механизм электронного инструмента/барометра

Формула изобретения

1. Механизм инструмента, определяющего барометрическое давление, температуру или влажность, содержащий:

совокупность элементов, включающую в себя преобразователь, способный считывать барометрическое давление, температуру или влажность и преобразующий считанные внешние условия в электрические сигналы, шаговый двигатель, имеющий часовой или минутный вал, используемый в механизме стандартных кварцевых часов, микропроцессор и батарею, при функционировании соединенные вместе таким образом, что микропроцессор управляет движением шагового двигателя энергией, поставляемой батареей, в ответ на изменения в атмосферном давлении, температуре или влажности, считываемые преобразователем; и

корпус, монтирующий упомянутую совокупность элементов с валом двигателя, простирающимся наружу из корпуса.

2. Механизм по п.1, дополнительно содержащий сигнализатор и схемы считывания напряжения батареи, смонтированные в корпусе и при функционировании подключенные к микропроцессору и активируемые микропроцессором, когда напряжение батареи, считываемое этими схемами, падает до или ниже предварительно заданного порога; и в котором микропроцессор управляет батареей таким образом, что батарея по существу находится в неактивном режиме более 95% времени.

3. Механизм по п.2, в котором микропроцессор функционирует таким образом, что сигнализатор также активируется в другом режиме, чем когда падает напряжение батареи, или активируется второй сигнализатор, если изменение во внешних условиях, считываемых между двумя или несколькими разнесенными показаниями преобразователя, является большим, чем предварительно заданный порог.

4. Механизм по п.1, в котором преобразователем является преобразователь барометрического давления; и дополнительно содержащий датчик температуры, смонтированный внутри корпуса и при функционировании подключенный к микропроцессору таким образом, что определения давления от преобразователя давления являются скомпенсированными по температуре.

5. Цифроаналоговый барометр, содержащий:

циферблат с барометрическими индексами;

указатель, оперативно соединенный с валом для перемещения относительно циферблата;

преобразователь давления, расположенный для считывания барометрического давления и преобразования считываемого давления в электрический сигнал;

двигатель постоянного тока, оперативно соединенный с валом указателя;

микропроцессор и

батарею,

при этом преобразователь давления, двигатель постоянного тока и батарея при функционировании подключены к микропроцессору таким образом, что микропроцессор точно управляет движением двигателя энергией, поставляемой батареей, в ответ на изменения в барометрическом давлении, считываемом преобразователем давления, причем двигатель, в свою очередь, изменяет положение указателя относительно барометрических индексов на циферблате.

6. Барометр по п.5, в котором двигатель постоянного тока содержит стандартный шаговый двигатель, имеющий минутный или часовой вал, используемый в механизме стандартных кварцевых часов, и в котором вал указателя при функционировании соединен с минутным или часовым валом.

7. Барометр по п.5, в котором циферблат имеет диаметр по меньшей мере около 10 дюймов (25 см) и указатель имеет радиус по меньшей мере около 5 дюймов (12,5 см).

8. Барометр по п.5, в котором указатель имеет вес по меньшей мере около 2 г.

9. Барометр по п.6, в котором двигатель при функционировании соединен с часовым валом и в котором преобразователь давления, батарея, микропроцессор и шаговый двигатель смонтированы в корпусе, при функционировании соединенном с обратной стороной циферблата, и в котором корпус имеет размеры приблизительно 2 1/8 на 2 1/8 на 5/8 дюймов (5,4×5,4×1,6 см), с валом указателя, простирающимся наружу из корпуса.

10. Барометр по п.5, дополнительно содержащий датчик температуры, при функционировании подключенный к микропроцессору таким образом, что определения давления от преобразователя давления являются скомпенсированными по температуре.

11. Барометр по п.5, дополнительно содержащий схему считывания напряжения батареи и сигнализатор, при функционировании подключенные к микропроцессору и активируемые микропроцессором, когда напряжение батареи, считываемое схемой считывания напряжения батареи, падает до или ниже предварительно заданного порога.

12. Барометр по п.11, в котором сигнализатор также активируется в другом режиме, чем когда падает напряжение батареи, или активируется второй сигнализатор, если изменение давления между двумя или несколькими по существу последовательными показаниями давления является большим, чем предварительно заданный порог.

13. Барометр по п.5, в котором микропроцессор управляет батареей таким образом, что батарея находится по существу в неактивном режиме больше 95% времени.

14. Барометр по п.5, в котором двигатель постоянного тока содержит двигатель с обратной связью таким образом, что микропроцессор имеет способность точно управлять расположением вала посредством вращения вала либо в направлении по часовой стрелке, либо в направлении против часовой стрелки.

15. Барометр по п.5, в котором двигатель постоянного тока содержит шаговый двигатель.

16. Барометр по п.5, дополнительно содержащий второй циферблат и второй указатель, имеющий второй вал, оперативно соединенный со вторым двигателем постоянного тока с обратной связью по положению, и второй двигатель, подключенный к батарее; и в котором микропроцессор регистрирует показания преобразователя давления на расширенном периоде времени и управляет вторым двигателем постоянного тока для позиционирования второго указателя относительно второго вала для указания тенденций атмосферного давления.

17. Барометр по п.5, в котором батарея содержит единственную литиевую батарею около 3,6 В или две или несколько щелочных батарей около 1,5 В.

18. Индикатор условий окружающей среды, содержащий:

циферблат с индексами, относящимися к давлению, температуре или влажности флюида;

указатель, оперативно соединенный с валом для движения относительно циферблата;

преобразователь давления, температуры или влажности, расположенный для считывания давления, температуры или влажности флюида, соответственно;

двигатель постоянного тока с обратной связью по положению, при функционировании соединенный с валом указателя;

микропроцессор и

батарею,

при этом преобразователь, двигатель постоянного тока и батарея являются при функционировании подключенными к микропроцессору таким образом, что микропроцессор управляет движением двигателя энергией, поставляемой батареей, в ответ на изменения в окружающих условиях, считываемых преобразователем, причем этот двигатель, в свою очередь, точно изменяет положение указателя относительно индексов на циферблате; и

причем преобразователь, батарея, микропроцессор и двигатель постоянного тока являются смонтированными в корпусе, при функционировании соединенном с обратной стороной циферблата, причем указанный корпус имеет размеры приблизительно 21/8 на 21/8 на 5/8 дюймов (5,4×5,4×1,6 см), с валом указателя, простирающимся наружу из корпуса за пределами циферблата.

19. Индикатор по п.18, в котором циферблат имеет диаметр по меньшей мере около 10 дюймов (25 см) и указатель имеет радиус по меньшей мере около 5 дюймов (12,5 см) и вес по меньшей мере около 0,4 г.

20. Индикатор по п.18, дополнительно содержащий сигнализатор и схемы считывания напряжения батареи, смонтированные в корпусе и при функционировании подключенные к микропроцессору и активируемые микропроцессором, когда напряжение батареи, считываемое этими схемами, падает до или ниже предварительно заданного порога; и в котором микропроцессор управляет батареей таким образом, что батарея по существу находится в неактивном режиме более 90% времени.

Описание изобретения к патенту

Данная заявка основана на предварительной заявке на патент США SN 60/570963, зарегистрированной 13 мая 2004 г., которая включена здесь в качестве ссылки.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ И СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Барометры-анероиды, которые используют вакуумную камеру для обнаружения изменений в атмосферном давлении, были разработаны еще в 1843 г. Эти устройства все еще очень популярны сегодня и могут быть обнаружены во многих домах. Они также имеют эстетическое значение из-за их интересного дизайна. Многие потребители предпочитают более традиционный вид аналогового барометра, который использует круговую шкалу (циферблат) и указатель (стрелку) для отображения текущих атмосферных условий в противоположность более современным цифровым устройствам, которые используют ЖК-дисплей (такой, который показан в статье John Morley "A Solid-State Barometer for the HCS II" in Home Automation & Building Control, October, 1995, pages 63-69; и основанный на PIC прибор-барометр, использующий запрограммированный PIC 16F876 Microcontroller, описанный Gary Sargent, December 20, 2001, и доступный в Интернет на nutsvolts.com). Обычно барометры-анероиды работают достаточно хорошо для их предполагаемого предназначения, будучи один раз правильно откалиброваны, но имеют некоторые недостатки, которые трудно устранить.

Во-первых, конструкция анероидной камеры является очень критичной для точности барометра и даже при правильной конструкции со временем камера может потерять свою способность точно реагировать на изменения в давлении воздуха, как было первоначально задумано. Это вызовет то, что барометр будет давать некорректные показания и со временем он может нуждаться в повторной калибровке. Также, для того, чтобы передать механизм расширения и сжатия анероидной камеры указателю, необходимо использование множества механических связей, рычагов и осей вращения. Эти механические связи могут вызвать введение дополнительной ошибки, если они не имеют высшего качества. Вот почему многие потребители обращают свой интерес к более новым, более точным цифровым барометрам.

За последние несколько десятилетий наблюдался большой прогресс в электронной технологии, который сделал возможным изготовление очень точных цифровых барометров с ЖК-дисплеями. Эти барометры сейчас гораздо более доступны благодаря большому объему произведенной продукции.

Согласно одному аспекту изобретения обеспечен барометр, который комбинирует наилучшее из существующих аналоговых и цифровых барометров. Изобретение обеспечивает барометр с аналоговым типом циферблата, который сохранит вид и восприятие традиционного барометра, но имеет точность и разрешение современного цифрового барометра. Этот цифроаналоговый барометр включает в себя многие признаки, которые делают его уникальным относительно всего, что является доступным в настоящее время. Хотя цифроаналоговые манометры известны как таковые (например, см. патент США 6394977, включенный здесь в качестве ссылки), они не использовались для барометра, за исключением множества благоприятных особенностей согласно изобретению.

Механизм электронного барометра, используемый в изобретении, легко использовать, устанавливать и калибровать. Этот механизм будет более точным, чем любой анероидный механизм, доступный в настоящее время, и будет обеспечивать уровень разрешения плюс-минус один миллибар давления или менее (например, около 0,5 миллибар).

Используя механизм согласно изобретению, вместо существующего механизма стандартного барометра-анероида, существующий изготовитель часов мог бы легко перейти к производству целиком новой линии продуктов в пределах дней принятия такого решения. Механизм барометра согласно изобретению может быть установлен в любой существующий корпус часов так быстро, как и любой механизм кварцевых часов. Механизм цифрового барометра также является более надежным и менее сложным в обращении, чем типичный анероидный механизм. Единственным изменением, которое изготовитель должен сделать помимо использования механизма барометра, будет изменение изделия от изделия циферблата часов на изделие циферблата барометра.

Примерный барометр согласно изобретению подойдет в то же самое пространство, что и механизм кварцевых часов, которое приблизительно составляет 2 1/8 на 2 1/8 на 5/8 дюймов (5,4 см на 5,4 см на 1,6 см). Одним из основных преимуществ будет способность этого механизма монтировать циферблат или корпус с использованием втулки с резьбой, а также использовать гораздо большую стрелку или указатель, чем в любом стандартном барометре. Большинство анероидных механизмов могут только поворачивать стрелку, которая уравновешена, и даже так имеется ограничение на вес стрелки из-за хрупкой механической природы конструкции анероидного механизма. Типичный механизм барометра-анероида обычно не используется для изготовления барометров с диаметрами циферблатов, большими, чем восемь дюймов (20 см). Среднее находится между четырьмя и шестью дюймами (10 и 15 см) для большинства барометров, используемых сегодня, поэтому типичный указатель, который может использовать барометр, обычно не превышает три дюйма (7,5 см) от центра до кончика. Кроме того, если указатель не уравновешен, барометр не будет правильно функционировать. Это представляет проблему, если есть желание изготовить барометр с циферблатом большого диаметра, например, около десяти-двадцати дюймов (25-51 см) в диаметре. Известное решение предыдущего уровня техники для этой проблемы отсутствует.

Одной из проблем, связанных с большим указателем, является увеличенный вес указателя. Типичный барометр-анероид может выносить только указатель, который весит долю грамма. Некоторые стандартные указатели барометров-анероидов весят так мало, как от 0,1 грамма до 0,25 грамма. Однако согласно электронному барометру согласно изобретению для управления аналоговым указателем используется двигатель постоянного тока, и этот двигатель имеет зубчатую передачу, такую, что барометр будет способен отклонять гораздо больший указатель, чем любой стандартный барометр-анероид. Может использоваться указатель, весящий вплоть до около 5 грамм (например, от около 3 до 5 грамм) или даже больше; и указатель не должен быть уравновешен, хотя обеспечение уравновешенного указателя даст возможность использовать даже больший указатель. Этот механизм может использовать указатель вплоть до десяти дюймов (25 см) от центра до кончика, при уравновешивании позволяющий осуществить конструкцию барометра, которая может превышать двадцать четыре дюйма (61 см) в диаметре. Более типичный размер указателя равен около шести дюймов (15 см) в длину от центра до кончика, и этот размер указателя не должен быть уравновешен. Посредством использования указателя такого размера изготовитель будет в состоянии изготовить барометр шестнадцати дюймов (41 см) в диаметре, гораздо больше, чем что-либо, доступное на рынке в настоящее время.

Одной из основных особенностей механизма барометра согласно изобретению является его способность использовать в качестве указателя любую из тысяч легко доступных минутных стрелок часов от сотен поставщиков по всему миру. Современные аналоговые барометры ограничены типом указателя, который они могут использовать, и которые обычно поставляются изготовителем барометров. Наибольшее преимущество использования стандартной сбалансированной стрелки часов в качестве указателя состоит в том, что это дает изготовителю гибкость выбора стиля указателя, который подходит к его конкретной конструкции. Является простым согласование нового барометра к существующим часам, которые уже могут быть частью существующей поточной линии. Электронный барометр согласно изобретению предпочтительно имеет выходной вал, который позволит удобно использовать любые существующие указатели, включая стандартные стрелки часов.

Изобретение также имеет более широкий аспект, чем использование в индикаторе изменения давления, в общем, или барометре, в частности. Изобретение может быть также использовано в связи с преобразователями температуры (одной) и/или влажности. Существует много известных преобразователей температуры (которые преобразуют показания датчика в некоторый вид электрического сигнала), также как и преобразователей влажности. Некоторые примеры преобразователей температуры раскрыты в патентах США 8201840, 5820262 и 6654894 и некоторые примеры преобразователей влажности раскрыты в патентах США 5608374, 5652382 и 6073480.

Атмосферное давление (или температура или влажность) обычно не изменяется очень резко, так что для сохранения срока службы батареи и все же поддержания точных показаний барометр/индикатор согласно изобретению будет использовать режим/характеристику «ожидания» или «простоя». Программное обеспечение, которое управляет микропроцессором, переводит устройство в режим «ожидания». Посредством запуска микропроцессора в режиме ожидания или простоя устройство будет только проверять состояние преобразователя давления один раз в минуту, пять минут или любой другой временной интервал, считающийся подходящим, и как это желательно посредством параметров, установленных в программном обеспечении. Чем длиннее интервал времени ожидания, тем дольше будет продолжаться работа батареи. Установлено, что интервал времени ожидания в одну минуту позволит примерной литиевой батареи в 3,6 Вольт работать два года или более, и интервал времени ожидания в пять минут позволит батарее работать более пяти лет (с подобными пропорциональными временами для других типов батарей). Если эта характеристика отключена или не используется, батарея будет работать только от около пяти до десяти дней.

Механизм инструмента (например, барометра) согласно изобретению предпочтительно использует батарею или батареи, обеспечивающие около 2,5-5 Вольт. Предпочтительна единственная литиевая батарея в 3,6 Вольт, однако, могут использоваться две стандартные щелочные батареи в 1,5 Вольт, или другие стандартные, или разработанные позднее батареи.

Механизм предпочтительно также имеет средство предупреждения о низком напряжении батареи, встроенное в программное обеспечение. Программное обеспечение будет способно быть установленным для проверки состояния напряжения батареи. Когда напряжение падает ниже величины, установленной в программном обеспечении, микропроцессор направит звуковой сигнал в пьезоэлектрический мегафон (или дополнительный звуковой, визуальный - такой как проблесковый свет или СИД - и/или сенсорный сигнал тревоги), предупреждая пользователя о том, что батарея нуждается в замене. В одном варианте осуществления изобретения, для литиевой батареи в 3,6 Вольт, напряжение в 2,5 вызовет активацию сигнала тревоги.

Инструмент (например, барометр) согласно изобретению также имеет способность детектировать значительное изменение в условиях окружающей среды (например, падение барометрического давления) и инициировать предупреждение, например, с использованием пьезоэлектрического мегафона, проблескового света или СИД, или другого сигнала тревоги. Это предупреждает пользователя о надвигающемся изменении условий окружающей среды (например, плохой погоде). Обычно тип сигнала тревоги, период или другие характеристики будут варьироваться для отличия сигнализации низкого напряжения батареи от сигнализации плохой погоды. Например, сигнализация о низком напряжении батареи может быть обеспечена посредством коротких, прерывистых активаций мегафона, тогда как сигнализация плохой погоды будет обеспечена полномасштабной непрерывной работой мегафона.

Микропроцессор в механизме согласно изобретению имеет способность хранить множественные показания давления (и/или других условий окружающей среды) на протяжении любого периода времени в блоке памяти. Эта информация может использоваться для определения очень специфической скорости изменения данных давления и может использоваться для детектирования неблагоприятных изменений в погоде. Например, если давление падает на один миллибар каждые пять минут в течение одного часа, программное обеспечение может определять это и включить сигнал тревоги. Параметры могут быть установлены на любое определенное падение давления на любой длительности времени и изменяются от более высокого до более низкого давлений. Микропроцессор затем посылает сигнал в пьезоэлектрический мегафон или другой сигнализатор, когда определенный параметр встречается. Альтернативно, второй циферблат, указатель и двигатель могут использоваться для обеспечения аналогового указания того, является ли барометрическое давления постоянным, возрастающим или уменьшающимся и с какой скоростью.

Другой желательной характеристикой изобретения является способность конфигурировать программное обеспечение таким образом, чтобы настроить шкалу барометра для отображения конкретного давления. Программное обеспечение может быть настроено с возможностью широкого разнообразия различных шкал. Например, стандартный барометр показывает четыре дюйма ртути на линейной шкале в 360 градусов. Однако иногда желательно показывать только два или, может быть, три дюйма (5-7,6 см) ртути на той же самой линейной шкале в 360 градусов. Это дает пользователю гораздо большую активность иглы/указателя и приводит к обеспечению высокочувствительного барометра. В случае стандартного барометра-анероида невозможно изменить шкалу, если барометр не сконструирован таким образом на заводе. В некоторых частях мира изменения давления очень малы, но они действительно имеют место, это конкретная ситуация, когда это использование шкалы высокой чувствительности будет полезным. Шкала может даже быть настроена (в зависимости от используемого преобразователя давления) таким образом, что барометр функционирует как высотомер. Конечно, шкала будет также настроена, если используется индикатор для отображения температуры или влажности аналоговым образом.

Механизм согласно изобретению может иметь простой переключатель в виде нажимной кнопки (или другой исполнительный механизм) на тыльной стороне корпуса для того, чтобы позволить пользователю установить давление на текущие условия. Этот переключатель прервет режим ожидания при активации и даст возможность блоку быть настроенным в любое время.

Согласно одному аспекту изобретения обеспечен цифроаналоговый барометр, содержащий: циферблат с барометрическими индексами, указатель, оперативно соединенный с валом для перемещения относительно циферблата, преобразователь давления, помещенный для считывания барометрического давления и преобразования считанного давления в электрический сигнал, двигатель постоянного тока, оперативно соединенный с валом указателя, микропроцессор и батарею. Преобразователь давления, двигатель постоянного тока и батарея оперативно подключены к микропроцессору таким образом, что микропроцессор точно управляет перемещением двигателя энергией, поставляемой батареей, в ответ на изменения давления, считываемые преобразователем давления, причем двигатель, в свою очередь, изменяет положение указателя относительно барометрических индексов на циферблате.

А именно, согласно одному аспекту изобретения обеспечен барометр, содержащий указатель, оперативно соединенный с валом для перемещения относительно циферблата; преобразователь давления; двигатель постоянного тока (предпочтительно шаговый двигатель), оперативно соединенный с валом указателя; микропроцессор; и батарею; преобразователь давления, двигатель постоянного тока и батарея оперативно подключены к микропроцессору таким образом, что микропроцессор управляет перемещением двигателя энергией, поставляемой батареей, в ответ на изменения в барометрическом давлении, считываемом преобразователем давления, характеризующийся тем, что преобразователь давления способен считывать барометрическое давление и помещен для считывания барометрического давления; и циферблат, имеющий индексы барометрического давления на нем, помещенный примыкающим к указателю таким образом, что указатель колеблется над циферблатом; причем двигатель точно изменяет положение указателя относительно барометрических индексов на циферблате под управлением микропроцессора в ответ на изменения в барометрическом давлении, считываемом преобразователем давления.

Двигатель постоянного тока желательно содержит стандартный шаговый двигатель, такой как двигатель, имеющий часовой вал, используемый в механизме стандартных кварцевых часов, с валом указателя, оперативно соединенным с часовым валом. Однако другие двигатели постоянного тока, которые имеют обратную связь по положению и могут вращать вал либо по часовой стрелке, либо против часовой стрелки, при этом могут иногда использоваться, включая серводвигатели со схемами обратной связи и пьезоэлектрические двигатели с обратной связью (такие, как показаны в патенте США 6867532). Циферблат может иметь диаметр по меньшей мере около 10 дюймов (25 см), и указатель может иметь радиус по меньшей мере около 5 дюймов (12,5 см), и указатель может быть сбалансирован или несбалансирован и иметь вес по меньшей мере 0,3 или 0,4 грамм, например, по меньшей мере около 2 грамм.

Преобразователь давления, батарея, микропроцессор и шаговый двигатель могут быть смонтированы в корпусе, оперативно соединенном с обратной стороной циферблата. Размеры корпуса могут быть приблизительно 2 1/8 (5,4 см) на 2 1/8 (5,4 см) на 5/8 (1,6 см) дюймов, с валом указателя, простирающимся наружу из корпуса. Датчик температуры предпочтительно также смонтирован в корпусе и оперативно подключен к микропроцессору таким образом, что определения давления от преобразователя давления скомпенсированы по температуре. Далее корпус может содержать схему считывания напряжения батареи и сигнализатор, оперативно соединенный с микропроцессором и активируемый микропроцессором, когда напряжение батареи, считываемое схемой считывания напряжения батареи, падает до или ниже предварительно заданного порога. Сигнализатор может быть также активирован в другом режиме, чем в случае, когда напряжение батареи падает, или может быть активирован второй сигнализатор, если изменение давления между двумя или несколькими по существу последовательными показаниями давления (например, разделенными более чем около одной минуты друг от друга) является большим, чем предварительно заданный порог. Предпочтительно, микропроцессор управляет батареей таким образом, что батарея по существу находится в неактивном режиме больше чем 90% (например, больше чем 95%) времени. Батарея может содержать единственную литиевую батарею около 3,6 Вольт, или две, или несколько щелочных батарей около 1,5 Вольт.

Барометр может дополнительно содержать второй циферблат и второй указатель, имеющий второй вал, оперативно соединенный со вторым двигателем постоянного тока с обратной связью по положению, и второй двигатель, соединенный с батареей таким образом, что микропроцессор записывает показания преобразователя давления на расширенном периоде времени и управляет вторым двигателем постоянного тока для позиционирования второго указателя относительно второго вала для указания тенденций атмосферного давления.

Согласно другому аспекту данного изобретения обеспечен индикатор, содержащий циферблат с индексами на нем, указатель, оперативно соединенный с валом для перемещения относительно циферблата, преобразователь давления, температуры или влажности, позиционированный для считывания давления, температуры или влажности, двигатель постоянного тока с обратной связью по положению, оперативно соединенный с валом указателя, микропроцессор; и батарея. Преобразователь, двигатель постоянного тока и батарея оперативно подключены к микропроцессору таким образом, что микропроцессор управляет движением двигателя энергией, поставляемой батареей, в ответ на изменения в давлении, температуре или влажности, считываемые преобразователем, причем двигатель, в свою очередь, точно изменяет положение указателя относительно индексов на циферблате; и преобразователь, батарея, микропроцессор и двигатель постоянного тока смонтированы в корпусе, оперативно соединенном с обратной стороной циферблата, причем этот корпус имеет размеры приблизительно 2 1/8 (5,4 см) на 2 1/8 (5,4 см) на 5/8 (1,6 см) дюймов, с валом указателя, простирающимся наружу из корпуса за циферблатом. Циферблат и указатель могут иметь размеры и веса, как изложено выше. Индикатор может дополнительно содержать сигнализатор и схемы считывания напряжения батареи, смонтированные в пределах корпуса и оперативно подключенные к микропроцессору и активируемые микропроцессором, когда напряжение батареи, считываемое этими схемами, падает до или ниже предварительно заданного порога; и микропроцессор может управлять батареей таким образом, что батарея по существу находится в неактивном режиме более чем 90% времени. Когда используется преобразователь давления, может быть также обеспечена компенсация температуры для преобразователя давления, как описано выше.

Согласно другому аспекту изобретения обеспечен барометр, механизм измерения температуры или влажности, как таковой содержащий множество элементов, включающих в себя преобразователь давления, температуры или влажности, способный считывать барометрическое давление, температуру или влажность и преобразовывать считанное состояние в электрические сигналы; шаговый двигатель, имеющий часовой или минутный вал, используемый в стандартном механизме кварцевых часов; микропроцессор; и батарею, эти элементы оперативно соединены вместе таким образом, что микропроцессор управляет движением шагового двигателя энергией, поставляемой батареей, в ответ на изменения в условиях окружающей среды (например, барометрическом давлении), считываемые преобразователем. И корпус, монтирующий это множество элементов с валом двигателя, простирающимся наружу из корпуса.

А именно, согласно этому аспекту изобретения обеспечен механизм инструмента, содержащий преобразователь, способный считывать барометрическое давление, температуру или влажность, микропроцессор и батарею, смонтированные в корпусе, отличающийся: шаговым двигателем, имеющим часовой или минутный вал, используемый в механизме стандартных кварцевых часов, с валом двигателя, простирающимся наружу из корпуса; причем батарея, шаговый двигатель, преобразователь и микропроцессор оперативно соединены вместе таким образом, что микропроцессор управляет движением шагового двигателя энергией, поставляемой батареей, в ответ на изменения в атмосферном давлении, температуре или влажности, считываемые преобразователем.

Этот механизм может дополнительно содержать сигнализатор и схемы считывания напряжения батареи, смонтированные в корпусе и оперативно подключенные к микропроцессору и активируемые микропроцессором, когда напряжение батареи, считываемое этими схемами, падает до или ниже предварительно заданного порога. Предпочтительно, микропроцессор функционирует таким образом, что сигнализатор также активируется, в другом режиме, чем когда напряжение батареи падает, или активируется второй сигнализатор, если изменение считываемого состояния (например, барометрического давления) между двумя или несколькими разнесенными показаниями (например, разделенными более чем около одной минуты друг от друга) превосходит предварительно заданный порог. Когда обеспечен преобразователь давления, корпус также предпочтительно включает в себя датчик температуры, смонтированный внутри корпуса и оперативно подключенный к микропроцессору таким образом, что определения давления от преобразователя давления скомпенсированы по температуре. Предпочтительно, микропроцессор управляет батареей таким образом, что батарея по существу находится в неактивном режиме более чем 90% (например, более чем 95%) времени.

Основной задачей изобретения является обеспечение цифроаналогового индикатора и механизма, которые являются универсальными, относительно недорогими, точными и простыми по конструкции и являются практически полезными для отображения барометрического давления, но также полезными для отображения других величин давления, температуры и/или влажности. Эта и другие задачи изобретения станут ясными из подробного описания изобретения и из прилагаемой формулы изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

В примерном варианте осуществления изобретения, иллюстрированного в чертежах,

Фиг.1 является схематичным видом спереди примерного барометра согласно изобретению, с рабочими компонентами, показанными схемами прямоугольников;

Фиг.2 является разобранным изометрическим изображением циферблата барометра, корпуса, который удерживает рабочие компоненты, указателя и самих рабочих компонентов барометра фиг. 1;

Фиг.3-6 содержат последовательность операций высокого уровня, иллюстрирующую примерную работу программного обеспечения по управлению микропроцессором и барометром согласно одному варианту осуществления изобретения;

Фиг.7 является схематичным видом сверху, с вырезанными частями и другими частями, схематически разобранными, для иллюстрации соответствующих компонентов, варианта осуществления изобретения, который использует два циферблата, таких как один для давления и другой для изменения давления; и

Фиг.8 является последовательностью операций высокого уровня, указывающей примерные дополнения к последовательности операций фиг. 3-6 для того, чтобы вместить вариант осуществления с двумя циферблатами фиг.7.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Примерный барометр согласно данному изобретению иллюстрируется, в основном, схематично на фиг.1, обычно ссылочной позицией 10. Барометр 10 включает в себя циферблат 11 со стандартными индексами 12 на нем (например, иллюстрирующими атмосферное давление, такими как дюймы ртути и/или миллибары). Также могут быть обеспечены дополнительные индексы, указывающие высоту, такие как индексы 12', схематично показанные на фиг.1. Циферблат 11 смонтирован в корпусе 13 и сделан из металла, пластика, дерева или любого другого подходящего материала. Циферблат 11 может иметь диаметр от всего нескольких дюймов (или сантиметров) вплоть до около 24 дюймов (61 см).

В качестве реакции на атмосферное давление над циферблатом 11 движется указатель 15, который смонтирован на валу или оси 16 и поворачивается валом или осью 16, которая проходит через отверстие 17 (см. фиг.2) в циферблате 11. Хотя указатель 15 может быть стандартным, сбалансированным указателем барометра, таким, который используется в барометрах-анероидах, согласно изобретению существует широкое разнообразие других конфигураций, которые мог бы принять указатель 15. Например, как показано на фиг.1, указатель 15 может напоминать стандартный часовой или минутный указатель часов, и он не нуждается в уравновешивании. Наибольший радиус указателя 15 (от вала 16) может быть больше чем около 5 дюймов (12,5 см), например, между около 5-10 дюймов (12,5-25 см), и он может весить значительно больше чем 0,25 грамма (настоящий практический максимум для указателей аналоговых барометров), например, по меньшей мере 0,3 грамма или 0,4 грамма, предпочтительно около 2 граммов или более (например, около 3-5 граммов). Сбалансированные указатели могут быть тяжелее и больше, чем несбалансированные указатели (как указатель 15 на фиг.1).

Основными рабочими компонентами барометра 10, как схематично показано на фиг.1 и наглядно на фиг.2, являются преобразователь 19 давления, микропроцессор (с программным обеспечением) 20, батарея 21, шаговый двигатель 22, сигнализатор 23, датчик 24 температуры, схемы 25 считывания напряжения батареи и ручной приводной механизм/переключатель 26.

Преобразователь 19 давления может быть любого стандартного или разработанного позднее типа, аналоговым или цифровым, таким как показано в патенте США 6394977, или статье Morley или описании Sargent, упомянутых выше, и предпочтительно преобразователем, способным считывать атмосферное давление. Он может быть простым или сложным. Некоторые доступные на рынке преобразователи давления включают в себя компенсацию внутренне присущей температуры и их собственный микропроцессор, и в этом случае отдельные компоненты 20, 24 могут быть избыточными. Изобретение может использовать преобразователи 19 давления любой сложности и класса. Преобразователь 19 давления предпочтительно позиционирован таким образом, чтобы считывать барометрическое давление в любом конкретном местоположении в окружающей среде.

Микропроцессор 20 может быть также любого соответствующего стандартного или разработанного позднее типа, способного выполнять операции, описанные здесь. Примерное программное обеспечение для управления микропроцессором 20 будет описано относительно фиг. 3-6.

Батарея или батареи 21 предпочтительно обеспечивает/обеспечивают около 2,5-5 Вольт. Предпочтительна единственная литиевая батарея в 3,6 Вольт, однако, могут использоваться две стандартные щелочные батареи в 1,5 Вольт, или другие стандартные, или разработанные позднее батареи. Батарея/батареи 21 обеспечивают энергию для снабжения всех рабочих компонентов барометра 10, но в исключительных случаях может использоваться трансформатор и источник переменного или постоянного тока.

Шаговый двигатель 22 должен быть способен точно управлять относительно большим и тяжелым указателем 15. Хотя может использоваться любой стандартный или разработанный позже шаговый двигатель 22, конкретно практическими шаговыми двигателями 22 являются миниатюрные шаговые двигатели, поставляемые Switec с номерами моделей 16-101, -103, -123 и -504. Эти двигатели обычно используются в механизмах кварцевых часов и имеют выходной вал 26 часового указателя и выходной вал 27 минутного указателя. Как видно на фиг.2, вал 16 для управления указателем 15 предпочтительно оперативно соединен (а именно, любым образом, который позволяет компонентам правильно функционировать) с валом 26 двигателя (хотя в некоторых обстоятельствах он мог бы вместо этого быть соединен с выходным валом 27). Передаточное число, обеспеченное через выходной вал 26 часового указателя, имеет много желательных качеств для использования барометра, особенно если барометр 10 будет подвергаться движению (как на лодке). Другие двигатели, имеющие передаточные числа ± около 30% от передаточных чисел двигателей Switec, являются особенно подходящими для использования в качестве шагового двигателя 22.

Хотя предпочтителен шаговый двигатель 22, может использоваться любой двигатель постоянного тока с обратной связью по положению (например, схемой обратной связи), включая, но не ограничиваясь, серводвигатели или пьезоэлектрические двигатели (например, как в USP 6867532, фиг.9).

Фиг.2 также показывает, как вал 16 может быть соединен с указателем 15. Вал 16 проходит через отверстие 17 в циферблате 11 и через шайбу 30 и гайку 31. Гайка 31 навинчивается на внешнюю винтовую резьбу втулки 35, через которую также простирается вал 16. Конический кончик 32 вала 16 проходит через отверстие 33 в указателе 15 и принимается и удерживается на месте крышкой 34. Все компоненты 16 и 30-35 являются стандартными как таковыми, такими как для кварцевых часов.

Сигнализатором 23 может быть любой подходящий электрически запитываемый сигнализатор. Одним примером и тем, что схематично показано на фиг.2, является пьезоэлектрический мегафон. Однако может использоваться любой визуальный (включая проблесковые огни или СИД), и/или звуковой, и/или сенсорный сигнализатор. Обычно сигнализатор 23 способен работать по меньшей мере в двух различных режимах, например, периодически и непрерывно, или при высоком уровне децибел и низком уровне децибел и т.д., или обеспечено несколько сигнализаторов 23 (один сигнализатор для каждого состояния предупреждения).

Датчиком 24 температуры, если он используется, может быть любой стандартный или разработанный позже датчик температуры. Может быть предусмотрено считывание температуры, считываемой датчиком 24, на циферблате 11 или корпусе 13, но предпочтительно датчик 24 только обеспечивает компенсацию для преобразователя 19 давления для обеспечения того, что он по существу является точным. Компенсация температуры может быть обеспечена программным обеспечением микропроцессора 20 с использованием стандартных алгоритмов.

Схемы 25 считывания напряжения батареи являются стандартными.

Все компоненты 19-25 оперативно соединены вместе посредством любых подходящих стандартных электрических и физических соединений. Желательно, чтобы компоненты 19-25 были смонтированы на общей опоре, такой как панель 36 (фиг.2), и панель 36 смонтирована в корпусе 37. В примерном варианте осуществления, схематично показанном на фиг.2, корпус 37 сделан из формованного пластика и содержит переднюю часть 38 и заднюю часть 39. Передняя часть 38 принимает вал 16 и имеет конструкцию петли 38', которая дает возможность повесить барометр 10 на гвоздь или подобное металлическое изделие на стене или другой поверхности. Панель 36 с компонентами 19-25 на ней уложена между частями 38, 39 и части 38, 39 размыкаемым образом или по существу постоянно скреплены вместе. Корпус 37 предпочтительно имеет по существу ту же самую форму и приближенные размеры, что и стандартный корпус механизма кварцевых часов, например, приблизительно 2 1/8 на 2 1/8 на 5/8 дюймов (приблизительно 5,4 см на 5,4 см на 1,6 см). Также, корпус 37 оперативно соединен с обратной стороной циферблата 11 (например, через корпус 13), и предпочтительно взаимодействует с валом 16, циферблатом 11 и корпусом 13, по существу таким же самым образом, что и для стандартных настенных или настольных часов с кварцевым механизмом.

Нажимная кнопка или подобный исполнительный механизм - показанный только схематично на фиг.1 и 2 - может быть обеспечен для ручного перемещения указателя 15 на сброс или в другое желаемое положение. Может быть использовано любое стандартное оперативное соединение между исполнительным механизмом 26 и указателем 15 (такое, как через шаговый двигатель 22).

Хотя в предпочтительном варианте осуществления согласно изобретению механизмом и инструментом являются механизм барометра и барометр (или другое устройство измерения давления текучей среды), изобретение может применяться с другими типами инструментов и механизмов и имеет такие же преимущества низкой стоимости, универсальности (включая инструменты и указатели больших размеров) и простоты конструкции, что и механизм барометра и барометр. Например, изобретение, иллюстрированное на фиг.1 и 2, может также содержать термометр, и в этом случае преобразователь 19 давления исключен, тогда как преобразователь температуры считывает температуру окружающей среды. В этом случае маркировки 12 циферблата 11 изменяются на маркировки температуры, и конечно программное обеспечение для микропроцессора 20 настроено с возможностью точного отображения данных температуры вместо барометрического давления. Подобным же образом, преобразователь влажности может быть подставлен вместо преобразователя 19 давления и индексы 12 могут быть изменены для указания влажности с соответственными изменениями в программном обеспечении для микропроцессора 20.

Фиг.3-6 обеспечивают в основном последовательность операций высокого уровня, которая указывает примерное программное обеспечение, используемое в микропроцессоре 20 для достижения желаемых результатов согласно изобретению, для варианта осуществления измерения барометрического давления. После процедур инициализации, указанных прямоугольником 40 на фиг. 3, происходит короткая временная задержка, как указано прямоугольником 41, и затем в 42, 43 считываются исходные данные температуры (из 24) и давления (из 19). В 44 энергия от батареи 21 отключается от преобразователя 19, датчика 24 и схем 25 считывания батареи и от других компонентов, как указано прямоугольником 45. Затем в 46 температура (для компенсации показания преобразователя 19 давления) и давление вычисляются из данных из 42, 43 (с использованием стандартных алгоритмов) и в 47 вычисляется положение указателя 15.

Продолжая на фиг.4 от 1 на фиг.3, фильтр нижних частот инициализируется в 48, и позиционный цикл шагового двигателя 22 инициализируется в 49. Большую часть времени двигатель 22 (и батарея 21) будет находиться в режиме ожидания или неактивном режиме, как указано в 50. Однако в соответствующие временные интервалы - указанные схематично в 51 - блоки будут активироваться, как указано в 52 на фиг.4. Временные интервалы 51 могут быть регулярными, такими как каждую минуту, или каждые пять минут, или могут варьироваться в зависимости от обстоятельств. Например, если при активации блока он считывает (как описано далее) значительное изменение в давлении, то временной интервал 51 для следующей активации может быть сокращен, например, с 3 минут до 30-90 секунд. Предпочтительно, однако, микропроцессор 20 управляет батареей 21 (и другими компонентами) таким образом, что батарея 21 по существу находится в неактивном режиме более чем 90% времени (например, около 95-99,5% времени).

Как указано логическим блоком 53, будет принято решение активироваться из режима ожидания и работать автоматически, или если ручное перемещение указателя 15 было инициировано нажатием исполнительного механизма 26. Если имеется ручное перемещение, как указано в 54, то после завершения перемещения (например, посредством пошагового перемещения двигателя 22 на один шаг для каждого нажатия исполнительного механизма 26), как указано в 55, то система возвратится в режим ожидания, как указано в 56. Если должно быть инициировано автоматическое инициирование, то энергия от батареи к компонентам включается, как указано в 58, с задержкой, встраиваемой в 59 для того, чтобы дать схемам возможность стабилизации.

С продолжением на фиг.5 с 2 на фиг.4, напряжение батареи 21 вычисляется микропроцессором 20, как указано в 61. В логическом блоке 62 оценивается напряжение батареи. Если, например, оно равно 2,5 Вольт или ниже (для литиевой батареи 21 в 3,6 Вольт), то переходят на режим «низкое напряжение батареи» 63, и включается сигнализатор 24 (например, от него испускается короткий, но громкий звук), как указано в 64. Если напряжение батареи является допустимым, то переходят на режим 65 и выполняются стадии, указанные прямоугольниками 42'-46' (сравнимые с 42-46 на фиг.3 и 4).

Величина давления, вычисленная из 46', сохраняется в 66 для использования в 67 для определения скорости изменения посредством вычисления скорости изменения. С продолжением на фиг.6 от 3 на фиг.5, в логическом блоке 68 определяется, указывает ли скорость изменения, определенная в 67, плохую погоду (например, является большей, чем величина предварительно заданного порога). Если «Да», то активируется сигнализатор 23, как указано в 69. Например, если изменение в давлении ( ) из последнего показания (или между любыми двумя или несколькими по существу последовательными показаниями, например, между тремя последовательными показаниями) больше, чем предварительно заданная величина (например, >0,3 дюйма (0,75 см) Hg), то сигнализатор 23 активируется в другом режиме/другим образом, чем в 64; например, в 69 сигнализатор 23 включается для непрерывной работы по меньшей мере в течение около 30-90 секунд.

Если в 68 принимается решение «Нет», то в 47' (соответствующем 47) вычисляется положение указателя 15 на желаемой шкале 12 циферблата 11. Фильтр нижних частот применяется в 71, а затем в логическом блоке 72 определяются относительно изменения положения указателя 15. Если «Да», как указано путем 73, то в блоке 74 указатель 15 перемещается двигателем 22. После завершения соответственного перемещения указателя 15 относительно индексов 12 для точной регистрации изменения давления, или если решение «Нет» из 72 (переходящее в режим 75), то, как указано в 76, процедура возвращается в режим ожидания, к позиции 56 на фиг.4.

Микропроцессор 20 также может управляться для легкого и автоматического изменения величины перемещения указателя 15, зависящего от показаний давления от преобразователя 19 для согласования различных циферблатов 11, или различных наборов индексов 12, 12' на циферблате 11. Например, если должна быть считана высота (непосредственно относящаяся к давлению окружающей среды), а не барометрическое давление, в заданной точке на Земле, то микропроцессор 20 активирует двигатель 22 (подавая энергию от батареи 21) другим образом. Также в таких обстоятельствах может быть подставлен другой тип преобразователя 19 давления.

Вариант осуществления фиг.7 и 8 подобен варианту осуществления фиг.1-6, за исключением того, что он включает в себя дополнительное считывание. На фиг.7 компоненты, подобные или идентичные компонентам на фиг.1 и 2, показаны теми ссылочными позициями, только предшествуемые «1», и на фиг.8 прямоугольники, подобные прямоугольникам на фиг.5, показаны теми же ссылочными позициями.

Барометр 110 включает в себя основной циферблат 111 с барометрическими индексами 112 и второй циферблат 80 с индексами 81 скорости изменения давления, смонтированный на том же корпусе 113. Корпус 137, содержащий преобразователь давления, двигатель постоянного тока и т.д., включает в себя микропроцессор 120, показанный поэлементно на фиг.7, который управляет положением первого указателя 115, как описано выше относительно указателя 15 и микропроцессора 20. Барометр 110 также включает в себя второй указатель 82, который перемещается над вторым циферблатом 80 и управляется вторым двигателем 84 постоянного тока (таким как шаговый двигатель, подобный двигателю 22, или другие двигатели постоянного тока с обратной связью, описанные относительно фиг.1 и 2). Вал 85 второго двигателя 84 оперативно соединен со вторым указателем 82 и управляет положением указателя 82 относительно индексов 81 скорости изменения давления на циферблате 80. Второй двигатель 84 также управляется микропроцессором 120, оперативно подключенным к нему посредством стандартных электрических проводов (не показаны), или беспроводным образом с использованием стандартных способов.

Фиг.8 схематично иллюстрирует примерное управление второго двигателя 84. Данные скорости изменения барометрического давления от 67 (на фиг.5) сохраняются в 88 на фиг.8, и эта информация в конце концов используется микропроцессором 120 для управления вторым двигателем 84 для перемещения второго указателя 82. Например, как указано в 89, вычисляется положение указателя 82, и как указано в 90, указатель 82 перемещается с использованием двигателя 84 для указания скорости изменения давления (например, увеличение или уменьшение, и как быстро), если она есть. Второй циферблат 80, указатель 82 и двигатель 84 могут использоваться в дополнение к режиму скорости изменения давления сигнализатора 23 или вместо него, со связанными управляющими прямоугольниками 68, 69 (фиг.6).

В качестве другой альтернативы второй циферблат 80, индексы 81 и указатель 82 могут быть связаны с некоторыми другими внешними условиями, кроме изменения давления. Например, датчик температуры, подобный датчику 24 на фиг.1, в корпусе 137, мог бы - через микропроцессор 120 - посылать сигналы ко второму двигателю 84 для перемещения второго указателя 82 для указания температуры. Альтернативно, может использоваться преобразователь влажности (предпочтительно в корпусе 137) со вторым циферблатом 80, индексами 81 и указателем 82, указывающим влажность.

Следует понимать, что все численные диапазоны, приведенные в этом описании, являются приближенными, и что все более узкие диапазоны в пределах широкого диапазона конкретно описаны. Например, диапазон ±30% конкретно включает в себя -5-+10%, +6-24%, +2-7% и все другие узкие диапазоны в пределах широкого диапазона. Также, хотя изобретение было здесь показано и описано в считающемся в настоящее время наиболее практичном и предпочтительном варианте его осуществления, следует понимать, что изобретение должно быть согласовано с наиболее широкой возможной интерпретацией, соответствующей предыдущему уровню техники для охвата всех эквивалентов.