CN103499400B - 北斗gps授时的石英晶体温度计 - Google Patents
北斗gps授时的石英晶体温度计 Download PDFInfo
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Abstract
本发明北斗GPS授时的石英晶体温度计涉及一种可以在工业环境下应用的高分辨率、高精确度、高稳定性、便于远距离传输、共享信号的温度计。包括GPS天线、北斗天线、GPS模块、北斗模块、石英晶体探头、振荡器、高速计数器、选通控制模块、单片机＋固体硬盘、人机接口、显示单元；以易于获取的具有极高精度的北斗GPS授时信号取代基准石英晶体振荡器使本发明北斗GPS授时的石英晶体温度计的精确度达到10mK～1mK；支持现场总线接口，符合IEC61158Ed.3现场总线标准，方便在DCS(分布式控制系统)中共享数据。
Description
(一)技术领域：
本发明北斗GPS授时的石英晶体温度计涉及一种可以在工业环境下应用的高分辨率、高精确度、高稳定性、便于远距离传输、共享信号的温度计。
(二)背景技术：
国际实用温标是以一些可复现的平衡态(定义固定点)的温度指定值，以及在国际实用温标这些固定点上分度的标准内插仪器作为基础的。1968年国际实用温标分成三个温区，分别用标准铂电阻温度计、标准铂铑(10％)铂热电偶和普朗克辐射定律来定义这些温区内的温度数值。
现有技术的石英晶体温度计的核心部件是谐振式石英晶体振荡器，其工作机制与传统的温度传感器(铂电阻温度计、热电偶温度计等)不同，其工作机制是“谐振”，不是靠分子的热运动产生的“电阻”或“电动势”。
现有技术的石英晶体振荡器，其频率——温度特性是一条颇接近直线的三次多项式曲线；a、b、c分别为一、二、三次多项式的系数，与石英晶片的切割类型及振型有关。
现有技术的石英晶体温度计至少有2个石英晶体振荡器，一个是温度为0℃的基准石英晶体振荡器，一个是用作测定温度的传感器石英晶体振荡器，由两者的频差获得被测温度；为减少基准石英晶体振荡器的频率漂移，通常把基准石英晶体振荡器置于精确控制温度的恒温箱中；即使如此，仍然有不可忽略的的基准频率漂移，现有技术的石英晶体温度计分辨率可以做到0.001K～0.0001K，但其精确度只能做到0.1K～0.05K。
北斗导航卫星系统具有精密授时功能，其秒脉冲单相授时精度(1pps)＜100ns；全球定位系统GPS是美国卫星导航系统，其秒脉冲单相授时精度(1pps)＜30ns。
(三)发明内容：
所要解决的技术问题：
解决现有技术的石英晶体温度计仍然有较大的的零点漂移误差，其分辨率可以做到0.001K～0.0001K，但精确度只能做到0.1K～0.05K的问题；解决现有技术的石英晶体温度计不便于远距离传输、共享信号的问题。
解决其技术问题采用的技术方案：
本发明北斗GPS授时的石英晶体温度计采取与现有技术完全不同的技术路线，提供一种可以在工业环境下应用的高分辨率、高精确度、高稳定性、便于远距离传输、共享信号的温度计。
本发明北斗GPS授时的石英晶体温度计包括GPS天线(2)、北斗天线(3)、GPS模块(5)、北斗模块(6)、石英晶体探头(1)、振荡器(4)、高速计数器(7)、选通控制模块(8)、单片机与固体硬盘(9)、人机接口(10)、显示单元(12)；北斗天线(3)接收北斗卫星授时信号，北斗模块(6)输出高精度秒脉冲到选通控制模块(8)；GPS天线(2)接收GPS卫星授时信号，GPS模块(5)输出高精度秒脉冲到选通控制模块(8)；选通控制模块(8)同时还接受人机接口(10)的指令，选通控制模块(8)向高速计数器(7)提供开门脉冲和关门脉冲；石英晶体探头(1)和振荡器(4)组成石英晶体振荡器输出正弦波，正弦波的频率随石英晶体探头(1)的温度而变化；高速计数器(7)前端的脉冲整形电路将正弦波转换为同频率的窄尖脉冲，高速计数器(7)在选通控制模块(8)提供的开门脉冲和关门脉冲之间的时间间隔内，精确计量窄尖脉冲数，对一个特定的石英晶体探头(1)，该窄尖脉冲频率与石英晶体探头(1)的温度单值相关；单片机与固体硬盘(9)内部存有该特定的石英晶体探头(1)的频率——温度曲线，经显示单元(12)显示温度及温度变化速率；单片机与固体硬盘(9)与DCS(11)的接口支持现场总线，符合IEC61158Ed.3现场总线标准；人机接口(10)用于选择北斗GPS授时信号，确定开门脉冲和关门脉冲之间的时间间隔；人机接口(10)还与单片机与固体硬盘(9)相连。
发明的有益效果：
·以易于获取的具有极高精度的北斗、GPS授时信号取代基准石英晶体振荡器使本发明北斗GPS授时的石英晶体温度计由于授时精度引入的误差可以控制在不超过0.1PPM到0.03PPM(PPM百万分之一)；
·对一台量程为-50℃到250℃的北斗GPS授时的石英晶体温度计由于授时精度引入的误差可以控制在不超过0.03mK到0.009mK。
·以易于获取的具有极高精度的北斗GPS授时信号取代基准石英晶体振荡器使本发明北斗GPS授时的石英晶体温度计的精确度达到10mK～1mK(1968年国际实用温标使用标准铂电阻温度计分度，分度精度优于0.1mK)；
·北斗GPS授时的石英晶体温度计提供了一种可以在工业环境下应用的高分辨率、高精确度、高稳定性、便于远距离传输、共享信号的温度计；
·北斗GPS授时的石英晶体温度计支持现场总线接口，符合IEC61158Ed.3现场总线标准，方便在DCS(分布式控制系统)中共享数据；
·北斗GPS双授时信号源，冗余可靠，同一分布式控制系统中的多台北斗GPS授时的石英晶体温度计可以共享授时脉冲源；
·北斗GPS授时的石英晶体温度计在火电站可用于冷端优化闭环控制、给水泵在线效率监控、循环水泵在线效率监控、凝结水泵在线效率监控、引风机在线效率监控、一次风机在线效率监控、送风机在线效率监控；
·北斗GPS授时的石英晶体温度计可以广泛用于温度计量标准传递、热力试验、地震前兆监测、气候变暖监测系统、海洋水文监测、高空探测、油田、天然气开采、、酿酒、酵母生产、乳品生产、抗生素生产等行业。
(四)附图说明：
图1为北斗GPS授时的石英晶体温度计系统图。
在图1：
1石英晶体探头、2GPS天线、
3北斗天线、4振荡器、
5GP8模块、6北斗模块、
7高速计数器、8选通控制模块、
9单片机与固体硬盘、10人机接口、
11DCS(分布式控制系统)、12显示单元。
(五)具体实施方式：
实施例1：
现结合图1以一台量程为-50℃到250℃的北斗GPS授时的石英晶体温度计为例说明实现发明的优选方式。
本发明北斗GPS授时的石英晶体温度计包括GPS天线(2)、北斗天线(3)、GPS模块(5)、北斗模块(6)、石英晶体探头(1)、振荡器(4)、高速计数器(7)、选通控制模块(8)、单片机与固体硬盘(9)、人机接口(10)、显示单元(12)；北斗天线(3)接收北斗卫星授时信号，北斗模块(6)输出高精度秒脉冲到选通控制模块(8)；GPS天线(2)接收GPS卫星授时信号，GPS模块(5)输出高精度秒脉冲到选通控制模块(8)；选通控制模块(8)同时还接受人机接口(10)的指令，选通控制模块(8)向高速计数器(7)提供开门脉冲和关门脉冲；石英晶体探头(1)和振荡器(4)组成石英晶体振荡器输出正弦波，正弦波的频率随石英晶体探头(1)的温度而变化；高速计数器(7)前端的脉冲整形电路将正弦波转换为同频率的窄尖脉冲，高速计数器(7)在选通控制模块(8)提供的开门脉冲和关门脉冲之间的时间间隔内，精确计量窄尖脉冲数，对一个特定的石英晶体探头(1)，该窄尖脉冲频率与石英晶体探头(1)的温度单值相关；单片机与固体硬盘(9)内部存有该特定的石英晶体探头(1)的频率——温度曲线，经显示单元(12)显示温度及温度变化速率；单片机与固体硬盘(9)与DCS(11)的接口支持现场总线，符合IEC61158Ed.3现场总线标准；人机接口(10)用于选择北斗GPS授时信号，确定开门脉冲和关门脉冲之间的时间间隔。
石英晶体探头(1)0℃时的公称振荡频率为28208kHz，公称温度敏感特性为1kHz/K，-50℃时公称频率为28158kHz，200℃时公称频率为28408kHz。因为石英晶体探头制造有一定的离散度，高精确度应用的石英晶体探头，分别对每一只石英晶体探头进行标定，并将石英晶体探头(1)的频率——温度曲线存入单片机与固体硬盘(9)，标定的精确度将决定石英晶体探头(1)的精确度。
石英晶体探头(1)与振荡器(4)连接电缆的分布电容应受到严格控制，越小越好；石英晶体探头(1)与振荡器(4)共同组成高Q值石英晶体振荡器，输出正弦波，频率随石英晶体探头(1)的温度在28158kHz到28408kHz区间变化。
高速计数器(7)前端的脉冲整形电路将正弦波的上半波变换为宽度小于10ns的尖脉冲，下半波切除；高速计数器(7)数出1s内的尖脉冲数即为石英晶体探头(1)的频率，同理，高速计数器(7)数出Ns内的尖脉冲数再除以N，为石英晶体探头(1)的更为精确的Ns内的平均频率，加长高速计数器(7)的计数周期能够提高北斗GPS授时的石英晶体温度计的分辨率和精确度；高速计数器(7)的高频计数上限为100MHz，即面对100MHz的尖脉冲序列可精确计数，在规定的时间周期内，一个不多，一个不少。
选通控制模块(8)决定高速计数器(7)的计数周期，最短1s，最长10s，在人机接口(10)设定，步长1s；选通控制模块(8)同时接收GPS模块(5)和北斗模块(6)的秒脉冲，秒脉冲宽度小于10ns；人机接口(10)选定GPS模块(5)和北斗模块(6)两者之一为主模块，另一模块为辅模块，当主模块秒脉冲信号故障时辅模块的秒脉冲信号自动替补；选通控制模块(8)输出的开门脉冲和关门脉冲为宽度小于10ns的尖脉冲；选通控制模块(8)设定的计数周期同时送入单片机与固体硬盘(9)。
单片机与固体硬盘(9)计算尖脉冲的频率，再按石英晶体探头(1)的频率——温度曲线计算出Ns周期内的平均温度；加上时标后存入数据库；在显示单元(12)上显示即时温度、温度变化速率℃/min、1小时温度变化曲线；单片机与固体硬盘(9)与DCS(11)的接口支持现场总线，符合IEC61158Ed.3现场总线标准。
GPS天线(2)接收GPS卫星授时信号，GPS模块(5)输出高精度秒脉冲到选通控制模块(8)；秒脉冲宽度小于10ns；同一应用系统中的若干台北斗GPS授时的石英晶体温度计能够共享GPS模块(5)输出的高精度秒脉冲；如GPS地网能够提供符合要求的高精度秒脉冲，可替代GPS天线(2)和GPS模块(5)。
北斗天线(3)接收北斗卫星授时信号，北斗模块(6)输出高精度秒脉冲到选通控制模块(8)；秒脉冲宽度小于10ns；同一应用系统中的若干台北斗GPS授时的石英晶体温度计能够共享北斗模块(6)输出的高精度秒脉冲；如北斗地网能够提供符合要求的高精度秒脉冲，可替代北斗天线(3)和北斗模块(6)。
Claims (8)
1.一种北斗GPS授时的石英晶体温度计，其特征在于：包括GPS天线(2)、北斗天线(3)、GPS模块(5)、北斗模块(6)、石英晶体探头(1)、振荡器(4)、高速计数器(7)、选通控制模块(8)、单片机与固体硬盘(9)、人机接口(10)、显示单元(12)；北斗天线(3)接收北斗卫星授时信号，北斗模块(6)输出高精度秒脉冲到选通控制模块(8)；GPS天线(2)接收GPS卫星授时信号，GPS模块(5)输出高精度秒脉冲到选通控制模块(8)；选通控制模块(8)同时还接受人机接口(10)的指令，选通控制模块(8)向高速计数器(7)提供开门脉冲和关门脉冲；石英晶体探头(1)和振荡器(4)组成石英晶体振荡器输出正弦波，正弦波的频率随石英晶体探头(1)的温度而变化；高速计数器(7)前端的脉冲整形电路将正弦波转换为同频率的窄尖脉冲，高速计数器(7)在选通控制模块(8)提供的开门脉冲和关门脉冲之间的时间间隔内，精确计量窄尖脉冲数，对一个特定的石英晶体探头(1)，该窄尖脉冲频率与石英晶体探头(1)的温度单值相关；单片机与固体硬盘(9)内部存有该特定的石英晶体探头(1)的频率——温度曲线，经显示单元(12)显示温度及温度变化速率；单片机与固体硬盘(9)与DCS(11)的接口支持现场总线，符合IEC61158Ed.3现场总线标准；人机接口(10)用于选择北斗GPS授时信号，确定开门脉冲和关门脉冲之间的时间间隔；人机接口(10)还与单片机与固体硬盘(9)相连。
2.根据权利要求1所述的北斗GPS授时的石英晶体温度计，其特征是分别对每一只石英晶体探头进行标定，并将石英晶体探头(1)的频率——温度曲线存入单片机与固体硬盘(9)，标定的精确度将决定石英晶体探头(1)的精确度。
3.根据权利要求1所述的北斗GPS授时的石英晶体温度计，其特征是所述的石英晶体探头(1)与振荡器(4)连接电缆的分布电容应受到严格控制，越小越好；石英晶体探头(1)与振荡器(4)共同组成高Q值石英晶体振荡器。
4.根据权利要求1所述的北斗GPS授时的石英晶体温度计，其特征是所述的高速计数器(7)前端的脉冲整形电路将正弦波的上半波变换为宽度小于10ns的尖脉冲，下半波切除；高速计数器(7)数出1s内的尖脉冲数即为石英晶体探头(1)的频率，同理，高速计数器(7)数出Ns内的尖脉冲数再除以N，为石英晶体探头(1)的更为精确的Ns内的平均频率，加长高速计数器(7)的计数周期能够提高北斗GPS授时的石英晶体温度计的分辨率和精确度；高速计数器(7)的高频计数上限为100MHz。
5.根据权利要求1所述的北斗GPS授时的石英晶体温度计，其特征是所述的选通控制模块(8)决定高速计数器(7)的计数周期，最短1s，最长10s，在人机接口(10)设定，步长1s；选通控制模块(8)同时接收GPS模块(5)和北斗模块(6)的秒脉冲，秒脉冲宽度小于10ns；人机接口(10)选定GPS模块(5)和北斗模块(6)两者之一为主模块，另一模块为辅模块，当主模块秒脉冲信号故障时辅模块的秒脉冲信号自动替补；选通控制模块(8)输出的开门脉冲和关门脉冲为宽度小于10ns的尖脉冲；选通控制模块(8)设定的计数周期同时送入单片机与固体硬盘(9)。
6.根据权利要求1所述的北斗GPS授时的石英晶体温度计，其特征是所述的单片机与固体硬盘(9)计算尖脉冲的频率，再按石英晶体探头(1)的频率——温度曲线计算出Ns周期内的平均温度；加上时标后存入数据库；在显示单元(12)上显示即时温度、温度变化速率℃/min、1小时温度变化曲线；单片机与固体硬盘(9)与DCS(11)的接口支持现场总线，符合IEC61158Ed.3现场总线标准。
7.根据权利要求1所述的北斗GPS授时的石英晶体温度计，其特征是所述的GPS天线(2)接收GPS卫星授时信号，GPS模块(5)输出高精度秒脉冲到选通控制模块(8)；秒脉冲宽度小于10ns；同一应用系统中的若干台北斗GPS授时的石英晶体温度计能够共享GPS模块(5)输出的高精度秒脉冲。
8.根据权利要求1所述的北斗GPS授时的石英晶体温度计，其特征是所述的北斗天线(3)接收北斗卫星授时信号，北斗模块(6)输出高精度秒脉冲到选通控制模块(8)；秒脉冲宽度小于10ns；同一应用系统中的若干台北斗GPS授时的石英晶体温度计能够共享北斗模块(6)输出的高精度秒脉冲。
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