DE3135853A1

DE3135853A1 - Anordnung und verfahren zur elektronischen temperaturmessung

Info

Publication number: DE3135853A1
Application number: DE19813135853
Authority: DE
Inventors: Kerry Ottomar 92041 La Mesa Calif. Banke
Original assignee: Diatek Inc
Current assignee: Diatek Inc
Priority date: 1980-09-15
Filing date: 1981-09-10
Publication date: 1982-04-01
Also published as: GB2084329A; BE890332A; SE8105482L; CA1177277A; NL8104063A; FR2490340A1; GB2084329B; SE453432B; FR2490340B1; AU7524181A; AU544566B2

Description

PATENTANWÄLTE ZENZ & HELBER ■ D 4300 ESSSN < · AM tR\j!r£RSTEifcJ 1 I TEL.. (O2OU 4156 Seite " " _ ΐ'Γ " * *·_ D 975

DIATEK, INC. . 3910 Sorrento Valley Blvd., San Diego, Kalifornien, .V.St.A.

Anordnung und Verfahren zur elektronischen Temperaturmessung .

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung und ein Verfahren zur elektronischen Temperaturmessung und insbesondere auf ein elektronisches Thermometer, das eine genaue Anzeige von quasi statischen Temperaturen zu einem vor der Stabilisierung des Meßfühlers auf die zu messende Temperatur liegenden Zeitpunkt ermöglicht. -

Genaue und rasche Temperaturmessu'ngen wurden von Wärmetechn'ikern bereits seit Jahrhunderten angestrebt. Die üblichste Art eines Temperaturmeßgeräts besteht aus einem Fühlerelement, dessen Charakteristik eine Funktion der Fühlertemperatur ist, und einer Anzeigeeinrichtung, die in Abhängigkeit von der Temperaturcharakteristik des Fühlers arbeitet. Um die Temperatur"eine Objekts unter Verwendung eines solchen Thermometers zu messen, ist es' notwendig, daß ein Temperaturfluß vom Objekt zum Fühler solange stattfindet, bis der Fühler die Temperatur des Objekts erreicht. Zu diesem Zeitpunkt zeigt die Anzeigeeinrichtung die Temperatur des Objekts entsprechend der Genauigkeit des Meßsystems an.

Da es einige Zeit kostet, bis der Wärnieübergang von einem Objekt zu einem Fühler stattgefunden hat, ist die Geschwindigkeit, mit der eine solche Temperatur gemessen

Z/ko.

werden kann, durch die thermodynamischen Charakteristiken des Systems begrenzt. Die von dem Wärmeübergang benötigte Zeit wird "thermische Verzögerung" genannt. Häufig tritt der Fall axxf, daß die Temperaturstabilisierung des Fühlers langer als erwünscht dauert, so daß in solchen Fällen eine "genaue Messung vor der Stabilisierung angestrebt wird.

Die Gesetze des Wärmeübergangs lassen eine solche Messung vor der Temperaturstabilisierung zu. Dies wurde bereits vor Beginn des 20. Jahrhunderts"erkannt, und es wurden viele Thermometer zum Messen sowohl der statischen als auch der dynamischen Temperaturen über Jahre hinaus vorgestellt, welche die bekannten Wärmeübergangscharakteristiken· eines besonderen thermischen Systems zur Erzielung genauer Messungen ausnutzen, obwohl die Fühlertemperatur die gemessene Objekttemperatur noch nicht erreicht hat. Das Prinzip, auf welchem diese Thermometer und ihre Fähigkeit einer rascheren Temperaturmessung beruhen, ist als Newton'sches Küh.lungsgesetz bekannt. In Anwendung auf ein Temperaturmeßsystem wird dieser Vorgang thermische Verzögerungskompensation genannt.. Sir Isaac Newton entdeckte 1701, daß die Temperaturänderungsgeschwindigkeit, eines Objekts (z. B. eines Fühlers), das sich mit. einem anderen Objekt in Kontakt befindet, direkt proportional zur Temperaturdifferenz zwischen den Objekten ist. Unter Beachtung dieses Gesetzes ist es möglich, einen Korrekturfaktor aus der Temperaturänderungsgeschwindigkeit des Fühlers zu berechnen., der bei Addition zum momentanen Temperaturwert des Fühlers eine Bestimmung des vom Fühler zu messenden Temperatur-Istwerts ermöglicht, 'selbst'wenn die Fühlertemperatur noch nicht stabilisiert ist. . "--.-■"-■

Eine frühe definitive Arbeit,.welche das. obige Prinzip erörtert, wurde im Bulletin of the Bureau of Standards Band 8, 1913, Seite 659 publiziert. Dieses Prinzip wurde

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dann in Geräten vielfach'angewendet, die in verschiedenen US-Patentschrjften und in anderen Veröffentlichungen beschrieben sine. In dor US-PS 3 111 03?. (Wormser) und der US-PS 3 702 076 (Georgi) werden beispielsweise Methoden zur Kompensation der thermischen Verzögerung beschrieben. Ein besonders sinnvolles Gerät wurde von Botshov in". SU-Patent 174 398 beschrieben.

Während es auf den ersten Blick so scheinen mag, als ob · das Prinzip des Newton'sehen Kühlungsgesetzes eine beinahe sofortige Messung der Temperatur ermöglichen würde, kann das Ziel einer sofortigen Ablesung bzw. Meßwerterfassung in der Praxis aus einer Reihe von Gründen nicht erreicht werden. Je nach der gewünschten Meßgenauigke-it kann eine Verbesserung der Ablesezeit um einen ?aktor von 4 'als gut angesehen, werden.

Bei jeder der mit Funds-teilen oben angegebenen bekannten Methoden wird eine andere Art der Kondensation der thermischen Verzögerung angewandt und ein anderer Weg beschritten, um festzustellen, wann der Thermometermeßwert die zu messende Temperatur darstellt. Keine dieser . bekannten Methoden erlaubt jedoch die Durchführung der Messung in der. kürzest möglichen Zeit.

In den US-PS¹η 3 111 032 und 3 702 076 wird die Beendigung der Meßphase, d. h. die Wertung des Thermometer-Anzeigewerts als zu messende Temperatur, auf· einen festen Zeitpunkt nach Beginn der Messung gelegt. In der US-PS 3 702 076 ist ein zweites /usführungsbeispiel beschrieben, bei dem die Messung beerdet wird, wenn die Fühlertemperatur-Änd-2rungsgeschwindiqkeit unter einen vorgegebenen Wert absinkt. Gemäß der o. g. russischen Patentschrift erfolgt die Beendigung des Meßzyklus dann, wenn die Änderungsgeschwindigkeit der Fühlertemperatur mal einem festen Faktor numerisch gleich dem Fühlertemperatur-Istwert ist.

Bei allen bekannten Ausführungen bzw. Methoden hat der Zeitpunkt der Beendigung der Messung keine feste Beziehung zur Genauigkeit des Korrektürfaktors oder zur Genauigkeit .der Messung. Daher muß die Zeit der Meßzyklusbeendigung konservativ eingestellt werden, damit die Genauigkeit der Messung unter allen zu erwartenden Betriebsbedingungen akzeptierbar ist. ^; .

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Beendigung des Meßzyklus, bei der elektronischen Temperaturmessung auf die Meßgenauigkeit' zu beziehen und daher die Messungen in der kürzest möglichen Zeit bei gegebenem thermischen System und gegebenen'Operationsparametern durchzuführen. Im folgenden wird die Erfindung anhand von klinischen Thermometern, d. h. in Verbindung mit der Messung der menschlichen Körpertemperatur beschrieben, obwohl die Erfindung auch fur andere Anwendungsfälle der Temperaturmeßtechnik geeignet ist. Der in Thermometern zur Bestimmung der menschlichen Körpertemperatur verwendete Fühler ist in typischer Ausführung als Thermistor 'ausgebildet, der am distalen- Ende einer Sonde angeordnet ist. Eine auswechselbare sterile Umhül.lung wird gewöhnlich zur Vermeidung einer Kreuzinfektion verwendet. Eine elektronische Schaltung mit einem Analog/Digital-Umsetzer und einer digitalen Anzeige ermöglicht die Anzeige der Fühlertemperatur plus einer Korrektur.

Wenn die Sonden/Umhüllungskombination in den Mund eingesetzt wird, so beginnt sich der Fühler rasch zu erwärmen. Mit der Zeit wird die Fühlertemperatur immer näher der Mundtemperatur angeglichen, so daß die Änderungsgeschwindigr keit der Fühlertemperatur entsprechend dem Newton'sehen Kühlungsgesetz absinkt. Eine repräsentative Kurve der Fühlertemperatur über der Zeit ist als'Kurve 10 in Fig. dargestellt. Es ist zu sehen, daß mit dem Ablauf einer Zeit nach dem Einsetzen der Sonde die Kurve 10 sich der

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zu messenden Temperatur asymptotisch nähert und nach einer relativ langen Zeit der zu messenden Temperatur so nahe gekommen ist, daß sie als zu messende Temperatur bezeichnet werden kann.·

Wie oben gesagt, kann zu irgendeinem Momentanwert der Fühlertemperatur entlang der' Kurve 10 ein Korrekturfaktor addiert werden, um den Wert der zu.messenden Temperatur zu gewinnen. Dieser Korrekturfaktor ist das Produkt eines Proportionalitatsf aktor's (bekannt als thermische Zeitkonstante) und der Geschwindigkeitsänderung der Fühlertemperatur zu diesem Zeitpunkt.' Leider ist die thermische Zeitkonstante der meisten

■ thermischen Systeme nicht genau bekannt, und tatsächlich ist sie gewöhnlich überhaupt keine Konstante, sondern ein Wert, der sich in gewissen Grenzen von Messung zu Messung und in Abhängigkeit von den Anfangsbedingungen sowie anderen Faktoren und außerdem als Funktion der Zeit ändert. Dementsprechend kann eine zuverlässige Ablesung der zu messenden Temperatur in einer frühen Phase des Meßzyklus nicht gewonnen werden. Die Kurve 11 in Figur 1 zeigt eine Darstellung ■ .von Meßwerten über der Zeit der Kurve 10 plus einer Korrektur, die auf einer angenommenen thermischen Zeitkonstante des Systems mal der Geschwindigkeitsänderung der Fühlertemperatur beruht. Es ist zu·sehen, daß eine genaue Temperaturablesung erst nach Ablauf einer gewissen Zeit nach Einsetzen der Probe gewonnen werden kann.

Wie oben gesagt, wurde dieses Problem in der Vergangenheit dadurch angegangen, daß entweder eine vorgegebene Zeitspanne oder das Absinken der Ändeiungsgeschwindig-

keit der Fühlertemperatur unter einen genügend kleinen Wert abgewartet wurde, um sicherzustellen, daß die Korrektur des Fühlertemperaturmeßwertr. genügend klein

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ist, damit eine Ungenauigkeit der Korrektur vernachlässigbar wird. Keine dieser Methoden führte jedoch zu einer Temperaturablesung in der kürzest möglichen Zeit.

Dies gelingt erst nach der Lehre der vorliegenden Erfindung dadurch, daß die korrigierte Fühlertemperatur überwacht und der·Meßzyklus beendet wird, wenn die korrigierte Temperaturanzeige einen im wesentlichen stabilen Wert erreicht, d. h. wenn sich die Anzeige um nicht mehr als einen vorgegebenen Wert während einem vorgegebenen Zeitintervall ändert.

Wie oben gesagt, ist die "thermische Zeitkonstante¹¹ von thermischen Systemen- nicht genau konstant, sondern ändert" sich wahrend des Meßzyklus. Dies gilt vor allem bei klinischer Temperaturmessung,' da das thermische System aufgrund des Überzugs oder der Umhüllung· über dem Fühler kompliziert ist. Es ist möglich, die Geschwindigkeit der , Messung dadurch zu verbessern, daß ein variabler Wert der thermischen Zeitkonstante bei der .Berechnung" des Korrek-turfaktors der thermischen. Verzögerung anstelle eines Festwerts angenommen wird. Tatsächlich wurde gefunden, daß ... eine besondere Form einer Korrek turf ak'torg leichung, die nachfolgend angegeben wird, den Charakteristiken, des üblichen Thermistors und der auswechselbaren sterilen Umhüllung bei einem klinischen Thermometer sehr nahe kommt. - ' ■ . .

Im folgenden wird die Erfindung anhand |der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigejn:

Fig. 1 ein Schaubild der Kurve von Fühlertemperaturen über der Zeit sowie derselben Kurve unter Einbeziehung eines Korrektürfaktors; und

Fig. 2 ein Blockdiagramm eines bevorzugten Ausführungsbeispiels de:; eriindungsgemäßen elektronischen Thermometers.

In Figur 2, in der ein Blockdiagramm eines unter Verwendung der Erfindung ausgebildeten Thermometers gezeigt ist, ist ein Fühler 21 mit einem Verstärker 22 gekoppelt. Bei .der klinischen Temperature essung ist der Fühler in typischer Ausführung ein ir einem Ende einer Sonde angeordneter Thermistor, wobei im Betrieb eine auswechselbare sterile Umhüllung normalerweise zur Verhinderung einer Kreuzinfektion verwendet wird. Eine typische Thermistorsonde mit Umhüllung zur Ver-'Wendung bei der klinischen Temperaturmessung ist in •der US-PS 4 054 057 (Kluge) beschrieben. Der Thermistorfühler ist gewöhnlich in einer Brückenschaltung angeordnet, deren Ausgangsspannung eine Funktion der Fühlertemperatur ist. Andere Arten von Temperaturfühlern und andere Anschlußschaltungen bekannter Art können in Verbindung mit der Erfindung verwendet werden.

Der Verstärker 22 verstärkt das Ausgangssignal· der "Fühlerschaltung .und liefert eine Spannung zur.An-.steuerung des Analog/Digital-Umsetzers (A/D-Umsetzer) 23. Bei dem beschriebenen .Ausführungsbeispiel ist der Ausgang des •A/D-Umsetzers 23 in parallel' binärer Form.· Ein Mikroprozessor 24 nimmt das Ausgangssignal des A/D-Wandlers 23 auf und führt gewisse mathematische Operationen anhand der zugeführten Daten aus, wie nachfolgend beschrieben werden wird..

Die die Fühlertemperatur darstellende digitale Information , die am Ausgang des A/D-Wandlers 23 erscheint, wird zweimal pro Sekunde vom Mikroprozessor 24 abgetastet und im Speicher

zwischengespeichert. Der Speicher 25 hat genügend Speicherkapazität, um die drei unmittelbar aufeinanderfolgende Abtastungen darstellenden Daten zu speichern. Für die Rechenoperationen des Mikroprozessors stehen daher Daten zur Verfügung, welche drei aufeinanderfolgende Temperaturmessungen darstellen. Diese können mit T₀, T. und T„

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^J I J J υ O J

bezeichnet werden. Die letzte Temperaturmessung ist Τ« und ,die am weitesten zurückliegende (2 Sekunden ältere) Temperaturmessung ist T_.

Wenn der Fühler in Kombination mit dem Objekt, dessen Temperatur gemessen werden soll, ein als einzelnes Zeitkonstantensystem bekanntes.System ist (d. h. wenn die Zeitkonstante tatsächlich eine Konstante ist),so kann der Korrekturfaktor C jede halbe Sekunde unter Verwendung der folgenden Gleichung berechnet werden:

• C = A(T_Q - T₂)

In dieser Formel ist der Faktor (T,. ~"^To^ *ⁿ sehr genauer Annäherung numerisch gleich der Änderungsgeschwindigkeit der Fühlertemperatur zum Zeitpunkt T,, und A" ist die thermische Zeitkonstante des Systems..

Es wurde gefunden, daß bei einem im praktischen Einsatz befindlichen klinischen Thermometer mit einem Fühler und einem Überzug bzw. einer Umhüllung der in der US-PS 4 054 057 beschriebenen Art das thermische System wesentlich komplizierter als das in dem vorhergehenden Absatz beschriebene Einzelzeitkonstantensystem ist und ein genauerer Wert für den Korrekturfaktor" bei Verwendung der folgenden Gleichung gewonnen werden kann:

C = B log Cl + A(T₀-T₂)]

Wobei A und B Konstanten sind, deren Werte von den besonderen Charakteristiken des jeweiligen Fühlers und der verwendeten Umhüllung abhängig sind. Beispielsweise sind die Konstanten A und B, die einen Korrekturfaktor C in naher Approximation an praktikable Umhüllungs-Fühlerkombinationen ergeben, die folgenden Werte: A = 40 und B = 0,8.

ΛΑ

Nach der Bestimmung des Korrekturfaktors C mit Hilfe des Mikroprozessors, wobei entweder eine der vorstehend genannten Formeln oder eine einem besonderen Fühler/Thermosystem angepaßte Formel verwendet werden kann, wird die zu messende Temperatur τ (vom Mikroprozessor 24) unter Verwendung der folgenden Gleichung berechnet:

^Tm ^{= T}l ^{+ C}

T wird vom Mikroprozessor jede halbe Sekunde berechnet und auf der Anzeige 26 zur Anzeige gebracht. Wie auf der Kurve 11 zu sehen ist, wächst T typisVerweise zunächst rasch und übersteigt in einigen Fällen sogar den Istwert der zu messenden Temperatur. Wenn sich die Fühlertemperatur jedoch der zu messenden Temperatur nähert und der Korrekturfaktor C relativ klein wird, konvergiert T eventuell zu der zu messenden Isttemperatur.

Die berechneten Werte von T werden mit dem eine halbe

m .

Sekunde zuvor berechneten Wert von T , der im Speicher

25 gespeichert worden ist, verglichen. Diese Vergleiche werden mit Hilfe des Mikroprozessors 24 alle halben Sekunden solange durchgeführt, bis die Differenzen zwischen sechs aufeinanderfolgenden Vergleichen jeweils ■kleiner als ein vorgeqebener Wert, beispielsweise 0,05⁰F sind. Sechs aufeinanderfolgende Differenzen von weniger als 0,05 F bedeuten, daß der Wert T auf die zu messende Temperatur konvergiert, und zu diesem Zei.tpunkt -wird der· Temperaturmeßzyklus beendet, die Anzeige verriegelt und eine Hupe 27 betätigt, welche den Benttzer davon in Kenntnis setzt,· daß der dann angezeigte Wert von T ein genaues Maß der zu messenden Temperatur -ist.

Die zuvor beschriebenen'Rechen- und Steuerfunktionen sind an sich bekannte Operationen in der Mikroprozessortechnik und werden daher nicht genauer beschrieben. Der

Fachmann auf dem Gebiete der Mikroprozessortechnik ist. in der Lage, die beschriebenen Funktionen ohne weitere Angaben geeignet zu mechanisieren.

Beschrieben wurde eine Anordnung und ein -Verfahren zur elektronischen Temperaturmessung, bei denen während eines Meßzyklus die Berechnung der zu messenden Temperatur wiederholt durchgeführt und die berechneten Werte miteinander verglichen werden, um festzustellen, ob sich eine Folge von übereinstimmenden Werten ergibt. Eine Folge von übereinstimmenden berechneten Temperaturwerten ist ein Zeichen, für eine genaue Temperaturanzeige, und wenn diese Folge festgestellt wird, so wird der Meßz.yklus unterbrochen, und der letzte berechnete Wert als Maß für cie zu messende Temperatur angenommen.

Claims

PATENTANWÄLTE ΖΕΝ2 & HELBER · D 4300 ESSgNJi* IkMiRWiIRSITEIJ¹J 1°· TEL.: (02 01) 41 2G Seite - 1 - D 976

DIATEK, INC.

Patentansprüche

l_o, Anordnung zur elektronischen Temperaturmessung mit einer Einrichtung zur Korrektur des elektrischen Ausgangssignals eines Temperaturfühlers während eines Meßzyklus als Funktion der Temperaturänderungsgeschwindigkeit des Fühlers, wobei die zu messende Temperatur durch das korrigierte elektrische Signal dargestellt ist, gekenn zeichnet durch

a) eine Einrichtung zur Überwachung von Änderungen des korrigierten elektrischen Signals und

b) eine in Abhängigkeit von diesen Änderungen gesteuerte Einrichtung zur Beendigung des Meßzyklus.
2. Verfahren zur elektronischen Temperaturmessung, bei dem während eines Meß'zyklus ein elektrisches Ausgangssignal eines Temperaturfühlers als Funktion der Temperaturänderungsgeschwindigkeit korrigiert und die zu messende Temperatur durch das korrigierte elektrische Signal dargestellt wird, dadurch ge kennzeich net , daß die Änderungen des korrigierten elektrischen Signals überwacht werden und daß der Meßzyklus in Abhängigkeit von diesen Änderungen beendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßzyklus beendet wird, wenn sich das korrigierte elektrische Signal während eines vorgegebenen Zeitintervalls um nicht mehr als einen vorgegebenen Wert ändert.

Z/k ο.
4- Verfahren nach Anspruch 2· oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das korrigierte elektrische Signal periodisch abgetastet und der Meßzyklus beendet wird, wenn sich die Werte einer vorgegebenen Anzahl aufeinanderfolgender Abtastungen nicht stärker als ein vorgegebener Wert ändern.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4-, dadurch

gekennzeichnet, daß die Korrektur des elektrischen

Ausgangssignals des Temperaturfühlers im wesentlichen nach der folgenden Funktion erfolgt:

A log (1 + BT'),

wobei A und B Konstanten.sind und T^? die Änderungsgeschwindigkeit der Fühlertemperatur ist.