УСТРОЙСТВО ОБОГРЕВА ДЛЯ МЛАДЕНЦА, ИСПОЛЬЗУЮЩЕЕ ЛУЧИСТЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬ И ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ НАГРЕВАТЕЛЯ
INFANT WARMING ASSEMBLY WITH RADIANT HEATER AND HEATER SURFACE TEMPERATURE SENSOR

Раскрытая и заявленная концепция, в целом, относится к устройству обогрева для младенца и более конкретно к устройству обогрева для младенца, использующему лучистый нагреватель, имеющий датчик температуры поверхности нагревателя, который может использоваться, по меньшей мере частично, для управления мощностью, подаваемой к нагревателю.
Обогреватели для младенцев общеизвестны в технике. Обогреватели для младенцев обычно используются в больнице или другом медицинском учреждении для обогрева младенца, чтобы компенсировать тепло, которое теряется новорожденным через конвекцию и излучение. Способность новорожденного младенца поддерживать и регулировать температуру своего тела очень важна для выживания и роста. Младенцы, рожденные преждевременно или с низким весом при рождении или требующие медицинских процедур, при которых необходимо, чтобы они оставались раздетыми, могут изо всех сил стараться поддерживать температуру тела. Калории, расходуемые на поддержание температуры тела, не могут в этом случае быть использованы на оказание помощи для увеличения веса младенца, что является нежелательным. Таким образом, хорошо известна необходимость иметь для младенца обогреватель, обеспечивающий младенца теплом, преимущественно посредством излучения в средневолновом спектре инфракрасного излучения.
Известные обогреватели для младенцев обычно использовали разность между назначенной температурой кожи и измеренной температурой кожи, чтобы манипулировать мощностью нагревателя. Хотя такая архитектура была обычно эффективна для своих поставленных целей, она имела ряд недостатков из-за зависимости от изменений питающего напряжения, подаваемого на лучистый нагреватель, изменений характеристик нагревателя от экземпляра к экземпляру и из-за старения, изменений в условиях окружающей среды и медленной реакции нагревателя на изменения входной мощности. Так образом, было бы желательным обеспечить улучшенное устройство обогрева для младенца, обладающее улучшенными рабочими характеристиками.
Соответственно, улучшенное устройство обогрева для младенца содержит устройство управления лучистым нагревателем, управляющее устройством нагревателя, имеющее датчик температуры поверхности нагревателя, измеряющий температуру поверхности элемента нагревателя. Устройство управления лучистого нагревателя дополнительно содержит датчик температуры кожи и интерфейс пользователя, который может использоваться для ввода заданного значения температуры кожи. Датчик температуры кожи и заданное значение температуры кожи используются для управления температурным компонентом контура управления. Датчик температуры поверхности нагревателя используется при управлении энергетическим компонентом контура управления, который питает нагреватель, основываясь, по меньшей мере частично, на сигнале датчика температуры поверхности нагревателя и сигнале управления от температурного компонента.
Соответственно, вариант раскрытой и заявленной концепции должен обеспечивать улучшенное устройство обогрева для младенца.
Другой вариант раскрытой и заявленной концепции должен обеспечивать улучшенное устройство управления лучистым нагревателем устройства обогрева для младенца.
Другой вариант раскрытой и заявленной концепции должен обеспечивать улучшенное устройство управления лучистым нагревателем, имеющее контур управления, содержащий температурный компонент и энергетический компонент, причем энергетический компонент управляется, по меньшей мере частично, датчиком температуры поверхности нагревателя и сигналом управления от температурного компонента, который основан, по меньшей мере частично, на датчике температуры кожи и заданном значении температуры кожи.
Эти и другие варианты раскрытой и заявленной концепции обеспечиваются улучшенным устройством лучистого нагревателя, созданным для использования в устройстве обогрева для младенцев. В общем, устройство лучистого нагревателя может быть определено как содержащее лучистый нагреватель и устройство управления лучистым нагревателем. Лучистый нагреватель содержит нагревательный элемент и датчик температуры поверхности нагревателя, расположенный на нагревательном элементе, причем датчик температуры поверхности нагревателя выполнен с возможностью считывания текущей температуры поверхности нагревателя. Устройство управления лучистым нагревателем содержит устройство процессора и контур управления. Устройство процессора имеет много программ, исполняемых на нем, в числе которых программа интерфейса пользователя, позволяющая устанавливать заданное значение температуры кожи. Контур управления содержит температурный компонент и энергетический компонент. Температурный компонент содержит датчик температуры кожи, контроллер температуры кровати и устройство поиска температуры поверхности нагревателя, датчик температуры кожи, выполненный с возможностью считывания текущей температуры кожи, контроллер температуры кровати, выполненный с возможностью формирования сигнала управления температурой кровати, основываясь, по меньшей мере частично, на заданном значении температуры кожи и текущей температуре кожи, устройство поиска температуры поверхности нагревателя, выполненное с возможностью формирования заданного значения температуры поверхности нагревателя, основываясь, по меньшей мере частично, на заданном значении температуры кожи, причем температурный компонент выполнен с возможностью формирования сигнала управления температурой поверхности нагревателя, основываясь, по меньшей мере частично, на сигнале управления температурой кровати и заданном значении температуры поверхности нагревателя. Энергетический компонент содержит контроллер мощности нагревателя и устройство поиска мощности нагревателя, причем контроллер мощности нагревателя выполнен с возможностью формирования сигнала управления мощностью нагревателя, основанного, по меньшей мере частично, на сигнале управления температурой поверхности нагревателя и текущей температуре поверхности нагревателя, устройство поиска мощности нагревателя, выполненное с возможностью формирования заданного значения мощности нагревателя на основе, по меньшей мере частично, заданного значения температуры кожи. Лучистый нагреватель выполнен с возможностью приведения в действие на основе, по меньшей мере частично, сигнала управления мощностью нагревателя и заданного значения мощности нагревателя.
Дальнейшее понимание раскрытой и заявленной концепции может быть получено из последующего раздела "Подробное описание вариантов осуществления" при прочтении совместно с сопроводительными чертежами, на которых представлено следующее:
фиг. 1 - схематичное изображение улучшенного устройства обогрева для младенца, соответствующего раскрытой и заявленной концепции;
фиг. 2 - другое схематичное изображение устройства обогрева для младенца, показанного на фиг. 1;
фиг. 3 - схематичное изображение устройства управления лучистым нагревателем устройства обогрева для младенца, показанного на фиг. 1;
фиг. 4 - блок-схема последовательности операций устройства управления лучистым нагревателем, показанным на фиг. 3; и
фиг. 5 - схематичное описание устройства управления лучистым нагревателем, показанным на фиг. 4.
Одинаковые ссылочные обозначения относятся к сходным частям на протяжении всего описания.
Используемые здесь ссылки в единственном числе содержат в себе ссылки во множественном числе, если контекст явно не указывает иное. Используемая здесь формулировка, что две или более частей или компонент "связываются", должна означать, что части соединяются или действуют совместно, прямо или косвенно, то есть через одну или более промежуточных частей или компонент, в зависимости от того, как происходит соединение. Выражение "непосредственно связанные", как оно используется здесь, означает, что два элемента находятся в прямом контакте друг с другом. Выражение "жестко связанные" или "скрепленные" означает, что два компонента связываются так, чтобы двигаться как единое целое, сохраняя постоянную ориентацию относительно друг друга.
Слово "единый", как оно используется здесь, означает компонент, являющийся единым фрагментом или блоком. То есть компонент, который содержит фрагменты, которые создаются отдельно и затем связываются в качестве блока, не является "единым" компонентом или частью. Формулировка, что две или больше частей или компонент "находятся в зацеплении" друг с другом, как она используется здесь, будет означать, что части действуют с силой друг на друга непосредственно или на одну или более промежуточных частей или компонент. Термин "количество", как он используется здесь, будет означать единицу или целое число больше единицы (то есть множество).
Используемые здесь фразы, указывающие направление, такие как, например, в частности, «верх», «низ», «левый», «правый», «верхний», «нижний», «передняя сторона», «задняя сторона» и их производные, относятся к ориентации элементов, показанных на чертежах, и не накладывают ограничений на формулу изобретения, если в ней явно не выражено иное.
Улучшенное устройство 4 обогрева для младенца, соответствующее варианту осуществления раскрытой и заявленной концепции, в целом, изображено на фиг. 1. Устройство 4 обогрева для младенца, показанное на фиг. 1, прикреплено к стене 8, хотя в других вариантах осуществления понятно, что устройство 4 обогрева для младенца может быть выполнено так, чтобы быть автономным или иначе расположенным, не отступая от представленной концепции. Устройство 4 обогрева для младенца показано как содержащее устройство 12 лучистого нагревателя и кровать 16, которые оба крепятся к стене 8, но, как упомянуто выше, расположение может быть и другим, не отступая от представленной концепции.
Как можно дополнительно видеть на фиг. 1, примерный вариант осуществления устройства 12 лучистого нагревателя содержит раму 20, соединенную со стеной 8, и дополнительно содержит устройство 24 нагревателя и рефлектор 28, расположенный на раме 20. Устройство 24 нагревателя содержит лучистый нагреватель 32 и устройство 36 управления лучистым нагревателем, а также обеспечивается рефлектор 28 для отражения лучистой энергии, формируемой лучистым нагревателем 32, в направлении кровати 16.
Можно сказать, что лучистый нагреватель 32 содержит в себе нагревательный элемент 40 и датчик 44 температуры поверхности нагревателя, причем датчик 44 температуры поверхности нагревателя выполнен с возможностью считывания температуры поверхности нагревательного элемента 40. В показанном здесь примерном варианте осуществления нагревательный элемент 40 является керамическим нагревательным элементом, имеющим проволоку с электрическим сопротивлением, вокруг которой керамический материал зафиксирован по месту. Более подробно керамический материал может быть залит вокруг как проволоки с электрическим сопротивлением, так и датчика 44 температуры поверхности нагревателя, которым в показанном здесь варианте осуществления является термопара. Хотя, не отступая от представленной концепции, могут использоваться другие типы элементов лучистого нагревателя, керамический нагревательный элемент хорошо подходит для сочетания с элементом 44 температуры поверхности нагревателя, потому что такой керамический материал может легко заливаться в форму, например, с установкой при заливке в него проволоки с высоким сопротивлением и датчика 44 температуры поверхности нагревателя.
Устройство 36 управления лучистым нагревателем схематично показано на фиг. 2 как содержащее устройство 48 процессора, контур 52 управления и интерфейс 56 пользователя, посредством которого пользователь, например медсестра, техник или другое лицо, может ввести заданное значение 60 температуры кожи. Как будет обсуждаться ниже более подробно, интерфейс 56 пользователя имеет форму программы, которая может исполняться на устройстве 48 процессора и может содержать выходное устройство, такое как экран визуального дисплея, и устройство ввода, такое как клавиатура и/или сенсорный компонент сенсорного дисплея, как пример, соединенного с устройством 48 процессора. Как будет изложено здесь в другом месте, чтобы выполнять другие функции на устройстве 12 лучистого нагревателя, на устройстве 48 процессора могут исполняться другие программы.
Как можно понять из фиг. 2 и 3, контур 52 управления содержит температурный компонент 64 и энергетический компонент 68. В общих чертах температурный компонент 64 использует в качестве входных данных заданное значение 60 температуры кожи и сигнал от датчика 72 температуры кожи, который контактирует с кожей пациента. В описанном здесь примерном варианте осуществления датчик 72 температуры кожи является терморезистором.
Выходной сигнал температурного компонента 64 подается на энергетический компонент 68, который далее использует в качестве входных данных сигнал от датчика 44 температуры поверхности нагревателя. Снова в общих чертах энергетический компонент 68 является по своей природе контуром управления мощностью, управляющим мощностью, подаваемой к лучистому нагревателю 32, основываясь на сигнале температуры поверхности нагревательного элемента 40, который формируется датчиком 44 температуры поверхности нагревателя, и сигналах от температурного компонента 64, основанных, по меньшей мере частично, на разности между заданным значением 60 температуры кожи и текущим сигналом 72А температуры кожи, формируемым датчиком 72 температуры кожи.
Более конкретно и как можно понять из фиг. 4, можно сказать, что температурный компонент 64 должен содержать датчик 72 температуры кожи и устройство 74 управления температурой кровати. В показанном здесь примерном варианте осуществления контроллером 74 управления температурой кровати является пропорциональный/интегрирующий/дифференцирующий (PID) контроллер, и, таким образом, контроллер 74 управления температурой кровати может также упоминаться как PID-контроллер 74 кровати. Разность между заданным значением 60 температуры кожи и текущим значением 72А сигнала температуры кожи, приходящим от датчика 72 температуры кожи, вводится в контроллер 74 управления температурой кровати. Контроллер 74 управления температурой кровати затем формирует сигнал 76 управления температурой кровати, основываясь, по меньшей мере частично, на заданном значении 60 температуры кожи и текущем сигнале 72А температуры кожи.
Температурный компонент 64 можно дополнительно представить как содержащий устройство 80 поиска температуры поверхности нагревателя, которое использует одну или более таблиц и/или один или более алгоритмов для получения или формирования каким-либо другим способом температуры поверхности нагревателя, которая должна быть номинально необходима, чтобы достигнуть заданного значения 60 температуры кожи пациента. В описанном здесь примерном варианте осуществления зависимость между температурой поверхности нагревателя и температурой кожи получается из данных, полученных посредством эксперимента. Более конкретно набор значений температур поверхности нагревателя и результирующие значения температуры кожи вводятся в компьютерную программу, которая подгоняет данные к нелинейной кривой, используя полиномиальное соотношение. Кривая может иметь форму математической функции, которая, реагируя на входной сигнал, такой как заданная температура 60 поверхности кожи, создает на выходе соответствующее значение температуры поверхности нагревателя. Когда математическая функция получена для нагревателя 40, имеющего известные физические размеры и расположенного на известном расстоянии от пациента, функция может использоваться в логике устройства 80 поиска температуры поверхности нагревателя, чтобы использовать заданное значение 60 температуры кожи для формирования значения температуры поверхности нагревателя.
Такое значение температуры поверхности нагревателя передается в качестве заданного сигнала 82 температуры поверхности нагревателя и объединяется с сигналом 76 температуры кровати, чтобы сформировать сигнал 84 управления температурой поверхности нагревателя, который вводится в энергетический компонент 68. В этом отношении заметим, что номинальная заданная температура поверхности нагревателя может быть порядка, скажем, 250°C, тогда как разность между заданным значением 60 температуры кожи и текущим значением 72А температуры кожи может быть на два порядка величины меньше и может быть не больше одного градуса по Цельсию или его доли. Чтобы для сигнала 76 управления температурой кровати имело смысл объединяться с сигналом 82 заданной температуры поверхности нагревателя, контроллер 74 управления температурой кровати увеличивает свой выходной сигнал, например, на целый порядок величины, хотя большее и меньшее увеличение может обеспечиваться в зависимости от потребностей системы. Также понятно, что для объединения сигнала 76 управления температурой кровати и сигнала 82 заданной температуры поверхности нагревателя 82 могут использоваться другие методики в форме, которая должна позволить сигналу 72 управления температурой кровати обоснованно объединяться с сигналом 82 заданной температуры поверхности нагревателя.
Как можно дополнительно понять из фиг. 4, можно сказать, что энергетический компонент 68 содержит контроллер 86 мощности нагревателя 86 и устройство 90 поиска мощности нагревателя. Контроллер 86 мощности нагревателя в качестве примера имеет форму PID-контроллера и контроллер 86 мощности нагревателя, таким образом, может упоминаться здесь как PID-нагреватель 86.
Сигнал 84 управления температурой поверхности нагревателя и текущий сигнал 88 температуры поверхности нагревателя, поступающий от датчика 44 температуры поверхности нагревателя, объединяются и подаются в контроллер 86 мощности нагревателя. Контроллер 86 мощности нагревателя, таким образом, формирует сигнал 92 управления мощностью нагревателя, который основывается, по меньшей мере частично, на сигнале 84 управления температурой поверхности нагревателя и текущем сигнале 88 температуры поверхности нагревателя. В этом отношении контроллер 86 мощности нагревателя может использовать некоторую преобразовательную логику или масштабирование, чтобы преобразовывать основанные на температуре входные сигналы, то есть сигнал 84 управления температурой поверхности нагревателя и текущий сигнал 88 температуры поверхности нагревателя в выходной сигнал, основанный на мощности, то есть сигнал 92 управления мощностью нагревателя.
Устройство 90 поиска мощности нагревателя содержит одну или более таблиц просмотра и/или один или более алгоритмов для получения или формирования каким-либо иным способом сигнала 90А устройства поиска мощности нагревателя, которая основывается, по меньшей мере частично, на заданном значении 60 температуры кожи и может обычно характеризоваться как номинальная мощность нагревателя, которая должна требоваться, чтобы приводить в результате к наличию у пациента заданного значения 60 температуры кожи. Сигнал 90А поиска мощности нагревателя и сигнал 92 управления мощностью нагревателя объединяются в заданное значение 94 мощности нагревателя, который используется для управления выключателем нагревательного элемента 40. Нагревательный элемент 40, таким образом, действует согласно заданному значению 94 мощности нагревателя, чтобы подавать лучистое тепло к кровати 16. Заметим, что кровать 16 на фиг. 4 показана пунктирными линиями, чтобы указать ее концептуальное присутствие, но следует отметить, что кровать 16 сама по себе не является компонентом устройства 36 управления лучистым нагревателем.
Таким образом, можно видеть, что энергетический компонент 68 является отдельным контуром управления, который напрямую управляет мощностью нагревателя, основываясь на текущей температуре поверхности нагревательного элемента 40. Основываясь на мощности нагревателя при температуре поверхности нагревательного элемента 40, а не просто на текущем сигнале 72А температуры кожи и/или заданном значении 60 температуры кожи, мощностью нагревателя можно управлять более точно, и возможна более быстрая реакция на окружающие условия. Например, нагревательный элемент 40 может кратковременно перегружаться в переходном режиме, подавая больше мощности, чем обычно должно требоваться в установившемся состоянии, чтобы достигнуть заданного значения 60 температуры кожи, поскольку энергетический компонент 68 может управлять мощностью, подаваемой на нагревательный элемент 40, основываясь на требуемой температуре поверхности нагревательного элемента 40, а не на требуемой температуре поверхности кожи. Такая архитектура управления может обеспечивать более высокие быстродействия, не зависящие от входных напряжений и не зависимые от изменений от экземпляра к экземпляру обогревателя и не меняющиеся при старении нагревательного элемента 40.
То есть, так как температура поверхности нагревателя 40 контролируется и управляется с помощью энергетического компонента 68, можно видеть, что фактическое напряжение входной мощности, которая приводит в действие нагреватель 40, в значительной степени не имеет значения, пока она достаточна, чтобы приводить в действие нагреватель 40 для работы в соответствии с заданным значением 94 мощности нагревателя. Кроме того, рабочие характеристики нагревателя 40 могут изменяться от экземпляра к экземпляру и могут также ухудшаться со временем. Такое изменение от экземпляра к экземпляру в значительной степени не имеет значения, потому что температура поверхности нагревателя 40 контролируется и управляется. Кроме того, ухудшение рабочих характеристик нагревателя 40 со временем аналогично в значительной степени не имеет значения, поскольку контроль и управление результирующей температурой поверхности нагревателя 40 заставляют его работать в любом рабочем цикле, который необходим, чтобы достигнуть требуемой температуры кожи в соответствии с изложенными здесь параметрами управления. Дополнительно, когда нагреватель 40 заменяется в конце своего срока службы на подобный сменный нагреватель 40, управление сменным нагревателем 40 может быть сразу достигнуто без необходимости изменений программного обеспечения или перекалибровки, так как температура его поверхности контролируется и управляется, как указано выше.
Как можно понять из фиг. 5, устройство 48 процессора содержит микроконтроллер 96, осуществляющий связь с устройством 98 памяти. Микроконтроллер 96 может быть любым из большого разнообразия процессоров, таких как микропроцессоры, микроконтроллеры и т.п., без ограничения. Устройство 98 памяти функционирует как электронное хранилище данных, которое взаимодействует с микроконтроллером 96 и которое может быть в форме одного или более устройств RAM, ROM, FLASH-памяти и т.п., без ограничения. Как обычно понимается, программы, исполняемые на микроконтроллере 96, обычно хранятся, по меньшей мере частично, в устройстве 98 памяти для извлечения и исполнения на микроконтроллере 96. В этом отношении повторим, что интерфейс 56 пользователя имеет форму программы, исполняемой на микроконтроллере 96. Как можно понять из фиг. 5, другие упомянутые выше функции аналогично имеют форму программ, исполняемых на микроконтроллере 96. Например, устройство 80 поиска температуры поверхности нагревателя, устройство 90 поиска мощности нагревателя, контроллер 74 управления температурой кровати и контроллер 86 мощности нагревателя - все реализуются как программное обеспечение, полностью или частично встроенное в микроконтроллер 96 и/или устройство 98 памяти. Понятно, однако, что, не отступая от представленной концепции, такие программы могут быть также реализованы на отдельных процессорах в распределенном устройстве.
Дополнительно, не отступая от представленной концепции, об устройстве 36 управления лучистым нагревателем можно сказать, что оно содержит набор электронных устройств 100, которые имеют в своем составе один или более цифроаналоговых преобразователей (DAC) и аналого-цифровых преобразователей (ADC) и другие подобные электронные устройства. Также понятно, что электронные устройства 100 аналого-цифрового преобразования могут реализовываться, полностью или частично, на микроконтроллере 96.
Как может быть дополнительно понятно из фиг. 5, устройство 36 управления лучистым нагревателем может дополнительно содержать электронные устройства, выполняющие формирование сигнала температуры кожи и/или сигнала датчика температуры поверхности нагревателя, в зависимости от необходимости, хотя такое формирование сигнала потенциально может осуществляться в электронных устройствах, обеспечиваемых датчиком 72 температуры кожи и датчиком 44 температуры поверхности нагревателя, соответственно, или, в противном случае, может осуществляться в устройстве 36 управления лучистым нагревателем. Аналогично для преобразования заданного значения 94 во входной сигнал мощности для приведения в действие нагревательного элемента 40 обычно должна использоваться широтно-импульсная модуляция (PWM). В частности, нагревательный элемент 40 по своей природе обычно будет выполнять включение/выключение, и широтно-импульсная модуляция может обеспечиваться для быстрого переключения нагревательного элемента 40 между включенным и выключенным состояниями, где "ширина" импульса относится ко времени. Такое быстрое переключение рабочего цикла нагревательного элемента 40 обычно будет обеспечиваться оптически связанным тиристорным выключателем, управляемым платой NIDAQ для достижения высокой скорости переключения, необходимой для точного поддержания требуемой температуры поверхности нагревательного элемента 40. Когда заданное значение 94 мощности нагревателя соответствует состоянию "увеличенная мощность", то есть когда температура поверхности нагревателя 40 должна быть повышена, "ширина" участка импульса, соответствующая включенному состоянию, может увеличиваться или ширина участка импульса, соответствующая выключенному состоянию, может быть уменьшена, или возможно и то, и другое. Также фактические физические характеристики нагревателя 40 в значительной степени не имеют значения, так как заданное значение 94 мощности нагревателя переключается так, как изложено здесь, пока не будет достигнута заданная требуемая температура поверхности нагревателя и результирующая требуемая температура кожи пациента.
В формуле изобретения любые ссылочные позиции, указанные в скобках, не должны рассматриваться как ограничение формулы изобретения. Слово "содержащий" или "содержащий в себе" не исключает присутствия элементов или этапов, отличных от перечисленных в формуле изобретения. В пункте формулы изобретения, касающемся устройства, где перечисляются несколько средств, некоторые из этих средств могут быть реализованы одной и той же позицией аппаратных средств. Указание на единственное число элемента не исключают наличие множества таких элементов. В любом пункте формулы изобретения, касающемся устройства, где перечисляются несколько средств, некоторые из этих средств могут быть реализованы одной и той же позицией аппаратных средств. Простой факт, что определенные элементы повторяются во взаимно различных зависимых требованиях формулы изобретения, не указывает, что эти элементы не могут использоваться в комбинации.
Хотя изобретение было подробно описано с целью иллюстрации, основываясь на том, что в настоящее время считается наиболее практичными и предпочтительными вариантами осуществления, следует понимать, что такая подробность служит исключительно для этой цели и что изобретение не ограничивается раскрытыми вариантами осуществления, а, напротив, предназначено охватывать модификации и эквивалентные устройства, попадающие в пределы сущности и объема защиты заявленной формулы изобретения. Например, следует понимать, что настоящее изобретение предполагает, что по мере возможности один или более признаков любого одного варианта осуществления могут объединяться с одним или более признаками любого другого варианта осуществления.