JP2012032194A - Probe for crystal temperature measurement, and crystal temperature measurement device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水晶振動子の発振周波数に基づいて温度を計測するための水晶温度センサ、水晶温度計測用プローブ、水晶温度計測装置に関する。 The present invention relates to a crystal temperature sensor, a crystal temperature measuring probe, and a crystal temperature measuring device for measuring temperature based on an oscillation frequency of a crystal resonator.
水晶振動子は、形状等により定まる固有の発振周波数(振動周波数)を有している。この発振周波数は、下記の式により表されることが知られている。
ここで、各変数は下記のようになっている。
f:固有の発振周波数
n:オーバートーン次数
t:水晶振動子の厚さ
ρ:密度
Cij:弾性定数
Here, each variable is as follows.
f: Intrinsic oscillation frequency n: Overtone order t: Quartz crystal thickness ρ: Density Cij: Elastic constant
一般的に水晶振動子は、周波数温度特性が少なく最も安定的な周波数を発生する発振素子として、無線通信機、各種計測器等の周波数源として使用されている。しかし、結晶から切り出す角度である切断角度(切断方位)によっては、温度により発振周波数が大きく変化する特性を有するものがあり、代表的なものとしてYカット、LCカット等がある。 In general, a crystal resonator is used as a frequency source for a radio communication device, various measuring instruments, and the like as an oscillating element that generates a most stable frequency with low frequency temperature characteristics. However, depending on the cutting angle (cutting orientation), which is the angle cut from the crystal, there are those having the characteristic that the oscillation frequency changes greatly depending on the temperature. Typical examples include Y-cut and LC-cut.
このような水晶振動子の特性を利用し、温度に対する周波数変化が直線的になるような切断方位の水晶振動子を用いて、水晶振動子の発振周波数を測定することにより温度を測定する温度計測装置が用いられている(例えば、特許文献1、2参照。)。そして、周波数は高い分解能で測定可能なため、このような水晶振動子を用いた温度計測装置によれば、1/10000℃の分解能というような高い測定精度での温度計測を実現することができる。
Temperature measurement that measures the temperature by measuring the oscillation frequency of the crystal resonator using a crystal resonator with a cutting orientation that makes the frequency change with temperature linear. An apparatus is used (for example, refer to
しかし、水晶振動子の周波数温度特性は、経年変化により変動する。そして、水晶振動子を用いた温度計測装置では、予め設定した発振周波数と温度との関係に基づいて温度測定を行っているため、水晶振動子の周波数温度特性が変化してしまうと測定結果がずれてしまうことになる。 However, the frequency-temperature characteristics of the quartz resonator vary with time. In a temperature measuring device using a crystal resonator, the temperature measurement is performed based on a relationship between a preset oscillation frequency and temperature. It will shift.
このような経年変化による周波数温度特性の変化による測定誤差防止のため、通常は定期的にメンテナンスを行って装置の校正を実施することにより、周波数を温度に変換する際の係数を再計算している。 In order to prevent measurement errors due to changes in frequency temperature characteristics due to such secular changes, it is usual to perform periodic maintenance and calibrate the equipment to recalculate the coefficient for converting frequency to temperature. Yes.
ところで、近年では、地球温暖化等の地球環境の変化が問題になっている。そのため、地殻変動、海水温の変化等を監視して地球環境の変化を長期的に観測するために、上述したような水晶温度計測装置を用いて、地下水、深井戸、地殻熱、深海の海水温度等を測定することが行われている。また、気象・海象観測用として上述したような水晶温度計測装置を太洋上に設置して無人で海水温度を測定するような用途にも用いられる。 In recent years, changes in the global environment such as global warming have become a problem. Therefore, in order to observe crustal deformation, changes in seawater temperature, etc. and observe changes in the global environment over a long period of time, using the crystal temperature measuring device as described above, groundwater, deep wells, crustal heat, deep seawater Measuring temperature etc. is performed. Moreover, it is used also for the use which measures the seawater temperature unattended by installing the crystal temperature measuring apparatus as mentioned above for the weather and sea state observation on the ocean.
ところが、このような場所に水晶温度計測装置を設置した場合、一度設置された装置を取り外すには非常な手間がかかり現実的には不可能なことがある。そのため、水晶温度計測装置を設置後に校正するようなことができず、経年変化により測定精度が劣化することを防止できないという問題が発生する。 However, when the crystal temperature measuring device is installed in such a place, it may be impossible to remove the device once installed because it takes a lot of work. Therefore, the quartz temperature measuring device cannot be calibrated after installation, and there arises a problem that it is impossible to prevent the measurement accuracy from deteriorating due to secular change.
また、水晶温度計測装置により深海の海水温度や地殻熱を測定しようとする場合、水晶温度計測用プローブを深海の海底や観測坑内に設置し、海上または地上に設置した計測装置本体部(周波数カウンタ)との間をケーブルにて接続する必要がある。そして、測定環境によっては、このケーブルの長さは数百mにも及ぶことがある。このような場合、水晶温度計測用プローブにおいて生成された10.6MHz程度の高周波信号を数百mの間ロスなく伝送するためには同軸ケーブル以外の一般計測用ケーブルでは減衰が大きくて使用することができず、従来技術においては同軸ケーブルのみを使用していた。 In addition, when you want to measure seawater temperature and crustal heat in the deep sea using a crystal temperature measuring device, a crystal temperature measuring probe is installed on the deep sea floor or in an observation mine, and the measuring device main body (frequency counter) ) Must be connected with a cable. Depending on the measurement environment, the length of this cable may be several hundred meters. In such a case, in order to transmit a high frequency signal of about 10.6 MHz generated by the crystal temperature measurement probe without loss for several hundred meters, use a general measurement cable other than a coaxial cable with a large attenuation. In the prior art, only a coaxial cable was used.
しかし昨今では、地球環境変化を観測する項目が増加してきており温度以外の様々な測定項目について測定を行うようにシステム化されて統一化されてきている。そのため、このような測定項目を測定するためのシステムにおいては、使用するケーブルについても同様に統一化されてきている。そして、これらのケーブルについては計測用ケーブルが多数を占めている。従って、温度測定を行うためだけに同軸ケーブルが必要となるような水晶温度測定装置の使用は制限されてきており、同軸ケーブル以外のケーブルも使用できるような柔軟で多様性のあるような技術が求められていた。 In recent years, however, the number of items for observing changes in the global environment has increased, and the system has been unified to measure various measurement items other than temperature. Therefore, in the system for measuring such measurement items, the cables to be used have been similarly unified. And about these cables, the cable for a measurement occupies many. Therefore, the use of crystal temperature measuring devices that require a coaxial cable only for temperature measurement has been limited, and there is a flexible and diverse technology that can use cables other than coaxial cables. It was sought after.
さらに、従来の水晶温度計測装置では、温度計測用プローブからのセンサ信号周波数が高いため、センサ信号周波数を測定するための周波数カウンタが使用する基準クロック信号についてもより高い分解能、精度を要求される場合は高精度なものを必要として、±1×10-9(10MHz)のOCXO(恒温槽付水晶発振器)やルビジウム周波数標準器を使用する必要があり経済性を悪化させていた。 Furthermore, in the conventional crystal temperature measuring device, since the sensor signal frequency from the temperature measuring probe is high, higher resolution and accuracy are required for the reference clock signal used by the frequency counter for measuring the sensor signal frequency. In some cases, a high precision was required, and it was necessary to use a ± 1 × 10 −9 (10 MHz) OCXO (quartz crystal oscillator with constant temperature bath) or a rubidium frequency standard, which deteriorated the economy.
このように上記従来技術では、水晶振動子の周波数温度特性が経年変化により変動してしまうと、校正を実施することが困難な場合には、測定温度に誤差が発生してしまうという課題があった。 As described above, when the frequency temperature characteristics of the crystal unit fluctuate due to secular change, there is a problem that an error occurs in the measured temperature when calibration is difficult. It was.
また、上記従来技術では、水晶温度計測用プローブと計測装置本体部との間の接続に同軸ケーブルを使用する必要があるという課題もあった。 Further, the above-described conventional technique has a problem that a coaxial cable needs to be used for connection between the crystal temperature measurement probe and the measurement apparatus main body.
さらに、上記従来技術では、水晶温度計測用プローブからのセンサ周波数信号を測定するための周波数カウンタが使用する基準クロック信号についても高精度なものが必要であるという課題もあった。 Further, the above-described prior art has a problem that a high-precision reference clock signal used by a frequency counter for measuring a sensor frequency signal from the crystal temperature measurement probe is required.
本発明の目的は、水晶振動子の発振周波数に基づいて温度測定を行う際に、校正を行うことができない場合でも、経年変化に伴う測定誤差の発生を抑制することが可能な水晶温度センサ、水晶温度計測用プローブ、水晶温度計測装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide a crystal temperature sensor capable of suppressing the occurrence of measurement errors due to aging even when calibration cannot be performed when performing temperature measurement based on the oscillation frequency of a crystal resonator, To provide a crystal temperature measuring probe and a crystal temperature measuring device.
また、本発明の他の目的は、水晶温度計測用プローブと計測装置本体部との間を接続するためのケーブルに、同軸ケーブル以外の多様なケーブルを使用することが可能な水晶温度センサ、水晶温度計測用プローブ、水晶温度計測装置を提供することである。 Another object of the present invention is to provide a crystal temperature sensor and a crystal that can use various cables other than a coaxial cable as a cable for connecting the crystal temperature measuring probe and the measuring device main body. It is to provide a temperature measurement probe and a crystal temperature measurement device.
さらに、本発明の他の目的は、測定精度を落とすことなく、水晶温度計測用プローブからのセンサ周波数信号を測定するための周波数カウンタが使用する基準クロック信号に必要な精度を緩和することが可能な水晶温度センサ、水晶温度計測用プローブ、水晶温度計測装置を提供することである。 Another object of the present invention is to reduce the accuracy required for the reference clock signal used by the frequency counter for measuring the sensor frequency signal from the crystal temperature measurement probe without degrading the measurement accuracy. A crystal temperature sensor, a crystal temperature measuring probe, and a crystal temperature measuring device are provided.
[水晶温度センサ]
本発明の水晶温度センサは、発振周波数が温度に対して安定的な温度特性を有する第1の水晶振動子と、
前記第1の水晶振動子と比較して、発振周波数が温度に対して大きく変化するような温度特性を有する第2の水晶振動子とを備えている。
[Crystal temperature sensor]
The crystal temperature sensor of the present invention includes a first crystal unit having a temperature characteristic in which an oscillation frequency is stable with respect to temperature,
Compared with the first crystal unit, a second crystal unit having temperature characteristics such that the oscillation frequency changes greatly with respect to temperature is provided.
また、本発明の水晶温度センサは、前記第1の水晶振動子および前記第2の水晶振動子を、同一種類の原材料から切り出され、形状および材料がほぼ同一な水晶振動子とするようにしても良い。 In the quartz temperature sensor according to the present invention, the first crystal unit and the second crystal unit may be cut from the same type of raw material and have substantially the same shape and material. Also good.
さらに、本発明の水晶温度センサは、前記第1の水晶振動子を、切断方位がATカットの水晶振動子とし、前記第2の水晶振動子を、切断方位がYカットまたはLCカットの水晶振動子とするようにしても良い。 Furthermore, in the crystal temperature sensor of the present invention, the first crystal unit is an AT-cut crystal unit, and the second crystal unit is a Y-cut or LC-cut crystal unit. You may make it a child.
[水晶温度計測用プローブ]
本発明の水晶温度計測用プローブは、発振周波数が温度に対して安定的な温度特性を有する第1の水晶振動子と、
前記第1の水晶振動子と比較して、発振周波数が温度に対して大きく変化するような温度特性を有する第2の水晶振動子と
前記第1の水晶振動子を発振素子として用いて特定の発振周波数の信号を生成する第1の発振回路と、
前記第2の水晶振動子を発振素子として用いて特定の発振周波数の信号を生成する第2の発振回路と、
前記第1の発振回路の発振周波数と前記第2の発振回路の発振周波数との差の周波数成分の信号を生成する差分周波数生成回路とを備えている。
[Crystal temperature measurement probe]
A crystal temperature measuring probe according to the present invention includes a first crystal resonator having a temperature characteristic in which an oscillation frequency is stable with respect to temperature,
Compared with the first crystal unit, a second crystal unit having a temperature characteristic such that the oscillation frequency changes greatly with respect to temperature, and the first crystal unit using the first crystal unit as an oscillation element A first oscillation circuit for generating a signal having an oscillation frequency;
A second oscillation circuit that generates a signal of a specific oscillation frequency using the second crystal resonator as an oscillation element;
A differential frequency generation circuit that generates a signal having a frequency component that is a difference between the oscillation frequency of the first oscillation circuit and the oscillation frequency of the second oscillation circuit;
また、本発明の水晶温度計測用プローブは、前記差分周波数生成回路により生成された信号を2線式の信号として出力する出力回路をさらに備えた構成としても良い。 The crystal temperature measuring probe according to the present invention may further include an output circuit that outputs a signal generated by the difference frequency generation circuit as a two-wire signal.
また、本発明の水晶温度計測用プローブは、前記差分周波数生成回路により生成された信号を3線式の信号として出力する出力回路をさらに備えた構成としても良い。 The crystal temperature measuring probe according to the present invention may further include an output circuit that outputs a signal generated by the difference frequency generation circuit as a three-wire signal.
また、本発明の他の水晶温度計測用プローブは、発振周波数が温度に対して安定的な温度特性を有する第1の水晶振動子と、
前記第1の水晶振動子と比較して、発振周波数が温度に対して大きく変化するような温度特性を有する複数の第2の水晶振動子と、
前記第1の水晶振動子を発振素子として用いて特定の発振周波数の信号を生成する第1の発振回路と、
前記複数の第2の水晶振動子を発振素子として用いて特定の発振周波数の信号を生成する複数の第2の発振回路と、
前記第1の発振回路の発振周波数と前記複数の第2の発振回路の発振周波数との差の周波数成分の信号をそれぞれ生成する差分周波数生成回路とを備えている。
Further, another crystal temperature measuring probe of the present invention includes a first crystal resonator having a temperature characteristic in which an oscillation frequency is stable with respect to temperature,
A plurality of second crystal resonators having a temperature characteristic such that the oscillation frequency changes greatly with respect to temperature compared to the first crystal resonator;
A first oscillation circuit that generates a signal of a specific oscillation frequency using the first crystal resonator as an oscillation element;
A plurality of second oscillation circuits that generate signals of a specific oscillation frequency using the plurality of second crystal resonators as oscillation elements;
A differential frequency generation circuit that generates a signal having a frequency component that is a difference between an oscillation frequency of the first oscillation circuit and an oscillation frequency of the plurality of second oscillation circuits.
また、本発明の水晶温度計測用プローブは、前記差分周波数生成回路により生成された複数の信号を2線式の信号として出力する出力回路をさらに備えた構成としても良い。 The crystal temperature measuring probe according to the present invention may further include an output circuit that outputs a plurality of signals generated by the differential frequency generation circuit as a two-wire signal.
また、本発明の水晶温度計測用プローブは、前記差分周波数生成回路により生成された複数の信号を3線式の信号として出力する出力回路をさらに備えた構成としても良い。 The crystal temperature measuring probe of the present invention may further include an output circuit that outputs a plurality of signals generated by the difference frequency generation circuit as a three-wire signal.
[水晶温度計測装置]
本発明の水晶温度計測装置は、発振周波数が温度に対して安定的な温度特性を有する第1の水晶振動子と、前記第1の水晶振動子と比較して発振周波数が温度に対して大きく変化するような温度特性を有する第2の水晶振動子と、前記第1の水晶振動子を発振素子として用いて特定の発振周波数の信号を生成する第1の発振回路と、前記第2の水晶振動子を発振素子として用いて特定の発振周波数の信号を生成する第2の発振回路と、前記第1の発振回路の発振周波数と前記第2の発振回路の発振周波数との差の周波数成分の信号を生成する差分周波数生成回路と、前記差分周波数生成回路により生成された信号を出力する出力回路とを備えた水晶温度計測用プローブと、
前記水晶温度計測用プローブから受信した信号の周波数を計測する周波数カウンタと、前記周波数カウンタにより計測された周波数を測定温度に変換する変換手段と、前記変換手段により得られた測定温度を表示する表示器とを備えた計測装置本体部とを有する。
[Crystal temperature measuring device]
The crystal temperature measuring device of the present invention includes a first crystal resonator having a temperature characteristic in which the oscillation frequency is stable with respect to temperature, and the oscillation frequency is larger than the temperature of the first crystal resonator. A second crystal resonator having temperature characteristics that change, a first oscillation circuit that generates a signal of a specific oscillation frequency using the first crystal resonator as an oscillation element, and the second crystal A second oscillation circuit that generates a signal having a specific oscillation frequency using an oscillator as an oscillation element; and a frequency component of a difference between an oscillation frequency of the first oscillation circuit and an oscillation frequency of the second oscillation circuit A quartz temperature measuring probe comprising a differential frequency generating circuit for generating a signal and an output circuit for outputting a signal generated by the differential frequency generating circuit;
A frequency counter for measuring the frequency of the signal received from the crystal temperature measuring probe, a conversion means for converting the frequency measured by the frequency counter into a measurement temperature, and a display for displaying the measurement temperature obtained by the conversion means A measuring device main body provided with a measuring instrument.
本発明では、水晶温度計測用プローブにおいて、温度特性が異なる第1および第2の水晶振動子に基づいて生成された信号の差分の周波数の信号が生成され、計測装置本体部では、この差分の周波数に基づいて測定温度が算出される。一般的に水晶振動子は、時間経過に伴い同じような方向に特性変化が起きるため、第1および第2の2つの水晶振動子の発振周波数の差分を取ることにより、特性変化が打ち消される。そのため、本発明によれば、水晶振動子の発振周波数に基づいて温度測定を行う際に、経年変化に伴う測定誤差の発生を抑制することが可能となる。 In the present invention, in the crystal temperature measurement probe, a signal having a frequency difference between the signals generated based on the first and second crystal resonators having different temperature characteristics is generated. A measured temperature is calculated based on the frequency. In general, a crystal resonator changes in characteristics in the same direction as time passes. Therefore, by taking the difference between the oscillation frequencies of the first and second crystal resonators, the characteristic change is canceled out. Therefore, according to the present invention, when temperature measurement is performed based on the oscillation frequency of the crystal resonator, it is possible to suppress generation of measurement errors due to aging.
特に、第1および第2の水晶振動子を、同一種類の原材料から切り出され、形状および材料がほぼ同一な水晶振動子とすることにより、時間経過に伴う特性変化を近づけることが可能となり、経年変化に伴う測定誤差の発生をより効果的に抑制することが可能となる。 In particular, the first and second crystal resonators are cut out from the same type of raw material, and the crystal resonators having substantially the same shape and material can be made closer to changes in characteristics over time. It is possible to more effectively suppress the occurrence of measurement errors due to changes.
また、本発明では、水晶温度計測用プローブから計測装置本体部に伝送される信号の周波数は、第1および第2の水晶振動子の発振周波数と比較して大幅に低い周波数となるため、水晶温度計測用プローブと計測装置本体部との間を接続するためのケーブルを同軸ケーブルのような高周波数帯域での損失が少ないケーブルとする必要が無くなる。そのため、本発明によれば、水晶温度計測用プローブと計測装置本体部との間を接続するためのケーブルを同軸ケーブル以外の一般的なケーブルを使用することが可能になる。 In the present invention, the frequency of the signal transmitted from the crystal temperature measurement probe to the measuring device main body is significantly lower than the oscillation frequency of the first and second crystal units. The cable for connecting between the temperature measurement probe and the measurement apparatus main body need not be a cable having a low loss in a high frequency band such as a coaxial cable. Therefore, according to the present invention, it is possible to use a general cable other than the coaxial cable as a cable for connecting the crystal temperature measurement probe and the measurement apparatus main body.
さらに、本発明では、計測装置本体部の周波数カウンタにより測定される水晶温度計測用プローブからのセンサ信号の周波数が低い周波数となるため、温度測定の測定精度を落とすことなく、周波数カウンタが使用する基準クロック信号に必要な精度を緩和することが可能になる。 Furthermore, in the present invention, since the frequency of the sensor signal from the crystal temperature measuring probe measured by the frequency counter of the measuring device main body is a low frequency, the frequency counter is used without reducing the measurement accuracy of the temperature measurement. It becomes possible to relax the accuracy required for the reference clock signal.
また、本発明の水晶温度計測装置は、前記水晶温度計測用プローブが、前記差分周波数生成回路により生成された信号を2線式の信号として出力する出力回路をさらに備え、
前記周波数カウンタは、前記水晶温度計測用プローブから受信した2線式の信号の周波数を計測するようにしても良い。
The crystal temperature measuring device of the present invention further includes an output circuit in which the crystal temperature measuring probe outputs a signal generated by the differential frequency generation circuit as a two-wire signal,
The frequency counter may measure the frequency of a two-wire signal received from the crystal temperature measuring probe.
また、本発明の水晶温度計測装置は、前記水晶温度計測用プローブが、前記差分周波数生成回路により生成された信号を3線式の信号として出力する出力回路をさらに備え、
前記周波数カウンタは、前記水晶温度計測用プローブから受信した3線式の信号の周波数を計測するようにしても良い。
The crystal temperature measuring device of the present invention further includes an output circuit in which the crystal temperature measuring probe outputs a signal generated by the difference frequency generation circuit as a three-wire signal,
The frequency counter may measure the frequency of a three-wire signal received from the crystal temperature measuring probe.
また、本発明の他の水晶温度計測装置は、発振周波数が温度に対して安定的な温度特性を有する第1の水晶振動子と、前記第1の水晶振動子と比較して発振周波数が温度に対して大きく変化するような温度特性を有する複数の第2の水晶振動子と、前記第1の水晶振動子を発振素子として用いて特定の発振周波数の信号を生成する第1の発振回路と、前記複数の第2の水晶振動子を発振素子として用いて特定の発振周波数の信号を生成する複数の第2の発振回路と、前記第1の発振回路の発振周波数と前記複数の第2の発振回路の発振周波数との差の周波数成分の信号をそれぞれ生成する差分周波数生成回路と、前記差分周波数生成回路により生成された複数の信号を出力する出力回路とを備えた水晶温度計測用プローブと、
前記水晶温度計測用プローブから受信した複数の信号の周波数をそれぞれ計測する周波数カウンタと、前記周波数カウンタにより計測された複数の周波数をそれぞれ測定温度に変換する変換手段と、前記変換手段により得られた複数の測定温度を表示する表示器とを備えた計測装置本体部とを有する。
In addition, according to another crystal temperature measuring apparatus of the present invention, the oscillation frequency of the first crystal resonator having a temperature characteristic that the oscillation frequency is stable with respect to temperature is higher than that of the first crystal resonator. A plurality of second crystal resonators having temperature characteristics that vary greatly with respect to the first oscillation circuit, and a first oscillation circuit that generates a signal of a specific oscillation frequency using the first crystal resonator as an oscillation element; , A plurality of second oscillation circuits that generate signals of a specific oscillation frequency using the plurality of second crystal oscillators as oscillation elements, the oscillation frequency of the first oscillation circuit, and the plurality of second oscillation circuits A crystal temperature measuring probe comprising: a differential frequency generating circuit that generates a signal having a frequency component that is different from the oscillation frequency of the oscillation circuit; and an output circuit that outputs a plurality of signals generated by the differential frequency generating circuit; ,
Obtained by the frequency counter for measuring the frequencies of the plurality of signals received from the quartz temperature measuring probe, the conversion means for converting the frequencies measured by the frequency counter to measured temperatures, respectively, and the conversion means A measuring device main body having a display for displaying a plurality of measured temperatures.
本発明によれば、複数の測定点の温度を測定するような多点計測を行う場合でも、上記で説明したような効果を得ることが可能となる。 According to the present invention, even when performing multipoint measurement such as measuring temperatures at a plurality of measurement points, the effects described above can be obtained.
また、本発明の水晶温度計測装置は、前記水晶温度計測用プローブが、前記差分周波数生成回路により生成された複数の信号を2線式の信号として出力する出力回路をさらに備え、
前記周波数カウンタは、前記水晶温度計測用プローブから受信した2線式の複数の信号の周波数をそれぞれ計測するようにしても良い。
The crystal temperature measuring device of the present invention further includes an output circuit in which the crystal temperature measuring probe outputs a plurality of signals generated by the difference frequency generating circuit as a two-wire signal,
The frequency counter may measure the frequencies of a plurality of two-wire signals received from the crystal temperature measurement probe.
また、本発明の水晶温度計測装置は、前記水晶温度計測用プローブが、前記差分周波数生成回路により生成された複数の信号を3線式の信号として出力する出力回路をさらに備え、
前記周波数カウンタは、前記水晶温度計測用プローブから受信した3線式の複数の信号の周波数をそれぞれ計測するようにしても良い。
The crystal temperature measuring device of the present invention further includes an output circuit in which the crystal temperature measuring probe outputs a plurality of signals generated by the difference frequency generating circuit as a three-wire signal,
The frequency counter may measure the frequencies of a plurality of three-wire signals received from the crystal temperature measuring probe.
本発明によれば、水晶振動子の発振周波数に基づいて温度測定を行う際に、経年変化に伴う測定誤差の発生を抑制することが可能になるという効果を得ることができる。 According to the present invention, when temperature measurement is performed based on the oscillation frequency of the crystal resonator, it is possible to obtain an effect that it is possible to suppress the occurrence of measurement errors due to secular change.
また、本発明によれば、水晶温度計測用プローブと計測装置本体部との間を接続するためのケーブルとして同軸ケーブル以外の一般的なケーブルを使用することが可能になるという効果を得ることができる。 In addition, according to the present invention, it is possible to obtain an effect that a general cable other than the coaxial cable can be used as a cable for connecting the crystal temperature measurement probe and the measurement apparatus main body. it can.
さらに、本発明によれば、測定精度を落とすことなく、水晶温度計測用プローブからのセンサ周波数信号を測定するための周波数カウンタが使用する基準クロック信号に必要な精度を緩和することが可能になるという効果を得ることができる。 Furthermore, according to the present invention, it is possible to relax the accuracy required for the reference clock signal used by the frequency counter for measuring the sensor frequency signal from the crystal temperature measurement probe without reducing the measurement accuracy. The effect that can be obtained.
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。 Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[第1の実施形態]
図1は本発明の第1の実施形態の水晶温度計測装置の構成を示すシステム図である。
[First embodiment]
FIG. 1 is a system diagram showing a configuration of a crystal temperature measuring apparatus according to a first embodiment of the present invention.
本実施形態の水晶温度計測装置は、図1に示されるように、温度を測定しようとする場所に設置される水晶温度計測用プローブ11と、水晶温度計測用プローブ11からの信号に基づいて測定温度の算出および表示を行うための計測装置本体部10と、この水晶温度計測用プローブ11と計測装置本体部10との間を接続するための3線式ケーブル12とから構成されている。
As shown in FIG. 1, the crystal temperature measuring apparatus according to the present embodiment is measured based on a crystal
そして、計測装置本体部10は、図1に示されるように、センサ信号増幅回路13、13aと、センサ用電源回路14、14aと、周波数カウント回路15と、CPU16と、基準クロック生成回路17と、表示器18と、通信インタフェース(IF)回路19と、記憶装置20と、3線式接続端子21と、BNCコネクタ22とを備えている。
As shown in FIG. 1, the measurement apparatus
水晶温度計測用プローブ11との間を接続している3線式ケーブル12は、計測装置本体部10の3線式接続端子21に接続されている。この3線式接続端子21は、信号出力、コモン線、センサ電源の3線を接続する構成となっている。
The three-
なお、BNCコネクタ22は、水晶温度計測用プローブ11と計測装置本体部10との間を同軸ケーブルにより接続する際に使用するものである。本実施形態の水晶振動子温度計測装置は、水晶温度計測用プローブ11と計測装置本体部10との間を3線式ケーブルおよび同軸ケーブルのどちらのケーブルでも接続できるような構成となっている。
The
センサ信号増幅器回路13、13aは、それぞれ、3線式接続端子21からの信号出力またはBNCコネクタ22からの信号出力を増幅して周波数カウント回路15に出力する。このセンサ信号増幅器回路13、13aにおいて増幅される信号の周波数Δfについては、35kHz/25℃の周波数となっている。この信号出力については後述する。なお、ここで「/25℃」という標記は、測定温度が25℃の場合の周波数であることを意味している。
The sensor
センサ用電源回路14、14aは、それぞれ、水晶温度計測用プローブ11において使用されるセンサ電源を供給するための回路である。本実施形態においては一例として、センサ用電源回路14は、5Vの電源を、センサ電源として3線式接続端子21を介して水晶温度計測用プローブ11に供給している。なお、センサ用電源回路14aは、BNCコネクタ22の信号線にセンサ電源を供給し、このセンサ電源は、同軸ケーブルの信号線に重畳されて水晶温度計測用プローブに伝送される。
The sensor
周波数カウント回路15は、水晶温度計測用プローブ11から受信し、センサ信号増幅回路13、13aにおいて増幅された信号の周波数を計測する周波数カウンタとして動作する。
The
CPU16は、周波数カウント回路15により計測された周波数を測定温度に変換する変換手段として機能する。計測された周波数を測定温度に変換する具体的方法については後述する。そして、CPU16は、得られた測定温度を表示器18に表示させたり、通信IF回路19を介して外部に出力する。また、CPU16は、得られた測定温度を記憶装置20に記憶するようにしてもよい。
The
基準クロック生成回路17は、例えば、10MHzのクロック信号を生成して周波数カウント回路15やCPU16に動作クロックとして供給する。
The reference
このように構成される本実施形態の水晶温度計測装置の外観を図2に示す。図2に示した例では、計測装置本体部10の外部にはパーソナルコンピュータ(以下、パソコンと称する。)40が接続されている場合が示されている。図2に示されるように、本実施形態の水晶温度計測装置では、計測装置本体部10は、3線式ケーブル12を介して水晶温度計測用プローブ11に接続されるとともに、パソコン40と、例えば、RS232Cケーブル等により接続されている。そして、計測装置本体部10では、測定温度が表示器18上に表示されている。
FIG. 2 shows the appearance of the crystal temperature measuring apparatus of the present embodiment configured as described above. In the example shown in FIG. 2, a case where a personal computer (hereinafter referred to as a personal computer) 40 is connected to the outside of the measuring apparatus
次に、図1に示した水晶温度計測用プローブ11の構成を、図3を参照して説明する。
水晶温度計測用プローブ11は、図3に示されるように、水晶温度センサ41と、水晶発振回路33、34と、差分周波数生成回路35と、3線式出力回路36とを備えている。また、水晶温度センサ41は、水晶振動子31および水晶振動子32とを有している。
Next, the configuration of the crystal
As shown in FIG. 3, the crystal
水晶振動子32は、発振周波数が温度に依存しないような温度特性、つまり発振周波数が温度に対して安定的な温度特性を有する水晶振動子であり、例えば、切断方位がATカットの水晶振動子である。
The
また、水晶振動子31は、発振周波数が温度に依存するような温度特性、つまり水晶振動子32と比較して発振周波数が温度に対して大きく変化するような温度特性を有する水晶振動子であり、本実施形態では切断方位がYカットの水晶振動子を用いて説明する。また、発振周波数が温度に依存するような温度特性を有する水晶振動子であれば同様に使用可能であり、このような他の具体例としては、切断方位がLCカットの水晶振動子をあげることができる。
The
水晶振動子は、結晶から切り出す角度である切断方位(切断角度)により周波数温度特性が変わってくる。このような切断方位としては、ATカット、BTカット、CTカット、SCカット、LCカット、Yカットというような様々なカット名が付けられている。そして、水晶振動子は、この切断方位に応じて様々な周波数温度特性を有している。 The crystal resonator has a frequency-temperature characteristic that changes depending on a cutting orientation (cutting angle) that is an angle cut from the crystal. As such cutting directions, various cut names such as AT cut, BT cut, CT cut, SC cut, LC cut, and Y cut are given. The crystal resonator has various frequency temperature characteristics according to the cutting direction.
例えば、温度変化に対して周波数安定性が高いとして広く利用されているATカットの水晶振動子と、温度変化に対して周波数が大きく変化するYカットの水晶振動子の周波数温度特性の一例を図4に示す。この図4では、水晶振動子の発振周波数をf、温度変化に対する周波数変動分をΔfとしている。 For example, an example of frequency temperature characteristics of an AT-cut quartz crystal resonator that is widely used as having high frequency stability with respect to a temperature change and a Y-cut quartz crystal resonator whose frequency changes greatly with respect to the temperature change. 4 shows. In FIG. 4, the oscillation frequency of the crystal resonator is f, and the frequency variation with respect to the temperature change is Δf.
この図4を参照すると分かるように、Yカットの水晶振動子の発振周波数は、温度変化に対してほぼ直線的に変化しているのに対して、ATカットの水晶振動子の発振周波数は、ある狭い範囲内であれば温度変化に対してほぼ変化しておらず一定であることがわかる。 As can be seen from FIG. 4, the oscillation frequency of the Y-cut crystal resonator changes almost linearly with respect to the temperature change, whereas the oscillation frequency of the AT-cut crystal resonator is It can be seen that within a certain narrow range, there is almost no change with respect to temperature change and is constant.
また、水晶振動子31、32は、同一種類(グレード)の原材料から切り出され、形状、材料、サイズがほぼ同一となるように構成されている。また、水晶振動子31、32は、できるだけ同一の製造方法・工程により作成されている。これは、水晶振動子31、32は、周波数温度特性以外の経年変化特性については同様な性質となることが好ましいからである。この理由については、後段で詳述する。
Further, the
そして、水晶発振回路33は、水晶振動子31を発振素子として用いて、10.595MHz/25℃(f(Y))の信号を生成する。また、水晶発振回路34は、水晶振動子32を発振素子として用いて10.56MHz/25℃(f(AT))の信号を生成する。
Then, the
差分周波数生成回路35は、水晶発振回路33の発振周波数10.595MHz/25℃と、水晶発振回路34の発振周波数10.56MHz/25℃との差の周波数成分35kHz/25℃(Δf)の信号を生成する。
The difference
そして、3線式出力回路36は、差分周波数生成回路35により生成された35kHzの信号を計測装置本体部10に対して3線式の信号として出力するとともに、計測装置本体部10から供給されてきた5Vのセンサ電源を水晶発振回路33、34や差分周波数生成回路35等に供給する
The three-
なお、水晶振動子31と水晶振動子32を有する水晶温度センサ41は、水晶温度計測用プローブ11の先端に設けられており、この水晶温度センサ41の構造の一例を図5に示す。図5を参照すると、水晶振動子31、32は、温度を測定しようとする場所に対して同じような位置関係となるように保持されているのが分かる。
The
次に、計測装置本体部10との間を同軸ケーブルにより接続する場合に使用される水晶温度計測用プローブ11aの構成を図6に示す。この水晶温度計測用プローブ11aは、図3に示した3線式ケーブル用の水晶温度計測用プローブ11に対して、3線式出力回路36を2線式出力回路36aに置き換えた点のみが異なっている。
Next, FIG. 6 shows the configuration of the crystal
2線式出力回路36aは、差分周波数生成回路35により生成された35kHzの信号を計測装置本体部10に対して同軸ケーブルを介して出力するとともに、計測装置本体部10から同軸ケーブルの信号線に重畳されて供給されてきた5Vのセンサ電源を水晶発振回路33、34や差分周波数生成回路35等に供給する。
The two-wire output circuit 36a outputs the 35 kHz signal generated by the difference
この図6に示した水晶温度計測用プローブ11aを使用する場合、水晶温度計測用プローブ11aと計測装置本体部10との間は同軸ケーブルにより接続され、この同軸ケーブルは計測装置本体部10側ではBNCコネクタ22に接続される。
When the crystal
なお、本実施形態の水晶温度計測装置では、水晶温度計測用プローブと計測装置本体部10との間で伝送される信号は35kHz/25℃程度と低い周波数であるため、同軸ケーブルを使用せずに3線式の一般的なケーブルを使用可能であるが、同軸ケーブルを使用することにより外部からのノイズ等が信号出力に混入することを防止してより高精度な温度測定を実現することができる。
In the crystal temperature measuring device according to the present embodiment, a signal transmitted between the crystal temperature measuring probe and the measuring device
次に、本実施形態の水晶温度計測装置により温度測定を行う際の動作を詳細に説明する。
先ず、水晶温度センサ41内に設置された水晶振動子31(Yカット)、水晶振動子32(ATカット)の発振周波数が温度に基づいてどのように変化するかの一例を図7に示す。
Next, the operation at the time of performing temperature measurement by the crystal temperature measuring device of the present embodiment will be described in detail.
First, FIG. 7 shows an example of how the oscillation frequencies of the crystal resonator 31 (Y cut) and the crystal resonator 32 (AT cut) installed in the
図7を参照すると、Yカットの水晶振動子31の発振周波数f(Y)は、温度が0℃、20℃、・・・・、80℃と変化するのに伴い、10,570,031Hz、10,588,924Hz、・・・・、10,649,914Hzというように大きく変化しているのが分かる。これに対して、ATカットの水晶振動子32の発振周波数f(AT)は、温度が0℃、20℃、・・・・、80℃と変化しているにもかかわらず、10,558,258Hz、10,558,265Hz、・・・・、10,558,387Hzというようにあまり変化していないことが分かる。
Referring to FIG. 7, the oscillation frequency f (Y) of the Y-
そのため、水晶振動子31の発振周波数f(Y)と水晶振動子32の発振周波数f(AT)の差分の周波数Δf(f(Y)−f(AT))は、ほぼ水晶振動子31の発振周波数が変化した分と等しくなっていることがわかる。
Therefore, the difference frequency Δf (f (Y) −f (AT)) between the oscillation frequency f (Y) of the
次に、計測装置本体部10において水晶温度計測用プローブ11から伝送されてきた周波数Δfに基づいて、測定温度を算出する具体的な方法について説明する。
Next, a specific method for calculating the measurement temperature based on the frequency Δf transmitted from the crystal
ただし、先ず最初にYカットの水晶振動子単独で温度測定を行う従来の水晶温度計測装置において、計測された周波数に基づいて測定温度を算出する場合の計算方法について説明を行なう。この計算を行う場合、下記の式(1)に示す計算式を用いる。 However, first, a calculation method in the case of calculating the measurement temperature based on the measured frequency in a conventional crystal temperature measurement apparatus that performs temperature measurement using only a Y-cut crystal resonator alone will be described. When performing this calculation, the calculation formula shown in the following formula (1) is used.
fT−f0=f0(AT+BT2+CT3)・・・・(1) f T −f 0 = f 0 (AT + BT 2 + CT 3 ) (1)
ここで、各変数は下記のようになっている。
T:測定温度
fT:測定温度Tに対する発振周波数
f0:基準温度の発振周波数
A:センサ係数(1次関数)
B:センサ係数(2次関数)
C:センサ係数(3次関数)
Here, each variable is as follows.
T: Measurement temperature f T : Oscillation frequency with respect to measurement temperature T f 0 : Oscillation frequency of reference temperature A: Sensor coefficient (linear function)
B: Sensor coefficient (quadratic function)
C: Sensor coefficient (cubic function)
温度測定の前提として、水晶温度センサは個々の温度特性が異なるため、予め温度測定範囲、校正点数・温度を確認して水晶温度計測装置で校正作業(温度槽内で基準温度計を用いて水晶温度プローブの温度に対する周波数の確認)を行い、基準温度の発振周波数f0、センサ係数A、B、Cを求めておく。 As a precondition for temperature measurement, crystal temperature sensors have different temperature characteristics, so check the temperature measurement range, the number of calibration points and the temperature in advance, and calibrate with a crystal temperature measuring device (use a reference thermometer in the temperature chamber to The frequency with respect to the temperature of the temperature probe is checked), and the oscillation frequency f 0 of the reference temperature and sensor coefficients A, B, and C are obtained.
そして、実際の温度測定の際には、fTが与えられた場合、予め決定されていたf0、A、B、Cと上記の式(1)を用いて測定温度Tを算出することができる。 In the actual temperature measurement, when f T is given, the measured temperature T can be calculated using f 0 , A, B, and C determined in advance and the above equation (1). it can.
次に、本実施形態の水晶温度計測装置において、得られた周波数Δfから測定温度を算出する際の計算方法について説明する。本実施形態の水晶温度計測装置の計測装置本体部10におけるCPU16では、Yカットの水晶振動子単独で温度測定を行った場合と計算方法を共用するため、実際には周波数カウント回路15により得られた周波数Δfに10.56MHzを加算して、得られた周波数に基づいて上記で説明した式(1)を用いて測定温度を算出している。
Next, a calculation method for calculating the measurement temperature from the obtained frequency Δf in the crystal temperature measurement device of the present embodiment will be described. Since the
そのため、以下の説明では、周波数カウント回路15により得られた周波数Δfに10.56MHzを加算して測定温度を算出する場合を用いて説明するが、本発明はこのような場合に限定されるものではない。得られた周波数Δfを用いて直接測定温度を算出場合でも同様に本発明は適用可能である。
Therefore, in the following description, the case where the measured temperature is calculated by adding 10.56 MHz to the frequency Δf obtained by the
この本実施形態の水晶温度計測装置において測定温度を計算するための動作を図8のフローチャートに示す。
先ず、計測装置本体部10では、水晶温度計測用プローブ11から伝送されてきた信号の周波数Δfが周波数カウント回路15において測定される(ステップS101)。
The operation for calculating the measured temperature in the crystal temperature measuring apparatus of this embodiment is shown in the flowchart of FIG.
First, in the measurement apparatus
すると、CPU16では、測定された周波数に対して10.56MHzを加算し(ステップS102)、得られた周波数fTと上記で示した式(1)を用いて測定温度Tを算出する(ステップS103)。
Then, the
そして、CPU16は、得られた測定温度を表示器18に表示して温度表示を更新したり、外部に接続されたパソコン40等に測定温度を出力したり、記憶装置20に測定温度を記憶させる等の処理を実行する(ステップS104)。そして、測定が終了していなければ、このステップS101〜S104の処理が繰り返される(ステップS105)。
Then, the
次に、本実施形態の水晶温度計測装置が、1つの水晶振動子のみで温度測定を行っていた従来の水晶温度計測装置に対して有利な点を以下において説明する。 Next, advantages of the quartz crystal temperature measuring device of the present embodiment over the conventional quartz crystal temperature measuring device that measures temperature with only one quartz crystal resonator will be described below.
先ず、Yカットの水晶振動子の発振周波数が、時間経過に伴って変化する実際の様子を図9を参照して説明する。 First, an actual state in which the oscillation frequency of the Y-cut crystal resonator changes with time will be described with reference to FIG.
この図9に示した測定データは、実際の測定機関により同一の水晶振動子の発振周波数の変化を測定した結果を示すものである。この結果を参照すると、平成13年1月19日から平成20年3月17日の約7年の時間経過に伴い、発振周波数が10,570,079Hzから10,570,032Hzに変化していることが分かる。つまり、周波数としては−47Hz、割合として−4.45ppm(−47Hz/10,570,079Hz)変化していることがわかる。 The measurement data shown in FIG. 9 shows the result of measuring the change in the oscillation frequency of the same crystal resonator by an actual measurement engine. Referring to this result, the oscillation frequency has changed from 10,570,079 Hz to 10,570,032 Hz with the lapse of about 7 years from January 19, 2001 to March 17, 2008. I understand that. That is, it can be seen that the frequency is -47 Hz and the ratio is -4.45 ppm (-47 Hz / 10,570,079 Hz).
つまり、おおよそ1年間に−0.64ppm(−4.45ppm/7年)だけ経年変化が発生しているということができる。なお、図9を参照すると、平成17年12月22日時点においても既に発振周波数は10,570,031Hzとなっているため、最初の約4年間に着目した場合には、おおよそ−1ppm/年程度の経年変化であると言うことができる。 That is, it can be said that the secular change has occurred by −0.64 ppm (−4.45 ppm / 7 years) in about one year. Referring to FIG. 9, since the oscillation frequency is already 10,570,031 Hz as of December 22, 2005, approximately −1 ppm / year when focusing on the first four years. It can be said that this is an age-related change.
そして、本実施形態の水晶温度計測装置におけるYカットの水晶振動子31およびATカットの水晶振動子32は、上述したように、切断方位以外のサイズ、形状、原材料、製造方法・工程については同じとなるように構成されている。
In addition, as described above, the Y-
そのため、ATカットの水晶振動子における経年変化についても、Yカットの水晶振動子の場合と同様な性質を有しているものと考えられる。つまり、Yカットの水晶振動子の発振周波数が経年変化で減少しているのに、切断方位以外の特性がほぼ同様なATカットの水晶振動子の発振周波数が経年変化で増加しているようなことは通常考えられない。 Therefore, it is considered that the secular change in the AT-cut quartz resonator has the same property as that of the Y-cut quartz resonator. In other words, the oscillation frequency of the Y-cut quartz crystal unit decreases with time, but the oscillation frequency of an AT-cut crystal unit with similar characteristics other than the cutting direction increases with time. This is usually unthinkable.
以上のような理由により、Yカットの水晶振動子の発振周波数とATカットの水晶振動子の発振周波数は、経年変化により同じ方向で変化するものと考えられる。 For the reasons described above, it is considered that the oscillation frequency of the Y-cut quartz crystal resonator and the oscillation frequency of the AT-cut quartz crystal resonator change in the same direction due to secular change.
次に、本実施形態の水晶温度計測装置において、水晶振動子31、32の発振周波数が経年変化により変動した場合の差分周波数Δfがどのように変化するかを図10を参照して説明する。なお、図10は、説明を簡単にするために仮想的な数字を示すものであり実際の周波数変化を測定したものではない。そのため、図10に示した例では、水晶振動子31の最初の発振周波数を10,595,000Hzとし、水晶振動子32の最初の発振周波数を10,560,000Hzとして説明を行なう。
Next, how the difference frequency Δf changes when the oscillation frequency of the
先ず、水晶振動子31、32の発振周波数が経年変化により共に−1ppm変動した場合の差分周波数Δfがどのように変化するかを図10(A)に示す。
First, FIG. 10A shows how the difference frequency Δf changes when the oscillation frequencies of the
この場合、水晶振動子31の発振周波数は、10,594,989Hzに変化し、水晶振動子32の発振周波数は、10,559,989Hzに変化する。しかし、これらの差分の周波数Δfは、10,594,989Hz−10,559,989Hz=35,00Hzとなる。つまり、水晶振動子31、32が共に同じだけ経年変化したとしても差分の周波数をとることにより変化分が打ち消しあい、経年変化は測定温度に影響を及ぼさないことが分かる。
In this case, the oscillation frequency of the
ただし、水晶振動子31、32が共に全く同じだけ変化するわけではないため、水晶振動子31の発振周波数が経年変化により−1ppm変動し、水晶振動子32の発振周波数が経年変化により−0.5ppm変動した場合の例を図10(B)に示す。
However, since both the
この場合、水晶振動子31の発振周波数は、10,594,989Hzに変化し、水晶振動子32の発振周波数は、10,559,995Hzに変化する。しかし、これらの差分の周波数Δfは、10,594,989Hz−10,559,995Hz=34,994Hzとなる。つまり、水晶振動子31、32が異なる量経年変化したとしても、同じ方向に変化していれば、差分の周波数をとることにより変化分のうちの一部が打ち消しあい、経年変化の測定温度に対する影響が軽減されることが分かる。具体的には、水晶振動子31の発振周波数が−1ppm変化しているにもかかわらず、差分の周波数は−0.5ppm(−1ppm−0.5ppm)しか変化しておらず、Yカットの水晶振動子単独で温度測定した場合と比較して、経年変化による測定誤差が半分になることが分かる。
In this case, the oscillation frequency of the
なお、本実施形態の水晶温度計測装置において測定される水晶温度計測用プローブ11からのセンサ信号周波数の経年変化の一例を図11に示す。
An example of the secular change of the sensor signal frequency from the crystal
この図11に示した一例では、同一の水晶温度計測用プローブを用いて、平成21年1月23日と平成22年2月19日という約1年間の経過前後におけるセンサ信号周波数を測定した結果が示されている。なお、この測定結果は、株式会社 東亜計器製作所において行われた測定結果であり、水の三重点における温度0.01℃を標準温度として測定されたものである。なお、この図11において括弧内の数字は、センサ信号周波数に対して10,560,000Hzを加算した後の値である。 In the example shown in FIG. 11, the result of measuring the sensor signal frequency before and after the passage of about one year, January 23, 2009 and February 19, 2010, using the same crystal temperature measuring probe. It is shown. In addition, this measurement result is a measurement result performed in Toa Keiki Seisakusho Co., Ltd., and was measured using a temperature at a triple point of water of 0.01 ° C. as a standard temperature. In FIG. 11, the numbers in parentheses are values after adding 10,560,000 Hz to the sensor signal frequency.
この図11の測定結果を参照すると、1年間の時間経過により、センサ信号周波数は17,832Hzから17,830Hzに2Hzしか変化していないことが分かる。つまり、Yカットの水晶振動子単独で温度測定を行っていた従来の水晶温度計測装置と比較すると、1年間における経年変化を0.189ppm(2/10,577,832)にまで抑制できていることが分かる。 Referring to the measurement result of FIG. 11, it can be seen that the sensor signal frequency changes only from 2 Hz from 17,832 Hz to 17,830 Hz with the passage of time for one year. That is, when compared with a conventional quartz temperature measuring device that measures temperature with a Y-cut quartz crystal unit alone, the secular change in one year can be suppressed to 0.189 ppm (2/10, 577, 832). I understand that.
このように本実施形態の水晶温度計測装置によれば、経年変化の特性が同じになるように構成された2つの水晶振動子31、32の差分の周波数に基づいて測定温度の算出を行っているため、水晶振動子の発振周波数に基づいて温度測定を行う際に経年変化に伴い水晶振動子の発振周波数が変化した場合でも、測定誤差の発生を抑制することが可能になる。
As described above, according to the crystal temperature measuring apparatus of the present embodiment, the measurement temperature is calculated based on the difference frequency between the two
また、本実施形態の水晶温度計測装置では、水晶温度計測用プローブ11において水晶振動子31、32の差分の周波数を求め、この周波数の信号を計測装置本体部10に転送して測定温度の算出を行っている。そのため、本実施形態の水晶温度計測装置によれば、水晶温度計測用プローブ11と計測装置本体部10との間で伝送される信号の周波数を35kHz程度の低い周波数の信号となり、水晶温度計測用プローブ11と計測装置本体部10との間を接続するためのケーブルとして同軸ケーブルを使用しなくてもすむようになる。
Further, in the crystal temperature measuring device of the present embodiment, the difference frequency between the
さらに、本実施形態の水晶温度計測装置では計測装置本体部10において、10.56MHz/25℃のような高い周波数の信号をカウントする必要がなくなり、35kHz/25℃という低い周波数の信号をカウントするだけで良くなる。そのため、周波数カウント回路15として高周波を測定可能な高分解能の回路を使用する必要がなくなり回路構成を簡易にすることにより装置のコストダウンを図ることも可能となる。
Furthermore, in the crystal temperature measuring device of the present embodiment, it is not necessary to count a signal with a high frequency such as 10.56 MHz / 25 ° C. in the measuring device
つまり、本実施形態の水晶温度計測装置では、センサ信号周波数が従来の水晶温度計測装置におけるセンサ信号周波数と比較して2桁程度低くなるため、(10,595.000kHz/25℃から35.000kHz/25℃)、水晶温度計測装置の経済性を向上させることが可能となる。また、周波数カウント回路15の基準クロック信号の温度特性も2桁低くなったものが使用可能となる。具体的には、基準クロック生成回路17として、例えば今まで±1×10-9(10MHz)のOCXO(恒温槽付水晶発振器)やルビジウム周波数標準器を使用していたものが、±1×10-7(10MHz)のTCXO(温度補償型水晶発振器)を使用可能となる。その結果、深海等の特別な場所で長期的に従来よりもまして高精度・高分解能の温度計測が可能となる。
That is, in the crystal temperature measuring device of this embodiment, the sensor signal frequency is about two orders of magnitude lower than the sensor signal frequency in the conventional crystal temperature measuring device, so (10,595.000 kHz / 25 ° C. to 35.000 kHz). / 25 ° C.), it is possible to improve the economics of the crystal temperature measuring device. Further, the reference clock signal of the
なお、本実施形態の水晶温度計測装置では、ATカットの水晶振動子32の発振周波数が変化しない温度範囲でないと高精度の温度測定ができないため、単独の水晶振動子を用いて温度測定を行う場合と比較して測定可能な温度範囲が狭くなってしまう。しかし、海水温、地殻熱、地下水の温度等の測定を行う場合、変化する温度範囲は限定されるため、測定可能な温度範囲が多少狭くなっても大きな問題とはならない。
In the crystal temperature measuring apparatus of the present embodiment, since temperature measurement with high accuracy is not possible unless the oscillation frequency of the AT-
[第2の実施形態]
次に、本発明の第2の実施形態の水晶温度計測装置について説明する。
上記で説明した第1の実施形態の水晶温度計測装置は、1箇所の温度を測定するための装置であったが、本実施形態の水晶温度計測装置は、複数個所の温度を同時に測定するための多点測定用の水晶温度計測装置に対して本発明を適用した場合である。
[Second Embodiment]
Next, a crystal temperature measuring apparatus according to a second embodiment of the present invention will be described.
The crystal temperature measuring device according to the first embodiment described above is a device for measuring the temperature at one location, but the crystal temperature measuring device according to the present embodiment is for measuring the temperatures at a plurality of locations simultaneously. This is a case where the present invention is applied to a crystal temperature measuring apparatus for multipoint measurement.
図12に本実施形態の水晶温度計測装置における水晶温度計測用プローブ111の構成を示し、図13に計測装置本体部110の構成を示す。本実施形態の水晶温度計測装置は、8箇所の温度を測定することが可能な構成の測定装置の例である。
FIG. 12 shows the configuration of the crystal
本実施形態の水晶温度計測装置における水晶温度計測用プローブ111は、図12に示されるように、Yカットの8個の水晶振動子311〜318と、ATカットの1つの水晶振動子32と、水晶発振回路34と、8つの水晶発振回路331〜338と、差分周波数生成回路135と、出力回路136とを備えている。
Crystal
水晶発振回路34は、水晶振動子32を発振素子として用いて10.56MHz/25℃(f(AT))の信号を生成する。
The
水晶発振回路331〜338は、それぞれ、水晶振動子311〜318を発振素子として用いて10.595MHz/25℃(f(Y1)〜f(Y8))の信号を生成する。
差分周波数回路135は、水晶発振回路331〜338の発振周波数10.595MHz/25℃(f(Y1)〜f(Y8))と、水晶発振回路34の発振周波数10.56MHz/25℃との差の周波数成分35kHz/25℃(Δf1〜Δf8)の信号をそれぞれ生成する。
つまり、Δf1=f(Y1)−f(AT)、Δf2=f(Y2)−f(AT)、・・・・、Δf8=f(Y8)−f(AT)となっている。 That is, Δf1 = f (Y1) −f (AT), Δf2 = f (Y2) −f (AT),..., Δf8 = f (Y8) −f (AT).
そして、この8つの差分周波数(Δf1〜Δf8)は、出力回路136により計測装置本体部110に伝送される。
Then, these eight differential frequencies (Δf1 to Δf8) are transmitted to the measuring apparatus
本実施形態の計測装置本体部110は、切換スイッチ(SW)回路91を備えている以外の構成は、図1に示した第1の実施形態における計測装置本体部10と同様であるため、その説明は省略する。
The measurement apparatus
本実施形態における切換スイッチ(SW)回路91は、水晶温度計測用プローブ111から転送されてきた8つの差分周波数(Δf1〜Δf8)を順次切り換えてセンサ信号増幅回路13に出力する。そのため、CPU16では、8箇所における測定温度を順次算出することが可能となる。
The changeover switch (SW)
このようにして測定された8箇所の測定温度を表示する場合の一例を図14に示す。図14に示した表示例は、計測装置本体部110の外部に接続されたパソコンの表示画面上に8箇所の測定温度を表示した場合の例である。このように本実施形態の水晶温度計測装置によれば、同時刻で測定された8箇所の温度を一覧で確認することが可能となる。
An example in the case of displaying eight measured temperatures measured in this way is shown in FIG. The display example shown in FIG. 14 is an example when eight measured temperatures are displayed on the display screen of a personal computer connected to the outside of the measuring apparatus
[変形例]
上記実施形態では、測定対象箇所に設置する水晶温度計測用プローブと計測装置本体部との間を3線式ケーブルや同軸ケーブルで接続する場合を用いて説明しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、水晶温度計測用プローブと計測装置本体部との間を無線回線により接続して、ケーブルを用いることなく差分周波数Δfを無線通信により伝送するような場合でも同様に適用することができるものである。
[Modification]
In the above embodiment, the case where the crystal temperature measuring probe installed at the measurement target location and the measuring device main body portion are connected by a three-wire cable or a coaxial cable has been described. The present invention is not limited, and the same applies to the case where the quartz temperature measuring probe and the measuring device main body are connected by a wireless line and the differential frequency Δf is transmitted by wireless communication without using a cable. It is something that can be done.
10 計測装置本体部
11、11a 水晶温度計測用プローブ
12 3線式ケーブル
13、13a センサ信号増幅回路
14、14a センサ用電源回路
15 周波数カウント回路
16 CPU
17 基準クロック生成回路
18 表示器
19 通信インタフェース(IF)回路
20 記憶装置
21 3線式接続端子
22 BNCコネクタ
31、311〜318 水晶振動子(Yカット)
32 水晶振動子(ATカット)
33、331〜338 水晶発振回路
34 水晶発振回路
35 差分周波数生成回路
36 3線式出力回路
36a 2線式出力回路
40 パーソナルコンピュータ
41 水晶温度センサ
91 切換スイッチ(SW)回路
111 水晶温度計測用プローブ
135 差分周波数生成回路
136 出力回路
DESCRIPTION OF
17 Reference
32 Crystal resonator (AT cut)
33, 33 1 to 33 8
Claims (15)
前記第1の水晶振動子と比較して、発振周波数が温度に対して大きく変化するような温度特性を有する第2の水晶振動子と、
を備えた水晶温度センサ。 A first crystal unit having a temperature characteristic in which an oscillation frequency is stable with respect to temperature;
A second crystal unit having a temperature characteristic such that the oscillation frequency changes greatly with respect to temperature, as compared to the first crystal unit;
Crystal temperature sensor with
前記第2の水晶振動子は、切断方位がYカットまたはLCカットの水晶振動子である請求項1または2記載の水晶温度センサ。 The first crystal unit is a crystal unit whose cut orientation is AT cut,
The quartz crystal temperature sensor according to claim 1 or 2, wherein the second quartz crystal resonator is a quartz crystal resonator whose cutting direction is Y cut or LC cut.
前記第1の水晶振動子と比較して、発振周波数が温度に対して大きく変化するような温度特性を有する第2の水晶振動子と、
前記第1の水晶振動子を発振素子として用いて特定の発振周波数の信号を生成する第1の発振回路と、
前記第2の水晶振動子を発振素子として用いて特定の発振周波数の信号を生成する第2の発振回路と、
前記第1の発振回路の発振周波数と前記第2の発振回路の発振周波数との差の周波数成分の信号を生成する差分周波数生成回路と、
を備えた水晶温度計測用プローブ。 A first crystal unit having a temperature characteristic in which an oscillation frequency is stable with respect to temperature;
A second crystal unit having a temperature characteristic such that the oscillation frequency changes greatly with respect to temperature, as compared to the first crystal unit;
A first oscillation circuit that generates a signal of a specific oscillation frequency using the first crystal resonator as an oscillation element;
A second oscillation circuit that generates a signal of a specific oscillation frequency using the second crystal resonator as an oscillation element;
A difference frequency generation circuit for generating a signal having a frequency component of a difference between an oscillation frequency of the first oscillation circuit and an oscillation frequency of the second oscillation circuit;
Crystal temperature measurement probe with
前記第1の水晶振動子と比較して、発振周波数が温度に対して大きく変化するような温度特性を有する第2の水晶振動子と、
前記第1の水晶振動子を発振素子として用いて特定の発振周波数の信号を生成する第1の発振回路と、
前記複数の第2の水晶振動子を発振素子として用いて特定の発振周波数の信号を生成する複数の第2の発振回路と、
前記第1の発振回路の発振周波数と前記複数の第2の発振回路の発振周波数との差の周波数成分の信号をそれぞれ生成する差分周波数生成回路と、
を備えた水晶温度計測用プローブ。 A first crystal unit having a temperature characteristic in which an oscillation frequency is stable with respect to temperature;
A second crystal unit having a temperature characteristic such that the oscillation frequency changes greatly with respect to temperature, as compared to the first crystal unit;
A first oscillation circuit that generates a signal of a specific oscillation frequency using the first crystal resonator as an oscillation element;
A plurality of second oscillation circuits that generate signals of a specific oscillation frequency using the plurality of second crystal resonators as oscillation elements;
A difference frequency generation circuit that generates a signal of a frequency component of a difference between an oscillation frequency of the first oscillation circuit and an oscillation frequency of the plurality of second oscillation circuits;
Crystal temperature measurement probe with
前記水晶温度計測用プローブから受信した信号の周波数を計測する周波数カウンタと、前記周波数カウンタにより計測された周波数を測定温度に変換する変換手段と、前記変換手段により得られた測定温度を表示する表示器とを備えた計測装置本体部と、
を有する水晶温度計測装置。 A first crystal unit having an oscillation frequency that is stable with respect to temperature, and a first crystal unit having such a temperature characteristic that the oscillation frequency changes greatly with respect to temperature as compared with the first crystal unit. A second oscillation unit, a first oscillation circuit that generates a signal having a specific oscillation frequency using the first crystal unit as an oscillation element, and a second oscillation unit that uses the second crystal unit as an oscillation element. A second oscillation circuit that generates a signal having an oscillation frequency of the first oscillation circuit, a differential frequency generation circuit that generates a signal having a frequency component that is the difference between the oscillation frequency of the first oscillation circuit and the oscillation frequency of the second oscillation circuit, and A crystal temperature measuring probe comprising: an output circuit that outputs a signal generated by the differential frequency generation circuit;
A frequency counter for measuring the frequency of the signal received from the crystal temperature measuring probe, a conversion means for converting the frequency measured by the frequency counter into a measurement temperature, and a display for displaying the measurement temperature obtained by the conversion means A measuring device main body provided with a measuring instrument,
A quartz crystal temperature measuring device.
前記周波数カウンタは、前記水晶温度計測用プローブから受信した2線式の信号の周波数を計測する請求項10記載の水晶温度計測装置。 The crystal temperature measurement probe further includes an output circuit that outputs a signal generated by the differential frequency generation circuit as a two-wire signal,
The crystal temperature measuring device according to claim 10, wherein the frequency counter measures a frequency of a two-wire signal received from the crystal temperature measuring probe.
前記周波数カウンタは、前記水晶温度計測用プローブから受信した3線式の信号の周波数を計測する請求項10記載の水晶温度計測装置。 The crystal temperature measurement probe further includes an output circuit that outputs a signal generated by the differential frequency generation circuit as a three-wire signal,
The crystal temperature measurement device according to claim 10, wherein the frequency counter measures a frequency of a three-wire signal received from the crystal temperature measurement probe.
前記水晶温度計測用プローブから受信した複数の信号の周波数をそれぞれ計測する周波数カウンタと、前記周波数カウンタにより計測された複数の周波数をそれぞれ測定温度に変換する変換手段と、前記変換手段により得られた複数の測定温度を表示する表示器とを備えた計測装置本体部と、
を有する水晶温度計測装置。 A first crystal unit having an oscillation frequency that is stable with respect to temperature, and a plurality of temperature characteristics that cause the oscillation frequency to vary greatly with respect to temperature as compared with the first crystal unit. A second oscillation unit, a first oscillation circuit that generates a signal having a specific oscillation frequency using the first quartz crystal unit as an oscillation element, and the plurality of second crystal units as oscillation elements. A plurality of second oscillation circuits that generate a signal having a specific oscillation frequency, and a signal of a frequency component of a difference between the oscillation frequency of the first oscillation circuit and the oscillation frequency of the plurality of second oscillation circuits A crystal frequency measuring probe comprising: a differential frequency generating circuit for generating a plurality of signals; and an output circuit for outputting a plurality of signals generated by the differential frequency generating circuit;
Obtained by the frequency counter for measuring the frequencies of the plurality of signals received from the quartz temperature measuring probe, the conversion means for converting the frequencies measured by the frequency counter to measured temperatures, respectively, and the conversion means A measuring device main body comprising a display for displaying a plurality of measured temperatures;
A quartz crystal temperature measuring device.
前記周波数カウンタは、前記水晶温度計測用プローブから受信した2線式の複数の信号の周波数をそれぞれ計測する請求項13記載の水晶温度計測装置。 The crystal temperature measurement probe further includes an output circuit that outputs a plurality of signals generated by the difference frequency generation circuit as a two-wire signal,
14. The crystal temperature measuring device according to claim 13, wherein the frequency counter measures frequencies of a plurality of two-wire signals received from the crystal temperature measuring probe.
前記周波数カウンタは、前記水晶温度計測用プローブから受信した3線式の複数の信号の周波数をそれぞれ計測する請求項13記載の水晶温度計測装置。 The crystal temperature measurement probe further includes an output circuit that outputs a plurality of signals generated by the difference frequency generation circuit as a three-wire signal,
14. The crystal temperature measuring device according to claim 13, wherein the frequency counter measures frequencies of a plurality of three-wire signals received from the crystal temperature measuring probe.
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