CN106840445A - 一种高精度石英晶体温度计 - Google Patents

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赵刚
邓卫平
贾鸿飞
卫清
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Abstract

本发明提供了一种高精度石英晶体温度计，包括：传感器、电缆以及主机，所述传感器的输出端与所述主机的输入端通过电缆连接，其中所述传感器为石英晶体传感器，用于感测温度，所述传感器的频率信号通过所述电缆传输至所述主机，所述主机用于记录频率号进而完成数据采集。本发明的高精度石英晶体温度计，采用等精度频率采集方式，实现全量程分辨力达0.000001℃；采用隔离供电方式，提高了本发明的整体安全性能，使得频率信号长距离传输成为可能；采用单芯带屏蔽电缆，保护信号不受外界干扰。

Description

一种高精度石英晶体温度计
技术领域
本发明属于长距离、高精度温度测量领域，尤其涉及一种高精度石英晶体温度计。
背景技术
在地震、水利、环保等行业都会涉及到对温度物理量的实时观测；特别是地震行业，对于地震前兆信息的捕捉，经过许多学者验证，地壳中(地表下几十到几百米距离)温度的异常变化，对于地震预报研究探索工作提供了非常有价值的数据。
特殊行业的较长距离温度观测，如果采用传统的观测方法有两个技术瓶颈：其一，要求高精度，如地震行业要求温度观测其分辨力达0.0001℃；其二要求信号的较长距离输送；而实现这些专业测量的前提是，测量系统，特别是温度传感器的稳定、安全的长时间连续工作。实验室的铂电阻式温度测量电桥，其分辨力与稳定性都能达到要求，但其对观测环境、测量电缆距离有着严格要求；直接将桥式测温电路应用到现场观测会出现信号衰减问题；而将测量与信号采集电路都设置于传感器内部，又很难避免由于电路自身发热导致数据干扰的问题，以及如何保证传感器内复杂电路的连续稳定运行问题。
70年代中期，美国HP研制成功了石英温度计，分辨率达到0.0001℃甚至更高，但其探头电缆仅3.7米，只适合于实验室工作，不能用于长距离实地观测。由于石英晶体温度传感器输出量为频率量，通过适当改进，其分辨力通过现代分频技术可达到0.0001℃甚至更高，且信号输出在功率一定的情况下，长距离的信号衰减不影响测量精度，不会导致测温部件的自发热等。但对于此类温度观测，如果采用传统的供电模式，即会降低传感器的运行安全性，特别是易受雷击破坏；另外测温电路随着信号传输距离的增大而发热，带来的系统误差。
因此，需要提出一种长距离、高安全性、高精度的石英晶体温度计。
发明内容
本发明的目的，主要解决传统供电方式对于井下长距离温度传感器的安全性、准确性较难同时保障的难题，为某些行业的深井高精度温度测量提供一个安全、可靠的设计方案。
本发明的高精度石英晶体温度计，包括：传感器、电缆以及主机，所述传感器的输出端与所述主机的输入端通过电缆连接，其中所述传感器为石英晶体温度传感器，用于感测温度，所述传感器的频率信号通过所述电缆传输至所述主机，所述主机用于记录频率信号进而完成数据采集。所述主机包括供电隔离模块，用于对所述传感器采用隔离供电的方式。
优选地，所述隔离供电方式为所述传感器供电地线与所述主机内其它地线相隔离。
优选地，所述电缆为单芯带屏蔽电缆，包括缆芯和屏蔽线。
优选地，所述缆芯用于传感器的供电，也用于频率信号的传输，所述屏蔽线用于保护传感器输出的频率信号不受外界干扰。
优选地，所述主机的信号输入部分根据电磁感应原理，通过变压器将所述传感器频率信号进行隔离传输。
优选地，所述主机包括信号采集模块，所述信号采集模块采用等精度频率采集方式。
本发明具有下列优点：
1、本发明的高精度石英晶体温度计采用等精度频率采集方式，可实现全量程分辨力达0.000001℃；
2、本发明采用隔离供电方式，使传感器供电地线与主机内其它地线相隔离，实现传感器防雷的效果，提高了本发明高精度石英晶体温度计的整体安全性能；同时根据电磁感应原理，本发明通过变压器线圈将频率信息直接传送至主机部分进行整形与放大，使得频率信号的完整性与电压衰减无关，这对于长距离，特别是深井温度观测来说，具有实用价值；
3、本发明所述传感器仅需两根传输线即可完成供电与信号传输，本发明所述电缆采用单芯带屏蔽电缆，使得屏蔽层既当地线、又保护信号不受外界干扰。当进行长距离信号传输时，电缆线芯可直接用钢丝代替，既满足供电与信号传输的要求，又可提高电缆的强度。
附图说明
图1是本发明石英晶体温度计的结构示意图；
图2是本发明的电缆的结构示意图；
图3本发明的主机的结构示意图；
图4是本发明的主机的传感器隔离供电示意图；
图5是本发明的主机的传感器信号返回、整形与放大的示意图。
图6是本发明的信号采集模块通过等精度测频方法进行信号采集的示意图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步说明，其目的仅在于更好地理解本发明的研究内容而非限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明的高精度石英晶体温度计主要由传感器1、电缆2及主机3三部分组成。
传感器1的石英晶体谐振器采用LC切型的平凸透镜石英晶体块制成，其直径约数毫米，凸面曲率半径约为100毫米以上。石英晶体谐振器封装于充氦气的管壳内，在传感电路中利用它的压电效应和固有振动频率随温度变化的特性构成热敏振荡器。高精度石英晶体温度计通过现代分频技术，可获得石英晶体谐振频率与石英晶体温度之间的关系(石英晶体温度传感器输出的频率信号只需达到0.1Hz，即可实现温度分辨力达0.0001℃，即频率与温度对应关系为1KHz/℃)。
电缆2采用单芯屏蔽电缆，包括缆芯21和屏蔽线23。传感器1输出为频率信号，即使信号在通过电缆2传输的过程中产生一定程度的衰减，也不会影响主机信号采集的完整性。当进行长距离信号传输时(如：测量距离>600m)，电缆2的缆芯可直接用钢丝代替，这不仅满足供电与信号的传输需求，同时又可提高电缆的强度。如图2所示，电缆2由内到外由为缆芯21，绝缘层22，屏蔽线(网状屏蔽层)23以及塑料封套24构成。电缆2的屏蔽线23作地线，缆芯21(中心铜线或钢丝)既作传感器供电线，又作传感器信号的传输线。
如图3所示，主机3包括电源31、供电隔离模块32、信号调理模块33、信号采集模块34、数据存储模块35、通讯模块36及数据显示模块37。其中，电源模块31用于对其他模块进行供电。
通过隔离供电模块32，主机3对传感器1采用隔离供电方式，即传感器1的供电地线与仪器其它电路部分地线隔离(参考图4)。供电电源(VCC与VEE)通过隔离供电DC/DC模块32(T1)，输出9V电压，且地线(引脚4)隔离，直接通过插座J11给传感器供电(PROB+与PROB-)，并采用光电隔离器(U4)连接LED灯显示供电状态，使传感器供电的地线与电路板中其它地线隔离以达到避免雷击的效果。地震行业利用高精度石英晶体温度计进行钻孔内固定深度水温(地温)等的连续观测，使用的电缆长度通常为200-1000m，但观测场所内钻孔的井口套管对地电阻远小于观测室内为主机提供地线的接地电阻，所以井下设备一般较井上设备更易受雷电损坏，但采用隔离供电后，防雷效果明显，即使井上设备受雷击损坏，也罕见有井下传感器被雷击的现象。
如图5所示，为传感器提供的9V隔离电压通过供电隔离变压器(T2)的初级线圈串联到传感器1的供电端，隔离的9V直流电通过变压器(T2)供给传感器1。在供电回路中，由于传感器1中的石英晶体谐振器受到电流激发，产生一定程度的震荡，经传感器电路调理后将交流信号叠加在供电的直流电中。根据电磁感应原理，叠加在直流电中的交流信号会在变压器(T2)端从初级线圈传递至次级线圈，从而实现传感器1至主机3的信号隔离传输的效果。再将变压器次级线圈中感应的传感器信号输送至主机3的整形与放大电路中，信号通过整形后，输入到放大电路的运算放大器INA128的输入端，对信号进行放大，放大后的输出信号为5V的矩形波信号，即可输入到信号采集模块34。其中，图5中的整形和放大电路即对应图3中的信号调理模块33。另外本申请未详细介绍的其他模块如数据存储模块35、通讯模块36及数据显示模块37等为常规模块。
信号采集模块34采用等精度测频技术实现其功能。频率采集是记录单位时间内矩形波的上升沿或下降沿的个数，因此普遍的频率采集方法的最小记录单位为1Hz。本发明中所述主机3的信号采集模块34采用等精度测频方法，可以真实的记录单位时间内的频率，主要是通过以下方法实现：
如图6所示，采用频率准确的高频信号(时钟信号)作为标准频率信号fo。首先，预置闸门时间为Ts，使得测量的闸门时间为被测时间的整数倍。接着，根据被测信号的频率(被测频率)fx对预置的闸门时间进行同步，获得同步闸门时间Ts’。接着，在闸门时间内同时对标准信号脉冲fo和被测信号脉冲fx进行计数。如图6中，Nx为被测信号的个数，Tx为被测信号的周期，根据Ts’＝Nx*Tx，可获得被测信号的个数。No为时钟信号个数，To为时钟信号周期，根据Ts’＝No*To，可获得时钟信号个数。通过标准信号脉冲fo对被测信号脉冲fx进行细化，可以得到更高的频率分辨力。也就是说，普通的频率采集方法只记录fo的标准脉冲个数，但是当闸门时间结束时最后一个脉冲信号并不能被完整地记录，从而产生舍入误差；而等精度频率采集通过更高频的fx，对最后一个不完整脉冲进行记录，从而得到优于1Hz的频率精度，该精度取决于fx的频率精度。本发明中，通过等精度采集，可以得到0.01Hz甚至更高的频率分辨力，进而通过温度与频率的对应关系，使得温度分辨力可达0.000001℃。
显然，本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (6)

1.一种高精度石英晶体温度计，其特征在于，包括：传感器、电缆以及主机，所述传感器的输出端与所述主机的输入端通过所述电缆连接，其中：
所述传感器为石英晶体温度传感器，用于感测温度，所述传感器的频率信号传输至所述主机；
所述电缆用于将所述频率信号传输至所述主机；
所述主机用于根据所述频率信号完成数据采集，
所述主机包括供电隔离模块，用于对所述传感器采用隔离供电的方式。
2.根据权利要求1所述的高精度石英晶体温度计，其特征在于，所述隔离供电方式为所述传感器供电地线与所述主机内其它地线相隔离。
3.根据权利要求1所述的高精度石英晶体温度计，其特征在于，所述电缆为单芯带屏蔽电缆，包括缆芯和屏蔽线。
4.根据权利要求3所述的高精度石英晶体温度计，其特征在于，所述缆芯用于传感器的供电，也用于频率信号的传输，所述屏蔽线用于保护传感器输出的频率信号不受外界干扰。
5.根据权利要求1所述的高精度石英晶体温度计，其特征在于，所述主机的供电隔离模块包括变压器，根据电磁感应原理通过变压器将所述传感器频率信号进行隔离传输。
6.根据权利要求1所述的高精度石英晶体温度计，其特征在于，所述主机包括信号采集模块，所述信号采集模块采用等精度频率采集方式。
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