СТРУКТУРА ДАТЧИКА ТЕМПЕРАТУРЫ
TEMPERATURE SENSOR DESIGN

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Это изобретение относится к устройству для измерения температуры, в частности температуры тела человека или животного.
Датчики для измерения температуры хорошо известны и включают в себя термисторы, термопары и электронные датчики на основе полупроводников. Если такие датчики правильно откалиброваны, они могут обеспечивать индикацию температуры объекта в области, из которой на датчик поступают входные сигналы. Например, термистор, помещенный в непосредственный контакт с объектом, приведет к индикации температуры той части объекта, с которой датчик находится в контакте.
Часто объект не обладает однородной температурой, и его измеряемая температура изменяется по его объему. Например, температура тела животного или человека обычно изменяется от его внутренней температуры тела до температуры кожи. Температура кожи может значительно изменяться в зависимости от состояния окружающей среды, и поэтому внутренняя температура тела обычно более важна для медицинских и диагностических применений. Однако не всегда бывает возможным или удобным измерять непосредственно внутреннюю температуру тела с помощью инвазионных средств. Предпочтительно проведение одного или нескольких измерений легкодоступной части тела (такой как температура кожи) и оценка температуры тела, исходя из этих измерений.
В Патентной заявке США № 2007/0282218 раскрыто устройство для измерения локальной температуры внешней поверхности тела, с использованием, по меньшей мере, двух датчиков температур, разделенных изолирующим слоем. Измерения можно использовать для вычисления внутренней температуры тела, делая поправку на разницу между внутренней температурой тела и локальной температурой. Алгоритмы для осуществления такой поправки в зависимости от известных тепловых характеристик тела известны из уровня техники (например, см. «Расчет средней температуры тела, исходя из ректальной и накожной температур» («Computation of mean body temperature from rectal and skin temperatures», Journal Applied Physiology 31: 484-489, 1971)).
Пример стандартного устройства 12 для измерения температуры тела 11 показан на Фиг. 1. Датчики температуры 13 и 14 расположены на различных расстояниях от внешней поверхности 18 тела 11 в материале 15 и разделены термоизоляционным барьером 16. Эффект термоизоляционного барьера 16 состоит в том, что он заставляет датчики температуры 13 и 14 достигать различных температур равновесия при различных скоростях, таким образом, чтобы измерения температуры тела 11 можно было оценивать, исходя из теплового потока, протекающего сквозь устройство между первым и вторым датчиками.
Стандартные устройства измеряют тепловой поток от тела объекта в устройство и требуют, чтобы датчики температуры были точно расположены для надлежащего поглощения потока тепла, сквозь устройство. Поэтому точность таких устройств сильно зависит от точности размещения датчиков устройства. Кроме того, устройства легко подвержены влиянию других источников тепла в своем окружении.
Поэтому существует необходимость в устройстве для измерения температуры, точность которых меньше зависит от точности размещения его датчиков температуры и близости к другим источникам тепла в своем окружении.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно первому аспекту настоящего изобретения обеспечено устройство для измерения температуры, содержащее: первый и второй датчики температуры, заключенные в первый материал, имеющий один или несколько компонентов материала; контактную поверхность для приведения в контакт тела, температура которого должна быть измерена с, по меньшей мере, частью контактной поверхности, параллельной латеральному направлению; причем первый и второй датчики температуры расположены на различных глубинах от контактной поверхности и чистая (полезная) теплопроводность сквозь устройство от контактной поверхности через первый и второй датчики больше, чем чистая теплопроводность латеральной части устройства через первый и второй датчики температуры.
Соответствующим образом упомянутый первый материал обладает анизотропной теплопроводностью. Предпочтительно, чтобы теплопроводность первого материала имела коэффициент анизотропии, по меньшей мере, 2. Предпочтительно, чтобы первый материал обладал максимальной теплопроводностью, по меньшей мере, 0,5 Вт/мК.
Устройство (не обязательно) дополнительно содержит второй материал, по меньшей мере, частично заключающий в себя первый материал и обладающий более низкой теплопроводностью в латеральном направлении, чем первый материал. Предпочтительно, чтобы первый материал обладал большей теплопроводностью, чем второй материал в латеральном направлении на показатель, равный, по меньшей мере, 4.
Согласно второму аспекту настоящего изобретения обеспечено устройство для измерения температуры, содержащее: первый материал, обладающий одним или несколькими компонентами материала; первый и второй датчики температуры, встроенные в первый материал; второй материал, по меньшей мере, частично заключающий в себя первый материал и обладающий более низкой теплопроводностью, чем первый материал; и контактную поверхность для приведения в контакт с телом, температура которого должна быть измерена, причем, по меньшей мере, часть контактной поверхности параллельна латеральному направлению; при этом первый и второй датчики температуры расположены на различной глубине от контактной поверхности, а первый и второй материалы скомпонованы таким образом, чтобы чистая теплопроводность сквозь устройство от контактной поверхности через первый и второй датчики температуры была больше теплопроводности в латеральном направлении устройства через первый и второй датчики температуры.
Второй материал может полностью заключать в себя первый материал. Предпочтительно, чтобы второй материал был толще по латеральным краям первого материала, чем по контактной поверхности и противоположной ей поверхности. Предпочтительно, чтобы первый материал обладал по существу дискообразной формой, а плоскость диска была бы по существу параллельна латеральному направлению. Предпочтительно, чтобы второй материал образовывал кольцеобразный слой вокруг дискообразного первого материала, причем плоскость кольца должна по существу совпадать с плоскостью диска.
Каждая глубина может представлять собой расстояние от контактной поверхности до соответствующего датчика температуры вдоль оси, по существу перпендикулярной контактной поверхности. В качестве альтернативы, каждая глубина представляет собой термическую глубину, заданную чистой теплопроводностью от контактной поверхности до соответствующего датчика температуры. Первый и второй датчики температуры могут находиться на одинаковом расстоянии от контактной поверхности вдоль оси, по существу перпендикулярной контактной поверхности.
Предпочтительно, чтобы поверхность первого материала обеспечивала, по меньшей мере, часть упомянутой контактной поверхности.
Первый материал (не обязательно) содержит, по меньшей мере, первый и второй компоненты материалов, обладающих различными теплопроводностями, причем первый датчик температуры встроен в первый компонент материала, а второй датчик температуры встроен во второй компонент материала. Предпочтительно, чтобы, по меньшей мере, часть контактной поверхности была обеспечена первым и вторым компонентами материала.
Предпочтительно, чтобы чистая теплопроводность сквозь устройство в латеральном направлении была минимальной. Предпочтительно, чтобы первый материал представлял собой теплопроводящий полимер.
Контактная поверхность (не обязательно) поддерживает тонкий слой, обладающий более высокой теплопроводностью, чем первый материал. Предпочтительно, чтобы при использовании поверхность первого материала удаленная от упомянутой контактной поверхности была обнажена. Упомянутая удаленная поверхность (не обязательно) поддерживает тонкий слой, обладающий более высокой теплопроводностью, чем первый материал.
ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Настоящее изобретение далее будет описано в виде примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 представляет собой схему устройства согласно уровню техники для измерения теплового потока от тела;
Фиг. 2 представляет собой принципиальную схему термометрического устройства в соответствии с первым вариантом воплощения настоящего изобретения;
Фиг. 3 представляет собой принципиальную схему термометрического устройства в соответствии со вторым вариантом воплощения настоящего изобретения;
Фиг. 4 представляет собой принципиальную схему термометрического устройства в соответствии с третьим вариантом воплощения настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Следующее описание представлено для предоставления возможности специалистам в данной области техники изготовления и использования изобретения и обеспечено в контексте конкретного применения. Различные модификации раскрытых вариантов воплощения станут легко понятными специалистам в данной области техники.
Основные принципы, указанные в настоящем документе, могут быть применены для других вариантов воплощения и применений, без отступления от сущности и объема настоящего изобретения. Таким образом, настоящее изобретение не следует рассматривать как ограниченное показанными вариантами воплощения, но должно соответствовать самому широкому объему, совпадающему принципам и признакам, раскрытым в настоящем документе.
Настоящее изобретение обеспечивает усовершенствованное устройство для измерения температуры и потока тепла в или из тела объекта. Устройство, в частности, является пригодным для измерения температуры тела человека или животного. Измерение потока тепла от тела в сочетании с измерением температуры на поверхности этого тела позволяет рассчитывать оценку температуры в теле, если известны некоторые тепловые характеристики тела.
внутр
внутр
Например, внутреннюю температуру тела (Т) человека или животного можно оценить из первой температуры T1, измеренной в первой точке (например, на коже), и второй температуры T2, измеренной во второй точке, связанной с первой точкой посредством известной функцией теплопереноса. Как хорошо известно из уровня техники, эти параметры позволяют рассчитывать тепло, исходящее из кожи в этой области, и их можно использовать для оценки внутренней температуры тела Т следующим образом:
внутр
Т=T1+A(T2-T1)
Параметр A представляет собой обычно эмпирически определяемый коэффициент, который зависит от термических характеристик устройства (функции теплопереноса) и ткани тела. Включение в данное уравнение членов более высокого порядка может дополнительно повысить точность этой оценки. Термические характеристики устройства можно непосредственно выбирать в соответствии с замыслом и точно измерять в лаборатории.
Фиг. 2 показывает устройство 28 в соответствии с первым аспектом настоящего изобретения. Датчики температуры 22 и 23 закреплены на печатной плате (PCB) 24, которая может или же может не располагаться по диаметру компонента материала 25, в который она внедрена. PCB 24 выбрана таким образом, чтобы она обладала теплопроводностью, близкой к теплопроводности материала 25 таким образом, чтобы влияние ее присутствия на поток тепла к первому и второму температурным датчикам 22, 23 было минимизировано. На самом деле, PCB 24 можно не включать в состав устройства, если есть любое другое средство соединения с датчиками, в случае чего материал 25 расположен между датчиками 22 и 23. Материал 25 частично заключен в материал 26, который обладает более низкой теплопроводностью, чем материал 25.
Устройство 28 сконструировано таким образом, чтобы материал 25 обеспечивал контактную поверхность 27, адаптированную для контакта с телом, температуру которого требуется измерить (например, температуру кожи человека). Поверхность 27 в настоящем документе называется контактной поверхностью, а противоположная поверхность устройства в соответствии с настоящим изобретением, за пределы которой тепло течет от тела, будет называться внешней поверхностью. Поверхность 27 может поддерживать адгезив или другое средство для прикрепления устройства к поверхности тела объекта.
В соответствии с настоящим изобретением датчики 22 и 23 расположены на различных расстояниях от контактной поверхности 27 таким образом, чтобы датчики находились на различных расстояниях от тела 21 (источника тепла). Предпочтительно, чтобы датчики 22 и 23 лежали на общей оси, перпендикулярной контактной поверхности 27. Эта конфигурация предполагает, что вектор, описывающий градиент тепла, близкий к поверхности тела 21, перпендикулярен к этой поверхности.
Предпочтительно, чтобы материал 26 не располагался полностью по контактной или внешней поверхностям устройства. Преимущественно, если поверхность материала 25 образует, по меньшей мере, часть контактной поверхности 27 таким образом, чтобы материал при использовании контактировал с телом 21 и чтобы поверхность материала 25 образовывала, по меньшей мере, часть внешней поверхности 27 таким образом, чтобы материал был обнажен для окружающей среды, позволяя теплу протекать через устройство и выходить через эту поверхность. Материал 26 может заключать в себя материал 25 полностью, но в данном варианте воплощения предпочтительно, чтобы материал 26 был тоньше на внешней и/или контактной поверхности, или был легирован в этих областях более проводящим материалом (таким как металл) для повышения его проводимости.
Одна или обе поверхности - контактная поверхность или внешняя поверхность - могут поддерживать тонкий слой (обычно толщиной менее 1 мм) дополнительного материала (не показан на фигурах). Этот дополнительный материал может обладать высокой теплопроводностью (например, большей, чем теплопроводность материала 25, и предпочтительно, по меньшей мере, 10 Вт/мК) для эффективного связывания (a) контактной поверхности с телом, температуру которого измеряют, и/или (b) внешней поверхности с окружающей средой. В качестве альтернативы, если дополнительный материал достаточно тонкий (предпочтительно менее 0,25 мм), он может обладать низкой теплопроводностью (возможно, менее 1 Вт/мК) и действовать как защитный слой для соответствующей поверхности или средство для поддержания (например) адгезивного слоя.
Посредством регулирования протяженности, по которой располагается изоляционный материал 26 по внешней поверхности устройства, скорости, при которых датчики достигают своих температур равновесия, могут меняться. Представляется, что протяженность, по которой располагается изоляционный материал на внешней поверхности, выбирают эмпирически, с учетом типичного диапазона ожидаемых температур тела и окружающей среды.
Компоновку компонентов материала 25 и 26 выбирают таким образом, чтобы была задана ось наибольшей теплопроводности сквозь устройство. В варианте воплощения, показанном на Фиг. 2, ось наибольшей теплопроводности приблизительно перпендикулярна контактной поверхности 27 и проходит через материал 25. Это потому, что материал 26, который обладает более низкой теплопроводностью, снижает чистую (полезную) теплопроводность в направлениях, параллельных контактной поверхности 27 (т.е. латеральных). Предпочтительно, чтобы ось наибольшей теплопроводности совпадала с направлением потока тепла за пределы тела 21. Иными словами, направление вектора, описывающего поток тепла из тела 21 выбирают таким образом, чтобы оно совпадало с направлением максимальной теплопроводности устройства, когда устройство помещено в местоположении на теле. В отличие от стандартных конфигураций устройства, компоновка согласно настоящему изобретению способствует минимизации утечек тепла в датчики из латеральных краев устройства и обеспечивают, чтобы тепло текло из внутренней части тела, температуру которого измеряют.
Преимущественно, если теплопроводность материала 26, по меньшей мере, в 4 раза меньше, чем теплопроводность материала 25, а предпочтительно, по меньшей мере, в 10 раз меньше. Предпочтительно, чтобы материал 25 обладал теплопроводностью, по меньшей мере, 0,5 Вт/мК. В частности, преимущественно, если материал 25 представляет собой теплопроводный полимер, такой как D8102, изготовленный компанией Cool Polymers, который обладает теплопроводностью 3 Вт/мК. Предпочтительно, чтобы материал 26 представлял собой термопластик, такой как поливинилхлорид (ПВХ) или полиуретан (ПУ).
Предпочтительно, чтобы материал 25 имел практически дискообразную форму, таким образом, чтобы он был в большей степени параллелен поверхности 27, чем перпендикулярен к ней. Например, подходящий диаметр для пластыря для человеческого тела составляет приблизительно 15 мм, с двумя частями материала 25, составляющими приблизительно 2,5 мм, разделенными диском PCB, также составляющим 15 мм в диаметре и 1 мм толщиной. Предпочтительно, чтобы материал 26 образовывал кольцеобразный слой вокруг материала 25, а в настоящем примере предпочтительно, чтобы он представлял собой покрытие на материале 25 толщиной 1 мм.
Устройство, показанное на Фиг. 2, можно легко изготавливать путем спрессовывания датчиков температуры с теплопроводящим полимером, а затем спрессовывания полученного изделия с теплоизоляционным полимером, преимущественно в виде кольца вокруг диска. В вариантах воплощения, в которых датчики закреплены на печатной плате, устройство может быть сконструировано с датчиком температуры на каждой стороне печатной платы. Первое спрессовывание затем можно осуществлять с использованием полимера с термическими характеристиками, аналогичными или более проводящими, чем у печатной платы, а второе спрессовывание осуществляют с использованием по существу более изолирующего полимера. Если полимер 25, в который встроена печатная плата, является особенно электропроводным, между печатной платой и проводящим полимером можно использовать тонкий электроизолирующий слой или пленку.
Фиг. 3 показывает второй вариант воплощения настоящего изобретения, в котором датчики 22, 23 закреплены на гибкой печатной плате (PCB) 34. Это имеет два преимущества: во-первых, устройство 38 может быть гибким, позволяя контактной поверхности больше соответствовать контурам внешней поверхности тела 21; во-вторых, компонуя PCB так, чтобы она была отогнута на 180 градусов от самой себя (см. Фиг. 3), датчики можно располагать в материале 25 таким образом, чтобы только материал 25 проходил между датчиками, а поток тепла, проходящий через датчики, не прерывался печатной платой.
Фиг. 4 показывает третий вариант воплощения настоящего изобретения, в котором материалы 25 и 26 устройства 28 и 38 заменены одиночным материалом 45, обладающим анизотропной теплопроводностью. Материал 45 может содержать несколько компонентов материала, скомпонованных таким образом, чтобы обеспечить анизотропную теплопроводность. Датчики 22 и 23 скомпонованы в материале 45 таким образом, чтобы они лежали по существу вдоль оси наибольшей теплопроводности материала и устройства (показанной пунктирными линиями на Фиг. 4). Поскольку обычно требуется захватывать поток тепла в перпендикулярном направлении вне тела 21, ось наибольшей теплопроводности материала 45 обычно должна быть по существу перпендикулярной контактной поверхности 27 устройства 48.
Преимущественно, если ось наименьшей теплопроводности материала 45 по существу перпендикулярна оси максимальной теплопроводности, в целях минимизации утечек тепла в датчики из латеральных частей устройства.
Подходящие материалы, обладающие анизотропной теплопроводностью, включают в себя теплопроводящие полимеры, имеющие по существу выпрямленные цепи полимера, и матрицу материала с электропроводящими компонентами (такими как волокна металла), выпрямленными в полимерном изолирующем базовом материале. Предпочтительно, чтобы материал 45 был выбран таким образом, чтобы он обладал коэффициентом анизотропии, по меньшей мере, 2: т.е. теплопроводность вдоль оси максимальной теплопроводности, по меньшей мере, в два раза больше, чем вдоль по существу перпендикулярной оси с наименьшей теплопроводностью. Более предпочтительным является, чтобы коэффициент анизотропии составлял, по меньшей мере, 5. Наиболее предпочтительным является, чтобы теплопроводность по всем направлениям, перпендикулярным оси максимальной теплопроводности, была бы по существу одинаковой (предпочтительно в пределах 20%).
Контактная поверхность 27 может не быть идеально плоской и предпочтительно адаптирована таким образом, чтобы соответствовать внешней поверхности тела, температуру которого измеряют. Если тело 21 представляет собой тело человека или животного, то преимущественно, если устройство в соответствии с настоящим изобретением является гибким, что позволяет контактной поверхности поддерживать хороший контакт с телом 21 в ходе перемещений человека или животного.
В вышеописанных вариантах воплощения является важным, чтобы датчики температуры были расположены на различных глубинах от контактной поверхности, вследствие чего каждый датчик достигает отличной от других температуры равновесия (в соответствии с требованиями вышеуказанного уравнения для оценки внутренней температуры тела). Эта глубина может представлять собой перпендикулярное расстояние от контактной поверхности до датчика температуры объекта. В качестве альтернативы или дополнительно, глубина может быть задана «термической глубиной» датчика температуры от контактной поверхности. Термическая глубина - это чистая (полезная) теплопроводность устройства от контактной поверхности до датчика температуры объекта и изменяется в зависимости как от расстояния датчика температуры от контактной поверхности, так и от теплопроводности промежуточного материала (материалов).
Если теплопроводность от контактной поверхности различается для каждого датчика температуры, каждый датчик температуры будет находиться в равновесии при различных температурах. Этого можно непосредственно достичь, если материал 25 содержит первый компонент материала, в который заключен первый датчик температуры, и второй компонент материала, в который заключен второй датчик температуры, причем два компонента материала обладают различной теплопроводностью. Проще говоря, материал 25 может иметь две половины: первую половину из первого компонента материала, содержащую первый датчик температуры, и вторую половину из второго компонента материала, содержащую второй датчик температуры, где каждый компонент материала располагается между соответствующими датчиками температуры и контактной поверхностью.
Термин «перпендикулярное расстояние», используемое в настоящем документе, должно означать расстояние от указанной точки до указанной поверхности вдоль линии, перпендикулярной к этой поверхности, которая проходит через эту точку.
Заявитель настоящим раскрывает по отдельности каждый индивидуальный признак, описанный в данном документе, и любое сочетание двух или более таких признаков, в пределах, при которых такие признаки или их сочетания осуществимы, на основе настоящего описания в целом, в свете общих знаний специалистов в данной области техники, независимо от того, решают ли такие признаки или сочетания признаков какие-либо задачи, раскрытые в настоящем документе, и без ограничений объема формулы изобретения. Заявитель указывает на то, что аспекты настоящего изобретения могут содержать любой такой индивидуальный признак или сочетание признаков. Ввиду вышеприведенного описания специалистам в данной области техники должно быть очевидно, что в рамках объема изобретения могут быть сделаны различные модификации в пределах объема настоящего изобретения.