x=12(xin+xout)=ωin[Tbody-Ts1]|-ωout[Ts1-Ts2]]]>如在位置1/2(xin+xout)所估計的那樣，溫度上升被定義為從物體進入的熱ωin乘以[(Tbody)減(Ts1)]減ωout乘以從探針出的熱[(Ts1)減(Ts2)]。
本發(fā)明的裝置根據(jù)代表熱通量的測量溫度解出該公式，求得未知的Tbody、ωin、ωout，而不必等待熱平衡。
發(fā)明概述本發(fā)明涉及一種特別用于測量人體溫度的高速精確溫度測量裝置，該裝置包括(a)一細長的溫度探針，(b)位于探針表面下方的第一溫度傳感器，(c)位于探針內(nèi)并且平行于第一傳感器的至少一個第二溫度傳感器，(d)位于第一傳感器和第二傳感器(或多個傳感器)之間的熱絕緣部件，(e)接至第一和第二溫度傳感器的數(shù)據(jù)處理單元，它根據(jù)物體與第一傳感器之間和第一與第二傳感器(或多個傳感器)之間測得的熱通量計算物體溫度，以及(f)接至數(shù)據(jù)處理單元的數(shù)據(jù)顯示器。
發(fā)明詳述本發(fā)明涉及一種特別用于測量人體溫度的高速精確溫度測量裝置。本發(fā)明的裝置同樣也用于測量動物體溫和測量任何低導(dǎo)熱率腔的溫度。
本發(fā)明的裝置包括(a)一細長的溫度探針。該探針用于插入體腔內(nèi)(本發(fā)明中，單詞“體腔”也指腋窩；口腔和直腸)。該探針具有一圓的插入端以便于安全插入敏感的體腔中。
(b)第一溫度傳感器。第一傳感器位于插入端附近的探針表面下方(以便于使插入深度最小)。
(c)至少一個第二溫度傳感器。該第二傳感器位于探針內(nèi)并且平行于第一傳感器。
(d)一熱絕緣部件。該部件位于第一傳感器和第二傳感器(或多個傳感器)之間。應(yīng)強調(diào)的是(如將要描述的那樣)，傳感器和絕緣部件的整個結(jié)構(gòu)優(yōu)選能被卷起。
(e)一數(shù)據(jù)處理單元。該數(shù)據(jù)處理單元接至第一和第二溫度傳感器。該數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)(i)物體與第一傳感器之間和(ii)第一與第二傳感器之間測得的熱通量計算物體溫度。
(f)一數(shù)據(jù)顯示器。該數(shù)據(jù)顯示器接至數(shù)據(jù)處理單元，用于顯示如由數(shù)據(jù)處理單元所計算的物體溫度。該數(shù)據(jù)顯示器也可顯示信息(如測量誤差)。
根據(jù)本發(fā)明裝置的優(yōu)選實施例，一加熱元件位于溫度探針內(nèi)。該加熱元件將該探針預(yù)熱至一預(yù)定值(在測量人體溫度時，達到近似34～38℃)。在探針如此預(yù)熱時，進行測量的高階外推法(highorder extrapolation)所需要的時間比使用一種室溫探針的實例所需要的時間短(見背景部分中描述的熱傳遞公式)。
一種可選擇附加的第二傳感器(下文中的“第三傳感器”)可被數(shù)據(jù)處理單元用來提高溫度測量計算的速度和精確度。該第三傳感器位于(溫度)探針內(nèi)并且平行于第一傳感器。該第三傳感器同樣也接至數(shù)據(jù)處理單元。該數(shù)據(jù)處理單元因此還可以另外根據(jù)在第一傳感器和第三傳感器之間測得的熱通量計算物體溫度。
預(yù)熱步驟是可選擇的，但很重要，因為通過限制所測量溫度的范圍，可提高分辨率(resolution)。
另外，根據(jù)本發(fā)明裝置的優(yōu)選實施例，第一傳感器、第二傳感器(或多個傳感器)以及加熱元件都被光刻到一個柔性襯底(印刷線路板)上。然后卷曲或折疊該襯底(以便將兩個傳感器或三個傳感器平行排列)，并且將一個絕緣部件置于這些傳感器之間。在卷曲時，襯底本身就是絕緣介質(zhì)。將如此排列的傳感器(及其絕緣介質(zhì))插入細長的探針中，由此保持這種排列(以便于實現(xiàn)兩個或三個所需通量的測量)。
本發(fā)明裝置的細長探針由金屬或具有高導(dǎo)熱率的任何其他材料制成。用于該細長探針的材料選擇也應(yīng)考慮到使用的衛(wèi)生因素，例如易于清潔或消毒(如果是醫(yī)學(xué)用途)。
包括兩個(或三個)傳感器和一個加熱體的組件具有價格更便宜、更易于制造、制造中不需要手工勞動以及不要求傳感器彼此相對調(diào)諧等優(yōu)點。
通過

圖1-5將更詳細地描述和說明本發(fā)明。這些圖只是要說明本發(fā)明的優(yōu)選實施例，而不是要以任何方式限定本發(fā)明的范圍。
圖1示出一被插入探針的示意性截面。
圖2示出排列好的傳感器的等角投影截面。
圖3是用于高速精確溫度測量裝置中的操作程序流程圖。
圖4示出該裝置模擬電路部分的簡圖。
圖5示出該裝置數(shù)字電路部分的簡圖。
圖1示出一被插入探針的示意性截面。顯示出一個插入人體腔(2)內(nèi)的加裝金屬套管的溫度探針(1)。一個三部分組件包括第一傳感器(3)，它通過一個熱絕緣部件(5)與第二傳感器(4)分開。該三部分組件在接近探針插入端的位置，其中第一傳感器的一側(cè)與溫度探針的金屬套管熱接觸，而第二傳感器靠近探針的軸。一個加熱(線圈)元件(6)位于絕緣部件內(nèi)。此外還顯示了可供選擇的第三傳感器(7)。
圖2示出排列好的傳感器的等角投影截面。彎曲的三部分組件(其與探針的彎曲部分有等角形狀(conformal shape)從而可將其插入探針中-見圖1)包括第一傳感器(3)(在公式中指定為
)，它通過寬度為“X”的熱絕緣部件(5)與平行的第二傳感器(4)(在公式中指定為
)分開。因此在公式Q=k(dT/dX)(見背景部分)中，“dT”等同于(
)或Tbody-
，而“dX”是沿“X”軸的最終距離(final distance)。
第一傳感器通過電接點(8)和(9)接至數(shù)據(jù)處理單元(見圖5)的電路。第二傳感器通過電接點(10)和(11)接至數(shù)據(jù)處理單元(見圖5)的電路。數(shù)據(jù)處理單元(包括任何所需的模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路和電源，例如電池)又接至數(shù)據(jù)顯示器(見圖5)。
圖3是高速精確溫度測量裝置中采用的操作程序的流程圖。在裝置啟動探針中的加熱元件后，加熱元件預(yù)熱(12)探針約達34～38℃(在人體體溫測量中)，從兩個傳感器中進行數(shù)據(jù)讀取需要約3～4秒鐘(13)，根據(jù)這些測量值，數(shù)據(jù)處理單元計算(14)收斂在ε極限常數(shù)范圍的體溫。如果計算出的體溫不在可接受的體溫范圍內(nèi)(15)，那么從兩個傳感器中取出另外的溫度測量值約0.5秒鐘并重復(fù)計算步驟(14)。如果計算出的體溫在可接受的范圍內(nèi)(16)，那么將計算的體溫顯示(17)在數(shù)據(jù)顯示器上。
圖4示出該裝置模擬電路部分的簡圖。該電路的目的是采樣溫度并啟動加熱元件。該電路接至兩個傳感器(可選擇第三傳感器)、一個加熱元件和數(shù)字電路，以便傳送數(shù)據(jù)采樣值和用數(shù)字方法處理數(shù)據(jù)。圖中示出與傳感器和加熱元件的連接(18)。每個傳感器具有一分開的電路。把在一個非常低的電壓(總電壓100μV)下到達的每個傳感器的信號傳送到一個噪聲濾波器(19)和(20)。然后在(21)和(22)中放大該信號，并傳送到模擬電路部分的輸出端(23)。
圖5示出該裝置的數(shù)字電路部分。該電路的目的是控制預(yù)加熱和啟動模擬部分的全部操作過程；產(chǎn)生測量值；接收來自模擬電路部分的放大和濾波信號；將這些信號轉(zhuǎn)換為二進制(數(shù)字)數(shù)值，進行所需的數(shù)學(xué)計算和顯示計算溫度。
圖中示出由模擬電路的輸入(23)。多路轉(zhuǎn)換單元(24)接收模擬數(shù)據(jù)并連續(xù)地將其傳送到A/D轉(zhuǎn)換器(25)，該轉(zhuǎn)換器可用二進制(數(shù)字)數(shù)值表示電壓。微處理器(26)計算溫度而且還控制電路的程序運行。圖中示出顯示單元(27)和為微處理器提供一個穩(wěn)定電子工作環(huán)境的其他電路元件部分。
現(xiàn)在數(shù)據(jù)處理單元可接在適當(dāng)?shù)碾娮咏狱c上。卷曲(或折疊)襯底以便平行排列兩個傳感器，有一個絕緣部件置放在傳感器之間。如此排列的傳感器連同絕緣部件插入延長的探針中并保持排列狀態(tài)。然后數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)顯示器、電池和適當(dāng)?shù)闹Ъ芗斑B接器可插入距探針插入端有一定距離的區(qū)域，為一定的衛(wèi)生用途如特別用于測量人體溫度的溫度測量裝置，可以與外界隔絕地密封探針。
權(quán)利要求
1.一種特別用于測量人體溫度的高速精確溫度測量裝置，該裝置包括一個用于插入體腔內(nèi)的細長的溫度探針，所述探針具有一個圓形的插入端；位于探針插入端附近表面下方的第一溫度傳感器；至少一個位于探針內(nèi)且平行于第一傳感器的第二溫度傳感器；位于第一傳感器和第二傳感器之間的熱絕緣部件；接至第一和第二溫度傳感器的數(shù)據(jù)處理單元，根據(jù)在物體與第一傳感器和第一傳感器與第二傳感器之間所測得的熱通量計算物體溫度；以及接至所述數(shù)據(jù)處理單元的數(shù)據(jù)顯示器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，還有一位于溫度探針內(nèi)的加熱元件，所述加熱元件預(yù)熱探針達一預(yù)定溫度，在測量人體溫度時，達到接近34～38℃。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，有一位于探針內(nèi)并平行于第一傳感器的第三傳感器，所述第三傳感器接至數(shù)據(jù)處理單元，所述數(shù)據(jù)處理單元還根據(jù)第一傳感器與第三傳感器之間測得的熱通量計算物體溫度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1和2的裝置，其中第一傳感器、第二傳感器和加熱元件被光刻到一柔性襯底上。
5.根據(jù)權(quán)利要求3和4的裝置，其中第三傳感器被光刻到具有第一傳感器、第二傳感器和加熱元件的柔性襯底上。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5的裝置，其中該襯底卷曲或折疊以便平行排列兩個傳感器，且在所述傳感器之間置放一絕緣部件，將如此排列的傳感器及其絕緣介質(zhì)插入細長的探針中，由此保持排列狀態(tài)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中細長的探針由金屬或其他易進行熱傳導(dǎo)的類似材料制成。
8.一種高速精確溫度測量裝置，基本上如此前描述和說明的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種特別用于測量人體溫度的高速精確溫度測量裝置,該裝置包括(a)一細長的溫度探針,(b)位于探針表面下方的第一溫度傳感器,(c)位于探針內(nèi)并且平行于第一傳感器的至少一個第二溫度傳感器,(d)位于第一傳感器和第二傳感器(或多個傳感器)之間的熱絕緣部件,(e)接至第一和第二溫度傳感器的數(shù)據(jù)處理單元,它根據(jù)物體與第一傳感器之間和第一與第二傳感器(或多個傳感器)之間測得的熱通量計算物體溫度,以及(f)接至數(shù)據(jù)處理單元的數(shù)據(jù)顯示器。
文檔編號G01K13/00GK1257577SQ98805407
公開日2000年6月21日 申請日期1998年4月23日 優(yōu)先權(quán)日1997年5月1日
發(fā)明者莫舍·雅登, T·索林·泰克, 伊蘭·瓦戴 申請人:梅迪西姆有限公司