DE102005004933B3

DE102005004933B3 - Vorrichtung zur Messung der Körpertemperatur eines Lebewesens

Info

Publication number: DE102005004933B3
Application number: DE102005004933A
Authority: DE
Inventors: Jochim Dr. Koch
Original assignee: Draeger Safety AG and Co KGaA
Current assignee: Draeger Safety AG and Co KGaA
Priority date: 2005-02-03
Filing date: 2005-02-03
Publication date: 2006-08-31
Anticipated expiration: 2025-02-04
Also published as: GB0602209D0; GB2422907B; GB2422907A; US7299090B2; US20060173375A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Körpertemperatur eines Lebewesens mit einem Sensorgehäuse, enthaltend einen an der Haut des Körpers anlegbaren ersten Temperatursensor zur Erfassung der Hauttemperatur des Lebewesens, einen zweiten Temperatursensor, der auf einer der Haut abgewandten Seite des ersten Temperatusensors wärmeisoliert und beabstandet zu demselben angeordnet ist, und eine Auswerteeinheit, in der die Körpertemperatur nach einer vorgegebenen Temperaturformel, enthaltend eine Temperaturdifferenz aus den von dem ersten Temperatursensor und dem zweiten Temperatursensor gemessenen Temperaturen, berechnet wird, wobei eine Kompensationseinheit (13) vorgesehen ist, derart, dass ein während des Messvorgangs auftretender Verlustwärmestrom (q¶sa¶) berücksichtigt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Körpertemperatur eines Lebewesens mit einem Sensorgehäuse enthaltend einen an der Haut des Körpers anlegbaren ersten Temperatursensor zur Erfassung der Hauttemperatur des Lebewesens, einen zweiten Temperatursensor, der auf einer der Haut abgewandten Seite des ersten Temperatursensor wärmeisoliert und beabstandet zu demselben angeordnet ist, und eine Auswerteeinheit, in der die Körpertemperatur nach einer vorgegebenen Temperaturformel enthaltend eine Temperaturdifferenz aus dem von dem ersten Temperatursensor und dem zweiten Temperatursensor gemessenen Temperaturen berechnet wird.

Aus der DE 100 38 247 C2 ist eine Vorrichtung zur Messung der Körpertemperatur eines Lebewesens bekannt, wobei in einem Gehäuse ein erster Temperatursensor und ein zweiter Temperatursensor angeordnet sind. Der erste Temperatursensor ist während des Messvorganges unmittelbar an der Haut des Körpers angelegt und dient zur Erfassung der Hauttemperatur. Der zweite Temperatursensor ist wärmeisoliert und beabstandet zu dem ersten Temperatursensor angeordnet, wobei er sich auf einer der Haut abgewandten Seite des ersten Temperatursensors befindet. Der zweite Temperatursensor ermittelt die Temperatur der Umgebungsluft des Körpers.

Gemäß der DE 101 39 705 A1 ist es bekannt, eine aus der DE 100 38 247 C2 bekannte Vorrichtung zur Messung der Körpertemperatur eines Lebewesens in einem Schutzhelm integriert anzuordnen. Ein erster Temperatursensor zur Erfassung der Hauttemperatur des Menschen und ein zweiter Temperatursensor, der auf einer der Haut abgewandten Seite des ersten Temperatursensors wärmeisoliert und beabstandet zu demselben angeordnet ist, sind in einer Kopfbänderung des Schutzhelmes integriert angeordnet. Eines Auswerteeinheit ist dazu vorgesehen, die aktuelle Körpertemperatur des Menschen nach einer vorgegebenen Temperaturformel in Abhängigkeit von konstanten Parametern und einer durch den ersten Temperatursensor und den zweiten Temperatursensor gemessenen Temperaturdifferenz zu berechnen.

Nachteilig an der bekannten Vorrichtung ist, dass es in Abhängigkeit von Umgebungs- und Geometriebedingungen zu einer fehlerhaften Ermittlung der Körpertemperatur kommen kann.

Aus der DE 696 31 931 T2 ist ein berührungsloses Temperaturmess-System bekannt, bei dem zwei Sensoren von unterschiedlichen Positionen aus die Objekttemperatur erfassen. Es werden zwar Berechnungsgleichungen zur Kompensation eines Verlustwärmestromes angegeben, allerdings müssen bestimmte Annahmen zur Vereinfachung der Berechnungsgleichungen vorgenommen werden, die die Messvielfalt einschränken.

Bei einer aus der GB 21 31 175 A bekannten Messvorrichtung wird der Wärmefluss zwischen zwei längserstreckten Messköpfen ausgewertet, deren Wärmeleitfähigkeit zwar unterschiedlich, aber bekannt ist. An der Rückseite des Messkopfes befindet sich ein Kühlmedium, um einen Bezugspunkt für die Temperaturmessung zu schaffen. Aufgrund der Größe der Messköpfe ist die bekannte Messvorrichtung für die Messung der Hauttemperatur nicht geeignet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Messung der Körpertemperatur eines Lebewesens derart weiterzubilden, dass die Genauigkeit des Messvorgangs verbessert wird.

Die Lösung der Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Die Aufgabe wird auch mit den Merkmalen des Patentanspruchs 3 gelöst.

Nach der Erfindung ist eine Kompensationseinheit vorgesehen, die es der Auswerteeinheit ermöglicht, eine Körpertemperatur zu berechnen unter Berücksichtigung eines innerhalb des Sensorgehäuses auftretendes Verlustwärmestromes. Die Kompensationseinheit berücksichtigt insbesondere den Verlustwärmestrom, der sich dadurch ergibt, dass der von dem Körper an das Sensorgehäuse der Vorrichtung abgegebene Wärmefluss nicht vollständig über den ersten Temperatursensor an den zweiten Temperatursensor geleitet wird. Durch Ermittlung bzw. Abschätzung des Verlustwärmestromes kann ein präziseres Messergebnis erzielt werden.

Nach einer ersten Variante der Erfindung ist ein dritter Temperatursensor vorgesehen, der im Bereich einer Außenwandung des Sensorgehäuses angeordnet ist. Der dritte Temperatursensor dient zur Messung der Randtemperatur des Sensorgehäuses am Übergang zur Umgebung. In Verbindung mit den durch den ersten Temperatursensor und den zweiten Temperatursensor gemessenen Temperaturen sowie weiteren geometrie- oder materialabhängigen konstanten Parametern kann eine genaue Körpertemperaturbestimmung erfolgen, die unabhängig ist von den Umgebungsbedingungen, insbesondere von den Temperaturbedingungen während des Messvorgangs. Durch die Bestimmung der Randtemperatur des Sensorgehäuses kann der Kompensationsterm relativ genau bestimmt werden.

Nach einer zweiten Variante der Erfindung wird der Kompensationsterm durch Abschätzung bzw. Berechnung der Randtemperatur des Sensorgehäuses bestimmt. Hierbei wird die Randtemperatur mittels einer Randtemperaturformel in Abhängigkeit von einer Wärmeübergangskonstante zwischen der Wand des Sensorgehäuses und der Umgebung bestimmt, wobei der Wärmeübergangskonstante ein Wert in einem vorgegebenen Bereich zugewiesen ist. Dieser Wertebereich ist abhängig von der Größe einer Luftströmung im Bereich der Gehäusewandung. Durch Annahme eines Wertes der Wärmeübergangskonstante in dem üblichen Wertebereich lässt sich ein relativ genaues Messergebnis ausschließlich in Abhängigkeit von den Messgrößen der durch den ersten Temperatursensor und den zweiten Temperatursensor ermittelten Temperaturen gewinnen.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 einen schematischen Längsschnitt durch ein Sensorgehäuse der Vorrichtung, wobei sich die Vorrichtung in einer Anlageposition an einer Haut des Menschen befindet,
2 eine Fehlerkurve der Vorrichtung nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur und
3 eine Fehlerkurve der Vorrichtung nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung in Abhängigkeit von einer Wärmeübergangskonstante α.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung der Körpertemperatur eines Lebewesens, insbesondere eines Menschen, weist ein Sensorgehäuse 1 (Messgehäuse) auf, das zur Ermittlung der Körpertemperatur des Menschen in einer Kopfbänderung eines Schutzhelmes integriert ist, wie es in der DE 101 39 705 A1 offenbart ist. Das Sensorgehäuse 1 ist an der nicht dargestellten Kopfbänderung so positioniert, dass ein in dem Sensorgehäuse 1 angeordneter erster Temperatursensor 2 an einer Kopfhaut 3 des Menschen unmittelbar anliegt. Der erste Temperatursensor 2 dient zur Erfassung einer Hauttemperatur T_h1 des Kopfes. Auf einer der Haut 3 abgewandten Seite des ersten Temperatursensors 2 ist innerhalb des Sensorgehäuses 1 ein zweiter Temperatursensor 4 angeordnet, der in einem Abstand zu dem ersten Temperatursensor 2 angeordnet ist. Der Zwischenraum zwischen dem ersten Temperatursensor 2 und dem zweiten Temperatursensor 4 wird durch ein Isolationsmaterial 12, wie beispielsweise Schaumstoff oder Isolierwolle, ausgefüllt. Der zweite Temperatursensor 4 ist daher wärmeisoliert zu dem ersten Temperatursensor 2 angeordnet.
In dem Sensorgehäuse 1 ist ferner eine Auswerteeinheit 5 integriert, die mit dem ersten Temperatursensor 2 und dem zweiten Temperatursensor 4 elektrisch gekoppelt ist und im Wesentlichen eine mit einem Verstärker versehene Recheneinrichtung, eine Sende-/Empfangseinrichtung, einen Kontaktschalter sowie eine Stromversorgungseinrichtung aufweist. Mittels des Schalters kann die Auswerteeinheit 5 ein- und ausgeschaltet werden. Beispielsweise kann der Schalter in bekannter Weise als Druckschalter ausgebildet sein, so dass nach Anlegen der Kopfbänderung die Auswerteeinheit 5 und somit die Vorrichtung automatisch eingeschaltet wird.
Über die Sende-/Empfangseinrichtung der Auswerteeinheit 5 werden die in der Auswerteeinheit 5 ausgewerteten und bearbeiteten, von den Temperatursensoren 2 und 4 ermittelten Messdaten an eine ortsferne Empfangseinrichtung übermittelt, die über eine Sende-/Empfangseinrichtung, eine Auswerteschaltung, eine Anzeigeeinrichtung sowie eine Alarmeinrichtung verfügt. Die Empfangseinrichtung kann sich am Körper des Kopfbandträgers befinden, so dass die die Vorrichtung tragende Person die gemessene Körpertemperatur unmittelbar ablesen kann. Alternativ kann die Empfangseinrichtung auch in einer zentralen Überwachungsstation untergebracht sein.
Es ist bereits bekannt, die Körpertemperatur T_c des Menschen in der Auswerteeinheit 5 nach folgender Temperaturformel zu berechnen:
wobei

T_c: = Kerntemperatur, Körpertemperatur
T_h1: = durch den ersten Temperatursensor 2 gemessene Hauttemperatur,
T_h2: = durch den zweiten Temperatursensor 4 gemessene Temperatur,
K_s: = Wärmeleitkoeffizient des Sensorgehäuses,
K_g: = Wärmeleitkoeffizient des menschlichen Gewebes.

Zur Erhöhung der Genauigkeit der Messung ist nach der Erfindung eine Kompensationseinheit 13 vorgesehen, die insbesondere Messfehler infolge unterschiedlicher Umgebungsbedingungen ausgleicht. Nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist die Kompensationseinheit 13 im Wesentlichen durch einen dritten Temperatursensor 6 gebildet, der im Bereich einer Außenwandung 7 des Sensorgehäuses 1 angeordnet ist. Der dritte Temperatursensor 6 dient zur Erfassung einer Randtemperatur t_sa des Sensorgehäuses 1. Vorzugweise befindet sich der dritte Temperatursensor 6 in einem Seitenbereich 8 des Sensorgehäuses 1, der quer zu einer gedachten Verbindungslinie 9 zwischen dem ersten Temperatursensor 2 und dem zweiten Temperatursensor 4 angeordnet ist. Die gedachte Verbindungslinie 9 zwischen dem ersten Temperatursensor 2 und dem zweiten Temperatursensor 4 erstreckt sich im Wesentlichen orthogonal zu einer Anlagefläche 10 der Kopfhaut 3. Der Seitenbereich 8 erstreckt sich im Wesentlichen in einem Abstand zu der Verbindungslinie 9 und verläuft in einer Symmetrieebene 11 des zwischen dem ersten Temperatursensor 2 und dem zweiten Temperatursensor 4 liegenden Isoliermaterials 12. Hierdurch ist der dritte Temperatursensor 6 in der Lage, die Temperatur T_sa an der Außenfläche des Isoliermaterials 12 zu messen.
Durch Messung der Sensorgehäuseaußentemperatur T_sa mittels des dritten Temperatursensors 6 lässt sich die an sich bekannte Temperaturformel T_c um einen Kompensationsterm 14 erweitern, der einen Verlustwärmestrom q_sa berücksichtigt, der – abgezweigt von einem senkrecht zur Anlagefläche 10 verlaufenden Hauptwärmestrom q_s – in der Mitte zwischen dem ersten Temperatursensor 2 und dem zweiten Temperatursensor 4 quer zur Verbindungslinie 9 zur Außenwandung 7 hin strömt. Durch Verknüpfung des Kompensationsterms 14 mit der bekannten Temperaturformel T_c ergibt sich eine erweiterte Temperaturformel T_c' zur Messung der Körpertemperatur des Menschen wie folgt:
wobei

K_iso: = Wärmeleitungskoeffizient der äußeren Isolierung,
A_{iso_m}: = Mantelfläche der äußeren Isolierung (mit gleicher Höhe wie die Isolierung zwischen den Sensoren),
A_s: = Stirnfläche de Sensors mit dem Durchmesser der Isolierung,
t_sa: = Temperatur an der Außenfläche der Isolierung.

Durch den Kompensationsterm 14 kann der seitlich quer zwischen dem ersten Temperatursensor 2 und dem zweiten Temperatursensor 4 vom Hauptwärmestrom q_s abfließende Wärmestrom q_sa berücksichtigt werden. Wie aus 2 ersichtlich ist, kann dadurch der Fehler kompensiert werden, der sich in Abhängigkeit von der in einer Umgebung U vorhandenen Umgebungstemperatur t_amb ergibt.
In 2 ist zum einen die Abweichung t_{c_diff} dargestellt, die sich in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur t_amb als Differenz aus der mittels der bekannten Temperaturformel berechneten Kerntemperatur T_c und der tatsächlichen Kerntemperatur ergibt. Zum anderen ist die Abweichung t ' / c_diff dargestellt, die sich als Differenz des mit der erweiterten Temperaturformel T_c' ermittelten Wertes zu der tatsächlichen Kerntemperatur ergibt.
Die bekannte Temperaturformel T_c weist in dem Beispiel nur bei einer Umgebungstemperatur t_amb von 37° C einen korrekten Wert auf. Bei einer höherer Umgebungstemperatur t_amb ergibt sich ein zu hoher Körpertemperaturwert T_c, bei niedrigerer Umgebungstemperatur t_amb wird ein zu niedriger Körpertemperatur T_c berechnet. Durch Berücksichtigung des Kompensationsterms 14 ist der Temperaturfehler, das heißt die Temperaturdifferenz t ' / c_diff, stets bei null.
Nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung kann die Randtemperatur t_sa, die die Temperatur an der Außenwandung 7 repräsentiert, nach folgender Randtemperaturformel ermittelt werden:
wobei

α: = Wärmeleitungskonstante von der Außenwandung des Sensorgehäuses 1 an die Umgebung U.

Die Randtemperatur t_sa ist im Wesentlichen abhängig von der mittels des ersten Temperatursensors 2 gemessenen Hauttemperatur T_h1 und der mittels des zweiten Temperatursensors 4 ermittelten Temperatur T_h2. Die Randtemperaturformel ergibt sich durch Gleichsetzen von Wärmestromgleichungen nach der Umgebungstemperatur t_amb, wobei neben den bereits aus der Temperaturformel T_c' bekannten geometrie- und/oder materialabhängigen konstanten Parametern K_s, K_iso eine Abhängigkeit besteht von der Wärmeübergangskonstante α. Für die Wärmeübergangskonstante α wird ein Wertebereich zwischen 10 W/m²·1/K und 30 W/m²·1/K angenommen. Es kann davon ausgegangen werden, dass bei den Messungen in der Regel die Wärmeübergangskonstante α in diesem Wertebereich liegen wird. Auch bei angenommener größter Abweichung der Wärmeübergangskonstante α in diesem Bereich ergibt sich keine signifikante Fehlerabweichung, wie aus 3 ersichtlich ist. Dort ist die Differenztemperatur t_{c_diff}'' aufgetragen, die sich als Differenz zwischen der durch Berechnung der Temperatur t_sa nach der Randtemperaturformel ermittelten Kerntemperatur T_c' zu der tatsächlichen Kerntemperatur t_c-diff' ergibt. Die Temperaturabweichung liegt in einem Bereich von 0,2° C.
Nach der zweiten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Berechnung der Körpertemperatur T_c' in der Auswerteeinheit 5 des Sensorgehäuses 1, wobei als Eingangsgrößen die durch die Temperatursensoren 2 und 4 ermittelten Hauttemperaturwerte T_h1 und Temperaturwerte T_h2 dienen.
Nach einer nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung kann die Körpertemperatur T_c' nach der ersten und zweiten Ausführungsform der Erfindung auch in einer ortsfernen Auswerteeinheit, beispielsweise in der Empfangseinrichtung, berechnet werden.

Claims

Vorrichtung zur Messung der Körpertemperatur eines Lebewesens mit einem Sensorgehäuse (1) enthaltend: – einen an der Haut (3) des Körpers anlegbaren ersten Temperatursensor (2) zur Erfassung der Hauttemperatur des Lebewesens, – einen zweiten Temperatursensor (4), der auf einer der Haut (3) abgewandten Seite des ersten Temperatursensors (2) wärmeisoliert und beabstandet zu demselben angeordnet ist, und – eine Auswerteeinheit (5), in der die Körpertemperatur nach einer vorgegebenen Temperaturformel, enthaltend eine Temperaturdifferenz aus den von dem ersten Temperatursensor (2) und dem zweiten Temperatursensor (4) gemessenen Temperaturen, berechnet wird, – einen Kompensationsterm (14), um den die Temperaturformel erweitert ist, welcher abhängig von einer Randtemperatur (t_sa) an einer Außenwandung (7) des Sensorgehäuses (1) ist, wobei der Kompensationsterm (14) ausschließlich durch Verknüpfung konstanter Parameter (K_iso; K_g, A_iso, A_s) und von der mittels des ersten Temperatursensors (2) gemessenen Hauttemperatur (T_h1) und der mittels des zweiten Temperatursensors (4) gemessenen Temperatur (T_h2) gebildet ist, – einen dritten Temperatursensor (6) zur Erfassung der Randtemperatur (t_sa), der im Bereich der Außenwandung (7) des Sensorgehäuses (1) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Temperatursensor (6) in einem quer zu einer gedachten Verbindungslinie (9) zwischen dem ersten Temperatursensor (2) und dem zweiten Temperatursensor (4) liegenden Seitenbereich (8) angeordnet ist.
Vorrichtung zur Messung der Körpertemperatur eines Lebewesens mit einem Sensorgehäuse (1) enthaltend: – einen an der Haut (3) des Körpers anlegbaren ersten Temperatursensor (2) zur Erfassung der Hauttemperatur des Lebewesens, – einen zweiten Temperatursensor (4), der auf einer der Haut (3) abgewandten Seite des ersten Temperatursensors (2) wärmeisoliert und beabstandet zu demselben angeordnet ist, und – eine Auswerteeinheit (5), in der die Körpertemperatur nach einer vorgegebenen Temperaturformel enthaltend eine Temperaturdifferenz aus den von dem ersten Temperatursensor (2) und dem zweiten Temperatursensor (4) gemessenen Temperaturen berechnet wird und welche einen während des Messvorgangs auftretenden Verlustwärmestrom (q_sa) berücksichtigt, indem ein Kompensationsterm (14) für die Temperaturformel gebildet ist, welcher abhängig von einer Randtemperatur (t_sa) an einer Außenwandung (7) des Sensorgehäuses (1) und von konstanten Parametern (K_g, K_iso, A_iso, A_s) ist, wobei die Randtemperatur (t_sa) durch eine Randtemperaturformel in Abhängigkeit von konstanten Parametern(α, K_s, K_iso,) bestimmt wird, wobei einer dieser konstanten Parameter die Wärmeübertragungskonstante (α) zwischen dem Sensorgehäuse (1) und der Umgebung (U) ist, und in Abhängigkeit von der mittels des ersten Temperatursensors (2) gemessenen Hauttemperatur (T_h1) und der durch den zweiten Temperatursensor (4) ermittelten weiteren Temperatur (T_h2) berechnet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungskonstante (α) einen Wert in einem Bereich zwischen 10 W/m²K bis 30 W/m²K hat.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 in einem Schutzhelm, wobei der zweite Temperatursensor (4) die umgebungsnahe Temperatur innerhalb des Schutzhelms misst.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 in Kombination mit einer Kleidung, wobei der zweite Temperatursensor (4) die umgebungsnahe Temperatur innerhalb der Kleidung misst.