CN108593124B - 支持NB-IoT的高精度温度传感器 - Google Patents

支持NB-IoT的高精度温度传感器 Download PDF

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Abstract

本发明支持NB‑IoT的高精度温度传感器涉及一种可以在工业、科研环境下应用的高分辨率、高精确度、高稳定性、低功耗，支持物联网，便于海量互联，远距离传输、共享信号的温度传感器。本发明包括石英晶体探头(1)、卫星导航系统天线(2)、卫星导航系统模块(3)、ASIC(4)、NB‑IoT芯片(5)、NB‑IoT天线(6)、钛酸锂充电电池(7)和ABS工程塑料外壳和硅橡胶防水套；本发明可以在零下50℃到零上60℃的环境下工作；防护等级IP67，完全防止粉尘进入及可于短时间内耐浸水(1m)；低功耗，2节钛酸锂充电电池可持续工作4年；通过NB‑IoT基站和云端数据库与NB‑IoT其他用户、控制中心、显示中心共享高分辨率、高精确度、高稳定性、低功耗，支持物联网，便于海量互联，远距离传输的温度信号。

Description

支持NB-IoT的高精度温度传感器
(一)技术领域：
本发明支持NB-IoT的高精度温度传感器涉及一种可以在工业、科研环境下应用的高分辨率、高精确度、高稳定性、低功耗，支持物联网，便于海量互联，远距离传输、共享信号的温度传感器。
(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。
现有技术的“成为GPS导航仪和GPS智能导航手机的附加功能的GPS授时的石英晶体温度计”和“成为北斗导航仪和北斗智能导航手机的附加功能的北斗授时的石英晶体温度计”以互联网为技术手段，有可能实现高精度的温度测量的互联网移动应用。
NB-IoT(Narrow Band Internet of Things窄带-物联网)是基于蜂窝的窄带物联网技术。
(三)发明内容：
所要解决的技术问题：
解决现有技术的“成为GPS导航仪和GPS智能导航手机的附加功能的GPS授时的石英晶体温度计”和“成为北斗导航仪和北斗智能导航手机的附加功能的北斗授时的石英晶体温度计”的功耗较高，智能手机待机时间短，在低环境温度和高环境温度下工作可能不正常；对于多数在工业、科研环境下作为温度传感器的集群应用，“成为GPS导航仪和GPS智能导航手机的附加功能的GPS授时的石英晶体温度计”和“成为北斗导航仪和北斗智能导航手机的附加功能的北斗授时的石英晶体温度计”的功能冗余过多。
解决其技术问题采用的技术方案：
本发明支持NB-IoT的高精度温度传感器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、科研环境下应用的高分辨率、高精确度、高稳定性、低功耗，支持物联网，便于海量互联，远距离传输、共享信号的温度传感器。
本发明一种支持NB-IoT的高精度温度传感器，其特征在于：包括石英晶体探头(1)、卫星导航系统天线(2)、卫星导航系统模块(3)、ASIC(4)、NB-IoT芯片(5)、NB-IoT天线(6)、钛酸锂充电电池(7)和ABS工程塑料外壳和硅橡胶防水套；卫星导航系统天线(2)接收卫星导航系统授时信号，卫星导航系统模块(3)输出高精度秒脉冲到ASIC(4)；秒脉冲宽度小于10ns；ASIC(4)集成有振荡器、高速计数器、运算器、时标发生器、存储器、显示单元、电源管理单元；石英晶体探头(1)与ASIC(4)的振荡器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ASIC(4)的振荡器共同组成高Q值石英晶体振荡器，输出正弦波；ASIC(4)的高速计数器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；高速计数器数出1s内的尖脉冲数即为石英晶体探头(1)的频率，高速计数器的高频计数上限为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；ASIC(4)的运算器按石英晶体探头(1)的窄尖脉冲数——温度曲线，将尖脉冲数换算为温度，再加上时标后存入ASIC(4)的存储器；在ASIC(4)的显示单元上显示即时温度℃、即时温度变化速率℃/min；时标发生器为日历时间，与高精度秒脉冲同步步进；温度信号加注时标信号后，经NB-IoT芯片(5)和NB-IoT天线(6)发往NB-IoT基站；通过NB-IoT基站和云端数据库与NB-IoT其他用户、控制中心、显示中心共享高分辨率、高精确度、高稳定性、低功耗，支持物联网，便于海量互联，远距离传输的温度信号；支持NB-IoT的高精度温度传感器可以在零下50℃到零上60℃的环境下工作；防护等级IP67，完全防止粉尘进入及可于短时间内耐浸水(1m)；量程为一50℃到250℃；在全量程范围内测量精度为1mK；支持NB-IoT的高精度温度传感器低功耗，2节钛酸锂充电电池可持续工作4年。
发明的有益效果：
●以易于获取的具有极高精度的卫星授时信号取代基准石英晶体振荡器使本发明支持NB-IoT的高精度温度传感器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)；
●对一台量程为一50℃到250℃的卫星授时的支持NB-IoT的高精度温度传感器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卫星授时信号取代基准石英晶体振荡器使本发明支持NB-IoT的高精度温度传感器的精确度达到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)；
●支持NB-IoT的高精度温度传感器提供了一种可以在工业、科研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、海量互联、共享信号的温度传感器；
●支持NB-IoT的高精度温度传感器在火电站可用于冷却塔实时优化闭环控制、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；
●支持NB-IoT的高精度温度传感器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、医疗等行业；
●支持NB-IoT的高精度温度传感器可以在零下50℃到零上60℃的环境下工作；防护等级IP67，完全防止粉尘进入及可于短时间内耐浸水(1m)；
●支持NB-IoT的高精度温度传感器低功耗，2节钛酸锂充电电池可持续工作4年。
(四)附图说明：
图1为支持NB-IoT的高精度温度传感器的系统图。
在图1中：
1 石英晶体探头、 2 卫星导航系统天线、
3 卫星导航系统模块、 4 ASIC、
5 NB-IoT芯片、 6 NB-IoT天线、
7 钛酸锂充电电池。
(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℃的使用北斗卫星导航系统的支持NB-IoT的高精度温度传感器为例说明实现发明的优选方式。
本发明支持NB-IoT的高精度温度传感器(北斗方案)包括石英晶体探头(1)、卫星导航系统天线(2)、卫星导航系统模块(3)、ASIC(4)、NB-IoT芯片(5)、NB-IoT天线(6)、钛酸锂充电电池(7)和ABS工程塑料外壳和硅橡胶防水套；卫星导航系统天线(2)接收卫星导航系统授时信号，卫星导航系统模块(3)输出高精度秒脉冲到ASIC(4)；ASIC(4)集成有振荡器、高速计数器、运算器、时标发生器、存储器、显示单元、电源管理单元；振荡器和石英晶体探头(1)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，高速计数器在卫星导航系统模块(3)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)，该窄尖脉冲数与石英晶体探头(1)的温度单值相关；存储器内存有该特定的石英晶体探头(1)的窄尖脉冲数——温度曲线，经运算单元和显示单元，显示即时温度及即时温度变化速率；时标发生器为日历时间，与高精度秒脉冲同步步进；温度信号加注时标信号后，经NB-IoT芯片(5)和NB-IoT天线(6)发往NB-IoT基站；通过NB-IoT基站和云端数据库与NB-IoT其他用户、控制中心、显示中心共享高分辨率、高精确度、高稳定性、低功耗，支持物联网，便于海量互联，远距离传输的温度信号。
卫星导航系统天线(2)在本实施例中，具体化为北斗天线；卫星导航系统模块(3)在本实施例中，具体化为北斗模块；
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，一50℃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)的窄尖脉冲数——温度曲线存入ASIC(4)的存储器，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ASIC(4)的振荡器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ASIC(4)的振荡器共同组成高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。
ASIC(4)的高速计数器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；高速计数器数出1s内的尖脉冲数即为石英晶体探头(1)的频率，高速计数器的高频计数上限为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。
ASIC(4)的运算器按石英晶体探头(1)的窄尖脉冲数——温度曲线，将尖脉冲数换算为温度，再加上时标后存入ASIC(4)的存储器；在ASIC(4)的显示单元上显示即时温度℃、即时温度变化速率℃/min。
北斗天线接收北斗卫星授时信号，北斗模块输出高精度秒脉冲到ASIC(4)；秒脉冲宽度小于10ns。
实施例2：
现结合图1以一台量程为一50℃到250℃的使用GPS卫星导航系统的支持NB-IoT的高精度温度传感器为例说明实现发明的优选方式。
本发明支持NB-IoT的高精度温度传感器(GPS方案)包括石英晶体探头(1)、卫星导航系统天线(2)、卫星导航系统模块(3)、ASIC(4)、NB-IoT芯片(5)、NB-IoT天线(6)、钛酸锂充电电池(7)和ABS工程塑料外壳和硅橡胶防水套；卫星导航系统天线(2)接收卫星导航系统授时信号，卫星导航系统模块(3)输出高精度秒脉冲到ASIC(4)；ASIC(4)集成有振荡器、高速计数器、运算器、时标发生器、存储器、显示单元、电源管理单元；振荡器和石英晶体探头(1)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，高速计数器在卫星导航系统模块(3)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)，该窄尖脉冲数与石英晶体探头(1)的温度单值相关；存储器内存有该特定的石英晶体探头(1)的窄尖脉冲数——温度曲线，经运算单元和显示单元，显示即时温度及即时温度变化速率；时标发生器为日历时间，与高精度秒脉冲同步步进；温度信号加注时标信号后，经NB-IoT芯片(5)和NB-IoT天线(6)发往NB-IoT基站；通过NB-IoT基站和云端数据库与NB-IoT其他用户、控制中心、显示中心共享高分辨率、高精确度、高稳定性、低功耗，支持物联网，便于海量互联，远距离传输的温度信号。
卫星导航系统天线(2)在本实施例中，具体化为GPS天线；卫星导航系统模块(3)在本实施例中，具体化为GPS模块；
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，一50℃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)的窄尖脉冲数——温度曲线存入ASIC(4)的存储器，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ASIC(4)的振荡器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ASIC(4)的振荡器共同组成高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。
ASIC(4)的高速计数器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；高速计数器数出1s内的尖脉冲数即为石英晶体探头(1)的频率，高速计数器的高频计数上限为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。
ASIC(4)的运算器按石英晶体探头(1)的窄尖脉冲数——温度曲线，将尖脉冲数换算为温度，再加上时标后存入ASIC(4)的存储器；在ASIC(4)的显示单元上显示即时温度℃、温度变化速率℃/min。
GPS天线接收GPS卫星授时信号，GPS模块输出高精度秒脉冲到ASIC(4)；秒脉冲宽度小于10ns。
实施例3：
现结合图1以一台量程为-50℃到250℃的使用GLONASS卫星导航系统的支持NB-IoT的高精度温度传感器(GLONASS方案)为例说明实现发明的优选方式。
本发明支持NB-IoT的高精度温度传感器(GLONASS方案)包括石英晶体探头(1)、卫星导航系统天线(2)、卫星导航系统模块(3)、ASIC(4)、NB-IoT芯片(5)、NB-IoT天线(6)、钛酸锂充电电池(7)和ABS工程塑料外壳和硅橡胶防水套；卫星导航系统天线(2)接收卫星导航系统授时信号，卫星导航系统模块(3)输出高精度秒脉冲到ASIC(4)；ASIC(4)集成有振荡器、高速计数器、运算器、时标发生器、存储器、显示单元、电源管理单元；振荡器和石英晶体探头(1)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，高速计数器在卫星导航系统模块(3)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)，该窄尖脉冲数与石英晶体探头(1)的温度单值相关；存储器内存有该特定的石英晶体探头(1)的窄尖脉冲数——温度曲线，经运算单元和显示单元，显示即时温度及即时温度变化速率；时标发生器为日历时间，与高精度秒脉冲同步步进；温度信号加注时标信号后，经NB-IoT芯片(5)和NB-IoT天线(6)发往NB-IoT基站；通过NB-IoT基站和云端数据库与NB-IoT其他用户、控制中心、显示中心共享高分辨率、高精确度、高稳定性、低功耗，支持物联网，便于海量互联，远距离传输的温度信号。
卫星导航系统天线(2)在本实施例中，具体化为GLONASS天线；卫星导航系统模块(3)在本实施例中，具体化为GLONASS模块；
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，一50℃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)的窄尖脉冲数——温度曲线存入ASIC(4)的存储器，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ASIC(4)的振荡器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ASIC(4)的振荡器共同组成高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。
ASIC(4)的高速计数器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；高速计数器数出1s内的尖脉冲数即为石英晶体探头(1)的频率，高速计数器的高频计数上限为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。
ASIC(4)的运算器按石英晶体探头(1)的窄尖脉冲数——温度曲线，将尖脉冲数换算为温度，再加上时标后存入ASIC(4)的存储器；在ASIC(4)的显示单元上显示即时温度℃、温度变化速率℃/min。
GLONASS天线接收GLONASS卫星授时信号，GLONASS模块输出高精度秒脉冲到ASIC(4)；秒脉冲宽度小于10ns。

Claims (1)

1.一种支持NB-IoT的高精度温度传感器，其特征在于：包括石英晶体探头(1)、卫星导航系统天线(2)、卫星导航系统模块(3)、ASIC(4)、NB-IoT芯片(5)、NB-IoT天线(6)、钛酸锂充电电池(7)和ABS工程塑料外壳和硅橡胶防水套；卫星导航系统天线(2)接收卫星导航系统授时信号，卫星导航系统模块(3)输出高精度秒脉冲到ASIC(4)；秒脉冲宽度小于10ns；ASIC(4)集成有振荡器、高速计数器、运算器、时标发生器、存储器、显示单元、电源管理单元；石英晶体探头(1)与ASIC(4)的振荡器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ASIC(4)的振荡器共同组成高Q值石英晶体振荡器，输出正弦波；ASIC(4)的高速计数器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；高速计数器数出1s内的尖脉冲数即为石英晶体探头(1)的频率，高速计数器的高频计数上限为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；ASIC(4)的运算器按石英晶体探头(1)的窄尖脉冲数——温度曲线，将尖脉冲数换算为温度，再加上时标后存入ASIC(4)的存储器；在ASIC(4)的显示单元上显示即时温度℃、即时温度变化速率℃/min；时标发生器为日历时间，与高精度秒脉冲同步步进；温度信号加注时标信号后，经NB-IoT芯片(5)和NB-IoT天线(6)发往NB-IoT基站；通过NB-IoT基站和云端数据库与NB-IoT其他用户、控制中心、显示中心共享高分辨率、高精确度、高稳定性、低功耗，支持物联网，便于海量互联，远距离传输的温度信号；支持NB-IoT的高精度温度传感器可以在零下50℃到零上60℃的环境下工作；防护等级IP67，完全防止粉尘进入及可于短时间内耐浸水(1m)；量程为-50℃到250℃；在全量程范围内测量精度为1mK；支持NB-IoT的高精度温度传感器低功耗，2节钛酸锂充电电池可持续工作4年。
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