DE112018006038T5

DE112018006038T5 - Körperkerntemperatursensor mit zwei tegs

Info

Publication number: DE112018006038T5
Application number: DE112018006038.1T
Authority: DE
Inventors: Beatrix Mensch; Thomas Rocznik; Christian Peters; Seow Yuen Yee
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-12-28
Filing date: 2018-12-26
Publication date: 2020-09-03
Also published as: US11717170B2; WO2019133601A1; CN111741709A; US20200390336A1

Abstract

In einer Ausführungsform weist ein Temperatursensorsystem zwei Sensoranordnungen mit unterschiedlichen Wärmewiderständen auf, wobei jede Sensoranordnung einen Temperaturerfassungsabschnitt und einen thermoelektrischen Generatorabschnitt, der dafür ausgelegt ist, einen Wärmestrom von einem Körper durch den zugeordneten Temperaturerfassungsabschnitt zu empfangen, aufweist. Eine Steuereinheit ist mit den Sensoranordnungen und dem Speicher betriebsfähig verbunden. Die Steuereinheit ist dafür ausgelegt, in dem Speicher gespeicherte Programmanweisungen auszuführen, um Signale von den Temperatursensorabschnitten und den thermoelektrischen Generatorabschnitten zu gewinnen und basierend auf den gewonnenen Signalen eine Körperkerntemperatur (T) zu berechnen und auszugeben.

Description

Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 62/611,002 mit dem Titel „MEASURING THE BODY CORE TEMPERATURE WITH TWO TEGS“, die am 28. Dezember 2017 eingereicht wurde und deren Inhalt hiermit in seiner Gesamtheit durch Querverweis einbezogen wird.
GEBIET
Die Vorrichtung und das Verfahren, die in diesem Dokument offenbart werden, betreffen die Temperaturerfassung und insbesondere die Temperaturerfassung von Kerntemperaturen.
HINTERGRUND
Es ist bekannt, die Körperkemtemperatur eines Menschen mit einem auf der Haut angebrachten Sensor unter Anwendung eines Verfahrens mit zwei Wärmeflüssen (Dual Heat Flux Method) zu bestimmen. Gemäß diesem bekannten Verfahren wird ein Doppler-Sensor verwendet. Der Doppler-Sensor weist zwei Temperatursensoren auf, die jeweils auf einer Seite des Sensors angeordnet und durch eine Isolierschicht thermisch getrennt sind. Der Sensor wird auf der Haut platziert, so dass die Temperatur zwischen der Haut und der Unterseite der Isolierschicht gemessen wird, und auch die Temperatur auf der Oberseite der Isolierschicht. Es wird angenommen, dass ein konstanter und vertikaler Wärmestrom vom Körperkem zur Oberseite des Sensors vorhanden ist. Daher ist der Wärmestrom durch den Sensor derselbe ist wie der Wärmestrom durch die Hautschicht unter dem Sensor. Der Wärmestrom durch den Doppler-Sensor kann mit dem Fourierschen Gesetz berechnet werden: $I = \frac{T_{S} - T_{U}}{R_{I}}$
wobei:

„I“ der Wärmestrom = Wärmeübertragungsrate ist;
„T_s“ die Temperatur zwischen der Haut und der Isolierschicht ist;
„T_U“ die Temperatur an der Oberseite der Isolierschicht ist; und
„R_I“ der Wärmewiderstand der Isolierschicht ist.

Der Wärmestrom durch die Hautschicht unter dem Sensor kann wie folgt berechnet werden: $I = \frac{T_{B} - T_{S}}{R_{S}}$
wobei:

„T_B“ die Körperkerntemperatur unter der Hautschicht ist; und
„R_s“ der Wärmewiderstand der Hautschicht ist.

Da der Wärmestrom durch den Sensor derselbe wie der Wärmestrom durch die Hautschicht unter dem Sensor ist, können die obigen Gleichungen kombiniert werden, und die Körperkerntemperatur kann berechnet werden durch: $T_{B} = T_{S} + \frac{(T_{S} - T_{U}) R_{S}}{R_{I}}$
Die einzige Unbekannte ist daher der Wärmewiderstand der Hautschicht. Der Wärmewiderstand einer menschlichen Hautschicht lässt sich jedoch sehr schwer mit einer gewünschten Genauigkeit bestimmen. Das Problem wird durch die Tatsache verschärft, dass der Wärmewiderstand für jeden Menschen und für jede Stelle auf dem Körper erhebliche Unterschiede aufweist. Daher kann keine allgemeingültige Konstante angewendet werden, ohne einen gewissen Fehler zu erzeugen, und der Hautwiderstand muss berücksichtigt werden.
Um den Wärmewiderstand der Haut beim Doppler-Sensor-Verfahren zu eliminieren, werden zwei Sensoren mit unterschiedlichen Wärmewiderstandswerten dicht nebeneinander auf der Haut platziert. Aufgrund der unterschiedlichen Wärmewiderstandswerte treten unterschiedliche Temperaturen zwischen den Sensoren und der Hautschicht und auch oben auf den Sensoren auf. Unter der Annahme, dass der Wärmewiderstand der Hautschicht unter jedem der Sensoren derselbe ist (da die Sensoren nahe beieinander angeordnet sind), kann die Körperkerntemperatur dann mit den folgenden Gleichungen berechnet werden: $T_{B} = T_{1} + \frac{(T_{1} - T_{3}) R_{S}}{R_{1}}$
$T_{B} = T_{2} + \frac{(T_{2} - T_{4}) R_{S}}{R_{2}}$
Die obigen Gleichungen können kombiniert werden zu: $T_{B} = T_{1} + \frac{(T_{1} - T_{2}) (T_{1} - T_{3})}{K (T_{2} - T_{4}) - (T_{1} - T_{2})}$
mit $K = \frac{R_{1}}{R_{2}}$
Daher kann die Körperkerntemperatur bestimmt werden, ohne die thermischen Eigenschaften (den Wärmewiderstand) der Hautschicht zu kennen. Doch bei diesem Verfahren müssen die Wärmewiderstandswerte beider Sensoren bekannt sein, oder der Faktor „K“ muss mit einer Kalibrierung bestimmt werden.
Benötigt werden ein System und ein Verfahren zum Bestimmen der Kerntemperatur eines Lebewesens oder Objekts, welche keine Kenntnis der Wärmewiderstandswerte der Sensoren erfordern. Es wäre außerdem vorteilhaft, wenn ein System und ein Verfahren zum Bestimmen der Kerntemperatur eines Lebewesens oder Objekts keine Kalibrierung des Systems erfordern würden.
KURZDARSTELLUNG
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein System und ein Verfahren zum Bestimmen der Kerntemperatur von Lebewesen oder Objekten, z. B. Menschen, Tieren, Maschinen usw., unter Verwendung von zwei oder mehr Sensoren, die auf der Oberfläche des Objekts platziert werden. Das System erfordert keine vorherige Kenntnis der thermischen Eigenschaften (des Wärmewiderstands) des Objekts. Jede Sensoranordnung gemäß der vorliegenden Offenbarung hat einen anderen Wärmewiderstand und misst den Wärmefluss durch die Sensoranordnung und die Temperatur zwischen der Sensoranordnung und der Fläche, auf welcher sie angewendet wird. Dies wird für jede Sensoranordnung bei einer Ausführungsform mit einem thermoelektrischen Generator (TEG) und einem Temperatursensor auf einer Seite des TEG implementiert. Da der Wärmefluss direkt gemessen wird, werden die Wärmewiderstandswerte der Sensoren nicht benötigt, um eine Kerntemperatur zu messen. Außerdem besteht keine Notwendigkeit, einen Kalibrierungsschritt auszuführen.
In einer Ausführungsformweist ein Temperatursensorsystem zwei Sensoranordnungen mit unterschiedlichen Wärmewiderständen auf, wobei jede Sensoranordnung einen Temperaturerfassungsabschnitt und einen thermoelektrischen Generatorabschnitt, der dafür ausgelegt ist, einen Wärmestrom von einem Körper durch den zugeordneten Temperaturerfassungsabschnitt zu empfangen, aufweist. Eine Steuereinheit ist mit den Sensoranordnungen und dem Speicher betriebsfähig verbunden. Die Steuereinheit ist dafür ausgelegt, in dem Speicher gespeicherte Programmanweisungen auszuführen, um Signale von den Temperatursensorabschnitten und den thermoelektrischen Generatorabschnitten zu gewinnen und basierend auf den gewonnenen Signalen eine Körperkerntemperatur (T_B) zu berechnen und auszugeben.
Bei einer oder mehreren Ausführungsformen ist die Steuereinheit dafür ausgelegt, die Körperkerntemperatur (T_B) basierend auf der folgenden Gleichung zu berechnen: $T_{B} = \frac{Q_{1}^{'} " \cdot T_{s k i n,2} - Q_{2}^{'} " \cdot T_{s k i n,1}}{Q_{1}^{'} " - Q_{2}^{'} "}$
wobei $" {\dot{Q}}_{1}^{'} "$
der erste Wärmestrom ist;

„T_skin,2“ die zweite Temperatur ist;
$" {\dot{Q}}_{2}^{'} "$
der zweite Wärmestrom ist; und
„T_skin,1“ die erste Temperatur ist.

Bei einer oder mehreren Ausführungsformen sind die erste Sensoranordnung und die zweite Sensoranordnung innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses positioniert.
Bei einer oder mehreren Ausführungsformen sind die erste Sensoranordnung und die zweite Sensoranordnung durch eine thermische Lücke voneinander beabstandet.
Bei einer oder mehreren Ausführungsformen ist das Gehäuse dafür ausgelegt, die erste Sensoranordnung und die zweite Sensoranordnung durch eine erste Seite des Gehäuses gegenüber dem Körper zu exponieren, und das Gehäuse weist wenigstens ein Fenster auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden Seite des Gehäuses auf, wobei das wenigstens eine Fenster dafür ausgelegt ist, den ersten Wärmestrom und/oder den zweiten Wärmestrom aus dem Temperatursensorsystem hinaus zu übertragen. Bei einigen Ausführungsformen wird ein einziges Fenster für beide Sensoranordnungen verwendet. Bei anderen Ausführungsformen weist jede Sensoranordnung ein für sie bestimmtes Fenster auf.
Bei einer oder mehreren Ausführungsformen weist das System ein Display auf, und die Steuereinheit ist mit dem Display betriebsfähig verbunden und dafür ausgelegt, die Programmanweisungen auszuführen, um die berechnete Körperkerntemperatur mit dem Display anzuzeigen.
Bei einer oder mehreren Ausführungsformen umgibt der erste Temperaturerfassungsabschnitt im Wesentlichen den ersten thermoelektrischen Generatorabschnitt, außer am ersten Oberflächenabschnitt; und der zweite Temperaturerfassungsabschnitt umgibt im Wesentlichen den zweiten thermoelektrischen Generatorabschnitt, außer am zweiten Oberflächenabschnitt.
Bei einer oder mehreren Ausführungsformen wird der Unterschied im Wärmewiderstand erzielt, indem die thermoelektrischen Generatorabschnitte in unterschiedlichen Höhen vorgesehen werden.
Bei einer oder mehreren Ausführungsformen wird der Unterschied im Wärmewiderstand durch das Einfügen einer Schicht aus Material in eine der Sensoranordnungen oder in den thermischen Pfad durch eine der Sensoranordnungen bewirkt, welche den Wärmewiderstand der betreffenden Sensoranordnung erhöht.
Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren zum Bereitstellen einer Körperkerntemperatur das Gewinnen von Signalen von den Temperatursensorabschnitten und den thermoelektrischen Generatorabschnitten zweier verschiedener Sensoranordnungen, welche unterschiedliche Wärmewiderstände aufweisen, unter der Steuerung einer Steuereinheit. Die Steuereinheit führt ferner in einem Speicher enthaltene Programmanweisungen aus, um unter Verwendung der gewonnenen Signale eine Körperkerntemperatur zu berechnen und auszugeben.
Gemäß einem oder mehreren Verfahren wird die Körperkemtemperatur (T_B) durch die Steuereinheit basierend auf der folgenden Gleichung berechnet: $T_{B} = \frac{Q_{1}^{'} " \cdot T_{s k i n,2} - Q_{2}^{'} " \cdot T_{s k i n,1}}{Q_{1}^{'} " - Q_{2}^{'} "}$
wobei $" {\dot{Q}}_{1}^{"} "$
der erste Wärmestrom ist;

„T_skin,2“ die zweite Temperatur ist;
$" {\dot{Q}}_{2}^{"} "$
der zweite Wärmestrom ist; und
„T_skin,1“ die erste Temperatur ist.

Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen beinhaltet ein Verfahren zum Bereitstellen einer Körperkerntemperatur ferner das Bereitstellen der ersten Sensoranordnung und der zweiten Sensoranordnung in einem gemeinsamen Temperatursensorsystem-Gehäuse und das Abstützen des Temperatursensorsystem-Gehäuses auf dem Körper.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen beinhaltet das Bereitstellen der ersten Sensoranordnung und der zweiten Sensoranordnung in dem gemeinsamen Gehäuse das Bereitstellen der ersten Sensoranordnung und der zweiten Sensoranordnung in dem gemeinsamen Temperatursensorsystem-Gehäuse derart, dass die erste Sensoranordnung und die zweite Sensoranordnung innerhalb des gemeinsamen Gehäuses durch eine thermische Lücke voneinander beabstandet sind.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen beinhaltet das Bereitstellen der ersten Sensoranordnung und der zweiten Sensoranordnung in dem gemeinsamen Gehäuse das Bereitstellen der ersten Sensoranordnung und der zweiten Sensoranordnung in dem gemeinsamen Temperatursensorsystem-Gehäuse derart, dass der erste thermoelektrische Generatorabschnitt im Wesentlichen den ersten Temperaturerfassungsabschnitt umgibt, außer am ersten Oberflächenabschnitt. Diese Ausführungsformen beinhalten ferner das Bereitstellen der ersten Sensoranordnung und der zweiten Sensoranordnung in dem gemeinsamen Temperatursensorsystem-Gehäuse derart, dass der zweite thermoelektrische Generatorabschnitt im Wesentlichen den zweiten Temperaturerfassungsabschnitt umgibt, außer am zweiten Oberflächenabschnitt.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen beinhaltet das Abstützen des Gehäuses auf dem Körper das Exponieren der ersten Sensoranordnung und der zweiten Sensoranordnung gegenüber dem Körper durch eine erste Seite des Gehäuses. Bei einer oder mehreren dieser Ausführungsformen beinhaltet das Verfahren ferner das Übertragen des ersten Wärmestroms und/oder des zweiten Wärmestroms aus dem Temperatursensorsystem-Gehäuse hinaus durch wenigstens ein Fenster auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden Seite des Gehäuses.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen beinhaltet ein Verfahren zum Bereitstellen einer Körperkerntemperatur ferner das Anzeigen, unter der Steuerung der Steuereinheit, der berechneten Körperkerntemperatur auf einem Display.
Figurenliste
Die obigen Aspekte und weitere Merkmal werden in der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen erläutert.

1 zeigt eine schematische seitliche Schnittansicht eines Systems, welches verwendet werden kann, um die Körperkerntemperatur von Lebewesen oder Objekten zu bestimmen.
2 zeigt eine Draufsicht des Systems von 1.
3 zeigt eine vereinfachte Seitenansicht der Sensoranordnungen des Systems von 1.
4 zeigt einen Verfahrensablauf, welcher angewendet werden kann, um eine Körperkerntemperatur unter Verwendung des Systems von 1 zu berechnen.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Um das Verständnis der Prinzipien der Offenbarung zu erleichtern, wird nun auf die Ausführungsformen Bezug genommen, die in den Zeichnungen veranschaulicht und in der folgenden Patentbeschreibung beschrieben sind. Es versteht sich, dass damit keine Einschränkung des Schutzbereichs der Offenbarung beabsichtigt ist. Es versteht sich weiterhin, dass die vorliegende Offenbarung jegliche Abwandlungen und Modifikationen an den dargestellten Ausführungsformen mit einschließt und weitere Anwendungen der Prinzipien der Offenbarung mit einschließt, wie sie einem Fachmann auf dem Gebiet, zu dem diese Offenbarung gehört, normalerweise in den Sinn kommen würden.
1 zeigt ein System 100, welches zwei Sensoranordnungen 102 und 104, eine Steuereinheit 106, einen Speicher 108 und eine Ausgabevorrichtung 110, welche bei einer Ausführungsform ein Display ist, aufweist. Bei einigen Ausführungsformen sind die Steuereinheit 106 und/oder das Display 110 von den Sensoranordnungen 102/104 entfernt angeordnet. Bei einer Ausführungsform werden beide Sensoranordnungen 102/104 von einem einzigen Gehäuse 112 mit einer thermischen Lücke 114 zwischen den Sensoranordnungen getragen. Die thermische Lücke ist bei einer Ausführungsform ein Luft- oder Vakuumspalt. Bei einer anderen Ausführungsform enthält die thermische Lücke ein Isoliermaterial, das so gewählt ist, dass es die beiden Sensoranordnungen 102/104 thermisch voneinander isoliert. In 1 sind ferner ein Kommunikationsmodul 116 und eine Fernsteuereinheit 118 dargestellt, welche bei einigen Ausführungsformen vorhanden sind.
Während sie in 1 schematisch als innerhalb des Gehäuses 112 befindlich dargestellt sind, sind die Sensoranordnungen 102/104 so positioniert, dass kein Hindernis für den Wärmestrom durch die Oberseite der Sensoranordnungen 102/104 vorhanden ist. Daher zeigt 2 das System 100 mit einem Fenster 120, welches die Oberseite der Sensoranordnung 102 thermisch exponiert, und einem Fenster 122, welches die Oberseite der Sensoranordnung 104 thermisch exponiert. Die Fenster 120/122 sind bei einigen Ausführungsformen Öffnungen im Gehäuse 112, welche die Oberseite der Sensoranordnungen 102/104 direkt der Umgebungsluft aussetzen. Bei einigen Ausführungsformen umfassen eines oder mehrere der Fenster 120/122 ein Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit. Bei einigen Ausführungsformen weisen die Unterseiten der Sensoranordnungen 102/104 ebenfalls Fenster 120/122 auf.
Die Steuereinheit 106 ist mit den Sensoranordnungen 102/104, dem Speicher 108, dem Kommunikationsmodul 116 und dem Display 110 betriebsfähig verbunden. Die Steuereinheit 106 ist eine Steuereinrichtung, welche bei verschiedenen Ausführungsformen eine oder mehrere integrierte Schaltungen (Integrated Circuits, ICs), wie etwa Mikrocontroller (kleine, vollständige Computersysteme, zum Beispiel mit ihrem eigenen Prozessor und Speicher, welche als eine einzige integrierte Schaltung ausgebildet sind), anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (Application Specific Integrated Circuits, ASICs), anwendungsspezifische Standardprodukte (Application Specific Standard Products, ASSPs) und dergleichen aufweist. Die Steuereinheit 106 ist dafür ausgelegt, Programmanweisungen auszuführen, die im Speicher 108 gespeichert sind, welcher bei einigen Ausführungsformen ein Teil der Steuereinheit 106 ist, um Signale von den Sensoranordnungen 102/104 zu gewinnen, um die Körperkerntemperatur von Lebewesen oder Objekten unter Verwendung der gewonnenen Signale zu bestimmen und um die Displayeinheit zu steuern, um die bestimmten Kerntemperaturen anzuzeigen. Bei einigen Ausführungsformen ist die Fernsteuereinheit 118 wie die Steuereinheit 106 ausgelegt und führt wenigstens einige der Funktionen aus, die im Hinblick auf die Steuereinheit 106 beschrieben wurden.
Bei einigen Ausführungsformen weist das System 100 zusätzlich oder alternativ zu der Displayeinheit ein Kommunikationsmodul 116 auf, welches für die entweder drahtgebundene oder drahtlose externe Kommunikation der gewonnenen Signale und/oder der bestimmten Körperkerntemperaturen sorgt. Die übermittelten Signale werden dann von der externen Steuereinheit 118 verwendet, um die Körperkerntemperatur eines Lebewesens oder Objekts zu bestimmen.
Die Sensoranordnungen 102/104 sind in 3 detaillierter dargestellt. Die Sensoranordnungen 102/104 weisen jeweilige Temperaturerfassungsabschnitte 130/132 und thermoelektrische Generatorabschnitte (TEG-Abschnitte) 134/136 auf. Die Temperaturerfassungsabschnitte 130/132 sind bei einer Ausführungsform so positioniert, dass sie direkt auf der Außenseite der Haut eines Lebewesens oder Objekts positioniert werden, und dafür ausgelegt, der Steuereinheit 106 ein jeweiliges Signal zu liefern, das für die Temperatur des Lebewesens oder Objekts repräsentativ ist.
Die Temperaturerfassungsabschnitte 130/132 und die TEG-Abschnitte 134/136 sind ferner dafür ausgelegt, die Störung der Wärmeübertragung durch die Sensoranordnungen 102/104 auf ein Minimum zu begrenzen. Zu diesem Zweck umgeben die TEG-Abschnitte 134/136 bei dieser Ausführungsform im Wesentlichen die Temperaturerfassungsabschnitte 130/132, mit Ausnahme der Oberflächenabschnitte der Temperaturerfassungsabschnitte 130/132, welche dafür ausgelegt sind, einen Wärmestrom von einem Körper zu empfangen. Einige relativ kleine Flächen (nicht dargestellt), welche eine elektrische Verbindung zu den Temperaturerfassungsabschnitten 130/132 gewährleisten, sind möglicherweise ebenfalls nicht von den TEG-Abschnitten 134/136 bedeckt.
Dementsprechend wird Wärme von einem darunterliegenden Substrat im Wesentlichen direkt durch die Temperaturerfassungsabschnitte 130/132 und die TEG-Abschnitte 134/136 hindurch und aus der Oberseite der TEG-Abschnitte 134/136 hinaus übertragen, wie durch die Pfeile 138 und 140 angegeben. In Abhängigkeit von den thermischen Bedingungen kann auch ein Wärmefluss in die entgegengesetzte Richtung vorliegen.
Die TEG-Abschnitte 134/136 sind Festkörperabschnitte, welche einen Wärmefluss (Temperaturdifferenzen) durch eine Erscheinung, die als Seebeck-Effekt bezeichnet wird (eine Form des thermoelektrischen Effekts), direkt in ein Spannungssignal umwandeln. Bei einer Ausführungsform wird der TEG, statt als ein Energiesensor, als ein Sensor verwendet, dessen Ausgangssignal der Steuereinheit zugeführt wird. Bei einigen Ausführungsformen wird der TEG ferner als Energiequelle verwendet.
Die Steuereinheit 106 führt bei einer Ausführungsform die gespeicherten Programmanweisungen aus, um unter Verwendung der elektrischen Energie von den TEG-Abschnitten 134/136 und der Signale von den Temperaturerfassungsabschnitten 130/132 den Wärmefluss zu bestimmen. Die gespeicherten Programmanweisungen widerspiegeln bei einer Ausführungsform die Annahmen, dass der Wärmewiderstand der Hautschicht unter jeder der Sensoranordnungen derselbe ist und dass ein konstanter und vertikaler Wärmestrom vom Körperkem zur Oberseite des Sensors oder in der entgegengesetzten Richtung vorliegt. Demzufolge ist der Wärmefluss durch die Sensoranordnungen derselbe wie der Wärmefluss durch die Hautschicht unter den Sensoren. Dementsprechend kann der Wärmefluss durch die Hautschicht mit dem Fourierschen Gesetz berechnet werden: $\dot{Q} " = \frac{T_{B} - T_{s k i n}}{R_{t h, s k i n} \cdot A}$
wobei:

„Q̇““ der Wärmefluss durch die Hautschicht (und durch den Sensor) ist;
„T s_kin“ die Temperatur zwischen der Haut und dem Sensor ist;
„R_th,skin“ der Wärmewiderstand der Haut ist; und
„A“ die Fläche des Sensors ist.

Somit würde, wenn der Hautwiderstand bekannt wäre, die Körperkerntemperatur wie folgt berechnet: $T_{B} = \dot{Q} " \cdot R_{t h, S k i n} \cdot A + T_{s k i n}$
Gemäß dem Fourierschen Gesetz kann, wenn der Wärmwiderstand der Haut bekannt ist, die Körperkerntemperatur mit den Messwerten entweder des ersten oder des zweiten Sensors gemäß den folgenden Gleichungen berechnet werden: $T_{B} = Q_{1}^{'} " \cdot R_{t h, S k i n} \cdot A + T_{s k i n,1}$
$T_{B} = Q_{2}^{'} " \cdot R_{t h, S k i n} \cdot A + T_{s k i n,2}$
Um die Verwendung des Hautwiderstands in der Berechnung zu vermeiden, sind die TEG-Abschnitte 134/136 bei der dargestellten Ausführungsform gleich, mit Ausnahme der Höhe, wie in 3 dargestellt (der Rest des Systems 100 wurde um der Klarheit willen weggelassen). Aufgrund der unterschiedlichen Höhe weisen die TEG-Abschnitte 134/136 einen unterschiedlichen Wärmewiderstand auf, was einen Unterschied zwischen den Sensoranordnungen hinsichtlich ihres Wärmewiderstands zur Folge hat. Daher werden selbst bei einer einzigen Körperkerntemperatur am Körperkern 142 zwei verschiedene Wärmeprofile in den Sensoranordnungen 102/104 bewirkt, und an der Oberfläche der Haut 144 unter den Temperatursensoren 130/132 resultieren zwei verschiedene Hauttemperaturen (T_skin,1 und T_skin,2). Das heißt, die kürzere Sensoranordnung 102 leitet dann die Wärme leichter weiter, was zu einer niedrigeren Temperatur T_skin unter dem Temperatursensor 130 und einem reduzierten Wärmeprofil innerhalb des TEG-Abschnitts 134 führt.
Da die Konfiguration der Sensoranordnungen zwei verschiedene Wärmeprofile und zwei verschiedene erfasste Temperaturen liefert, können die obigen Gleichungen kombiniert werden, so dass der Wärmewiderstand der Haut eliminiert werden kann, was zu der folgenden Gleichung führt: $T_{B} = \frac{Q_{1}^{'} " \cdot T_{s k i n,2} - Q_{2}^{'} " \cdot T_{s k i n,1}}{Q_{1}^{'} " - Q_{2}^{'} "}$
Während bei der Ausführungsform von 3 ein Höhenunterschied als eine Variable verwendet wird, um einen Unterschied im Wärmewiderstand zu erreichen, werden bei verschiedenen Ausführungsformen andere Unterschiede verwendet, um einen Unterschied im Wärmewiderstand zu bewirken. Einige Variable, welche bei verschiedenen Ausführungsformen verwendet werden, um unterschiedliche Wärmewiderstände zu erzielen, sind unter anderem, allein oder in Kombination mit anderen Variablen, die Verwendung unterschiedlicher Materialien mit unterschiedlichen Wärmewiderständen, die Verwendung unterschiedlicher thermischer Pfade, das Hinzufügen einer Widerstandsschicht mit einem bekannten Wärmewiderstand zu einer der Anordnungen usw. Dementsprechend ist der „Wärmewiderstand“ einer Sensoranordnung der Wärmewiderstand in dem Wärmestrompfad von der Außenhaut des Körpers, durch den Temperatursensorabschnitt und den TEG-Abschnitt hindurch und aus dem Sensorsystem hinaus.
Dementsprechend bestimmt die Steuereinheit 106 die Körperkerntemperatur eines Lebewesens basierend auf der obigen Gleichung durch Ausführung der gespeicherten Programmanweisungen.
Die Körperkerntemperatur eines Objekts wird auf dieselbe Weise unter Verwendung der vorhergehenden Gleichung berechnet, da die „Haut“ in jeder der obigen Gleichungen als auch „Oberfläche“ beinhaltend definiert ist. Daher kann das System 100 nicht nur für Menschen angewendet werden, sondern auch für einen beliebigen Körper, einschließlich von Lebewesen oder Objekten, z. B. Tieren oder Maschinen, um eine Kerntemperatur zu bestimmen. Dementsprechend bezeichnet der Begriff „Haut“ oder „Außenhaut“ (diese Begriffe werden austauschbar verwendet, sofern nicht anders angegeben) eines Körpers, wie er hier verwendet wird, daher alle Stoffe, durch welche hindurch Wärme vom Kern des Körpers zu der Sensoranordnung strömt. Daher wird, wenn der Sensor auf einem von einer Person getragenen Kleidungsstück platziert wird, die Kleidung als Teil der „Außenhaut“ der Person betrachtet. Ebenso wird, wenn der Sensor auf einem Tank oder Rohr platziert wird, das Material des Tanks oder Rohres als Teil der „Außenhaut“ betrachtet.
4 stellt ein Verfahren 150 zum Betrieb des Systems 100 dar. Im Block 152 wird ein Paar von Sensoranordnungen mit unterschiedlichen Wärmewiderständen bereitgestellt. Bei einigen Ausführungsformen geschieht dies unter Verwendung identischer TEGs und durch Integrieren eines Materials mit einem bekannten Wärmewiderstand in einen der TEGs, um den Wärmewiderstand eines der TEGs abzuändern. Das Material ist bei einigen Ausführungsformen dasselbe Material, das beim Ausbilden des TEGs verwendet wird, so dass ein TEG eine größere Höhe als der andere TEG hat. Bei einigen Ausführungsformen werden verschiedene Modelle von TEGs verwendet, wobei die verschiedenen Modelle unterschiedliche Wärmewiderstände aufweisen. Bei einigen Ausführungsformen werden die TEGs speziell unterschiedlich hergestellt, um die unterschiedlichen Wärmewiderstände zu gewährleisten, wie etwa durch Ändern der physischen Form (z. B. größere Höhe), Integrieren verschiedener Materialien in den TEG usw. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Paar von Sensoranordnungen in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht.
Im Block 154 wird das thermische Modell für das Sensorsystem in einem geeigneten Speicher, wie etwa dem Speicher 108, gespeichert. Das Modell basiert auf der folgenden Gleichung: $T_{B} = \frac{Q_{1}^{'} " \cdot T_{s k i n,2} - Q_{2}^{'} " \cdot T_{s k i n,1}}{Q_{1}^{'} " - Q_{2}^{'} "}$
welche oben beschrieben wurde. Die Sensoranordnungen werden dann im Block 156 auf dem Körper positioniert, für welchen eine Temperatur bestimmt werden soll.
Die Steuereinheit für das System gewinnt bei Aktivierung ein Temperatursignal (Block 158) und ein Wärmestromsignal (Block 160) von einer der beiden Sensoranordnungen. Die Steuereinheit gewinnt ferner ein Temperatursignal (Block 162) und ein Wärmestromsignal (Block 164) von der anderen Sensoranordnung. Die Steuereinheit führt dann im Speicher gespeicherte Programmanweisungen aus, um unter Verwendung des im Block 154 gespeicherten Modells eine Körperkerntemperatur zu berechnen (Block 166). Die Steuereinheit gibt dann die berechnete Körperkerntemperatur aus (Block 168), etwa indem sie bewirkt, dass die Temperatur entweder auf einem Display oder einer anderen, in Bezug auf die Sensoranordnung lokalen Ausgabevorrichtung angezeigt wird, oder auf einer entfernten Ausgabevorrichtung. Bei einigen Ausführungsformen ist die Ausgabe auf einen Speicher gerichtet, wo die Daten bis zu einer späteren Übertragung gespeichert werden.
Obwohl die Offenbarung in den Zeichnungen und der obigen Beschreibung dargestellt und detailliert beschrieben wurde, ist die Letztere als ihrem Charakter nach der Veranschaulichung dienend und nicht einschränkend zu betrachten. Es versteht sich, dass nur die bevorzugten Ausführungsformen dargelegt wurden, und dass alle Änderungen, Modifikationen und weiteren Anwendungen, die innerhalb des Wesens der Offenbarung liegen, auch geschützt sein sollen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 62611002 [0001]

Claims

Temperatursensorsystem, umfassend: eine erste Sensoranordnung, welche aufweist: (i) einen ersten Temperaturerfassungsabschnitt, der dafür ausgelegt ist, basierend auf einer ersten Temperatur eines Körpers nahe einem ersten Oberflächenabschnitt des ersten Temperaturerfassungsabschnitts ein erstes Temperatursignal zu erzeugen, und (ii) einen ersten thermoelektrischen Generatorabschnitt, der dafür ausgelegt ist, einen ersten Wärmestrom von dem Körper durch den ersten Temperaturerfassungsabschnitt zu empfangen und basierend auf dem ersten Wärmestrom ein erstes Wärmestromsignal zu erzeugen, wobei die erste Sensoranordnung einen ersten Wärmewiderstand aufweist; eine zweite Sensoranordnung, welche aufweist: (i) einen zweiten Temperaturerfassungsabschnitt, der dafür ausgelegt ist, basierend auf einer zweiten Temperatur eines Körpers nahe einem zweiten Oberflächenabschnitt des zweiten Temperaturerfassungsabschnitts ein zweites Temperatursignal zu erzeugen, und (ii) einen zweiten thermoelektrischen Generatorabschnitt, der dafür ausgelegt ist, einen zweiten Wärmestrom von dem Körper durch den zweiten Temperaturerfassungsabschnitt zu empfangen und basierend auf dem zweiten Wärmestrom ein zweites Wärmestromsignal zu erzeugen, wobei die zweite Sensoranordnung einen zweiten Wärmewiderstand aufweist, der von dem ersten Wärmewiderstand verschieden ist; einen Speicher, der in ihm gespeicherte Programmanweisungen enthält; und eine Steuereinheit, die mit der ersten Sensoranordnung, der zweiten Sensoranordnung und dem Speicher betriebsfähig verbunden ist, wobei die Steuereinheit dafür ausgelegt ist, die Programmanweisungen auszuführen, um das erste Temperatursignal, das erste Wärmestromsignal, das zweite Temperatursignal und das zweite Wärmestromsignal zu gewinnen, eine Körperkerntemperatur (T_B) basierend auf dem gewonnenen ersten Temperatursignal, dem gewonnenen ersten Wärmestromsignal, dem gewonnenen zweiten Temperatursignal und dem gewonnenen zweiten Wärmestromsignal zu berechnen, und die berechnete Körperkerntemperatur auszugeben.
Temperatursensorsystem nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit dafür ausgelegt ist, die Körperkerntemperatur (T_B) basierend auf der folgenden Gleichung zu berechnen: $T_{B} = \frac{Q_{1}^{'} " \cdot T_{s k i n,2} - Q_{2}^{'} " \cdot T_{s k i n,1}}{Q_{1}^{'} " - Q_{2}^{'} "}$
wobei $" {\dot{Q}}_{1}^{"} "$
der erste Wärmestrom ist; „T_skin,2“ die zweite Temperatur ist; $" {\dot{Q}}_{2}^{"} "$
der zweite Wärmestrom ist; und „T_skin,1“ die erste Temperatur ist.
Temperatursensorsystem nach Anspruch 2, wobei die erste Sensoranordnung und die zweite Sensoranordnung innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses positioniert sind.
Temperatursensorsystem nach Anspruch 3, wobei die erste Sensoranordnung und die zweite Sensoranordnung durch eine thermische Lücke voneinander beabstandet sind.
Temperatursensorsystem nach Anspruch 4, wobei: das Gehäuse dafür ausgelegt ist, die erste Sensoranordnung und die zweite Sensoranordnung durch eine erste Seite des Gehäuses gegenüber dem Körper zu exponieren; und das Gehäuse wenigstens ein Fenster auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden Seite des Gehäuses aufweist, wobei das wenigstens eine Fenster dafür ausgelegt ist, den ersten Wärmestrom und/oder den zweiten Wärmestrom aus dem Temperatursensorsystem hinaus zu übertragen.
Temperatursensorsystem nach Anspruch 5, ferner umfassend: ein Display, wobei die Steuereinheit mit dem Display betriebsfähig verbunden ist und dafür ausgelegt ist, die Programmanweisungen auszuführen, um die berechnete Körperkerntemperatur mit dem Display anzuzeigen.
Temperatursensorsystem nach Anspruch 5, wobei: der erste Temperaturerfassungsabschnitt im Wesentlichen den ersten thermoelektrischen Generatorabschnitt umgibt, außer am ersten Oberflächenabschnitt; und der zweite Temperaturerfassungsabschnitt im Wesentlichen den zweiten thermoelektrischen Generatorabschnitt umgibt, außer am zweiten Oberflächenabschnitt.
Temperatursystem nach Anspruch 7, wobei: der erste thermoelektrische Generatorabschnitt sich über einen ersten Abstand zwischen der ersten Seite und der Seite des Gehäuses, die der ersten Seite gegenüberliegt, erstreckt; der zweite thermoelektrische Generatorabschnitt sich über einen zweiten Abstand zwischen der ersten Seite und der Seite des Gehäuses, die der ersten Seite gegenüberliegt, erstreckt; und der zweite Abstand größer als der erste Abstand ist.
Temperatursystem nach Anspruch 7, wobei: die zweite Sensoranordnung eine Schicht aus Material mit einem dritten Wärmewiderstand aufweist; und die erste Sensoranordnung keine Schicht des Materials aufweist, so dass der zweite Wärmewiderstand u m einen Betrag des dritten Wärmewiderstands größer als der erste Wärmewiderstand ist.
Verfahren zum Bereitstellen einer Körperkerntemperatur, umfassend: Gewinnen, unter Verwendung einer Steuereinheit, die in einem Speicher gespeicherte Programmanweisungen ausführt, eines ersten Temperatursignals von einem ersten Temperaturerfassungsabschnitt einer ersten Sensoranordnung, die einen ersten Wärmewiderstand aufweist, wobei das erste Temperatursignal auf einer ersten Temperatur eines Körpers nahe einem ersten Oberflächenabschnitt des ersten Temperaturerfassungsabschnitts basiert; Gewinnen, unter Verwendung der Steuereinheit, eines ersten Wärmestromsignals von einem ersten thermoelektrischen Generatorabschnitt der ersten Sensoranordnung, wobei das erste Wärmestromsignal auf einem ersten Wärmestrom basiert, der durch den ersten thermoelektrischen Generatorabschnitt von dem Körper durch den ersten Temperaturerfassungsabschnitt empfangen wird; Gewinnen, unter Verwendung der Steuereinheit, die in einem Speicher gespeicherte Programmanweisungen ausführt, eines zweiten Temperatursignals von einem zweiten Temperaturerfassungsabschnitt einer zweiten Sensoranordnung, die einen zweiten Wärmewiderstand aufweist, welcher von dem ersten Wärmewiderstand verschieden ist, wobei das zweite Temperatursignal auf einer zweiten Temperatur des Körpers nahe einem zweiten Oberflächenabschnitt des zweiten Temperaturerfassungsabschnitts basiert; Gewinnen, unter Verwendung der Steuereinheit, eines zweiten Wärmestromsignals von einem zweiten thermoelektrischen Generatorabschnitt der zweiten Sensoranordnung, wobei das zweite Wärmestromsignal auf einem zweiten Wärmestrom basiert, der durch den zweiten thermoelektrischen Generatorabschnitt von dem Körper durch den zweiten Temperaturerfassungsabschnitt empfangen wird; und Berechnen, mit der Steuereinheit, einer Körperkerntemperatur (T_B) basierend auf dem gewonnenen ersten Temperatursignal, dem gewonnenen ersten Wärmestromsignal, dem gewonnenen zweiten Temperatursignal und dem gewonnenen zweiten Wärmestromsignal; und Ausgeben der berechneten Körperkerntemperatur (T_B).
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Berechnen, mit der Steuereinheit, der Körperkerntemperatur (T_B) umfasst: Berechnen, mit der Steuereinheit, der Körperkerntemperatur (T_B) basierend auf der folgenden Gleichung: $T_{B} = \frac{Q_{1}^{'} " \cdot T_{s k i n,2} - Q_{2}^{'} " \cdot T_{s k i n,1}}{Q_{1}^{'} " - Q_{2}^{'} "}$
wobei $" {\dot{Q}}_{1}^{"} "$
der erste Wärmestrom ist; „T_skin,2“ die zweite Temperatur ist; $" {\dot{Q}}_{2}^{"} "$
der zweite Wärmestrom ist; und „T_skin,1“ die erste Temperatur ist.
Verfahren nach Anspruch 11, ferner umfassend: Bereitstellen der ersten Sensoranordnung und der zweiten Sensoranordnung in einem gemeinsamen Temperatursensorsystem-Gehäuse; und Abstützen des Temperatursensorsystem-Gehäuses auf dem Körper.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Bereitstellen der ersten Sensoranordnung und der zweiten Sensoranordnung in dem gemeinsamen Gehäuse umfasst: Bereitstellen der ersten Sensoranordnung und der zweiten Sensoranordnung in dem gemeinsamen Temperatursensorsystem-Gehäuse derart, dass die erste Sensoranordnung und die zweite Sensoranordnung innerhalb des gemeinsamen Gehäuses durch eine thermische Lücke voneinander beabstandet sind.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Bereitstellen der ersten Sensoranordnung und der zweiten Sensoranordnung in dem gemeinsamen Gehäuse umfasst: Bereitstellen der ersten Sensoranordnung und der zweiten Sensoranordnung in dem gemeinsamen Temperatursensorsystem-Gehäuse derart, dass der erste thermoelektrische Generatorabschnitt im Wesentlichen den ersten Temperaturerfassungsabschnitt umgibt, außer am ersten Oberflächenabschnitt, und dass der zweite thermoelektrische Generatorabschnitt im Wesentlichen den zweiten Temperaturerfassungsabschnitt umgibt, außer am zweiten Oberflächenabschnitt.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Abstützen des Gehäuses auf dem Körper das Exponieren der ersten Sensoranordnung und der zweiten Sensoranordnung gegenüber dem Körper durch eine erste Seite des Gehäuses beinhaltet, wobei das Verfahren ferner umfasst: Übertragen des ersten Wärmestroms und/oder des zweiten Wärmestroms aus dem Temperatursensorsystem-Gehäuse hinaus durch wenigstens ein Fenster auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden Seite des Gehäuses.
Verfahren nach Anspruch 12, ferner umfassend: Anzeigen, unter der Steuerung der Steuereinheit, der berechneten Körperkerntemperatur auf einem Display.