DE19857145A1 - Verfahren zur Bestimmung einer Temperatur sowie Strahlungsthermometer mit mehreren Infrarot-Sensorelementen - Google Patents
Verfahren zur Bestimmung einer Temperatur sowie Strahlungsthermometer mit mehreren Infrarot-SensorelementenInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Temperatur mittels eines Strahlungsthermometers mit mehreren Infrarot-Sensorelementen, die Infrarot-Strahlung aus voneinander verschiedenen Raumbereichen detektieren und entsprechende Temperatursignale abgeben, insbesondere ein Verfahren zur Fiebermessung mittels eines Ohrthermometers. Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der an sich bekannten Tatsache, daß das Trommelfell eine höhere Temperatur aufweist als der Ohrkanal. Daher wird ein Teil der Sensorelemente, nämlich die, die das Trommelfell sehen, eine höhere Temperatur detektieren, als die restlichen Sensorelemente, die den Ohrkanal sehen. Ausgewertet wird erfindungsgemäß nur das Temperatursignal des Sensorelements, das im Vergleich zu den anderen Sensorelementen den größten Temperaturwert liefert.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Temperatur mittels eines Strah
lungsthermometers mit mehreren Infrarot-Sensorelementen sowie ein derartiges Thermo
meter.
Es sind Strahlungsthermometer mit nur einem einzigen Infrarot-Sensorelement bekannt, das
mit einem bestimmten Abstand vom Ende eines Lichtleiters angebracht ist. Daher kann nur
Strahlung aus einem bestimmten, vom Abstand abhängigen Raumwinkelbereich auf das
Sensorelement treffen. So ist beispielsweise die Meßspitze eines Infrarot-Thermometers zur
Fiebermessung im Ohr so dimensioniert, daß das Sensorelement nur ein Gesichtsfeld von
der ungefähren Größe des Trommelfells hat. Allerdings liegen meistens im Gesichtsfeld des
Sensorelements Teile sowohl des Trommelfells als auch des Ohrkanals, die unterschiedliche
Temperaturen aufweisen. Daher wird im allgemeinen nicht die Trommelfelltemperatur ge
messen, die als das beste Maß für die Körperkerntemperatur gilt, sondern immer nur ein
Zwischenwert, der zwischen der Trommelfell- und der Ohrkanaltemperatur liegt. Somit hängt
die Genauigkeit einer Temperaturmessung von der Plazierung der Meßspitze im Ohrkanal
ab, d. h. vom ihrem Abstand zum Trommelfell und vom Winkel, den sie mit dem Ohrkanal
bildet.
Aus der WO 95/14913 ist ein Ohrthermometer bekannt, bei dem am Ende eines Lichtleiters
mehrere Sensorelemente so angeordnet sind, daß sie Strahlung aus unterschiedlichen
Raumwinkelbereichen aufnehmen. Durch entsprechende Auswertung der von den Senso
relementen gelieferten Signale wird zwar ein Temperaturmeßwert erhalten, der von der Pla
zierung der Meßspitze im Ohr relativ unabhängig ist, jedoch ebenfalls einen Zwischenwert
darstellt, der nicht der Trommelfelltemperatur entspricht.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Bestimmung einer Temperatur und ein ein
fach aufgebautes Strahlungsthermometer anzugeben, mit dem selektiv die Temperatur von
Objekten meßbar ist, die nur einen Teil des Gesichtsfelds des Strahlungsthermometers
ausfüllen, insbesondere die Temperatur des Trommelfells.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, bei der Temperatur
bestimmung nur das Temperatursignal des Infrarot-Sensorelements zu verwenden, das im
Vergleich zu den restlichen Temperatursignalen dem größten/kleinsten Temperaturwert ent
spricht. Auf diese Weise können beispielsweise bei einem Ohrthermometer zur Fiebermes
sung die im Gesichtsfeld des Thermometers liegenden kälteren Raumbereiche ausgeblendet
werden, d. h. die Bereiche, die erfahrungsgemäß dem Ohrkanal zuzuordnen sind. Für andere
Anwendungen können natürlich auch die wärmeren Raumbereiche ausgeblendet werden.
Auch wenn sich das Trommelfell überhaupt nicht im Sichtbereich des Thermometers befin
det, liegt die höchste von einem Sensorelement gemessene Temperatur näher an der
Trommelfelltemperatur als eine aus allen gemessenen Temperaturen gemittelte Temperatur
oder eine mittlere Temperatur, wie sie von einem herkömmlichen Ohrthermometer mit nur
einem Sensorelement gemessen würde. Daher ist ein ortsauflösendes Strahlungsthermo
meter, d. h. ein Thermometer mit mehreren Infrarot-Sensorelementen, die Infrarot-Strahlung
aus voneinander verschiedenen Raumbereichen detektieren und entsprechende Tempera
tursignale abgeben, auch in diesem Fall genauer als ein herkömmliches Thermometer.
Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf die Temperaturbestimmung in ei
nem Ohrthermometer wird also die räumliche Temperaturverteilung im Ohr berücksichtigt,
indem die relative Lage des Trommelfells als dem wärmsten Bereich im Gesichtsfeld des
Thermometers ermittelt wird, und nur das größte Sensorsignal zur Temperaturbestimmung
herangezogen wird. Nimmt das Trommelfell nur einen sehr kleinen Bereich im Gesichtsfeld
des Thermometers ein, d. h. unterschreitet die Anzahl der größeren Temperatursignale be
zogen auf die Gesamtzahl der Temperatursignale einen bestimmten Schwellwert, wird von
einer Auswertungseinrichtung vorteilhafterweise ein Warnsignal ausgegeben, das den Be
nutzer auffordert, das Thermometer im Ohrkanal besser auszurichten.
Allerdings kann auch ein ortsauflösendes Thermometer dann keinen Bereich mit erhöhter
Temperatur mehr ausmachen, wenn die Umgebungstemperatur ungefähr so hoch oder hö
her ist als die Körpertemperatur, weil dann zwischen der Temperatur des Ohrkanals und des
Trommelfells praktisch kein Unterschied mehr vorhanden ist. In diesem Fall könnte daher
statt der maximalen Temperatur auch der Mittelwert aller gemessenen Temperaturen be
stimmt werden. Daher muß in der Auswertungseinrichtung bei Ausgabe des Warnsignals die
Umbebungstemperatur berücksichtigt werden.
Wenn die größeren Temperaturwerte am Rand des Gesichtsfelds des Thermometers liegen,
kann vorteilhafterweise ein weiteres Signal ausgegeben werden, insbesondere ein die Rich
tung anzeigendes Signal, in die ein Benutzer das Thermometer im Ohrkanal schwenken
sollte, um die vom Trommelfell ausgehende Infrarot-Strahlung besser zu erfassen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels für ein Verfahren zur
Bestimmung einer Temperatur sowie ein Strahlungsthermometer mit mehreren Infrarot-Sen
sorelementen erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist. Weitere Ausgestaltungen
sind in der Beschreibung beschrieben. Die einzige Figur zeigt schematisch eine Meßspitze
eines erfindungsgemäßen Ohrthermometers.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird am Beispiel eines Infrarot-Ohrthermometers be
schrieben, dessen Strahlungssensor eine matrixförmige Anordnung einzelner Sensorele
mente Eij aufweist, wobei die Indices i und j die Zeile bzw. Spalte bezeichnen, in der sich
das jeweilige Sensorelement befindet. Jedes Sensorelement Eij gibt ein Temperatursignal Sij
ab, das einem Temperaturwert Tij entspricht.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird aus den Temperaturwerten Tij der größte Tempe
raturwert Tmax als Temperaturmeßwert T ausgegeben. Die Bestimmung des Maximalwerts
kann sowohl mittels analoger Schaltungen, beispielsweise mit Komparatoren oder Differen
zierem und einer Sample and Hold Schaltung, als auch mit digitalen Schaltungen, beispiels
weise ND-Wandlern und entsprechender Software, erfolgen.
Fig. 2 zeigt schematisch eine Meßspitze 10 eines erfindungsgemäßen Strahlungsthermo
meters, die teilweise in einen ebenfalls schematisch dargestellten Ohrkanal 50 eingeführt ist,
an dessen innerem Ende sich ein Trommelfell 55 befindet. Die Meßspitze 10 enthält einen
Infrarot-Sensor 20, der aus mehreren Sensorelementen Eij besteht, die matrixförmig ange
ordnet sind. Die Meßspitze weist an ihrem Ende eine Öffnung 12 auf, durch die Infra
rot-Strahlung ins Innere der Meßspitze gelangen und auf den Sensor 20 auftreffen kann. Ein
optisches System, bestehend aus einer Linse 30, ist zwischen dem Sensor 20 und der Öff
nung 12 angeordnet. Die Linse 30 bewirkt, daß die im Blickfeld des Thermometers liegenden
Bereiche des Ohrkanals oder Trommelfells auf die Sensorelemente abgebildet werden.
Geeignete Linsen aus infrarotdurchlässigem Material bestehen beispielsweise aus Polye
thylen, Silizium oder Zinkselenid. Besonders preisgünstig sind Fesnel-Linsen aus Polyethy
len. Im einfachsten Fall ist eine einzige Linse ausreichend. Um jedoch einen großen Öff
nungswinkel möglichst tief im Ohrkanal zu erhalten, sind Linsensysteme, wie sie aus Endo
skopen bekannt sind, besonders vorteilhaft. Als optisches System eignen sich statt Linsen
aber auch entsprechend geformte Spiegel, beispielsweise goldbeschichtete Hohlspiegel.
Weiterhin möglich sind Bündel von Infrarotlicht leitenden Fasern oder verspiegelten Röhren.
Um die maximale Temperatur im Ohr zu bestimmen, ist es nicht erforderlich, daß das opti
sche System das Trommelfell und den inneren Ohrkanal auf den Infrarot-Sensor abbildet; es
reicht aus, das Gesichtsfeld des Strahlungsthermometers mit entsprechend angeordneten
optischen Elementen, z. B. Spiegeln, Prismen, Röhren oder Fasern, auf eine eindimensio
nale Anordnung von Sensorelementen zu projizieren. In diesem Fall läßt sich ein zweidi
mensionales Bild durch Bewegen des Thermometers im Ohrkanal erhalten.
Zum Nachweis der Infrarotstrahlung eignen sich prinzipiell alle bekannten Infrarotdetektoren,
wie beispielsweise Thermopiles, Bolometer, pyroelektrische Sensoren oder auch Halbleiter
sensoren.
Bei der Auswertung der gemessenen Temperaturverteilung im Ohr lassen sich jedoch auch
weitere Informationen gewinnen. Weicht die gemessene Temperaturverteilung deutlich von
der normalen Verteilung im Ohr (wärmeres Trommelfell mit kälterem Ohrkanal) ab, kann
beispielsweise der Benutzer auf einen Bedienungsfehler aufmerksam gemacht werden.
Strahlungssensoren sind im allgemeinen nicht nur für Strahlungswärme empfindlich, son
dern reagieren auch auf Wärme, die über Konvektion oder Wärmeleitung übertragen wird.
Um daraus resultierende Meßfehler zu vermeiden, können beispielsweise die Sensorele
mente paarweise in Reihe geschaltet werden, wobei jeweils ein Sensorelement der zu mes
senden Strahlung ausgesetzt wird, das andere jedoch mehr oder weniger stark abgeschirmt
ist. Ein entsprechender Sensor ist in der DE 197 10 946.2 beschrieben. Alternativ kann das
optische System so ausgelegt sein, daß zumindest ein Sensorelement nicht aufs Meßobjekt,
d. h. ins Ohr, sondern auf einen Referenzpunkt, beispielsweise eine Blende, blickt, dessen
Temperatur bekannt ist, vgl. EP 0 642 656 B1.
Claims (8)
1. Verfahren zur Bestimmung einer Temperatur mittels eines Strahlungsthermometers
mit mehreren Infrarot-Sensorelementen, die Infrarot-Strahlung aus voneinander ver
schiedenen Raumbereichen detektieren und entsprechende Temperatursignale ab
geben, insbesondere zur Fiebermessung im Ohr,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Temperaturbestimmung nur das Temperatursignal (Sij) des Sensorelements
(Eij) verwendet wird, das im Vergleich zu den restlichen Sensorelementen den größ
ten Temperaturwert (Tmax) liefert.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Warnsignal ausgegeben wird, wenn die Anzahl größerer Temperaturwerte
bezogen auf die Gesamtzahl der von den Sensorelementen gelieferten Temperatur
werte einen bestimmten Schwellwert unterschreitet.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Ausgabe des Warnsignals unterbleibt, wenn die Umgebungstemperatur im
Bereich der Körpertemperatur liegt oder höher ist.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Signal ausgegeben wird, wenn die größeren Temperaturwerte am Rand des
Gesichtsfelds des Thermometers liegen.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Signal die Richtung anzeigt, in die ein Benutzer das Thermometer im Ohr
kanal schwenken soll.
6. Strahlungsthermometer zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorherge
henden Ansprüche mit mehreren Infrarot-Sensorelementen zur Detektion von Infra
rot-Strahlung aus voneinander verschiedenen Raumbereichen,
dadurch gekennzeichnet,
daß es ein optisches System (30) mit mindestens einer Linse, einem Spiegel
und/oder mehreren lichtleitenden Fasern oder verspiegelten Röhren aufweist, durch
das den einzelnen Sensorelementen (Eij) Infrarot-Strahlung aus voneinander ver
schiedenen Raumbereichen zuführbar ist.
7. Strahlungsthermometer nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Sensorelemente (Eij) zeilenförmig oder matrixförmig angeordnet sind.
8. Strahlungsthermometer nach Anspruch 6 oder 7
dadurch gekennzeichnet,
daß zumindest ein Sensorelement vorhanden ist, das gegen vom Meßobjekt ausge
hende Infrarotstrahlung abgeschirmt ist.
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