CN113677261A - 用于测量密集被测对象的测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测量密集被测对象、特别是机体通过扩散排出的物质的浓度或温度的测量装置，测量装置具有：至少一个具有至少一个开口的测量室，其中开口可以放置到被测机体上，其中在测量室中布置用于测量密集被测对象的至少三个传感器，这些传感器在测量时布置在距被检查机体不同的距离处；提供的评估装置，该评估装置接收传感器测量的值并根据至少三个测量值和物质或能量扩散率确定密集被测对象的总值。

Description

用于测量密集被测对象的测量装置

技术领域

本发明涉及一种用于测量密集被测对象(intensiven

)、特别是根据权利要求1的前序部分的机体通过扩散排出或吸收的物质的浓度或温度的测量装置，以及一种根据权利要求16的用于测量密集被测对象、特别是机体通过扩散排出或吸收的物质的浓度或温度的方法。

背景技术

例如，对于机体、特别是技术或生物膜的评估，机体的扩散行为是有趣的。例如，机体可以是生物膜。例如，生物膜可以是皮肤表面。在当前的现有技术中，可以测量密集被测对象，即机体通过扩散排出的物质的浓度。由此，可以确定物质通过膜的扩散速率J，这可以用作膜扩散行为的量度。诸如在DE2553377中描述的那些装置用于此目的。这样的装置包括至少一个具有两个开口的测量室，至少两个开口中的一个可放置在待检查膜上。在测量室中布置两个传感器，在测量期间，这些传感器布置在距待检查机体不同的距离处。这样，可以确定扩散速率。

在迄今为止已知的现有技术中，还已知只有一个开口和只有一个传感器的测量室。然后在与第一开口相对的一侧提供冷冻板以用作扩散散热器。

然而，越来越需要这种测量更快速且更可靠。

发明内容

因此，本发明的目的是提供测量更快且更可靠的用于测量密集被测对象的测量装置和方法。

上述目的通过权利要求1和16的特征实现。

本发明有利地规定，在一种用于测量密集被测对象、特别是机体通过扩散排出的物质的浓度或温度的测量装置中，包括：至少一个具有至少一个开口的测量室，该开口可放置在待检查机体上，并且在测量室中布置有用于测量密集被测对象的至少三个传感器，这些传感器在测量期间布置在距待检查机体不同的距离处；提供的评估装置，该评估装置接收由传感器测量的值并根据在至少三个距机体不同的距离处测量的值确定密集被测对象的总值。

密集被测对象是状态变量，它不会随着所考虑的***的大小变化而改变。在当前情况下，密集被测对象可以是机体通过扩散排出的物质的浓度，或者温度。它也可以是压力、电压或各种浓度或密度。密集被测对象可以被直接或间接测量。

测量装置包括至少一个具有至少一个开口的测量室，该开口可放置在待检查机体上。

特别优选的是，测量室具有至少两个开口，两个开口中的至少一个可放置在待检查机体上。因此，具有至少两个开口的测量室形成敞开的测量室。

替代地，测量室可以只有可放置在待检查机体上的一个开口，并且可以在与该开口相对的一侧提供冷冻板，该冷冻板用作扩散散热器。这样的测量室将是封闭的测量室。

本发明具有含有多个空间分辨值的优点，相关联的传感器距膜的距离不同，并且可以通过评估所有值来获得更准确的结果。也可以更快地获得测量结果。

计算规则优选存储在评估装置中，评估装置基于该计算规则确定总值。

例如，在测量开始时，当将装置放置在皮肤上时，例如，通过扩散从机体排出的物质到达各个传感器需要一定的时间。因此，传感器还不能立即测量出对应的值，而到测量值稳定需要一段时间。可以在存储的计算规则中考虑这样的过程。

作为计算规则，例如可以将模型函数存储在评估装置中或下游的单独评估单元中，以对待确定的密集被测对象的实际进程进行近似模拟。

在将测量装置放置到待检查机体上后，例如，传感器确定的温度测量值从初始测量值(T_initial)仅缓慢地调整到作为最终传感器的最终收敛温度(T_final)的真实机体温度值，使得为了测量真实机体温度，需要一定的补偿时长来使测量装置的传感器已经调整到真实机体温度或最终收敛温度(T_final)。测量装置的补偿时长可达300秒。

根据本发明，其可以被提供用来模拟用于确定真实机体温度或最终收敛温度(T_final)的模型函数，从而模拟将测量装置放置到机体表面上后温度测量值从初始温度(T_initial)开始到真实机体温度或最终收敛温度(T_final)的时间进程。模型函数可以借助于将测量装置放置到机体上后短测量时间内同时温度仍在调整时记录的测量值来计算最终机体温度值或最终收敛温度(T_final)。特别地，可以在评估装置或下游的单独评估单元中存储指数函数作为模型函数(例如用于温度进程)。

特别优选地，在评估装置或下游单独的评估单元中存储以下函数作为用于测量装置的传感器的温度进程的模型函数：

T(t，T₀，T₁，τ)＝T₀+(T₁-T₀)·(1-e^-t·τ)；其中

T₀＝时间点t＝0时的温度，T₁是t＝∞情况下的最终收敛温度，τ＝指数函数的时间常数(单位为[1/s])，t是时间点或时间段(单位为[s])并且T是时间点t时的当前温度。

在将测量装置放置到待测机体上后限定的时间段期间，温度测量值

由传感器在限定的时间t_i时确定。优选地，选择20到30秒的最小测量时间段来确定测量值。特别优选地，从将测量装置放置到机体上后10到20秒范围内的时间段开始选择测量时间段的开始。

模型函数的时间常数τ可以被视为是模型函数的未知数，或者可以通过测量真实温度进程来确定测量装置的模型函数的时间常数τ，并将该模型函数的时间常数τ存储在评估装置中。特别优选地，可以将τ设置为1/60到1/90[1/s]范围内的值。

总体而言，变量T₀是假定的模型函数的时间点t＝0时的温度或通过模型函数在时间段t内近似的温度进程，其被确定为未知数。然而，温度T₀可以设置为由测量装置确定的初始温度(T_initial)或任何中间温度，根据该初始温度(T_initial)或任何中间温度可以通过模型函数来近似温度进程。

在时间点t＝∞时的最终收敛温度T₁对应于通过模型函数在理论上假定的温度进程的最佳可能近似值情况下的真实机体温度(T_final)。

密集测量值的总值可以用作在时间点t时测量的当前温度的测量值T，其又可以使用计算规则根据传感器的测量值计算出来。

模型函数的两个未知数T₀和T₁或替代地模型函数的三个未知数τ、T₀和T₁可以通过使用Levenberg-Marquardt算法来确定，或者可以根据测量值对来近似确定。

Levenberg-Marquardt算法可以在迭代过程中与稳健的统计方法(最大似然估计器)相结合，以基于残差的分布函数而筛选出值不符合模型函数的测量点。然后可以对减少的一组测量点进行模型参数的改进估计。

待检查机体可以是任何扩散源或散热器。优选地，机体可以是技术或生物膜。例如，生物膜可以是皮肤表面。

例如，通过传感器，可以直接或间接测量机体通过扩散排出的物质的浓度c。可以根据空间浓度分布c(z)计算浓度梯度

由此，根据菲克定律，借助物质对所特定的扩散常数D，可以计算出通过扩散排出的对应物质的扩散速率J：

某些物质配对的扩散常数是已知的，并且可以在文献中查找。替代地，扩散常数也可以通过实验确定。扩散常数取决于压力和温度。然而，对于某些压力和温度，扩散常数是已知的。原则上，浓度梯度可以根据在z₁和z₂两点处的测量c(z)来确定。为此，必须根据两个测量值估计梯度值。这是可行的，例如通过以下线性差分方法：

然而，空间分辨更高的浓度测量允许以更高的可靠性从测量值导出浓度梯度。如果确定在n个距离z₁到z_n处的浓度c(z_i)，可以将测量点视为任意可参数化函数的插值点。例如，这可以是k次多项式p(z)。

通过已知的数值方法，可以确定多项式参数a₀到a_k-1，使得以下适用：

这提供了计算浓度的解析导数

的可能性：

如果p是梯度不恒定的函数，它可以用来确定位置相关的梯度。由于要确定的目标变量是扩散速率J，因此可以选择参数p的确定和

的计算，从而使时间进程J例如相对于干扰尽可能稳定和稳健，或者在测量装置放置到表面上后尽快做出响应。

机体通过扩散排出的物质可以是水蒸气。如果机体是皮肤，那它就被称为经皮失水。为此目的，将水蒸气通过皮肤的扩散速率确定为被测对象。这种测量值被称为TEWL值。

存储在评估装置中的计算规则可以对传感器测量的值进行不同的加权，以确定密集被测对象的总值。

这样做的优点是可以更快地获得更准确的结果。靠近机体放置的传感器可以比远离机体放置的传感器更快地测量出对应的值，因为当装置再次放置到机体上时，通过扩散排出的物质量到达对应的传感器需要一定的时间。

可以对每个装置执行测试测量，并且对于特殊装置，可以存储在哪些测量时间对哪些值如何加权以获得最佳值。

评估装置中存储的计算规则在确定总值时可以使用线性估计器、非线性估计器或稳健估计器。已知多个稳健估计器。

这样的稳健估计器的优点是不考虑显著偏离的值。这样，可以获得更准确的结果。

总值是根据所有测量值确定的值。这个值应代表实际的密集被测对象。如果长时间执行测量，那么所有传感器的测量值将非常稳定，并且总值可以是例如所有测量值的平均值。然而，根据装置的应用，可以存在不同的计算规则，例如在测量开始时，如上所述，可以对传感器的测量值应用不同的加权。例如，即使各个值由于环境中的空气湍流而发生剧烈变化，也可以将此记录下来并加以考虑。例如，稳健估计器无法考虑这些变化很大的值。

总值可以是评估装置基于计算规则确定的估计值，其中计算规则考虑总值的时间进程。

例如，通过测试试验，可以知道总值随时间的时间进程。如果现在开始新测量并将装置放置到机体上并且第一测量可用，则可以基于所存储的总值的典型时间进程来确定总值的估计值。

传感器可以布置在测量室的中心或侧壁中。

测量室可以包括至少一个侧壁，并且至少三个传感器可以布置在至少一个侧壁上距待检查机体不同的距离处。替代地，传感器可以放置在测量室的中心或中心区域。

至少一个侧壁可以布置在第一开口和第二开口之间。

测量室可以具有圆形横截面。

至少三个传感器可以布置成至少三个排，至少三个排布置在距待检查机体不同的距离处，并且每个排布置至少一个传感器。

也可以提供至少五个传感器。因此，可以提供至少五排，其中每排可以提供多个传感器。例如，每排可以布置六个传感器，从而总共可以提供至少三十个传感器。

传感器可以测量机体通过扩散排出的物质的浓度。测量通过扩散排出的物质的浓度的传感器可以另外测量温度和/或相对湿度。替代地，除了测量通过扩散排出的物质的浓度的传感器外，还可以提供在测量期间也布置在距待检查机体不同的距离处的至少三个温度传感器和/或用于测量温度和/或相对湿度的相对湿度测量传感器。

评估装置还可以接收温度和/或相对湿度的测量值并基于这些测量值来确定总温度值和/或总相对湿度值。

附加温度传感器和/或相对湿度传感器也可以布置在测量室的侧壁上或中央区域或中心。

根据本发明，可以提供一种用于测量密集被测对象、特别是机体通过扩散排出的物质的浓度或温度的方法，该方法包括以下步骤：

-将至少一个测量装置放置到待检查机体上，测量装置具有用于测量密集被测对象的至少三个传感器，测量室具有放置到待检查机体上的至少一个开口，

-其中测量室被放置成使得在测量期间传感器布置在距待检查机体不同的距离处，

-其中评估装置接收传感器测量的值，并且评估装置根据测量值确定密集被测对象的总值。

为了确定总值，可以存储用于确定总值的计算规则。

在确定总值时，可以对传感器测量的计算规则的值进行不同的加权。

更靠近待检查膜布置的传感器的测量值可以被更高地加权。

由于加权不同，可以更快地确定更可靠的值。

可使用稳健估计器来确定总值。

还可以确定密集被测对象的距表面特定距离的值，该值不是通过传感器直接测量的。

来自位于距待检查机体不同的距离处的传感器的不同测量值的存在允许确定表示这些值相对于距膜的距离的相关性的函数。这样，还可以确定不是通过传感器直接确定的特定距离的值。这样，也可以直接在机体表面上确定密集被测对象。如果使用传感器或附加传感器将温度或相对湿度作为密集被测对象进行测量，则可以确定机体表面的温度或相对湿度。

传感器的第二开口外的直接环境中的通过扩散排出的物质的浓度、温度或相对湿度可以额外地被指示。

另外，可以在距机体不同距离的至少三个点处测量温度。

附图说明

在下文中，参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式，其中示意性示出了以下内容：

图1示出了用于测量机体通过扩散排出的物质的量的测量装置，

图2示出了测量室的平面图，

图3示出了测量室的剖面图，

图4还示出了穿过测量室的剖面和穿过触地帽的剖面，

图5示出了测量的时间进程以及机体表面(连续曲线)和测量装置的第二开口(虚线)的水蒸气浓度、温度和相对湿度的外推。

图6示出了作为传感器相对于机体的位置的函数的水蒸气浓度的外推。

具体实施方式

图1示出了用于测量密集被测对象的测量装置。在本示例性实施方式中，测量机体5通过扩散排出的物质的浓度。

示出了手柄2。带有测量室6的头部4布置在手柄上。在所示的示例性实施方式中，测量室6具有至少两个开口8和10，至少两个开口14中的一个开口可放置到待检查机体5上。在当前情况下，开口8可以放置到待检查机体5上。测量室6在图2中以平面图示出。可以在图2中看出，测量室6具有圆形横截面。

图3示出了穿过测量室6的剖面。可以看出，多个传感器12被布置在测量室6的侧壁14上。传感器12以排和列布置成彼此相邻或一个在另一个之上。五个传感器按一个在另一个之上布置成一列。六个传感器布置成一排，每排平均三个传感器12可见。

传感器12直接或间接测量通过扩散排出的物质的浓度。

机体5可以是生物膜或技术膜。测量室6可以放置到机体5上。生物膜尤其可以是皮肤表面。

所示的传感器12还可以附加地测量作为密集被测对象的温度。替代地，也可以提供单独的传感器来测量温度，其中也可以提供多个传感器来测量温度。

评估装置16布置在手柄2中或外部。

评估装置16接收由传感器12测量的值并且根据至少三个测量值确定通过扩散排出的物质的浓度的总值。由于在当前情况下提供了三十个传感器，因此提供了至少三十个传感器的测量值。计算规则优选被存储在评估装置16中，评估装置16基于该计算规则确定总值。

计算规则以及因此评估装置16可以对不同传感器12测量的值进行不同的加权。例如，靠近待检查机体布置的那些传感器12的值可以被更高地加权。上述传感器12不易受到由于空气湍流造成的干扰。此外，通过这些传感器12，在再次将测量室6放置到机体上后可以更快地获得测量值。在将测量装置1放置到机体上后，通过扩散排出的物质必须首先到达传感器12。因此，所述传感器12只能在一定时间后测量通过扩散排出的物质。

图4还示出了穿过该装置的剖面，其中示出了附加的触地帽。所述触地帽用于保护皮肤表面，特别是在皮肤表面的检查期间。

图5示出了测量的时间进程以及机体表面(连续曲线)和测量装置的第二开口(虚线)的水蒸气浓度、温度和相对湿度的外推。只有在一定时间后才能达到稳定值。然而，也可以根据早期已经测得的测量值来确定总值的估计值。为了确定估计值，评估装置16以及因此计算规则考虑总值和/或测量值的时间进程。时间进程可以通过比较测试来确定，例如，可以确定典型的时间进程函数。如果现在可以获得第一值，则可以基于这些第一值和存储的时间进程函数来确定预期的稳定总值。即使测量持续更长时间，也可能发生空气湍流或其他干扰。

在确定总值时，不能考虑与其他测量值有相差很大的测量值。

因此，在进一步的测量过程中仍然可以应用不同的加权。

例如，计算规则可以使用稳健估计器来确定总值。

还可以确定在机体表面通过扩散排出的物质的浓度。

还可以确定紧邻测量装置处通过扩散排出的物质的浓度。

为此，可以执行外推，例如，如图6所示。

图6示出了作为传感器和待检查膜之间的距离的函数的水蒸气浓度。可以基于测量值确定函数。通过确定该函数，可以得出关于机体表面和环境中水蒸气浓度的结论。

Claims (27)

1.一种用于测量密集被测对象的测量装置，所述密集被测对象特别是机体通过扩散排出的物质的浓度或温度，所述测量装置包括：

-至少一个测量室，所述测量室具有至少一个开口，所述开口可放置到待检查机体上，

其特征在于，

在所述测量室中布置用于测量所述密集被测对象的至少三个传感器，所述传感器在测量期间布置在距所述待检查机体不同的距离处，

其中，提供评估装置，该评估装置接收所述传感器测量的值并且根据至少三个测量值确定所述密集被测对象的总值。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述测量室包括至少两个开口。

3.根据权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于，计算规则存储在所述评估装置中，所述评估装置基于所述计算规则确定所述总值。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述评估装置中存储的所述计算规则对所述传感器测量的值进行不同的加权，以确定所述密集被测对象的所述总值。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述评估装置中存储的所述计算规则在确定所述总值时使用稳健估计器。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述总值是所述评估装置基于所述计算规则确定的估计值，其中所述计算规则考虑了所述总值的时间进程。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的测量装置，其特征在于，模型函数被存储在所述评估装置中或下游的单独评估单元中以对待确定的密集被测对象的真实进程进行近似模拟。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述测量室包括至少一个侧壁，并且所述至少三个传感器布置在所述至少一个侧壁上距所述待检查机体不同的距离处。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述测量室包括至少一个侧壁，并且所述至少三个传感器在距所述待检查机体不同的距离处与所述侧壁间隔开地布置在所述测量室的中心区域。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述测量室具有圆形横截面。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述至少三个传感器布置成至少三排，所述至少三排布置在距所述待检查机体不同的距离处并且每排至少布置一个传感器。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述传感器测量所述机体通过扩散排出的物质的浓度。

13.根据权利要求12所述的测量装置，其特征在于，测量通过扩散排出的物质的浓度的传感器另外测量温度和/或相对湿度，或者另外提供在测量期间也布置在距所述待检查机体不同的距离处的至少三个温度传感器和/或用于测量温度和/或相对湿度的相对湿度测量传感器。

14.根据权利要求13所述的测量装置，其特征在于，所述评估装置还接收温度和/或相对湿度的测量值，并根据所述测量值确定总温度值和/或总相对湿度值。

15.根据权利要求13至14中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述侧壁上还布置有温度传感器和/或相对湿度传感器。

16.一种测量密集被测对象的方法，所述密集被测对象特别是机体通过扩散排出的物质的浓度或温度，所述方法通过以下步骤进行测量：

-将至少一个测量室放置到待检查机体上，所述测量室具有用于测量所述密集被测对象的至少三个传感器，所述测量室具有放置到所述待检查机体上的至少一个开口，

-其中所述测量室被放置成使得在测量期间所述传感器布置在距所述待检查机体不同的距离处，

-其中所述评估装置接收所述传感器测量的值，并且所述评估装置根据测量值确定所述密集被测对象的总值。

17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，存储用于确定所述总值的计算规则，基于所述计算规则来确定所述总值。

18.根据权利要求16或17所述的方法，其特征在于，在确定所述总值时，在所述计算规则中对所述传感器测量的值进行不同的加权。

19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，更靠近所述待检查机体布置的所述传感器的测量值更高地加权。

20.根据权利要求16至19中任一项所述的方法，其特征在于，使用稳健估计器来确定所述总值。

21.根据权利要求16至19中任一项所述的方法，其特征在于，使用模型函数对待确定的密集被测对象的真实进程进行近似模拟。

22.根据权利要求16至21中任一项所述的方法，其特征在于，能够确定距所述表面特定距离的所述密集被测对象的值，该值不是通过传感器直接测量的。

23.根据权利要求12至15中任一项所述的方法，其特征在于，将机体通过扩散排出的物质的浓度作为密集被测对象来测量。

24.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，另外，至少在距所述机体不同距离的三个点处测量作为密集被测对象的温度和/或相对湿度。

25.根据权利要求16至20中任一项所述的方法，其特征在于，其类似于菲克定律根据所测量的密集被测对象c(z)的梯度

来确定对应的被测对象的扩散速率。

26.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，所述密集被测对象为温度，所述扩散速率为热损失。

27.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，所述密集被测对象为物质浓度，所述扩散速率为单位时间和单位面积的物质量。

Images