CN103792021B - Gps授时的石英晶体温度计 - Google Patents
Gps授时的石英晶体温度计 Download PDFInfo
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Abstract
本发明GPS授时的石英晶体温度计涉及一种可以在工业环境/移动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、GPS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GPS授时信号取代基准石英晶体振荡器使本发明GPS授时的石英晶体温度计的精确度达到1mK；支持现场总线接口，符合IEC61158 Ed.3现场总线标准，方便在分布式控制系统中共享数据；经低功耗化处理成为GPS导航仪和智能导航手机的附加功能，提供高分辨率、高精确度、高稳定性、便于移动环境下远距离传输共享的温度信号，参与各种需要温度信号的应用。
Description
(一)技术领域：
本发明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；经低功耗化处理也可以成为GPS导航仪和智能导航手机的附加功能，提供移动环境下高分辨率、高精确度、高稳定性、便于远距离传输共享的温度信号。
(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。
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；经低功耗化处理也可以成为GPS导航仪和智能导航手机的附加功能，提供移动环境下高分辨率、高精确度、高稳定性、便于远距离传输共享的温度信号。
解决其技术问题采用的技术方案：
本发明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/移动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GPS授时的石英晶体温度计包括GPS天线(3)、GPS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+固体硬盘(9)、人机接口(10)、显示单元(5)；GPS天线(3)接收GPS卫星授时信号，GPS模块(6)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+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；单片机+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N秒周期内的平均温度，加上时标后存入数据库；经显示单元(5)显示温度及温度变化速率；单片机+固体硬盘(9)与DCS(2)的接口支持现场总线，符合IEC61158 Ed.3现场总线标准；人机接口(10)用于接受GPS模块(6)的授时信号，确定开门脉冲和关门脉冲之间的时间间隔；做移动应用时，精简支持现场总线，符合IEC61158 Ed.3现场总线标准的功能；内置的GPS模块提供秒脉冲信号；将振荡器(4)、高速计数器(7)、选通控制模块(8)、单片机+固体硬盘(9)、人机接口(10)、显示单元(5)功能分别集成进入智能导航手机芯片、手机存储卡、手机应用程序、手机显示单元；GPS智能导航手机增加石英晶体探头接口和外置石英晶体探头；成为GPS导航仪和智能导航手机的附加功能，提供高分辨率、高精确度、高稳定性、便于远距离传输共享的温度信号，参与各种需要温度信号的移动应用。
发明的有益效果：
●以易于获取的具有极高精度的GPS授时信号取代基准石英晶体振荡器使本发明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(PPM百万分之一)；
●对一台量程为-50℃到250℃的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0.009mK；
●以易于获取的具有极高精度的GPS授时信号取代基准石英晶体振荡器使本发明GPS授时的石英晶体温度计的精确度达到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)；
●GPS授时的石英晶体温度计提供了一种可以在工业环境/移动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；
●GPS授时的石英晶体温度计支持现场总线接口，符合IEC61158 Ed.3现场总线标准，方便在DCS(分布式控制系统)中共享数据；
●GPS授时信号源，稳定可靠，同一分布式控制系统中的多台GPS授时的石英晶体温度计可以共享授时脉冲源；
●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；
●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、农业、医疗、保健、计生等行业；
●经低功耗化处理成为GPS导航仪和智能导航手机的附加功能，提供高分辨率、高精确度、高稳定性、便于移动环境下远距离传输共享的温度信号，参与各种需要温度信号的应用。
(四)附图说明：
图1为GPS授时的石英晶体温度计系统图。
在图1中：
1 石英晶体探头、 2 DCS(分布式控制系统)、
3 GPS天线、 4 振荡器、
5 显示单元、 6 GPS模块、
7 高速计数器、 8 选通控制模块、
9 单片机+固体硬盘、 10 人机接口。
(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GPS授时的石英晶体温度计包括GPS天线(3)、GPS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+固体硬盘(9)、人机接口(10)、显示单元(5)；GPS天线(3)接收GPS卫星授时信号，GPS模块(6)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+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(5)显示温度及温度变化速率；单片机+固体硬盘(9)与DCS(2)的接口支持现场总线，符合IEC61158 Ed.3现场总线标准；人机接口(10)用于选择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，必须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+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N秒内的尖脉冲数再除以N，为石英晶体探头(1)的更为精确的N秒内的平均频率，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，可在人机接口(10)设定，步长1s；选通控制模块(8)接收GPS模块(6)的秒脉冲，秒脉冲宽度小于10ns；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+固体硬盘(9)。
单片机+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N秒周期内的平均温度；加上时标后存入数据库；在显示单元(5)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+固体硬盘(9)与DCS(2)的接口支持现场总线，符合IEC61158 Ed.3现场总线标准。
GPS天线(3)接收GPS卫星授时信号，GPS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GPS授时的石英晶体温度计能够共享GPS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GPS天线(3)和GPS模块(6)。
实施例2：
GPS智能导航手机增加高精度温度测量功能
GPS智能导航手机增加石英晶体探头接口和外置石英晶体探头；振荡器(4)、高速计数器(7)、选通控制模块(8)、单片机+固体硬盘(9)、人机接口(10)、显示单元(5)功能分别集成进入智能导航手机芯片、手机存储卡、手机应用程序、手机显示单元；精简支持现场总线，符合IEC61158 Ed.3现场总线标准的功能；内置的GPS模块提供秒脉冲信号。
外置石英晶体探头的温度测量范围-50℃到250℃。
实施例3：
GPS智能导航手机增加高精度温度测量功能(内置微型可伸缩探头)
GPS智能导航手机增加内置微型可伸缩石英晶体探头；振荡器(4)、高速计数器(7)、选通控制模块(8)、单片机+固体硬盘(9)、人机接口(10)、显示单元(5)功能分别集成进入智能导航手机芯片、手机存储卡、手机应用程序、手机显示单元；精简支持现场总线，符合IEC61158 Ed.3现场总线标准的功能；内置的GPS模块提供秒脉冲信号。
内置微型可伸缩石英晶体探头的温度测量范围-30℃到50℃。
Claims (9)
1.一种GPS授时的石英晶体温度计，其特征在于：包括GPS天线(3)、GPS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+固体硬盘(9)、人机接口(10)、显示单元(5)；GPS天线(3)接收GPS卫星授时信号，GPS模块(6)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+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；单片机+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N秒周期内的平均温度，加上时标后存入数据库；经显示单元(5)显示温度及温度变化速率；单片机+固体硬盘(9)与DCS(2)的接口支持现场总线，符合IEC61158 Ed.3现场总线标准；人机接口(10)用于接受GPS模块(6)的授时信号，确定开门脉冲和关门脉冲之间的时间间隔；做移动应用时，精简支持现场总线，符合IEC61158 Ed.3现场总线标准的功能；内置的GPS模块提供秒脉冲信号；将振荡器(4)、高速计数器(7)、选通控制模块(8)、单片机+固体硬盘(9)、人机接口(10)、显示单元(5)功能分别集成进入智能导航手机芯片、手机存储卡、手机应用程序、手机显示单元；GPS智能导航手机增加石英晶体探头接口和外置石英晶体探头；成为GPS导航仪和智能导航手机的附加功能，提供高分辨率、高精确度、高稳定性、便于远距离传输共享的温度信号，参与各种需要温度信号的移动应用。
2.根据权利要求1所述的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)必须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+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N秒内的尖脉冲数再除以N，为石英晶体探头(1)的更为精确的N秒内的平均频率，加长高速计数器(7)的计数周期能够提高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，可在人机接口(10)设定，步长1s；选通控制模块(8)接收GPS模块(6)的秒脉冲，秒脉冲宽度小于10ns；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+固体硬盘(9)。
6.根据权利要求1所述的GPS授时的石英晶体温度计，其特征是所述的单片机+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N秒周期内的平均温度；加上时标后存入数据库；在显示单元(5)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+固体硬盘(9)与DCS(2)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GPS授时的石英晶体温度计，其特征是所述的GPS天线(3)接收GPS卫星授时信号，GPS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。
8.根据权利要求1所述的GPS授时的石英晶体温度计，其特征是同一应用系统中的若干台GPS授时的石英晶体温度计能够共享GPS模块(6)输出的高精度秒脉冲。
9.根据权利要求1所述的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)做成内置微型可伸缩石英晶体探头，为GPS智能导航手机增加高精度温度测量功能。
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