专利名称：电子仪器机芯/气压计的制作方法
背景技术：
早在1843年就研制了利用真空室来检测大气压的变化的无液气压计。今天这些装置还非常普遍，在许多家庭都可以找到。它们还由于其令人感兴趣的设计而增加了美感。许多消费者偏好模拟气压计(其采用刻度盘和指针来显示当前的大气状况)的更传统的外观，而不是采用LCD式显示器的更加现代的数字装置(例如在John Morley的论文“ASolid-State Barometer for the HCS II”，Home Automation & BuildingControl，October，1995，pages 63-69所示出的；以及Gary Sargent在2001年12月20日所描述的并且可以通过互联网在nutsvolts.com上获取的采用编程PIC 16F876微控制器的基于PIC的气压计仪器)。大部分无液气压计在正确校准后都能良好工作而足以实现它们预期的目的，但它们存在若干难以克服的缺点。
首先，无液腔室的结构对气压计的精确度非常重要，而且即使正确地构造了腔室，但随着时间的推移，该腔室也可能失去如最初期望的那样精确响应气压变化的能力。这造成气压计给出不正确的读数，而且随着时间的推移，它可能需要重新校准。此外，为了将无液腔室的膨胀和收缩的运动传递到指针，需要利用各种机械联接、杠杆和枢轴。这些机械联接如果质量不是最好则可能引入其它的误差。这就是许多消费者的兴趣转向较新的、更加精确的数字气压计的原因。
在最近几十年内，电子技术有了很大发展，这使得能够生产非常精确的具有LCD式显示器的数字气压计。由于产品大批量生产，现在这些气压计的价格更加可以接受。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种气压计，其组合了现有的模拟和数字气压计的优点。本发明提供了一种模拟刻度盘式的气压计，其保留了传统气压计的外观和感觉，但具有现代数字气压计的精确度和分辨率。该数模气压计结合了许多使其相对于当前现有的任何气压计显得独特的特征。尽管数模压力计本身是公知的(例如，参见美国专利6,394,977，这里通过引用将其并入)，但它们没有应用于气压计，更不具有根据本发明的许多有利特征。
在本发明中采用的电子气压计机芯(movement)易于使用、安装和校准。机芯将比当前现有的任何无液机芯都更精确，而且还将提供正负一毫巴的压力或更小(例如，约0.5毫巴)的分辨率级别。
通过采用根据本发明的机芯而不是现有的传统无液压力计机芯，现有的时钟制造商能在作出这种决定的几天内投入到全新的产品线的生产中。本发明的气压计机芯能与任何石英钟机芯一样快速地安装到任何现有的时钟外壳中。数字气压计机芯还远比通常的无液机芯更为鲁棒、更易于处理。除了使用该气压计机芯之外，制造商需要作出的唯一变化是将工艺图从时钟刻度盘的图片(artwork)改变为气压计刻度盘的图片。
根据本发明的示例性气压计将装配到与石英钟机芯相同的空间内，即约21/8×21/8×5/8英寸(5.4cm×5.4cm×1.6cm)的空间内。一个主要优点在于该机芯能利用螺纹衬套安装到刻度盘或外壳中、并且还可利用比任何常规气压计更大的指示针或指针的能力。大多数无液机芯只能转动平衡的指示针，而且即使这样也由于无液机芯设计的精细机械特性而对指示针的重量有限制。典型的无液气压计机芯通常不会用于生产刻度盘直径大于8英寸(20cm)的气压计。目前使用的大多数气压计的平均尺寸在四至六英寸(10至15cm)之间，因此无液气压计可采用的典型指针从中心到末端通常不超过三英寸(7.5cm)。此外，如果指针不平衡，则气压计不能正常工作。如果期望生产具有大直径(例如约十至二十英寸(25至51cm))的刻度盘，则会产生问题。对该问题还没有公知的现有技术的解决方案。
与大指针相关联的一个问题在于指针的增加了的重量。通常的无液气压计只能承受重量为几分之一克的指针。一些传统无液气压计的指针只有0.1克至约0.25克的重量。然而，根据本发明的电子气压计，采用d.c.电机来驱动模拟指针，并且该电机被调整为使得气压计能够使比任何传统无液气压计的指针大得多的指针摆动。可以使用重量高达大约5克(例如大约3至5克)、甚至更重的指针；而且指针不必是平衡的，尽管提供平衡的指针将使得能够使用甚至更大的指针。所述机芯可使用从中心到末端长达十英寸(25cm)的指针，如果该指针是平衡的，则允许气压计结构在直径上超过24英寸(61cm)。更典型的指针尺寸为从中心到末端的长度为约6英寸(15cm)，这种尺寸的指针不必平衡。通过使用这种尺寸的指针，制造商将能够生产直径为16英寸(41cm)的气压计，这远大于目前市场上现有的任何气压计。
根据本发明的气压计机芯的一个主要特征在于其使用世界上成百上千的供应商提供的成千上万种现有时钟分针中的任何一种作为指针的能力。现有的模拟气压计局限于它们能使用的指针类型，这些指针通常由气压计制造商供应。使用标准非平衡时钟指针作为指针的最大优点在于其使得制造商具有选择适于其特定设计的指针样式的灵活性。使新的气压计与现有的时钟(其可能已经是现有生产线的一部分)相匹配是很简单的。本发明的电子气压计优选地具有使得能够便利地使用任何现有指针(包括传统的时钟指针)的输出轴。
本发明还具有比通常在压力变化指示器(或者，具体地为气压计)中的应用更广的方面。本发明还可与温度(单独)和/或湿度变换器(transducer)相关联地使用。存在许多公知的温度变换器(其将传感器的读数转换为某种电信号)和湿度变换器。在美国专利5,201,840、5,820,262和6,654,894中给出了温度变换器的一些示例，而在美国专利5,608,374、5,652,382和6,073,480中给出了湿度变换器的一些示例。
大气压力(或温度或湿度)通常不会非常快速地变化，从而为了保持电池寿命并且仍然保持精确的读数，本发明的气压计/指示器将利用“休眠”或“空闲”模式/特征。控制所述微处理器的软件将使该装置“休眠”。通过使微处理器在休眠或空闲模式下运行，所述装置将只是每分钟、每五分钟或者被认为合适的、并且在软件中设置的参数所期望的任何其他时间间隔检测一次压力变换器的状态。休眠时间间隔越长，则电池将持续得越久。估计一分钟的休眠时间间隔将使得示例性的3.6伏锂电池能够持续两年或更久，而五分钟的休眠时间间隔将使得该电池能够持续超过五年(对其它类型的电池也存在类似的成比例的时间)。如果关掉或不使用该特征，则电池将仅持续约五至十天。
根据本发明的仪器(例如气压计)机芯优选地使用一个电池或多个电池来提供约2.5至5伏的电压。单个3.6伏的锂电池是优选的，但可以使用两个标准的1.5伏碱性电池或其它常规或以后开发的电池。
所述机芯优选地还在软件中内置有低电池电压警报装置。该软件将能够被设置为对电池电压的状态进行检查。在电压降低到低于该软件中设定的值时，所述微处理器将向压电喇叭(或诸如闪光灯或LED的其它听觉、视觉和/或触觉警报器)发送音频信号，从而提醒用户需要更换电池。在一个实施例中，对于3.6伏的锂电池，2.5伏的电压将导致警报器启动。
本发明的仪器(或气压计)还具有检测环境状态显著变化(例如，气压下降)，从而例如使用压电喇叭、闪光灯或LED或其它报警器来发出警告的能力。这将警告用户即将发生的环境状态变化(例如，恶劣天气)。通常，可以改变警报的类型、时间段或其它特性来区分低电池电压的警报和恶劣天气的警报。例如，可以通过短促、间歇地启动喇叭来提供低电池电压的警报，而恶劣天气的警报可以是全开度连续地操作喇叭。
本发明的机芯中的微处理器具有在存储器中存储任意时间段内的多个压力(和/或其它环境状态)读数的能力。该信息可用于确定压力数据的非常特定的变化率，并可用于检测天气的不利变化。例如，如果在一个小时内压力每五分钟下降一毫巴，则该软件可以检测到该现象，并发出警报。可以将这些参数设置为在任意持续时间内的从较高压力到较低压力的任何特定压力下降。所述微处理器然后在达到特定参数时向压电喇叭或其它报警器发送信号。另选地，可采用第二刻度盘、指针和电机来提供气压是稳定的还是正在上升或正在下降以及以什么速率上升或下降的模拟指示。
本发明的另一理想特征在于将软件构造用来调节所述气压计用来显示特定压力的刻度的能力。可调整所述软件以允许存在多种不同的刻度。例如，标准气压计在360度线性刻度上显示四英寸的汞柱。然而，有时期望在同样的360度线性刻度上仅显示两英寸或者可能三英寸(5至7.6cm)的汞柱。这向用户提供了指示针/指针的更多行为，从而获得高灵敏度的气压计。在标准无液气压计的情况下，不可能改变刻度，除非气压计在工厂中就是这样设计的。在世界上的某些区域内压力变化非常小，但的确存在压力变化，这是一种特殊情况，在该情况下高灵敏度刻度的这种应该将是有用的。甚至可以(根据所采用的压力变换器)调节该刻度，从而使气压计用作高度计。当然，如果采用指示器来以模拟方式显示温度或湿度，则也可以调节刻度。
本发明的机芯在所述外壳的背面可以具有简单的按钮开关(或其它致动器)，以允许用户将压力设置为当前状态。所述开关在被启动时将中断休眠模式，并允许在任何时候调节所述单元。
根据本发明的一个方面，提供了一种数模气压计，该气压计包括具有气压标记的刻度盘；可操作地连接到轴上以相对于所述刻度盘运动的指针；被设置用来感测气压并将所感测到的压力转换为电信号的压力变换器；可操作地连接到所述指针轴的d.c.电机；微处理器；以及电池。所述压力变换器、d.c.电机、以及电池可操作地连接到所述微处理器，从而所述微处理器利用所述电池提供的电力，响应于所述压力变换器感测到的压力变化，对所述电机的运动进行精确的控制，所述电机进而改变所述指针相对于所述刻度盘上的气压标记的位置。
即，根据本发明的一个方面，提供了一种气压计，该气压计包括指针，该指针可操作地连接到轴上以相对于刻度盘运动；压力变换器；d.c.电机(优选为步进电机)，该d.c.电机可操作地连接到所述指针轴上；微处理器；以及电池；所述压力变换器、d.c.电机、以及电池可操作地连接到所述微处理器，从而所述微处理器利用所述电池提供的电力响应于所述压力变换器感测到的气压变化对所述电机的运动进行控制，所述气压计的特征在于所述压力变换器能够感测气压，并被设置用来感测气压；并且其上具有气压标记的刻度盘邻近所述指针设置，以使所述指针扫过所述刻度盘；所述电机在所述微处理器的控制下响应于所述压力变换器感测到的气压变化精确地改变所述指针相对于所述刻度盘上的气压标记的位置。
最理想地，所述d.c.电机包括常规步进电机，例如在常规石英钟机芯中使用的具有时针轴的步进电机，并且所述指针轴可操作地连接到所述时针轴。然而，有时可以使用具有位置反馈并且可以使所述轴顺时针或逆时针(与顺时针相反)转动的其他d.c.电机，包括具有反馈电路的伺服电机、以及具有反馈的压电电机(例如美国专利6,867,532中所示)。所述刻度盘的直径为至少约10英寸(25cm)，并且所述指针的半径为至少约5英尺(12.5cm)，并且所述指针可以是平衡或非平衡的，并具有至少0.3或0.4克的重量，例如至少约2克。
所述压力变换器、电池、微处理器以及步进电机可安装在可操作地连接到所述刻度盘背面的外壳中。所述外壳的尺寸可为大约21/8(5.4cm)×21/8(5.4cm)×5/8(1.6cm)英寸，并且所述指针轴从所述外壳向外延伸。优选地，在所述外壳中还安装有温度传感器，并且所述温度传感器可操作地连接到所述微处理器，从而使来自所述压力变换器的压力确定值得到温度补偿。此外，所述外壳可包含电池电压感测电路、以及报警器，所述报警器可操作地连接到所述微处理器，并在所述电池电压电路感测到的电池电压下降至预定阈值或低于预定阈值时由所述微处理器启动。如果在两个或更多个基本连续的压力读数(例如间隔开超过大约一分钟)之间的压力变化大于预定阈值，则还可以按照与电池电压下降时不同的模式来启动所述报警器，或者可以启动第二报警器。优选地，所述微处理器对所述电池进行控制，以使得所述电池在超过90％(例如，超过95％)的时间内基本处于非作用模式。所述电池可包括单个约3.6伏的锂电池，或者两个或更多个约1.5伏的碱性电池。
所述气压计还可以包括第二刻度盘；以及第二指针，该第二指针具有可操作地连接到具有位置反馈的第二d.c.电机的第二轴，并且所述第二电机连接到所述电池，从而所述微处理器在一延长的时间段内记录压力变换器的读数，并控制所述第二d.c.电机以使所述第二指针相对于所述第二轴定位，从而指示气压趋势。
根据本发明的另一方面，提供了一种指示器，该指示器包括其上具有标记的刻度盘；可操作地连接到轴上以相对于所述刻度盘运动的指针；被设置用来感测压力、温度或湿度的压力、温度或湿度变换器；可操作地连接到所述指针轴上的具有位置反馈的d.c.电机；微处理器；以及电池。所述变换器、d.c.电机、以及电池可操作地连接到所述微处理器，从而所述微处理器利用所述电池提供的电力响应于所述变换器感测到的压力、温度或湿度的变化对所述电机的运动进行控制，所述电机进而精确地改变所述指针相对于所述刻度盘上的标记的位置；并且所述变换器、电池、微处理器和d.c.电机安装在可操作地连接到所述刻度盘背面的外壳中，所述外壳的尺寸为大约21/8(5.4cm)×21/8(5.4cm)×5/8英寸(1.6cm)，并且所述指针轴从所述外壳穿过所述刻度盘向外延伸。所述刻度盘和所述指针可以具有如上所述的尺寸和重量。所述指示器还可包括报警器、以及电池电压感测电路，所述报警器以及所述电池电压感测电路安装在所述外壳中，并可操作地连接到所述微处理器，并且在所述电路感测到的电池电压下降至预定阈值或低于预定阈值时由所述微处理器启动；并且所述微处理器可对所述电池进行控制，以使得所述电池在超过90％的时间内基本处于停用模式。在使用压力变换器的情况下，还可以如上所述提供对压力变换器的温度补偿。
根据本发明的另一方面，提供了一种气压计、温度或湿度机芯，该机芯本身包括多个元件，所述多个元件包括压力、温度或湿度变换器，该变换器能够感测气压、温度、或湿度并将所感测到的状态转换为电信号；步进电机，其具有在常规石英钟机芯内使用的时针轴或分针轴；微处理器；以及电池，所述多个元件可操作地连接在一起，从而所述微处理器利用所述电池提供的电力响应于所述变换器感测到的环境状态(例如气压)的变化对所述步进电机的运动进行控制。并且所述机芯还包括外壳，用于安装所述多个元件，并且所述电机轴从所述外壳向外延伸。
即，根据本发明的这一方面，提供了一种仪器机芯，该仪器机芯包括能够感测气压、温度、或湿度的变换器；微处理器；以及安装在外壳中的电池，所述仪器机芯的特征在于，步进电机具有在常规石英钟机芯内使用的时针轴或分针轴，并且电机轴从所述外壳向外延伸；所述电池、步进电机、变换器、以及微处理器可操作地连接在一起，从而所述微处理器利用所述电池提供的电力响应于所述变换器感测到的气压、温度或湿度的变化对所述步进电机的运动进行控制。
所述机芯还可以包括报警器、以及电池电压感测电路，所述报警器以及所述电池电压感测电路安装在所述外壳中，并可操作地连接到微处理器，并且在所述电路感测到的电池电压下降至预定阈值或低于预定阈值时由所述微处理器启动。优选地，所述微处理器用于使得如果在两个或更多个间隔开的读数(例如，间隔开超过约一分钟)之间所感测到的状态变化大于预定阈值，则还可以按照与电池电压下降时不同的模式启动所述报警器，或者启动第二报警器。在设置有压力变换器的情况下，所述外壳还优选地包括安装在所述外壳内并且可操作地连接到所述微处理器的温度传感器，以使来自压力变换器的压力确定值得到温度补偿，优选地，所述微处理器对所述电池进行控制，以使得所述电池在超过90％(例如超过95％)的时间内基本处于停用模式。
本发明的主要目的在于提供一种多用途、相对便宜、精确且构造简单的数模指示器以及机芯，该指示器和机芯对显示气压特别有用，但还可用于显示其它压力值、温度、和/或湿度。本发明的这一目的以及其它的目的将根据对本发明的详细描述并根据所附权利要求而变得清楚。
在附图所示的本发明的示例性实施例中，图1为根据本发明的示例性气压计的正面示意图，并且用方框图示出了操作部件；图2为气压计刻度盘、保持操作部件的外壳、指针、以及图1的气压计的操作部件本身的分解等角视图；图3至图6包括高级流程图，其示出了对根据本发明一个实施例的微处理器和气压计进行控制的软件的示例性操作；图7为本发明的采用两个刻度盘的实施例的示意性俯视图，例如一个刻度盘用于压力，而另一个刻度盘用于压力变化，其中去除了多个部分并示意性地分解其他部分；以及图8为高级流程图，其表示为了适应图7的双刻度盘实施例而添加到图3至图6的流程图中的示例性补充。
具体实施例方式
根据本发明的示例性气压计主要在图1中示意性示出，其总体上由附图标记10表示。气压计10包括其中具有常规标记12(例如显示气压，诸如英寸汞柱和/或毫巴)的刻度盘11。还可以设置表示海拔高度的附加标记，例如在图1中示意性示出的标记12′。刻度盘11安装在金属、塑料、木质或任何其它合适材料的外壳13中。刻度盘11的直径可以为仅仅几英寸(或厘米)至约24英寸(61cm)。
指针15响应于气压而在刻度盘11上运动，该指针15安装在穿过刻度盘11中的开口17(参见图2)的轴或主轴16上并且通过该轴或主轴16而转动。尽管指针15可以是诸如在无液气压计中使用的常规平衡气压计指针，但是根据本发明，指针15可采用各种其它结构。例如，如图1所示，指针15可以与常规的时钟时针或分针相类似，并且不需要是平衡的。指针15的最大半径(相对于轴16)可以超过大约5英寸(12.5cm)，例如在约5至10英寸(12.5-25cm)之间，并且其重量可明显大于0.25克(模拟气压计指针的当前实际最大值)，例如至少为0.3克或0.4克，优选地为大约2克或更重(例如，约3至5克)。平衡指针可以比非平衡指针(如图1中的指针15)更重和更大。
如在图1中示意性示出的并在图2中图示的那样，气压计10的主要操作部件有压力变换器19、微处理器(具有软件)20、电池21、步进电机22、报警器23、温度传感器24、电池电压感测电路25以及手动致动器/开关26。
压力变换器19可以是任何常规的类型或以后开发的类型，可以是模拟或数字的，例如在美国专利6,394,977或在上述Morley的论文或Sargent公开中所述的，并优选地为能感测气压的压力变换器。它可以是简单的也可以是复杂的。一些商品化的压力变换器包括内在的温度补偿和它们自己的微处理器，在这种情况下，独立的部件20、24是冗余的。本发明可以利用任意复杂度或量程的压力变换器19。该压力变换器19优选地被设置为可以在任何特定的环境位置感测气压。
微处理器20还可以是能够执行这里所述的操作的任何合适的常规类型或以后开发的类型。将参照图3至6来描述用于对微处理器20进行控制的示例性软件。
一个电池或多个电池21优选地提供约2.5至5伏特的电压。优选为单个3.6伏特的锂电池，然而可采用两个标准的1.5伏碱性电池或其它常规的或以后开发的电池。该电池/该多个电池21向气压计10的所有操作部件提供电力，但在极端情况下可以利用变压器和a.c.或d.c.电流源。
步进电机22必须能够精确地驱动相对大且重的指针15。尽管可以利用任何合适的常规或以后开发的步进电机22，但特别实用的步进电机22是可以从Switec获得的型号为16-101、-103、-123和-504的微型步进电机。这些电机常规上用在石英钟机芯中，并具有时针输出轴26以及分针输出轴27。如图2所示，用于驱动指针15的轴16优选地可操作地连接(即，以使得这些部件能够正常工作的任何方式)至电机轴26(尽管在某些情况下，可以连接至27)。特别是在气压计10将要处于运动状态(如在船上)时，通过时针轴26提供的齿轮比具有适于气压计使用的许多理想特性。齿轮比为这些Switec电机的齿轮比的约±30％的其它电机特别适于用作步进电机22。
尽管步进电机22是优选的，但是可以采用具有位置反馈(例如，反馈电路)的任何d.c.电机，包括但不限于伺服电机或压电电机(例如USP6,867,532的图9中所示的)。
图2还示出了如何将轴16连接到指针15。轴16通过刻度盘11中的开口17，并穿过垫圈30和螺母31。螺母31拧到衬套35的外螺纹上，轴16也延伸穿过该衬套35。轴16的锥形末端32穿过指针15中的开口33，并由盖34容纳并保持在适当位置。所有的部件16以及30至35本身都是常规的，例如用于石英钟的部件。
报警器23可以是任何合适的电动报警器。一个示例为压电喇叭，其在图2中示意性示出。然而，可以采用任何视觉(包括闪光灯或LED)和/或听觉和/或触觉报警器。通常，报警器23能够以至少两种不同的模式(例如，间歇地或连续地，或者以高分贝级别和低分贝级别，等等)进行操作，或者可以提供一个以上的报警器23(每种警报状态一个报警器)。
温度传感器24(如果采用了)可以是任何常规的或以后开发的温度传感器。可以进行设置以读出刻度盘11或外壳13上的传感器24所感测到的温度，但是优选地，传感器24仅向压力变换器19提供补偿，从而确保压力变换器基本上是精确的。可利用标准算法通过微处理器20的软件来提供温度补偿。
电池电压感测电路25是常规的。
所有的部件19至25都通过任何合适的标准电连接和物理连接可操作地连接在一起。理想地，部件19至25安装在诸如板36(图2)的公共支承件上，而板36安装在外壳37中。在图2中示意性示出的示例性实施例中，外壳37是模制塑料，并且包括前部38和后部39。前部38容纳轴16并具有使得能够将气压计10挂到墙壁或其它表面上的钉子等硬件上的眼孔结构38′。其上具有部件19至25的板36夹在部分38、39之间，而部分38、39可分离地或基本上永久地紧固在一起。外壳37优选地具有与标准石英钟机芯壳体基本相同的形状和大致尺寸，例如，大约21/8×21/8×5/8英寸(大约5.4cm×5.4cm×1.6cm)。此外，外壳37可操作地连接到刻度盘11的背面(例如通过外壳13)，并优选地通过与具有石英机芯的常规壁钟或台钟基本相同的方式与轴16、刻度盘11和外壳13相合。
可以设置按钮或类似致动器(仅在图1和图2中在26处示意性示出)来手动地使指针15移动到复位位置或其它期望位置。致动器26和指针15之间可采用任何常规的可操作连接(例如通过步进电机22)。
尽管在根据本发明的优选实施例中，机芯和仪器为气压计机芯和气压计(或其它流体压力装置)，但是本发明还可应用于其它类型的仪器和机芯，并具有气压计机芯和气压计所具有的成本低、用途广(包括大尺寸的仪器和指针)、易于构造等相同优点。例如，如图1和图2所示的本发明还可以包括温度计，在这种情况下，取消压力变换器19，而温度变换器感测环境温度。在这种情况下，刻度盘11的刻度12改变为温度刻度，当然微处理器20的软件被调整为使得能够精确地显示温度数据而不是气压。同样地，可使用湿度变换器替代压力变换器19，而且标记12改变为指示湿度，并且对微处理器20的软件进行相应的改变。
图3至6提供了总体上显而易见的高级流程图，其表示根据本发明的用于气压实施例的在微处理器20中用来实现期望结果的示例性软件。在图3中的方框40所示的初始化过程之后，存在由方框41表示的短延时，然后在42、43处读取(来自24的)原始温度和(来自19的)压力数据。在44处，切断从电池21到变换器19、传感器24以及电池感测电路25的电力，并如方框25所示，切断到其它部件的电力。然后在46处，根据来自42、43的数据(使用标准算法)计算温度(以对压力变换器19的读数进行补偿)和压力，并在47处计算指针15的位置。
图4接着图3的①继续，在48处初始化低通滤波器，并且在49处初始化步进电机22的位置回路(position loop)。电机22(以及电池21)在大部分时间内将处于休眠或停用模式下，如在50处所示。然而，在51处示意性表示的适当时间间隔处，这些单元将被唤醒，如图4中的52处所示。时间间隔51可以是规则的，例如每一分钟或每五分钟，或者可根据情况而改变。例如，如果在单元被唤醒时其感测到(如以下要描述的)压力的显著变化，则可以缩短下一次唤醒的时间间隔51，例如从3分钟缩短为30至90秒。然而，优选地，微处理器20对电池21(以及其它部件)进行控制，以使得电池21在超过90％的时间(例如，约95-99.5％的时间)内基本处于停用模式。
如确定框53所示，将确定是从休眠模式唤醒并自动进行操作还是已经通过按下致动器26启动了指针15的手动运动。如果如54处所示为手动运动，则如55处所示在运动完成(例如，通过使电机22增量式地运动，即每次按下致动器26一个增量)后，系统将恢复到休眠模式，如56处所示。如果要启动自动唤醒，则如58处所示，接通从电池21到这些部件的电力，并且在59处加入延迟以使电路稳定。
图5接着图4的②继续，如61处所示通过微处理器20计算电池21的电压。在确定框62处对电池电压进行评估。如果电池电压例如为2.5伏或更低(对于3.6伏的锂电池21)，则沿“低电池电压”路径63行进，并操作报警器23(例如，从报警器23发出短促而大声的声音)，如64处所示的。如果电池电压可接受，则沿路径65行进，并执行方框42′至46′(类似于图3和图4中的42至46)所示的步骤。
在66处保存从46′计算出的压力值，以在67处使用，从而通过进行变化率计算来确定变化率。图6接着图5的③继续，在确定框68处，确定在67中确定的变化率是否表示恶劣天气(例如，超过预定阈值量)。如果“是”，则如69处所示启动报警器23。例如，如果来自前一读数(或者任意两个或更多个基本上连续的读数之间，例如三个连续读数之间)的压力变化[Δ]大于预定量(例如，＞0.3英寸
汞柱)，则按照与64处不同的模式/方式启动报警器23；例如，在69处，打开报警器23连续操作至少约30至90秒。
如果在68处确定为“否”，则在47′(对应于47)处计算指针15相对于期望的刻度盘11的刻度12的位置。在71处使用低通滤波器，然后在确定框72处确定指针15的位置变化。如果为如路径37所示的“是”，则在方块74处，通过电机22使指针15运动。在指针15相对于标记12完成适当运动从而精确记录压力变化之后，或者在72的确定为“否”(沿路径75前进)时，则如在76处所示，例程返回到休眠模式，即返回到图4中的位置56。
还可以对微处理器20进行控制，以容易地并且自动地根据来自变换器19的压力读数改变指针15的运动量，以适于不同的刻度盘11或者适于刻度盘11上的不同组的标记12、12′。例如，如果要读取的是地球上的给定点处的海拔高度(与环境压力直接相关)而不是气压，则微处理20以不同的方式来启动电机22(从电池21供电)。在这种情况下也可替换为另一类型的压力变换器19。
除了包括附加的读取之外，图7和图8的实施例与图1至图6的实施例类似。在图7中，与图1和图2的部件类似或相同的部件以相同的附图标记示出，只是其前面有“1”，而在图8中，与图5的方框类似的方框用相同的附图标记示出。
气压计110包括安装在同一壳体113上的主气压标记112的刻度盘111，以及其上具有压力变化率标记81的第二刻度盘80。容纳有压力变换器、d.c.电机等的外壳137包括微处理器120，该微处理器120在图7中分解地示出，其如以上针对指针15和微处理器20所述的那样对第一指针115的位置进行控制。气压计110还包括第二指针82，其在第二刻度盘80上运动，并由第二d.c.电机(例如针对图1和图2所述的步进电机式的电机22或具有反馈的其它d.c.电机)控制。第二电机84的轴85可操作地连接到第二指针82，并控制指针82相对于刻度盘80上的压力变化率标记81的位置。第二电机84可操作地连接到微处理器120，并且微处理器120也例如利用常规技术通过常规的电引线(未示出)或无线地控制第二电机84。
图8示意性表示了对第二电机84的示例性控制。在图8的88处存储来自67(图5)的气压变化率数据，并且微处理器120最终利用该信息来操作第二电机84，以使第二指针82运动。例如，如89处所示，计算指针82的位置，并且如果存在任何压力变化，则如在90处所示，利用电机84使指针82运动，从而指示压力变化率(例如，上升或下降，以及变化有多快)。除了与控制框68、69(图6)相关联的压力变化率模式的报警器23之外，还可使用第二刻度盘80、指针82以及电机84，或者可使用第二刻度盘80、指针82以及电机84来替代该报警器23。
作为另一个另选方案，除了压力变化以外，第二刻度盘80、标记81以及指针82还可与某些其它状态相关联。例如，外壳137中的与图1的传感器24类似的温度传感器可以通过微处理器120将信号发送给第二电机84，以使第二指针82运动，从而指示温度。另选地，可以使用湿度变换器(优选地在外壳137中)，并且通过第二刻度盘80、标记81以及指针82来指示湿度。
应该理解，在本公开中给出的所有数值范围都是大致的，并且具体公开了宽范围内的所有较窄范围。例如，±30％的范围具体包括-5至+10％、+6至24％、+2至7％，以及在该宽范围内的所有其它较窄的范围。而且，尽管这里已经在目前认为是本发明的最可行和最优选实施例中示出并描述了本发明，但是应该理解，本发明符合与现有技术相容的可能的最宽释意，从而覆盖所有的等同物。
本申请基于2004年5月13日提交的美国临时申请SN 60/570,963，在此通过引用将其并入。
权利要求
1.一种仪器机芯，该仪器机芯包括多个元件，所述多个元件包括变换器，其能够感测气压、温度、或湿度，并能够将所感测到的状态转换为电信号；步进电机，其具有在常规石英钟机芯内使用的时针轴或分针轴；微处理器；以及电池，所述多个元件可操作地连接在一起，从而所述微处理器利用所述电池提供的电力，响应于所述变换器感测到的气压、温度或湿度的变化对所述步进电机的运动进行控制；以及外壳，该外壳安装所述多个元件，并且所述电机轴从所述外壳向外延伸。
2.根据权利要求1所述的机芯，所述机芯还包括报警器、以及电池电压感测电路，所述报警器以及所述电池电压感测电路安装在所述外壳内，并可操作地连接到所述微处理器，并且在所述电路感测到的电池电压下降至预定阈值或低于预定阈值时由所述微处理器启动；并且其中，所述微处理器对所述电池进行控制，以使得所述电池在超过95％的时间内基本处于停用模式。
3.根据权利要求2所述的机芯，其中，所述微处理器用于使得在两个或更多个间隔开的变换器读数之间所感测到的状态变化大于预定阈值的情况下，还以与电池电压下降时不同的模式启动所述报警器，或者启动第二报警器。
4.根据权利要求1所述的机芯，其中，所述变换器为气压变换器；并且所述机芯还包括安装在所述外壳内的温度传感器，所述温度传感器可操作地连接到所述微处理器，以使来自所述气压变换器的压力确定值得到温度补偿。
5.一种数模气压计，其包括刻度盘，该刻度盘具有气压标记；指针，该指针可操作地连接到一轴上，以相对于所述刻度盘运动；压力变换器，该压力变换器被设置用来感测气压，并将所感测到的压力转换为电信号；d.c.电机，该d.c.电机可操作地连接到所述指针轴；微处理器；以及电池；所述压力变换器、d.c.电机、以及电池可操作地连接到所述微处理器，从而所述微处理器利用所述电池提供的电力，响应于所述压力变换器感测到的气压变化，对所述电机的运动进行精确的控制，所述电机进而改变所述指针相对于所述刻度盘上的气压标记的位置。
6.根据权利要求5所述的气压计，其中，所述d.c.电机包括常规的步进电机，该步进电机具有在常规石英钟机芯中使用的分针轴或时针轴；并且其中，所述指针轴可操作地连接到所述分针轴或时针轴。
7.根据权利要求5所述的气压计，其中，所述刻度盘的直径为至少约10英寸(25cm)，并且所述指针的半径为至少约5英尺(12.5cm)。
8.根据权利要求5所述的气压计，其中，所述指针的重量为至少约2克。
9.根据权利要求6所述的气压计，其中，所述电机可操作地连接到所述时针轴；并且其中，所述压力变换器、电池、微处理器、以及步进电机安装在可操作地连接到所述刻度盘背面的外壳中，并且其中，所述外壳的尺寸为约21/8×21/8×5/8英寸(5.4cm×5.4cm×1.6cm)，并且所述指针轴从所述外壳向外延伸。
10.根据权利要求5所述的气压计，该气压计还包括温度传感器，该温度传感器可操作地连接到所述微处理器，以使来自所述压力变换器的压力确定值得到温度补偿。
11.根据权利要求5所述的气压计，该气压计还包括电池电压感测电路；以及报警器，其可操作地连接到所述微处理器，并且在所述电池电压感测电路感测到的电池电压下降至预定阈值或低于预定阈值时，所述微处理器启动所述报警器。
12.根据权利要求11所述的气压计，其中，在两个或更多个基本上连续的压力读数之间的压力变化超过预定阈值的情况下，还以与电池电压下降时不同的模式启动所述报警器，或者启动第二报警器。
13.根据权利要求5所述的气压计，其中，所述微处理器对所述电池进行控制，以使得所述电池在超过95％的时间内基本处于停用模式。
14.根据权利要求5所述的气压计，其中，所述d.c.电机包括具有反馈的电机，从而所述微处理器具有通过使所述轴沿顺时针或逆时针方向转动来精确控制轴定位的能力。
15.根据权利要求5所述的气压计，其中，所述d.c.电机包括步进电机。
16.根据权利要求5所述的气压计，该气压计还包括第二刻度盘、以及第二指针，该第二指针具有可操作地连接到具有位置反馈的第二d.c.电机的第二轴，并且所述第二电机连接到所述电池；并且其中，所述微处理器在一延长的时间段内记录压力变换器的读数，并控制所述第二d.c.电机以使所述第二指针相对于所述第二轴定位，以指示气压变化趋势。
17.根据权利要求5所述的气压计，其中，所述电池包括单个约3.6伏的锂电池，或者两个或更多个约1.5伏的碱性电池。
18.一种环境状态指示器，该环境状态指示器包括刻度盘，该刻度盘具有与流体压力、温度或湿度相关的标记；指针，该指针可操作地连接到一轴，以相对于所述刻度盘运动；压力、温度或湿度变换器，该变换器被设置用来分别感测流体压力、温度或湿度；具有位置反馈的d.c.电机，该d.c.电机可操作地连接到所述指针轴；微处理器；以及电池；所述变换器、d.c.电机、以及电池可操作地连接到所述微处理器，从而所述微处理器利用所述电池提供的电力，响应于所述变换器感测到的环境状态变化，对所述电机的运动进行控制，所述电机进而精确地改变所述指针相对于所述刻度盘上的标记的位置；并且所述变换器、电池、微处理器和d.c.电机安装在可操作地连接到所述刻度盘背面的外壳中，所述外壳的尺寸为约21/8×21/8×5/8英寸(5.4cm×5.4cm×1.6cm)，并且所述指针轴从所述外壳穿过所述刻度盘向外延伸。
19.根据权利要求18所述的指示器，其中，所述刻度盘的直径为至少约10英寸(25cm)，并且所述指针的半径为至少约5英尺(12.5cm)，并且所述指针的重量为至少约0.4克。
20.根据权利要求18所述的指示器，该指示器还包括报警器、以及电池电压感测电路，所述报警器以及所述电池电压感测电路安装在所述外壳内，并可操作地连接到所述微处理器，并且在所述电路感测到的电池电压下降至预定阈值或低于预定阈值时由所述微处理器启动；并且其中，所述微处理器对所述电池进行控制，以使得所述电池在超过90％的时间内基本处于停用模式。
全文摘要
本发明提供了一种电子仪器机芯/气压计。该仪器(具体为气压计)机芯包括多个元件和外壳，所述多个元件包括压力变换器，其能够感测气压并将所感测到的压力转换为电信号；步进电机，其具有在常规石英钟机芯内使用的时针轴；微处理器；以及电池；所述多个元件可操作地连接在一起，从而所述微处理器利用所述电池提供的电力响应于所述压力变换器感测到的气压变化对所述步进电机的运动进行控制；所述外壳安装所述多个元件，并且所述电机轴从所述外壳向外延伸。另选地，可以利用诸如温度、湿度的其它变换器。另选地，有时可以采用具有位置反馈的其他d.c.电机来替代步进电机。所述机芯可操作地连接到指针(其可以远大于和重于常规模拟仪器中的指针)，所述d.c.电机使该指针相对于具有气压或其它标记的刻度盘精确地运动。报警器以及电池电压感测电路可安装在所述外壳内，并可操作地连接到微处理器，并且在电池电压下降到低于预定阈值时由所述微处理器启动。所述微处理器优选地对所述电池进行控制，以使得电池在超过95％的时间内基本处于停用模式。如果在两个或更多个间隔开的变换器读数之间感测到的环境状态变化大于预定阈值，则所述微处理器还可启动报警器的第二模式。可采用具有第二指针的第二刻度盘和电机来指示其它环境状态(例如压力变化率、温度或湿度)。
文档编号G01L19/10GK1981184SQ200580014941
公开日2007年6月13日 申请日期2005年4月29日 优先权日2004年5月13日
发明者布朗登·努内斯, 彼得·拉梅尔 申请人:轻泰克产业公司