CN100420926C - 改进的微型独立数据监测和存储传感器 - Google Patents
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Abstract
一种改进的数据输出检索通信方法及设备，用于通过在公共读出站处形成的新颖的射频电容耦合通信通路，对便携式微型温度和相关传感器进行读取，其中传感器被携带至该公共读出站用于读出至公共计算机等。
Description
技术领域
本发明涉及被编程，以在制药和其它制造及加工厂等远距离区域处监测物理参数，例如温度、湿度和压力的独立探针感测及处理器，这些数据的本地记录存储器，用于从不同的监测区域取出探针的设备，以及在读取器中央计算机位置的它们的记录数据的数字化读取；更具体地，本发明涉及消除了这种探针监测器的微型化结构和电池驱动电子线路方面的限制的改进，以及消除了对存储于多个探针中的记录数据进行中央读取的效率和设备方面的限制的改进。
背景技术
这样的微型化记录器/传感器已经并正在广泛地应用于世界范围内的很多行业，特别是包括化学和药品加工领域等，用于在设备、加工容器等的不同的远程区域处的温度、湿度、压力、旋转和其它物理参数的监测。
在现有的这些微型化记录器/传感器中，举例来说，其中包括丹麦的意莱伯公司(EllabA/S)在它们的题为“跟踪传感”(Tracksense)的公告中所描述的“跟踪/传感”(Track/sense)监测和记录系统，按照美国专利No.4,718,766的描述构造的美国科罗拉多Mesa实验室的“数据跟踪”(Datatrace)；在网页http://www.geminidataloggers.com中描述的英国、澳大利亚和美国的奥瑞集团(Orion Group)的“双子座数据记录器”(Gemini Data Loggers)；发动计算机公司(OnsetComputers Corporation)在其网站http://www.onsetcomputer.com上所描述的“HOBO”及其它数据记录器；在http://www.sensitech.com中描述的传感技术公司(Sensitech，Inc.)的“模板(Template)”和其它便携式温度获取及读出系统；瑞源仪器公司(Ryan Instruments)在http://www.ryaninst.com中描述的RL100温度监测器；以及更早的，P.Christiansen在1986年9月19日版的“Elecktronick”Vol.35，No.19中发表的题为“Temperaturverlaufe-An UnZugaanglichen StellenGemessin”的文章中、在法国专利2,219,405A(Felten和GuilleaumeCarlswerk)、英国专利GB2028614A(AEP International Ltd.)、WO8501817A(Thermo Electric International)和德国专利DE 31396631(Bauer Bernhard)等中所描述的类似的微型远程温度传感器和计算机读出系统。
这些装置中的很多具有一些共同的概念，包括内含传感器的便携式微型温度监测的导电密封外壳，和用于处理并以数字形式存储所感应到的信号，以便在传感器被取出时，根据被传输至在操作上独立的读出操纵单元的程序产生数字输出信号的微处理器，并且还具有处于密封容器内的内部电池。在这些类似的微型温度传感器外壳和用于从装置中提取数字输出信号数据的系统中，有几种不同的技术和结构。例如，上述意莱伯公司的装置使用穿过装置中所具有的透明窗的红外线光路；而作为另外一个例子的Mesa的装置，则使用导电外壳的两个绝缘部分作为双导体电子输出路径。
根据支持本发明的发现，一种更简单、更低成本的改进型输出信号数据提取可通过新颖的电容耦合技术实现，而且无需求助于在不同环境中具有窗口制造、压力差、刮痕(scratching)和形成雾气等问题的光学输出通信，也无需求助于需要两个电绝缘的外壳触点用于输出，其中不锈钢或者类似的导电外壳本身不易弯曲形成这样的触点，而且这样的结构的机械容差的组合可能造成这种方法不可靠，且成本昂贵。
发明内容
相应地，本发明的一个目的使提供一种新的改进的上述类型及用途的微型密封外壳传感器，包括新颖的输出信号电容耦合通信通路结构，该结构极好地排除了前文所描述的现有技术的光学和两个绝缘外壳触点结构等的缺点。
本发明的另一个目的还在于提供一种新颖的用于传导多个这种改进的传感器的读出的方法。
本发明的另一个目的在于防止内部电池通过通信电路被意外充电。
在下文中，特别是在权利要求中，将解释和描述其它和进一步的目的。
根据本发明的一方面，提供了一种用于输出存储在外壳传感器装置中的数字数据的方法，该装置包括由绝缘密封垫密封在一起的导电基座部分和罩盖部分，并在一远程位置监测所处环境的条件参数以及存储相应的数字数据，该方法包括从这样的位置取出该装置并将其插入横截面比所述外壳稍大深度等于基座部分的长度的导电井，以将外壳的基座部分与该导电井的内壁电容耦合；形成围绕从该导电井上方伸出的该外壳的罩盖部分周围的射频接地连接；通过建立穿过电容耦合和该导电井的外壁的数据输出射频通信通路，传送存储在该外壳传感器装置中的数据用于外部读出。
根据本发明的另一方面，提供了一种将存储在多个外壳传感器装置中的数字数据输出的方法，其中多个外壳传感器装置中的每一个包括由绝缘密封垫密封在一起的导电基座部分和罩盖部分，并已在多个不同的远程位置监测了所处环境的条件参数且已存储了相应的数字数据，该方法包括：从所述远程位置取出所述多个外壳传感器装置并将其插入在公共井通信适配器上的对应的多个类似的导电井中，以将所述每一外壳装置的基座部分与所述导电井的内壁电容耦合；通过在所述适配器上方使用一接地盖，形成围绕从导电井上方伸出的所述每一外壳传感器装置的外壳罩盖部分的射频接地连接，其中所述接地盖具有与所述多个导电井对齐的多个对应开口，且每一开口被衬以弹性射频密封圈，用于外接并接触对应的外壳传感器装置的罩盖部分；以及通过穿过所述电容耦合和所述每一导电井的对应外壁的射频通信通路，传送存储在所述每一外壳传感器装置中的数据用于外部读出。
根据本发明的再一方面，提供了一种用于在将微型独立传感器装置取出至公共读出站上将所存储的数据输出的设备，其中该传感器装置用于在远程位置监测并存储所处环境的条件数据，并且每一该传感器装置包括通过绝缘密封圈密封在一起成为外壳的导电基座部分和罩盖部分，该设备包括：内部具有多个导电井的公共读出通信适配器，和用于该适配器的接地盖，其具有与多个导电井对齐的对应的多个开口，每一开口通过弹性射频密封圈被对齐；其中所述导电井的截面尺寸比所述外壳的截面尺寸大，且所述导电井的深度等于所述外壳的基座部分的长度，使得在将每一外壳插入其对应导电井中之后，所述罩盖部分在导电井的上方伸出，并在所述基座部分和所述导电井的内壁之间产生电容耦合；以及，在向所述适配器施加接地盖之后，每一接地盖的开口的弹性射频密封圈与对应的伸出的罩盖部分有弹性地接触并与之外接，由此将其接地；以及连接至每一导电井的外壁的数据输出连接电路，用于通过形成穿过所述多个导电井的外壁中的电容耦合的射频通信通路，使存储的数据向外读出。
下面详细说明优选及最佳方式设计与技术。
附图说明
下面将结合附图说明本发明。其中
图1是显示上述类型的典型微型化数据传感器的基本部分的等轴示意图，其中所示出的这些基本部分被拆开用于圆柱外壳包装。
图2是通信井的等轴图，其中从不同的远程监测区域取出的传感器被插入该通信井中以记录在监测期间累积的数据。
图3是显示装配后的图1的单元插入图2的井中的横截面示意图，利用新颖的射频通信通路将单元的输出感测和存储数据传送到一计算机读取器。
图4是施加至图3的井的电路侧的调制电传打字类型(teletype-style)的数字信号，加以“0”代码比特期间高频调制的示例性的波形。
图5是根据本发明的优选实施例所使用的射频通信输出通路的简化等效电路图。
具体实施方式
如前文所描述的，本发明涉及提供用于将存储在多个相同的小型电子传感器监测系统中的数据传送出去的改进的技术和结构，其中这些小型电子传感器监测系统被包含在封闭的例如便于清洗的不锈钢的金属外壳容器中。内部微处理器和电子系统由电池供电，这要求容器外壳可以拆开以便更换电池。容器通常在不利的，有时是爆炸性的环境中使用，并可能面临加工厂的不同位置处的高压和/或高度真空，这需要拆开的容器外壳的各部分之间的紧密的密封圈密封。通常，为了以最小的重量提供最大的压力差抵抗力使用球形或者圆柱形外壳。这些电子系统，例如可以被用于保持一个或多个放置在不利环境中用于监测、检测、存储和记录该环境内的条件的传感器，以便在被取出后在更有利的地点进行随后的分析。这样的系统的典型使用可以被特征化为多个独立传感器装置，实时地或者通过利用执行数据分析所处的公共点的存储一发送技术进行通信。
利用这样的传感系统的电信号通信，对于传感器的校准，对于将一些独特的地址码编程装置中，对于试验的特定参数的编程，以及对于检索存储在传感器监测器中的输出数据以便进行试验后的分析等目的来说可能都是需要的。
在图1中，如前文所述的这种特性的典型装置以装配图的形式示出，其中包含通过中间密封圈3，与罩盖部分2以密封形式装配的圆柱形导电空心外壳基座1。图中示出了微处理器、数据存储器等电路3和电池4可以插入到外壳1中，图中示出的参数传感器5(例如，温度)安装在罩盖2的外部。
如前文所讨论的，存储在这些便携式传感监测器装置中的数字数据，将通过将多个装置从它们的不同的监测位置取出，并携带至一用于读出的公共主站而在一中央计算机处被输出并被读取。在消除前文所讨论的光学窗口、双导体绝缘外壳部分触点，以及其它现有技术的限制方面，本发明的技术主要解决的恰恰是这一数据输出通信通路问题。根据本发明，相反地，提供了一种新颖的接地通信多井适配器A，如图2所示，其具有多个井W，取出的传感器外壳通过新颖的射频通信互连可分别插入到井W中，如图3所示，其中射频通信互连允许通过井将输出数据通信电容耦合至读出计算机(PC)中，同时避免现有的输出技术的缺点。
具体地，被密封圈密封装配的导电外壳1-2-3在从已经存储了监测数据的远程位置取出后，被携带至并插入到通信井单元3中，如图3所示，同时在外壳和井壁之间建立了电容耦合，以实现通过在外壳和井之间设置的新颖的射频通信通路，将装置中所存储的数字数据读出。被绝缘密封圈3密封至基座部分1的导电罩盖部分2在井W的上方延伸。根据本发明，通过对在外壳基座部分1被容纳于井内时在井上方伸出的两部分导电外壳1-2中的导电罩盖部分或者导电罩盖段2提供单一的机械接触，建立该通信通路。施加一具有与适配器井的顶部对齐的开口的接地导电盖C来覆盖适配器A，而且该接地导电盖C最好以有弹性的弹簧类型的RF(射频)密封圈材料内衬每一开口。射频密封圈与井上方的外壳罩盖部分2沿圆周接触，并将其与应用在井适配器单元A的所有井之上的接地导电盖C相连接。这样，盖C就将插入在适配器井中的所有传感器的伸出的罩盖部分接地，而外壳不再形成其它机械或者物理的电接触。这样，绝缘密封3位于井的上方和盖C的下方。尽量保持外壳的表面均匀一致，以防止落入颗粒物质，同时便于清洁。使井的截面尺寸比外壳的略大，并使井的深度基本上与装置的基座部分1的长度相对应。实际上，已经发现井壁和传感器外壳装置之间约25毫米的标称间隙满足要求。井被制成金属杯，其最好经阳极氧化处理，这不仅是为了美观，也是为了在井W的内壁和其将要电容耦合的外壳1-2之间提供一绝缘层。另外，可以理解的是，可预期到的适配器A的正常使用和老化将需要收集在井中灰尘和其它外界物质。但是，当将外壳装置插入到井中时，射频弹簧垫圈与罩盖部分2良好接触，同时装置的其余部分以电容相联至井的方式被保持在井中，即使其可能落在外界物质层的上方也不会出现问题。
本发明的通信技术将一信号施加于在图3的标号6处的井的外侧或者电路一侧。该信号最好是典型的电传打字类型的数字信号，外加“0”比特期间的高频调制，如图4的波形示例中所示。
该通信通路的高度简化等效电路在图5中示出，其中接收装置基本上在静态功率上运行，静态功率在CMOS实现中是非常低的。当被配置为可重新触发单稳态的单触发电路7的触发输入“T”上出现数据脉冲时，在其输出端出现延展脉冲。选择该单触发电路用于这一解调的时间常数，使其稍大于“0”比特的输入脉冲之间的时间。只要脉冲继续，该单触发电路就持续被触发，恢复初始输入“0”。当输入脉冲停止时，单触发电路终止，回到“1”的状态。载波频率的选择并不苛刻：兆赫范围内的任何合适的射频信号都可起到很好的作用。但是，这一技术可支持的数据率受到“0”比特被最后的调制脉冲的作用轻微展宽超出了标称宽度的解调处理所引入的失真的限制。这一失真通过10-20MHz范围内的射频载波以及小于或等于100KHz范围内的数据率可以容易地保持在5％以下。正常的电传打字类型的字符接收(character reception)能够接受40％以上的字符失真，可以完全满足接收器中的正确数据解释的需要。
当上述发送器并不与特定的传感器装置通信时，其通过低阻抗将井W短接至接地。这可产生用接地屏蔽包围该装置的效果，防止邻近装置之间的任何串扰。这同样起到了给未使用的井提供屏蔽的作用，额外地防止了来自这些井的乱真发射。
另外，外壳的物理条件并不影响这一输出数据通信的可靠性。当该装置插入井中时RF密封圈材料提供滑触接触，并去除任何可能出现的“雾化”湿气，随后即使装置碰巧被刮擦(scratch)时，也可以保持多触点紧密接触。如前文所解释的，井底部的污物或者外界物质对井和装置之间的电容没有明显的影响，因此不会影响通信。
本发明的这种电容耦合技术还确保了读取器电子线路中的故障不会将恒定的直流电压施加于记录器外壳上，防止电池意外充电，有利于实现本质上安全的记录装置。
因此，本发明通过其RF调制-外壳井适配器传感器输出数据通信技术，提供了使通信所需的与装置的机械接触最小化的优点，防止装置之间的信号干扰，在保持外壳壳体的完整性以便于清洁的同时提供了对刮痕和“雾”的不敏感性，并保持了读出适配器单元的射频完整性，以防止在从传感器装置输出数据通信期间的乱真发射。
本领域的技术人员可以获得其它的变型，因此这些变型也在本发明权利要求书所定义的本发明的精神和范围内。
Claims (16)
1. 一种将存储在外壳传感器装置中的数字数据输出的方法，该装置包括由绝缘密封垫密封在一起的导电基座部分和罩盖部分，并已在远程位置监测了所处环境内的条件参数且已存储了相应的数字数据，该方法包括：从所述远程位置取出所述装置并将其插入截面尺寸比所述外壳大且深度等于所述基座部分的长度的导电井中，以将所述外壳的基座部分与所述导电井的内壁电容耦合；形成围绕从所述导电井上方伸出的所述外壳的罩盖部分的射频接地连接；以及通过穿过所述电容耦合和所述导电井的外壁的射频通信通路，传送存储在所述外壳传感器装置中的数据用于外部读出。
2. 根据权利要求1的方法，其中所述的条件参数为温度。
3. 根据权利要求1的方法，其中通过使用一沿圆周围绕所述伸出的外壳罩盖部分的弹性射频密封圈，实现机械的接地连接。
4. 根据权利要求3的方法，其中在所述基座部分和罩盖部分之间的密封被定位在所述导电井的上方及所述射频密封圈的下方。
5. 根据权利要求1的方法，其中通过对所述导电井的外壁使用一射频调制的电传打字类型的数字信号，建立所述射频通信通路。
6. 根据权利要求5的方法，其中“1”和“0”编码比特的调制数字信号在“0”比特期间被射频调制。
7. 根据权利要求6的方法，其中解调是这样实现的：通过在输入数据脉冲到达后触发一可重复触发的单稳态单触发电路，并将该单触发电路的时间常数调整为比“0”比特的输入脉冲之间的时间长，使得只要脉冲继续，该单触发电路就保持被触发以实现恢复输入“0”，而当输入脉冲停止时该单触发电路终止。
8. 一种将存储在多个外壳传感器装置中的数字数据输出的方法，其中多个外壳传感器装置中的每一个包括由绝缘密封垫密封在一起的导电基座部分和罩盖部分，并已在多个不同的远程位置监测了所处环境的条件参数且已存储了相应的数字数据，该方法包括：从所述远程位置取出所述多个外壳传感器装置并将其插入在公共井通信适配器上的对应的多个类似的导电井中，以将所述每一外壳传感器装置的基座部分与所述导电井的内壁电容耦合；通过在所述适配器上方使用一接地盖，形成围绕从导电井上方伸出的所述每一外壳传感器装置的外壳罩盖部分的射频接地连接，其中所述接地盖具有与所述多个导电井对齐的多个对应开口，且每一开口被衬以弹性射频密封圈，用于外接并接触对应的外壳传感器装置的罩盖部分；以及通过穿过所述电容耦合和所述每一导电井的对应外壁的射频通信通路，传送存储在所述每一外壳传感器装置中的数据用于外部读出。
9. 根据权利要求8的方法，其中所述的条件参数为温度。
10. 根据权利要求8的方法，其中防止在读出电路中发生故障时对电池的意外充电。
11. 一种用于在将微型独立传感器装置取出至公共读出站上将所存储的数据输出的设备，其中该传感器装置用于在远程位置监测并存储所处环境的条件数据，并且每一该传感器装置包括通过绝缘密封圈密封在一起成为外壳的导电基座部分和罩盖部分，该设备包括：内部具有多个导电井的公共读出通信适配器，和用于该适配器的接地盖，其具有与多个导电井对齐的对应的多个开口，每一开口通过弹性射频密封圈被对齐；其中所述导电井的截面尺寸比所述外壳的截面尺寸大，且所述导电井的深度等于所述外壳的基座部分的长度，使得在将每一外壳插入其对应导电井中之后，所述罩盖部分在导电井的上方伸出，并在所述基座部分和所述导电井的内壁之间产生电容耦合；以及，在向所述适配器施加接地盖之后，每一接地盖的开口的弹性射频密封圈与对应的伸出的罩盖部分有弹性地接触并与之外接，由此将其接地；以及连接至每一导电井的外壁的数据输出连接电路，用于通过形成穿过所述多个导电井的外壁中的电容耦合的射频通信通路，使存储的数据向外读出。
12. 根据权利要求11的设备，其中所述的条件数据为温度。
13. 根据权利要求11的设备，其中当所述传感器装置被插入到所述导电井中并其上方施加所述接地盖时，所述每一传感器装置的绝缘密封圈位于其导电井的上方以及接地盖和射频密封圈的下方。
14. 根据权利要求13的设备，其中所述射频通信通路通过用于对所述导电井的外壁施加一具有射频调制的电传打字类型的数字信号的电路而形成。
15. 根据权利要求14的设备，其中所述被调制的信号为数字“1”和“0”比特，且在“0”比特期间实行所述射频调制。
16. 根据权利要求15的设备，其中解调是这样实现的：通过在输入数据脉冲到达后触发一可重复触发的单稳态单触发电路，并将该单触发电路的时间常数调整为比“0”比特的输入脉冲之间的时间长，使得只要脉冲继续，该单触发电路就保持被触发以实现恢复输入“0”，而当输入脉冲停止时该单触发电路终止。
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