专利名称：磁感应恒温控制的制作方法
技术领域：
本发明大体上涉及一种传感方法和传感装置。本发明还涉及温度传感方法和装置。本发明另外还涉及恒温控制装置。本发明另外还涉及磁性传感方法和装置。本发明另外还涉及开关方法和装置，尤其是恒温控制开关装置。
背景技术：
恒温控制装置经常应用于建筑物、家庭和工业应用，如发电厂，中的加热和冷却系统。恒温控制装置可用于控制输送到炉子或空调机鼓风马达，其通常是交流感应电机，的电力。对于加热、通风和空调(HVAC)系统，如家用空调系统，经常希望改变风扇速度或鼓风机速度，以控制通过系统蒸发器盘管的空气流量。此外，在空调模式下的初始运行中，鼓风机高速运转将经温湿度调节的空气泵送到较高的楼层。然后，当公共空间或起居空间冷却下来后，可降低风扇速度以避免冷空气直接吹到居住者。
许多电气开关应用要求有效和可靠的机械开关。用于上述家庭和建筑物的加热冷却系统的恒温控制所用的机电恒温器同样提出这些要求。在这些装置中，标准双金属片盘可形成开关促动件。多年来，采用汞球管来执行这种恒温开关功能。目前使用的恒温控制装置一般使用可随温度变化产生角度变化的双金属片来倾斜水银开关，利用水银本身固有的水平特性使水银移动，令触点连接或断开。
涉及水银基开关装置的一个问题是水银本身的问题，其可造成许多危险的环境灾难，对人类和动物带来危险。水银基恒温开关装置已经受到环境专家的严格审查，以减少水银的使用。因此水银基恒温开关装置完全禁止使用只是个时间问题。必须找到替代的技术方案，因为预期很快就会完全禁止水银的使用。
其他的技术方案包括找到水银的替代品或模仿水银开关，使用玻璃管内滚动的金属球来接触开关电极，尽管不是十分成功。其他的尝试还涉及用簧片开关代替水银开关。这种特定方法已经带来许多精度问题。其他的技术方案还包括使用卡接机构。
卡接开关已经用作控制装置。术语“卡接开关”一般是指小促动力的开关，利用内部的机械装置快速地响应开关的移动操作件，如柱塞、杆、弹簧或类似构件，从第一位置移动到第二位置，将可移动的触点从一个位置移动或卡接到另一位置，使移动的触点和固定触点之间电导通或断开。一般地，这些开关只要求操作件移动数毫米，以改变开关的导通状态。这些开关使用恒温控制的标准24伏交流电压电源在数安培电流水平下工作。
在小和缓慢的促动力作用下，如恒温器的盘绕的双金属片所提供的促动力，卡接开关可偶然地处于两个导通状态之间的状态，或在两个导通状态之间缓慢转换，当进入非导通状态时，可发生不能接受的飞弧。每种情况都能造成不可接受的操作可靠性和预计后果。此外，这些开关经常出现不能接受的大差别。电流开关还包括发热电路，可加热双金属片使双金属片变化。所施加的热量一般通过使用可调节的线绕电阻进行调节。对于这样的情况，这样的装置不能对基于室温的变化作出真实反应。此外，水银基装置显示具有与水银使用相关的重量问题，这可影响到装置的灵敏度。本发明人因此认识到需要一种对温度敏感的开关装置，其能够直接对室内空气温度作出反应，并避免水银带来的重量和环境问题。
如上所述，本发明人认为，解决这些问题的技术方案可通过霍尔效应传感器来实现，霍尔效应传感器是一种根据霍尔效应工作的传感器装置。霍尔效应在磁检测领域是众知的。霍尔效应传感器一般基于霍尔发生器，其一般包括相关于磁场的半导体件，功能依靠Edwin Hall发现的效应。该称作霍尔效应的效应是由洛伦兹力形成，洛伦兹力作用在磁场中移动的电荷载体。移动通过材料的电荷载体当施加的磁场发生偏转时发生霍尔效应。偏转导致跨材料侧边测出的电势差，其横向于磁场和电流方向。
霍尔效应的第一次实际应用发生在1950年，应用于微波功率传感器。随着后来的半导体工业的大发展和增加的大规模生产能力，霍尔效应元件已能够用于大体积产品。Honeywell International公司(Honeywell)是一家总部在美国新泽西洲Morrisrtown的公司，已经成为霍尔效应应用的领导。1968年，Honeywell的MICROSWITCH分公司生产了利用霍尔效应的固态键盘。将霍尔效应传感件和其相关的电子电路结合到单独的集成电路，形成霍尔效应传感器。注意术语“霍尔效应传感器”和“霍尔传感器”可交换使用，指的是同一类装置。因此，霍尔传感器在磁检测领域已是广为人知。
对于霍尔传感器的最简单的形式，霍尔元件可用薄片导电材料制成，输出联接正交于电流方向。当置于磁场中，霍尔效应元件可对输出单元作出反应，输出电压正比于磁场强度。设置有相关的信号调节的霍尔效应元件与放大电子元件的组合件有时称作霍尔效应传感器。
目前已有多种类型的霍尔效应传感器应用于商业、消费装置和工业领域。例如，Honeywell生产了一族的固态位置传感器，其包括数字和模拟的霍尔效应位置传感器，磁阻数字传感器，霍尔效应叶片传感器，齿轮齿传感器，霍尔效应基本开关，及其各种类型的磁体。这种固态位置传感器是可靠，高速，长寿命的传感器，可直接与其他电路兼容。通过产生数字或模拟的正比磁场强度的输出，这些传感器可对磁场的出现和中止作出反应。数字和模拟的传感器装置通过永久磁铁或电磁铁产生的磁场进行操作。
这些传感器的促动模式一般取决于所用磁体的类型。例如，穿过间隙的叶片或固定到塑料柱塞的磁体可操作集成的磁体位置传感器。这些位置传感器可根据用途进行实施，这些用途一般要求精度和可靠的输出。这些位置传感器可用于无刷直流电机、需给电表、焊接设备、自动贩卖机、家用电器、计算机等。典型的应用包括点火时间、电力、传感、阀位置、机器人控制、电流检测、线性或旋转运动检测、长度测量、流体探测、每分钟转动次数检测，和安全系统。
这里公开的本发明提供了一种独特的解决传统的恒温控制装置相关问题的解决方案，尤其是对水银基装置带来的问题。本发明通过采用机电技术取代了开关和温度元件，不再需要设置水银开关。
发明内容
下面对本发明进行介绍，帮助了解本发明独有的改进的特征，但介绍不是全面的介绍。对本发明的各个方面的充分了解可通过说明书、权利要求、附图和摘要整体地得到。
因此，本发明的一个方面提供了改进的传感方法和装置。
因此，本发明的另一方面提供了温度传感方法和装置。
本发明的又一方面提供了恒温控制装置，包括方法及其装置。
本发明的还有的一方面提供了磁性传感方法和装置。
如本文所介绍的，本发明的上述和其他特征可以实现。本文公开了一种用于恒温控制的磁性检测温度变化的方法和装置。恒温控制装置设置成可包括至少一个双金属片，其可响应温度变化导致的角度位置的改变。恒温控制装置一般连接到霍尔传感器，其包括一个或多个磁体，可响应双金属片的角度位置改变，相对霍尔传感器运动。根据磁体的运动可自动和/或电子地检测出温度变化。因此，可对温度变化进行恒温控制。
霍尔传感器可包括一个或多个霍尔晶体管。这些霍尔晶体管联系到本文介绍的磁体。霍尔晶体管可响应双金属片的角度位置改变而改变状态。状态改变一般包括从低状态到高状态的改变。恒温控制装置一般连接到带电力负荷的炉子。这样的恒温控制装置还可连接到进行炉子控制的微处理器控制电路。
霍尔传感器的输出可用来实现多种恒温控制操作。例如，霍尔传感器的输出可连接到开关装置，切换炉子的电力负荷。例如，霍尔传感器与开关装置的连接可利用继电器(如小电流继电器)或线圈(如磁性簧片开关)来实现。此外，霍尔传感器的位置可正交于相对的磁场。霍尔传感器的磁体可设置成包括一个或多个互相临近的磁体，可形成从正磁通量密度到负磁通量密度的突然线性变化。磁体最好位于双金属片的径向表面，双金属片可设置成位于恒温控制装置内的盘绕的双金属片。
通过阅读下面的对本发明的详细介绍，或根据实施本发明的体验，所属领域的技术人员可清楚地了解本发明的新特征。应当知道，本发明的详细介绍和所提出的具体实施例是说明性的，尽管其说明了本发明的某些实施例，对于所属领域的技术人员，很明显根据对本发明的详细介绍和后面的权利要求，在本发明的精神和范围内可进行各种改变和改进。
附图中，各图中的相同标记表示相同或功能类似的元件，附图结合到说明书中并成为其一部分，其进一步说明了本发明，并与本发明的详细介绍一起，用于说明本发明的原理。
图1显示了根据本发明的优选实施例的固态恒温控制装置的顶视图；图2显示了图1显示的根据本发明的优选实施例的固态恒温控制装置的透视图；图3是高水平的操作流程图，显示了应用根据本发明的优选实施例的恒温控制装置的一般方法。
具体实施例方式
在这些非限定性示例中讨论的特定数值和结构可进行变化，并仅用于说明本发明的实施例，不能用于限定本发明的范围。
图1是显示固态恒温控制装置100的顶视图，该装置根据本发明的优选实施例设置。图2显示了图1的根据本发明的优选实施例的固态恒温控制装置100的透视图200。恒温控制装置100设置成包括支撑壳体102(如塑料主体)和热敏双金属片104，其设置成可响应温度变化出现角度位置改变。
双金属片104可用钢铁材料形成，可置于温度盘(未显示)的中心枢轴112附近。当温度盘转动，齿条116转动了双金属片104位置，双金属片设置成盘绕的形式。因此当温度盘转动时，双金属片104也转动。恒温控制装置100还包括三个卡接槽109，111和113，卡接槽可容纳相关温度补偿和恒温电路的金属支架。所属领域的技术人员应当理解，本文中未详细介绍这些温度补偿电路，因为对于本发明，其特征属于本发明范围之外，其涉及到温度控制所用的霍尔器件。
恒温控制装置100还包括孔108，其可容纳支架，支架支撑前面提到的温度补偿电路。请注意根据本发明，使用这种温度补偿电路不是必须的，因为本文介绍的霍尔器件使恒温控制装置100在室温空气下启动。因此，孔108和卡接槽109，111，113不是必需的特征，可在本发明的某些实施例中采用，而在本发明的其他实施例中不是必要的。此外，恒温控制装置100包括支撑杆119，其上可连接螺纹、支架或其他固定件，这些构件再支撑前面提到到温度补偿电路，如上所述，其不一定用于根据本发明的优选实施例。因此支撑杆119也不是一定要设置的特征。
霍尔塔形架115保持一个或多个霍尔传感元件。霍尔塔形架115一般包括根据本发明的霍尔传感器。霍尔塔形架115和结合其上的霍尔传感器相对设置，对应于两个磁体130和132。磁体130和132具有相反的极性。例如，磁体130具有南极，其面对磁体132的北极，或反过来设置，这取决于本发明的希望的实施例。磁体130和132支撑于保持架114，其可用非铁材料制造。保持件114最好用非铁材料制造是因为一般双金属片104靠近磁体130和132。因此，保持架114不仅保持磁体130和132，还用于磁隔离磁体130，132和双金属片104。
恒温控制装置100一般连接霍尔塔形架115保持的霍尔传感器，当受到经过或不经过磁效应传感器(如霍尔传感器)的感应磁场的具有设计形状的铁磁目标对象的影响时，其可对磁场变化作出反应。结合到霍尔塔形架115的霍尔传感器可提供输出电信号，必要时信号可被后面的电子电路改进，产生适当的传感和控制信息。相关的电子电路可设置到霍尔传感器壳体(如霍尔塔形架115)或外部。
本发明使用的霍尔传感器一般联系有两个或更多的磁体130，132，磁体可响应双金属片104的角度位置变化，相对固定的霍尔传感器(即霍尔塔形架115)运动。对磁体的运动作出反应，自动和/或电子地检测出温度变化。利用所得到的温度变化进行恒温控制，例如，家庭、办公室或其他建筑中的加热或冷却系统的恒温控制。
霍尔传感器可设置成包括霍尔晶体管，其联系到一个或多个磁体130和132。响应双金属片104的角度位置改变，霍尔晶体管的状态发生改变。状态改变一般包括从低状态到高状态的变化。恒温控制装置100还可连接到带有电力负荷的炉子(未显示)或冷却系统。这样的炉子的示例有HVAC炉，其使用HVAC加热和冷却系统。这种HVAC炉可设置包括恒温继电器的HVAC炉板，当要求进行空调时，其连接到全速功率输入端；当要求加热时，连接到第二或加热端。霍尔传感器的输出可连接到开关装置，切换炉子或冷却系统的电力负荷。将霍尔塔形架115内的霍尔传感器连接到开关装置可利用如继电器(如小电流继电器)来实现。这种连接还可以通过线圈件，如磁性簧片开关，来实现。
此外，霍尔传感器的位置正交于相对的磁场。霍尔传感器的磁体可设置成包括一个或多个互相靠近的磁体，这样一般可形成从正高斯到负高斯的突然线性变化。磁体130，132最好位于双金属片的径向表面，双金属片设置成位于恒温控制装置内的盘绕双金属片。
图3是高水平的操作流程图300，显示了实施根据本发明的优选实施例的恒温控制的一般方法。恒温控制装置，如图1和图2所示的恒温控制装置100，可设置成包括一个或多个双金属片，如方框302所示。恒温控制装置一般包括恒温器，其中设置双金属片。如后面的方框304所示，恒温控制装置还可以包括霍尔传感器。本文的恒温控制装置包括至少一个磁体，如方框306所示，并设置成互相靠近，使得如方框308所示，形成从正高斯到负高斯的突然线性变化。例如，互相靠近的两个或多个磁体可提供该突然线性变化，以提供恒温开关能力。
也可以利用一个磁体来提供一个或多个霍尔传感器和双金属片的开关能力。此外，应当理解根据本发明还可以设置另外的磁结构。例如，三个磁体可设置成具有相对的磁场，用一个或多个霍尔传感器检测正高斯的窄峰值。此外，磁体一般位于双金属片(如盘绕的双金属片)的径向表面，如方框306所示。如方框310所示，霍尔传感器可数字测量从正高斯到负高斯的突然线性变化，因为霍尔传感器的位置正交于相对的磁场。注意到霍尔传感器还包括一个或多个霍尔晶体管，如前面所介绍的。因此，如方框312所示，恒温器显示的温度变化使双金属片的角度位置改变，其使得磁体相对霍尔传感器运动，如方框314所示。当双金属片显示出存在温度差时，该运动使得霍尔晶体管的状态从低状态改变到高状态，如方框316所示。
因此，根据本发明，恒温器可设置成包括一个或多个双金属片，其可响应恒温器的温度变化，出现角度位置改变。恒温器一般连接有霍尔传感器，其包括多个磁体，可响应双金属片的角度位置改变，相对霍尔传感器运动。响应磁体的运动可自动和/或电子地检测到温度变化，其中温度变化用于进行温度控制。
因此，本发明利用霍尔磁传感器原理，通过结合至少两个互相靠近的磁体，可形成从正高斯到负高斯的突然线性变化。霍尔传感器可数字地测量此突然线性变化，其位置正交于相对的磁场。传感磁关系可通过设置霍尔传感器的磁体到盘旋的双金属片的径向表面来形成，双金属片位于恒温器内。温度变化使双金属片的角度位置改变，因此使磁体相对固定的霍尔传感器运动。当双金属片显示出温度差时，该运动使得霍尔晶体管的状态改变，从低状态改变到高状态。霍尔传感器的输出可连接到和/或集成到开关装置，切换炉子的高电力负荷。连接可利用多种连接技术来实现，包括小电流继电器，能量可用于推动开关触点越过死点的线圈件，或操作磁性簧片开关的线圈。
由于利用了霍尔传感器进行恒温控制应用，如办公室和建筑物的加热和冷却系统，本发明具有多种优点。本发明的独特之处在于霍尔传感器可在与其他电子传感器控制方法和装置相比非常慢的源电流下工作。霍尔传感器的输出可达到大约20毫安，该电流足以驱动线圈(如双金属线圈)，还有额外的能量来关闭开关的触点，因此，提供了可使本文公开的恒温控制装置发挥作用所需的高能量开关功能。
然而，这种能量单从双金属片的机械结构是得不到的。所属领域的技术人员都知道，从前在使用电子恒温器的应用场合中的大约10％出现了从炉子电路获得能量的问题。本文公开的方法和装置只要求数微安的电流(10到100微安)进行操作，因此没有所讨论的得到能量问题。
目前使用的一些恒温控制装置通过双金属片来操作，双金属片可随温度变化而出现角度改变，从而使水银开关倾斜，利用水银的自水平性质可使触点接触或断开。这种类型装置的一个主要问题是水银对环境有害，对人类有害。美国和许多其他国家正在立法禁止使用。如前面所介绍的，其他技术方案涉及替代水银，或利用玻璃管中滚动的金属球，使球接触开关电极，来模拟水银开关。这些尝试未能成功，因为存在温度精度和触点闭合问题。
其他尝试涉及用簧片开关代替水银开关。这种方法也具有精度问题。高效的恒温控制装置的精度要求使装置在一度半范围内操作。本文介绍的发明大约提高了50％的精度，通过用霍尔开关装置代替水银开关解决了前面提到的问题。上面介绍的触点闭合方法也通过结合继电器和/或线圈/机械开关在电方面得到满足。本发明通过用机电技术代替开关和温度传感功能，消除了对水银开关的需要。
本文公开的实施例和示例用于清楚地说明本发明和其实际应用，因此可使所属领域的技术人员实施本发明。但是，所属领域的技术人员应当认识到前面的介绍和示例只是用于说明和示范。对于所属领域的技术人员，很清楚可对本发明进行变化和改进，所附权利要求覆盖了这些变化和改进。所给出的介绍不是排他性的，或是限制本发明的范围。在不脱离下面权利要求的范围的情况下，根据上面进行的介绍可进行许多改进和变化。应当认识到实施本发明涉及到具有不同特性的元件。因此希望本发明的范围由所附权利要求限定，其给出了各方面的等同体的全面含义。
权利要求
1.一种用于恒温控制的磁检测温度变化的方法，所述方法包括步骤将恒温控制器(100)设置成包括恒温器和至少一个双金属片(104)，其设置成可响应温度变化出现角度位置改变(312)；将所述恒温控制器(100)连接到霍尔传感器(115)，所述控制器包括多个磁体(130，132)，可响应所述至少一个双金属片(104)的所述角度位置的变化，相对所述霍尔传感器(115)运动(314)；和响应所述多个磁体(130，132)的所述运动(314)，自动检测所述温度变化，从而利用所述温度变化进行恒温控制。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤响应所述多个磁体(130，132)的所述运动(314)，电检测所述温度变化。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤将所述霍尔传感器(115)设置成还包括至少一个霍尔晶体管(316)，其联系到所述多个磁体(130，132)。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤响应所述双金属片(104)的所述角度位置变化，所述霍尔晶体管(316)的状态发生变化，其中所述状态的变化包括从低状态变到高状态。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤将所述恒温控制器(100)连接到带电力负荷的炉子；和将所述霍尔传感器(115)的输出连接到开关装置，所述开关装置可切换所述炉子的电力负荷。
6.一种用于恒温控制的磁检测温度变化的方法，所述方法包括步骤将恒温控制器(100)设置成包括恒温器和至少一个双金属片(104)，其设置成可响应温度变化出现角度位置改变(312)；其中所述至少一个双金属片(104)包括位于所述恒温控制器(100)内的盘绕的双金属片(104)；将所述恒温控制器(100)连接到霍尔传感器(115)，其包括至少一个磁体，可响应所述至少一个双金属片(104)的所述角度位置变化，相对所述霍尔传感器(115)运动(314)；其中所述霍尔传感器(115)的位置正交于相对的磁场；设置所述至少一个磁体到所述至少一个双金属片(104)的径向表面(306)；响应所述至少一个磁体的所述运动(314)，自动检测所述温度变化，从而利用所述温度变化进行恒温控制；将所述恒温控制装置(100)连接到带电力负荷的炉子，还连接到微处理器控制电路；和所述霍尔传感器(115)的输出连接到开关装置，其可切换所述炉子的电力负荷；并连接到所述微处理器控制电路。
7.一种用于恒温控制的磁检测温度变化的装置，所述装置包括恒温控制装置(100)，包括恒温器和至少一个双金属片(104)，所述双金属片可响应温度变化，出现角度位置变化(312)；霍尔传感器(115)，连接到所述恒温控制装置(100)，其中所述霍尔传感器(115)包括多个磁体(130，132)，磁体可响应所述至少一个双金属片(104)的所述角度位置变化，相对所述霍尔传感器(115)运动(314)；和其中，所述霍尔传感器(115)响应所述多个磁体(130，132)的运动(314)，能够自动地检测所述温度变化，从而利用所述温度变化进行恒温控制。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，响应所述多个磁体(130，132)的所述运动(314)，自动检测所述温度变化。
9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述霍尔传感器(115)包括至少一个霍尔晶体管(316)，其联系到所述多个磁体(130，132)。
10.一种用于恒温控制的磁检测温度变化的装置，所述装置包括恒温控制装置(100)，包括恒温器和至少一个双金属片(104)，所述双金属片可响应温度变化出现角度位置变化(312)；其中所述至少一个双金属片(104)包括盘绕的双金属片(104)，位于所述恒温控制装置(100)内；霍尔传感器(115)，连接到所述恒温控制装置(100)，其中所述霍尔传感器(115)包括至少一个磁体(130，132)，所述至少一个磁体可响应所述至少一个双金属片(104)的所述角度位置变化，相对所述霍尔传感器(115)运动(314)；其中所述霍尔传感器(115)的位置正交于相对的磁场；所述至少一个磁体设置在所述至少一个双金属片(104)的径向表面(306)；其中，所述霍尔传感器(115)能够响应所述至少一个磁体的运动(314)，自动地检测所述温度变化，从而利用所述温度变化进行恒温控制；所述恒温控制装置(100)连接到带电力负荷的炉子，并连接到微处理器控制电路；和所述霍尔传感器(115)的输出连接到开关装置，其可切换所述炉子的电力负荷；并连接到所述微处理器控制电路。
全文摘要
一种用于恒温控制的磁检测温度变化的方法和装置。恒温控制装置(100)包括至少一个双金属片(104)，可响应温度变化出现角度位置变化(312)。恒温控制装置(100)连接有包括多个磁体(130，132)的霍尔传感器(115)，磁体可响应双金属片(104)的角度位置的变化相对霍尔传感器(115)运动(314)。响应此运动，能够自动地和/或电子检测出温度变化。
文档编号G01K5/00GK1682171SQ03821823
公开日2005年10月12日 申请日期2003年7月17日 优先权日2002年7月18日
发明者K·J·恩格勒, T·R·朱夫尔, G·J·奥滕斯, T·M·莫耶 申请人:霍尼韦尔国际公司