本發(fā)明屬于長距離、高精度溫度測量領域，尤其涉及一種高精度石英晶體溫度計。

背景技術：

在地震、水利、環(huán)保等行業(yè)都會涉及到對溫度物理量的實時觀測；特別是地震行業(yè)，對于地震前兆信息的捕捉，經(jīng)過許多學者驗證，地殼中(地表下幾十到幾百米距離)溫度的異常變化，對于地震預報研究探索工作提供了非常有價值的數(shù)據(jù)。

特殊行業(yè)的較長距離溫度觀測，如果采用傳統(tǒng)的觀測方法有兩個技術瓶頸：其一，要求高精度，如地震行業(yè)要求溫度觀測其分辨力達0.0001℃；其二要求信號的較長距離輸送；而實現(xiàn)這些專業(yè)測量的前提是，測量系統(tǒng)，特別是溫度傳感器的穩(wěn)定、安全的長時間連續(xù)工作。實驗室的鉑電阻式溫度測量電橋，其分辨力與穩(wěn)定性都能達到要求，但其對觀測環(huán)境、測量電纜距離有著嚴格要求；直接將橋式測溫電路應用到現(xiàn)場觀測會出現(xiàn)信號衰減問題；而將測量與信號采集電路都設置于傳感器內(nèi)部，又很難避免由于電路自身發(fā)熱導致數(shù)據(jù)干擾的問題，以及如何保證傳感器內(nèi)復雜電路的連續(xù)穩(wěn)定運行問題。

70年代中期，美國HP研制成功了石英溫度計，分辨率達到0.0001℃甚至更高，但其探頭電纜僅3.7米，只適合于實驗室工作，不能用于長距離實地觀測。由于石英晶體溫度傳感器輸出量為頻率量，通過適當改進，其分辨力通過現(xiàn)代分頻技術可達到0.0001℃甚至更高，且信號輸出在功率一定的情況下，長距離的信號衰減不影響測量精度，不會導致測溫部件的自發(fā)熱等。但對于此類溫度觀測，如果采用傳統(tǒng)的供電模式，即會降低傳感器的運行安全性，特別是易受雷擊破壞；另外測溫電路隨著信號傳輸距離的增大而發(fā)熱，帶來的系統(tǒng)誤差。

因此，需要提出一種長距離、高安全性、高精度的石英晶體溫度計。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的，主要解決傳統(tǒng)供電方式對于井下長距離溫度傳感器的安全性、準確性較難同時保障的難題，為某些行業(yè)的深井高精度溫度測量提供一個安全、可靠的設計方案。

本發(fā)明的高精度石英晶體溫度計，包括：傳感器、電纜以及主機，所述傳感器的輸出端與所述主機的輸入端通過電纜連接，其中所述傳感器為石英晶體溫度傳感器，用于感測溫度，所述傳感器的頻率信號通過所述電纜傳輸至所述主機，所述主機用于記錄頻率信號進而完成數(shù)據(jù)采集。所述主機包括供電隔離模塊，用于對所述傳感器采用隔離供電的方式。

優(yōu)選地，所述隔離供電方式為所述傳感器供電地線與所述主機內(nèi)其它地線相隔離。

優(yōu)選地，所述電纜為單芯帶屏蔽電纜，包括纜芯和屏蔽線。

優(yōu)選地，所述纜芯用于傳感器的供電，也用于頻率信號的傳輸，所述屏蔽線用于保護傳感器輸出的頻率信號不受外界干擾。

優(yōu)選地，所述主機的信號輸入部分根據(jù)電磁感應原理，通過變壓器將所述傳感器頻率信號進行隔離傳輸。

優(yōu)選地，所述主機包括信號采集模塊，所述信號采集模塊采用等精度頻率采集方式。

本發(fā)明具有下列優(yōu)點：

1、本發(fā)明的高精度石英晶體溫度計采用等精度頻率采集方式，可實現(xiàn)全量程分辨力達0.000001℃；

2、本發(fā)明采用隔離供電方式，使傳感器供電地線與主機內(nèi)其它地線相隔離，實現(xiàn)傳感器防雷的效果，提高了本發(fā)明高精度石英晶體溫度計的整體安全性能；同時根據(jù)電磁感應原理，本發(fā)明通過變壓器線圈將頻率信息直接傳送至主機部分進行整形與放大，使得頻率信號的完整性與電壓衰減無關，這對于長距離，特別是深井溫度觀測來說，具有實用價值；

3、本發(fā)明所述傳感器僅需兩根傳輸線即可完成供電與信號傳輸，本發(fā)明所述電纜采用單芯帶屏蔽電纜，使得屏蔽層既當?shù)鼐€、又保護信號不受外界干擾。當進行長距離信號傳輸時，電纜線芯可直接用鋼絲代替，既滿足供電與信號傳輸?shù)囊?，又可提高電纜的強度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明石英晶體溫度計的結構示意圖；

圖2是本發(fā)明的電纜的結構示意圖；

圖3本發(fā)明的主機的結構示意圖；

圖4是本發(fā)明的主機的傳感器隔離供電示意圖；

圖5是本發(fā)明的主機的傳感器信號返回、整形與放大的示意圖。

圖6是本發(fā)明的信號采集模塊通過等精度測頻方法進行信號采集的示意圖。

具體實施方式

下面通過實施例對本發(fā)明作進一步說明，其目的僅在于更好地理解本發(fā)明的研究內(nèi)容而非限制本發(fā)明的保護范圍。

如圖1所示，本發(fā)明的高精度石英晶體溫度計主要由傳感器1、電纜2及主機3三部分組成。

傳感器1的石英晶體諧振器采用LC切型的平凸透鏡石英晶體塊制成，其直徑約數(shù)毫米，凸面曲率半徑約為100毫米以上。石英晶體諧振器封裝于充氦氣的管殼內(nèi)，在傳感電路中利用它的壓電效應和固有振動頻率隨溫度變化的特性構成熱敏振蕩器。高精度石英晶體溫度計通過現(xiàn)代分頻技術，可獲得石英晶體諧振頻率與石英晶體溫度之間的關系(石英晶體溫度傳感器輸出的頻率信號只需達到0.1Hz，即可實現(xiàn)溫度分辨力達0.0001℃，即頻率與溫度對應關系為1KHz/℃)。

電纜2采用單芯屏蔽電纜，包括纜芯21和屏蔽線23。傳感器1輸出為頻率信號，即使信號在通過電纜2傳輸?shù)倪^程中產(chǎn)生一定程度的衰減，也不會影響主機信號采集的完整性。當進行長距離信號傳輸時(如：測量距離>600m)，電纜2的纜芯可直接用鋼絲代替，這不僅滿足供電與信號的傳輸需求，同時又可提高電纜的強度。如圖2所示，電纜2由內(nèi)到外由為纜芯21，絕緣層22，屏蔽線(網(wǎng)狀屏蔽層)23以及塑料封套24構成。電纜2的屏蔽線23作地線，纜芯21(中心銅線或鋼絲)既作傳感器供電線，又作傳感器信號的傳輸線。

如圖3所示，主機3包括電源31、供電隔離模塊32、信號調(diào)理模塊33、信號采集模塊34、數(shù)據(jù)存儲模塊35、通訊模塊36及數(shù)據(jù)顯示模塊37。其中，電源模塊31用于對其他模塊進行供電。

通過隔離供電模塊32，主機3對傳感器1采用隔離供電方式，即傳感器1的供電地線與儀器其它電路部分地線隔離(參考圖4)。供電電源(VCC與VEE)通過隔離供電DC/DC模塊32(T1)，輸出9V電壓，且地線(引腳4)隔離，直接通過插座J11給傳感器供電(PROB+與PROB-)，并采用光電隔離器(U4)連接LED燈顯示供電狀態(tài)，使傳感器供電的地線與電路板中其它地線隔離以達到避免雷擊的效果。地震行業(yè)利用高精度石英晶體溫度計進行鉆孔內(nèi)固定深度水溫(地溫)等的連續(xù)觀測，使用的電纜長度通常為200-1000m，但觀測場所內(nèi)鉆孔的井口套管對地電阻遠小于觀測室內(nèi)為主機提供地線的接地電阻，所以井下設備一般較井上設備更易受雷電損壞，但采用隔離供電后，防雷效果明顯，即使井上設備受雷擊損壞，也罕見有井下傳感器被雷擊的現(xiàn)象。

如圖5所示，為傳感器提供的9V隔離電壓通過供電隔離變壓器(T2)的初級線圈串聯(lián)到傳感器1的供電端，隔離的9V直流電通過變壓器(T2)供給傳感器1。在供電回路中，由于傳感器1中的石英晶體諧振器受到電流激發(fā)，產(chǎn)生一定程度的震蕩，經(jīng)傳感器電路調(diào)理后將交流信號疊加在供電的直流電中。根據(jù)電磁感應原理，疊加在直流電中的交流信號會在變壓器(T2)端從初級線圈傳遞至次級線圈，從而實現(xiàn)傳感器1至主機3的信號隔離傳輸?shù)男Ч?。再將變壓器次級線圈中感應的傳感器信號輸送至主機3的整形與放大電路中，信號通過整形后，輸入到放大電路的運算放大器INA128的輸入端，對信號進行放大，放大后的輸出信號為5V的矩形波信號，即可輸入到信號采集模塊34。其中，圖5中的整形和放大電路即對應圖3中的信號調(diào)理模塊33。另外本申請未詳細介紹的其他模塊如數(shù)據(jù)存儲模塊35、通訊模塊36及數(shù)據(jù)顯示模塊37等為常規(guī)模塊。

信號采集模塊34采用等精度測頻技術實現(xiàn)其功能。頻率采集是記錄單位時間內(nèi)矩形波的上升沿或下降沿的個數(shù)，因此普遍的頻率采集方法的最小記錄單位為1Hz。本發(fā)明中所述主機3的信號采集模塊34采用等精度測頻方法，可以真實的記錄單位時間內(nèi)的頻率，主要是通過以下方法實現(xiàn)：

如圖6所示，采用頻率準確的高頻信號(時鐘信號)作為標準頻率信號fo。首先，預置閘門時間為Ts，使得測量的閘門時間為被測時間的整數(shù)倍。接著，根據(jù)被測信號的頻率(被測頻率)fx對預置的閘門時間進行同步，獲得同步閘門時間Ts’。接著，在閘門時間內(nèi)同時對標準信號脈沖fo和被測信號脈沖fx進行計數(shù)。如圖6中，Nx為被測信號的個數(shù)，Tx為被測信號的周期，根據(jù)Ts’＝Nx*Tx，可獲得被測信號的個數(shù)。No為時鐘信號個數(shù)，To為時鐘信號周期，根據(jù)Ts’＝No*To，可獲得時鐘信號個數(shù)。通過標準信號脈沖fo對被測信號脈沖fx進行細化，可以得到更高的頻率分辨力。也就是說，普通的頻率采集方法只記錄fo的標準脈沖個數(shù)，但是當閘門時間結束時最后一個脈沖信號并不能被完整地記錄，從而產(chǎn)生舍入誤差；而等精度頻率采集通過更高頻的fx，對最后一個不完整脈沖進行記錄，從而得到優(yōu)于1Hz的頻率精度，該精度取決于fx的頻率精度。本發(fā)明中，通過等精度采集，可以得到0.01Hz甚至更高的頻率分辨力，進而通過溫度與頻率的對應關系，使得溫度分辨力可達0.000001℃。

顯然，本技術領域中的普通技術人員應當認識到，以上的實施例僅是用來說明本發(fā)明，而并非用作為對本發(fā)明的限定，只要在本發(fā)明的實質(zhì)精神范圍內(nèi)，對以上所述實施例的變化、變型都將落在本發(fā)明的權利要求書范圍內(nèi)。