專利名稱：用于測量表面散發(fā)的蒸汽通量的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于測量表面散發(fā)的蒸汽通量的方法和設備；更具體地說，本發(fā)明涉及可用于測量人體皮膚上表皮水損失率(TEWL)的方法和裝置。
TEWL對于評價皮膚阻水層的功效很重要。由于各種皮膚病、燒傷及其它原因對皮膚造成的損害會影響TEWL，TEWL的測量值可以指示這種損害及其可能的早期開始或響應治療。因此，可以將其用于臨床診斷。
因為TEWL是皮膚阻水層功效的測量，所以，TEWL的測量對于評價由于同外部物質的相互反應導致的皮膚損害很重要，所述外部物質包括肥皂、洗滌劑和工業(yè)上的化學物質。早產(chǎn)兒沒有完全形成角質層，TEWL的測量可以監(jiān)視角質層的形成，并且能夠對由于水分過度損失導致的失水發(fā)出警告。更通常地是，TEWL還用于測試涂覆在皮膚上的藥品和化妝品的效果。
TEWL的測量是測量從小面積表面(測試表面)上散發(fā)的水蒸汽密度的更一般問題的特殊情況。為方便起見，將測量該量的設備和方法分為兩類，即(i)時序法，所述方法可以測量水蒸汽通量密度及其在持續(xù)期間內(nèi)的變化。時序法包括開放室擴散梯度法(Nilsson，GB 1532419)、如Skinos Co Ltd，Japan制造的流動氣體法和封閉室冷凝器法(Imhof，PCT/GB99/02183，1999)。時序法中都結合有防止測試表面散發(fā)的水蒸汽在其測量室內(nèi)集聚的裝置，這對于持續(xù)期間內(nèi)連續(xù)測量是必需的。
(ii)單值法，所述方法只能測量短的時間間隔內(nèi)的水蒸汽通量密度，時間間隔一般是1分鐘，這取決于測量室的大小。這些方法使用封閉測量室，從測試表面散發(fā)的水蒸汽被截留在測量室內(nèi)，沒有任何逸出或脫除裝置。測量結束時，在要進行下一次測量之前，必須用某種方法將集聚在測量室內(nèi)的水蒸汽除去。單值法包括DelfinTechnologies Ltd，F(xiàn)inland(PCT/WO01/35816A1)生產(chǎn)的蒸汽壓力計、Tagami等人(Skin Research & Technology，第8卷，第7-12頁，2002)描述的儀器和動力氣孔計，如Delta-T Ltd，UK生產(chǎn)的儀器。
前面(ii)中所述的單值法的測量室需要吹掃，以除去前一次測量過程中集聚的所有水蒸汽。這可以通過在測量前利用如Deita-TLtd，UK的動力氣孔計注入少量干燥氣體進行。這種吹掃法具有與氣體吹掃系統(tǒng)相關的尺寸、重量和復雜性方面的缺點。另一種如使用Delfin Technologies Ltd生產(chǎn)的蒸汽壓力計的方法是使結合在在測量室內(nèi)的測量棒快速通過環(huán)境空氣移動，這種移動使測量室通過與環(huán)境空氣的湍流混合進行吹掃。其缺點是缺乏控制性和重復性。
現(xiàn)在我們設計了一種改善的用于吹掃水蒸汽通量測量單值法的測量室的方法，所述方法減少或克服了上述吹掃法的缺點。
本發(fā)明涉及一種用于測量水蒸汽通量的單值法和用于實施所述方法的設備，所述方法和設備比前面(ii)中所述的三種單值法代表的現(xiàn)有技術有優(yōu)勢。上述三種方法都用封閉測量室收集從測試表面上散發(fā)的水蒸汽。本發(fā)明類似地使用封閉室。其主要區(qū)別是本發(fā)明的測量室中結合了用于攪動其內(nèi)部空氣的活動裝置。所述攪拌器的主要目的是當測量室的測量面與測試表面不接觸且測量室對環(huán)境空氣開放時吹掃測量室。用環(huán)境空氣的吹掃可以在每一次測量前、測量后或測量前后進行，為每一次測量提供可重復的條件。
在測量面與測試表面接觸時，攪拌器自身在測量過程中也可以是活動的。這樣就能夠使從測試表面散發(fā)的水蒸汽與截留的空氣快速混合，產(chǎn)生濕度和溫度近于均勻的蒸汽-空氣混合物。這就消除了與獨立的消極混合相關的遲滯性和非均勻性，使測量對傳感器的位置不太敏感，并且簡化了計算水蒸汽通量密度的數(shù)學模型。已經(jīng)使用這種攪動的封閉室測量法測量如外科手術過程中從腹腔中蒸發(fā)的水損失(L.-OLamke，G.E.Nilsson和H.L.Reithner，Acta Chir Scand，143，279-84，1977)。
本發(fā)明提供一種測量從測試表面散發(fā)的蒸汽通量密度單值的方法，所述方法包括在每次測量之前和/或之后用結合在測量室內(nèi)的攪拌器吹掃測量室，以保證測量的可重復條件，(i)將一端有單個開口的測量室的開口端對著測試表面設置，(ii)測量可用于確定進入測量室的蒸汽通量密度的參數(shù)，其中在每次測量之前和/或之后用結合在測量室內(nèi)的攪拌器吹掃測量室，以保證測量的可重復條件。在測量過程中，測量室內(nèi)的空氣本身可以攪動，也可以不攪動，但是已經(jīng)得到證明的是，測量過程中進行攪動是有益的。
本發(fā)明還提供用于測量從表面散發(fā)的水蒸汽通量密度的設備，所述設備包括(i)一端有單個開口的測量室，所述開口適合對著測試表面設置，(ii)置于測量室內(nèi)的空氣攪動裝置，(iii)用于測量室內(nèi)水蒸汽密度的裝置。
用于測量室內(nèi)水蒸汽密度的裝置可以是置于室內(nèi)的傳感器，能夠測量可用于計算室內(nèi)水蒸汽密度的量值?？捎糜诖_定水蒸汽密度的量值包括相對濕度和溫度等。傳感器不一定整個都配置在測量室內(nèi)。如專利申請PCT/GB 2003/000265所述，將其配置在測量室外面可能更為方便。
可以使用的另一種測量室內(nèi)水蒸汽密度的裝置是基于測量水蒸汽對適當波長的紅外線的吸收的傳感器。如果在整個測量過程中測量室內(nèi)的空氣溫度幾乎保持恒定，則在測量室內(nèi)可以不使用溫度傳感器。
空氣攪動裝置優(yōu)選是機械設備如風扇；但也可以在測量室內(nèi)配置攪動空氣的其它裝置，用電力、氣動或其它設施提供的動力為攪拌器葉片或槳葉提供旋轉、往復或其它運動。動力源可以設置在測量室內(nèi)部或外部。如果將動力源設置在測量室外，則可以方便地通過軸、電磁形式或其它形式的聯(lián)結件與測量室內(nèi)的攪拌器偶聯(lián)。
在使用時，將設備的開口端對著測試表面即皮膚設置。在與測試表面接觸前可以攪動空氣，以便就在測量前用環(huán)境空氣吹掃測量室。然后讀取傳感器的讀數(shù)，由所述讀數(shù)可以確定水蒸汽的密度，進而可以確定通量密度。在這些測量過程中，室內(nèi)的空氣優(yōu)選是攪動的，使其與從測試表面散發(fā)的水蒸汽混合，得到近乎均勻的濕度和溫度性能。當測量完成時，測量室內(nèi)的空氣優(yōu)選還是攪動的，以吹掃測量過程中集聚在室內(nèi)的水蒸汽。
傳感器上的讀數(shù)一般是相對濕度和溫度，可以用它們計算測量室內(nèi)水蒸汽的密度。攪動可以保證測試表面散發(fā)的水蒸汽是活動的，并且與測量室內(nèi)封閉的空氣快速混合，因此，整個測量室內(nèi)的蒸汽密度是均勻的。因此，傳感器在測量室內(nèi)的位置并不重要。
如果假定從測試表面進入測量室的水蒸汽與測量室內(nèi)截留的空氣均勻混合，則用測量室內(nèi)水蒸汽密度的增加速率通過公式(1)可以計算從測試表面散發(fā)的水蒸汽通量密度。
J=VA·∂ρ∂t---Eq.(1)]]>其中，J是水蒸汽通量密度V是測量室體積A是與測試表面接觸的測量室的開口面積ρ是測量室內(nèi)的水蒸汽密度公式(1)推導過程的假設條件是從測試表面散發(fā)的水蒸汽在測量室內(nèi)仍然是水蒸汽。只要(a)測量室內(nèi)每一處的相對濕度都低于100％，且(b)測量室內(nèi)與水蒸汽接觸的材料都不是吸濕性的，就可以滿足這一條件。如果不滿足條件(a)，則水蒸汽可能會冷凝成液態(tài)水。因此重要的是，要在達到這種飽和條件之前確保測量終止，并從測試表面上移走測量室。如果不滿足條件(b)，則水蒸汽的量可能由于表面吸附而暫時減小。反過來，當測量室內(nèi)的濕度下降時，預先吸附的水可能會解吸附。這些過程可能會導致測量誤差如″記憶效應″或滯后效應。
根據(jù)公式(1)，可以用測量室內(nèi)水蒸汽密度的增加速率計算水蒸汽通量密度。如果通量密度是恒定的，則這一增加速率也是恒定的。然后則例如可以用兩個不同時間時讀取的讀數(shù)計算的兩個蒸汽密度值的差值計算，也可以用在合適的時間間隔內(nèi)讀取的讀數(shù)計算的系列蒸汽密度值進行最小二乘法計算。測量過程中水蒸汽通量密度的變化表明它們本身就是測量室內(nèi)水蒸汽密度增加速率的變化。
公式(1)不限定任何特殊幾何形狀的測量室，也不限定其內(nèi)配置的傳感器。因此，可以使用所有便利的形狀，例如圓筒狀、矩形平行六面體、棱柱等。但其主要的尺寸體積V和與測試表面接觸的開口面積A是重要參數(shù)，可以根據(jù)特定的測量應用進行調(diào)節(jié)。參數(shù)A是測試表面上計算平均通量密度的面積。比值A/V決定了測量靈敏度。另外，A/V與達到飽和條件前的時間長度成反比，因此，對于給定值的通量密度來說，A/V與最大測量時間成反比。
在測量室內(nèi)合適而便利的測量水蒸汽密度的方法是使用常用的相對濕度和溫度傳感器，這兩個傳感器一起作用，在基本相同的位置處測量這兩種性能。合適而方便地選擇的相對濕度傳感器包括廣泛可商購的基于電容變化或電導率變化的那些傳感器。合適而方便地選擇的溫度傳感器包括廣泛可商購的傳統(tǒng)熱電偶和電熱調(diào)節(jié)器。也可以使用可同時測量相對濕度和溫度的復合傳感器，從而一個這種傳感器就可以產(chǎn)生需要的信號。
用相對濕度和溫度的測量值通過公知的關系式就可以計算水蒸汽密度。
ρ=RH%100·ρs(θ)---Eq.(2)]]>其中，RH％是相對濕度百分數(shù)θ是溫度ρs是飽和蒸汽密度用經(jīng)驗參數(shù)式如P.R.Lowe.(J.Appl.Meteorol.，第16卷，100-3頁，1977)可以方便地計算飽和蒸汽密度。
在使用時，將測量室的開口端對著測試表面設置，將起始信號送往處理器，啟動測量過程。使用者啟動開關如測量棒手柄上的按鈕或腳踏開關可以傳統(tǒng)而方便地手工產(chǎn)生這種起始信號。也可以配置產(chǎn)生起始信號的自動裝置。一個例子是與用于測量環(huán)境條件的類似傳感器提供的參比值相比感知測量室內(nèi)相對濕度或蒸汽密度的增加。另一個例子是在測量室內(nèi)配置光學傳感器如光電二極管，當由于測量室與測試表面接觸而使光能級降至低于預定值時產(chǎn)生起始信號。
一旦接到起始信號，處理器就周期性地從傳感器上讀數(shù)，以記錄信號隨時間的變化。在預定的標準或系列標準得到滿足后，終止測量過程，并使測量室與測試表面脫離接觸。最重要地是，當測量室內(nèi)的相對濕度達到預定值時，必須終止測量。選擇的預定值應當足夠高，使測量能夠進行，又應當足夠低，以防止冷凝的發(fā)生。在此之前可應用終止測量的其它標準，包括預定測量時間或預定測量精度。
下面參考附圖
描述本發(fā)明，附圖是本發(fā)明設備一個實施方案的側視圖。
在附圖中，中空圓筒(1)形式的測量室在端部(1a)處是開口的，在端部(1b)處是封閉的。測量室的材料優(yōu)選是致密塑料或其它不能吸收或吸附大量水的材料。圓筒(1)內(nèi)部有可以在基本相同的位置處測量相對濕度和溫度的電容式相對濕度傳感器(2)和電熱調(diào)節(jié)器(3)。(2)和(3)的輸出信號送入計算機(未畫出)。圓筒內(nèi)部還有能夠攪動空氣使封閉水蒸汽和空氣均勻混合的小風扇(4)。
為了測量測試表面(5)如人體皮膚散發(fā)的水蒸汽通量密度，將開口端(1a)對著皮膚，測量室將截留的空氣封閉，使截留的空氣與皮膚散發(fā)的蒸汽混合。在測量室與測試表面接觸的同時或剛剛接觸后，將起始信號送入計算機，啟動測量過程。圖中未畫出產(chǎn)生這種起始信號的裝置。對計算機編程，使其具有一個能夠將傳感器(2)和(3)的輸出信號轉化成需要形式的讀數(shù)的程序，例如，讀數(shù)形式可以是表面散發(fā)的水蒸汽通量密度。讀數(shù)的圖表表示或由讀數(shù)衍生的測量還可用于證明基礎假設是正確的、測量是有效的。在用電容式相對濕度傳感器(2)和電熱調(diào)節(jié)器(3)進行測量的同時可以運行風扇(4)，以保證蒸汽能夠與截留的空氣快速混合，產(chǎn)生濕度和溫度近于均勻的蒸汽-空氣混合物。
在測量后和在測量室內(nèi)的濕度增加到使冷凝發(fā)生的值之前，為了將測量室內(nèi)的濕度和溫度恢復到環(huán)境空氣的濕度和溫度，使測量室與測試表面脫離接觸，并且借助于風扇(4)使環(huán)境空氣與預先截留的空氣混合。
在所述的測量中，只需要一個相對濕度傳感器和一個溫度傳感器，從而簡化了結構。但是并不排除使用多個傳感器。使用其它傳感器可以更精確地計算水蒸汽通量密度，如果測量室內(nèi)水蒸汽的分布不是非常均勻的話。還可以方便地在測量室外部的設備內(nèi)結合其它傳感器，用于測量環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、皮膚溫度等。
測量室可以方便地結合在手持棒中或安裝一個方便的手柄等。
可以用所述設備和方法測量從測試表面散發(fā)的任何蒸汽通量密度，但當蒸汽不是水蒸汽時，需要選擇相應的傳感器。
所述設備和方法可用于任何測試表面。除皮膚外，可用所述設備測量植物葉片等散發(fā)的水蒸汽通量。在所述設備中，測量室的幾何形狀一般是圓筒狀，但是可以采用任何方便的形狀，如矩形平行六面體、棱柱等。
權利要求
1.一種用于測量從表面散發(fā)的水蒸汽通量密度的設備，所述設備包括(i)一端有單個開口的測量室，所述開口適合對著測試表面設置；(ii)置于測量室內(nèi)的空氣攪動裝置；和(iii)用于測量室內(nèi)水蒸汽密度的裝置。
2.權利要求1的設備，其中所述室內(nèi)的空氣攪動裝置能夠在每次測量之前和/或之后用環(huán)境空氣吹掃所述室。
3.權利要求1和2的設備，其中測量室內(nèi)的空氣攪動裝置是機械裝置。
4.權利要求1-3的設備，其中空氣攪動裝置包括風扇。
5.權利要求1-4的設備，其中測量室內(nèi)的空氣攪動裝置的動力由電力、氣動或其它設施提供，為攪拌器葉片或槳葉提供旋轉、往復或其它運動。
6.權利要求1-5的設備，其中動力源設置在測量室內(nèi)部或外部，如果將動力源設置在測量室外部，則通過軸、電磁形式或其它形式的聯(lián)結件與測量室內(nèi)的攪拌器聯(lián)結。
7.權利要求1-6的設備，其中用于測量室內(nèi)水蒸汽密度的裝置包括置于室內(nèi)部或外部的傳感器，這些傳感器能夠測量可計算出室內(nèi)水蒸汽密度的量。
8.權利要求1-7的設備，其中傳感器包括用于測量室內(nèi)相對濕度及任選測量室內(nèi)溫度的裝置。
9.權利要求1-7的設備，其中有多個傳感器。
10.權利要求1-6的設備，其中用于測量室內(nèi)蒸汽密度的裝置包括基于測量水蒸汽對適當波長的紅外線的吸收的傳感器。
11.前述權利要求任一項的設備，所述設備裝配有能夠測量除水蒸汽以外的其它蒸汽的密度的傳感器，其可以評估所述傳感器的讀數(shù)以測量所述蒸汽的通量密度。
12.前述權利要求任一項的設備，其中具有操作者手工啟動開始測量或用其它傳感器自動啟動開始測量的裝置。
13.前述權利要求任一項的設備，其中測量室結合入手持棒或其它方便的手持盒子中。
14.一種測量從表面散發(fā)的蒸汽通量密度的方法，所述方法包括將一端有單個開口的測量室的開口端對著所述表面，任選攪動室內(nèi)的空氣并測量室內(nèi)蒸汽通量密度的變化。
15.權利要求14的方法，其中在每次測量之前和/或之后，通過結合在室內(nèi)的攪動裝置用環(huán)境空氣吹掃所述測量室。
16.權利要求14-15的方法，其中所述測量室配有傳感器，用于測定室內(nèi)水蒸汽密度的增加速率，用所述增加速率計算水蒸汽通量密度和相關量如水蒸汽通量、TEWL、氣孔導電性等。
17.權利要求14-16的方法，其中開始測量是通過操作者手工啟動或利用其它傳感器自動啟動的。
18.權利要求14-17的方法，其中測量水蒸汽的蒸汽通量。
19.權利要求14-16的方法，其中測量除水蒸汽以外的其它蒸汽的蒸汽通量，并使用用于給定蒸汽的合適傳感器。
20.權利要求14-19任一項的方法，其中蒸汽與截留的空氣快速混合，產(chǎn)生濕度和溫度近于均勻的蒸汽-空氣混合物。
全文摘要
一種測量從表面如皮膚散發(fā)的水蒸汽通量的設備和方法，其中使用封閉的測量室，其中有用于攪動測量室內(nèi)空氣以改善測量的裝置。
文檔編號G01N1/22GK1703617SQ200380101127
公開日2005年11月30日 申請日期2003年10月8日 優(yōu)先權日2002年10月8日
發(fā)明者R·E·英霍夫 申請人:南岸大學企業(yè)有限公司