振動(dòng)傳感器和使得振動(dòng)傳感器中的振動(dòng)變化的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種振動(dòng)傳感器以及使得振動(dòng)傳感器中的振動(dòng)變化的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]諸如振動(dòng)比重計(jì)和振動(dòng)粘度計(jì)之類的振動(dòng)傳感器通過檢測(cè)振動(dòng)元件的運(yùn)動(dòng)來操作，該振動(dòng)元件在要被表征的流體存在時(shí)振動(dòng)。與流體相關(guān)聯(lián)的性質(zhì)(諸如密度、粘度、溫度等等)可以通過處理從與振動(dòng)元件相關(guān)聯(lián)的一個(gè)或者多個(gè)運(yùn)動(dòng)換能器所接收的一個(gè)或者多個(gè)振動(dòng)信號(hào)來確定。振動(dòng)元件的振動(dòng)一般由振動(dòng)元件與流體相組合的組合質(zhì)量、剛度和阻尼特性影響。
[0003]流體的粘度可以通過生成在頻率ω 1和ω 2的振動(dòng)響應(yīng)來測(cè)量，頻率ω 1和ω 2高于和低于所組合的流體和振動(dòng)傳感器的諧振頻率《0。在諧振頻率ωΟ處，相位差Φ0可以大約是90度。兩個(gè)頻率點(diǎn)ω 1和ω 2被定義為驅(qū)動(dòng)頻率，其中驅(qū)動(dòng)信號(hào)相位和振動(dòng)信號(hào)相位分別相差相位差Φ1和Φ2。相位差Φ 1可以被定義為其中在驅(qū)動(dòng)彳目號(hào)相位和振動(dòng){目號(hào)相位之間的相位差大約135度的點(diǎn)。相位差Φ 2可以被定義為其中在驅(qū)動(dòng)信號(hào)相位和振動(dòng)信號(hào)相位之間的相位差大約45度的點(diǎn)。
[0004]在這兩個(gè)頻率點(diǎn)ω 1和ω 2之間的距離(即，在ω 1和ω 2之間頻率方面的差)被用來確定項(xiàng)Q，其與粘度成比例，并且可以通過公式來近似:
粘度?0=ω0/(ω2_ω 1) (1)
諧振頻率ω 0在兩個(gè)頻率點(diǎn)ω 1和ω 2之間的中間。因此，諧振頻率ω 0可以被定義為:
ωΟ ?0.5*(ω2+ω 1) (2)
頻率點(diǎn)ω?和ω2在操作期間當(dāng)傳感器元件與要被表征的流體交互時(shí)被確定。為了適當(dāng)?shù)卮_定頻率點(diǎn)ω?和ω 2，現(xiàn)有技術(shù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使用閉環(huán)驅(qū)動(dòng)器，其驅(qū)動(dòng)傳感器元件在兩個(gè)相位差點(diǎn)(Φ 1和Φ 2)之間交替，并且記錄在這些點(diǎn)處的振動(dòng)頻率ω 1和ω 2。通過使用閉環(huán)驅(qū)動(dòng)器，現(xiàn)有技術(shù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)確保了在振動(dòng)頻率ω?和ω2被確定時(shí)相位差測(cè)量是穩(wěn)定的。
[0005]可替換地，頻率點(diǎn)ω 1和ω 2被定義為半功率點(diǎn)，因?yàn)樗鼈儼ㄔ谡駝?dòng)信號(hào)中的功率具有諧振頻率ωΟ的一半功率或者半功率點(diǎn)幅度AhalfS(Ahalf=A。/ V 2)的頻率點(diǎn)。A。項(xiàng)是在諧振頻率《0處的振動(dòng)信號(hào)的幅度。兩個(gè)頻率點(diǎn)ω?和ω2也被已知為3dB點(diǎn)，其中振動(dòng)信號(hào)功率從諧振頻率功率下降3dB。
[0006]圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)振動(dòng)傳感器，其包括振動(dòng)傳感器元件和耦合到該傳感器元件的信號(hào)處理器。現(xiàn)有技術(shù)振動(dòng)傳感器包括用于使傳感器元件振動(dòng)的驅(qū)動(dòng)器和響應(yīng)于振動(dòng)創(chuàng)建振動(dòng)信號(hào)的敏感傳感器(pickoff sensor)。振動(dòng)信號(hào)本質(zhì)上是正弦的。信號(hào)處理器接收振動(dòng)信號(hào)，并且處理振動(dòng)信號(hào)以生成一個(gè)或者多個(gè)流體特性或者流體測(cè)量。信號(hào)處理器確定振動(dòng)信號(hào)的頻率和幅度兩者。振動(dòng)信號(hào)的頻率和幅度可以被進(jìn)一步處理，以確定流體的密度，或者可以被處理來確定附加或者其他流體特性，諸如粘度。
[0007]現(xiàn)有技術(shù)信號(hào)處理器使用閉環(huán)驅(qū)動(dòng)電路生成用于驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。驅(qū)動(dòng)信號(hào)通?；谒邮盏恼駝?dòng)信號(hào)，其中現(xiàn)有技術(shù)的閉環(huán)驅(qū)動(dòng)電路處理所接收的振動(dòng)信號(hào)來創(chuàng)建驅(qū)動(dòng)信號(hào)。驅(qū)動(dòng)信號(hào)可以基于所接收的振動(dòng)信號(hào)的頻率和幅度，其中所接收的振動(dòng)信號(hào)包括使得現(xiàn)有技術(shù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)振動(dòng)的反饋?，F(xiàn)有技術(shù)的振動(dòng)傳感器通過使用閉環(huán)驅(qū)動(dòng)器并且使用反饋元件來驅(qū)動(dòng)傳感器元件，其中所述閉環(huán)驅(qū)動(dòng)增量地改變驅(qū)動(dòng)頻率并且監(jiān)控反饋元件，直到達(dá)到所期望的目標(biāo)點(diǎn)為止。所期望的端點(diǎn)包括在驅(qū)動(dòng)信號(hào)和所產(chǎn)生的敏感信號(hào)之間的相位差(Φ)，其實(shí)現(xiàn)了相位差Φ1或者相位差Φ2。
[0008]圖2是用于測(cè)量流體粘度的現(xiàn)有技術(shù)振動(dòng)傳感器的操作方法的流程圖。以下的步驟1-4確定了第一頻率點(diǎn)ω 1的頻率，而步驟5-8確定了第二頻率點(diǎn)ω2的頻率。
[0009]在步驟1中，振動(dòng)設(shè)定點(diǎn)被設(shè)定為第一目標(biāo)相位差Φ1，并且傳感器元件從當(dāng)前振動(dòng)頻率開始振動(dòng)。第一目標(biāo)相位差Φ 1通過使得驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率(從當(dāng)前振動(dòng)頻率開始)變化而實(shí)現(xiàn)。當(dāng)前振動(dòng)頻率以閉環(huán)的方式并且按照所接收的反饋(諸如關(guān)于在當(dāng)前相位差和目標(biāo)相位差之間的差的反饋)逐漸改變。振動(dòng)頻率增量地從當(dāng)前振動(dòng)頻率傾斜上升或傾斜下降，這取決于相位差是否要增大或者減小。
[0010]在步驟2中，當(dāng)前相位差與第一目標(biāo)相位差Φ1相比較。如果已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了第一目標(biāo)相位差Φ1，則方法進(jìn)入步驟4。否則，方法進(jìn)入支線步驟3，直到第一目標(biāo)相位差Φ1得以實(shí)現(xiàn)。
[0011]在步驟3中，執(zhí)行等待。因此，方法循環(huán)，并且等待，直到實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)設(shè)定點(diǎn)。現(xiàn)有技術(shù)振動(dòng)傳感器因此等待傳感器元件的實(shí)際振動(dòng)達(dá)到振動(dòng)設(shè)定點(diǎn)。由于閉環(huán)驅(qū)動(dòng)操作，傳感器元件在至少已經(jīng)經(jīng)過了已知等待時(shí)間之前不會(huì)實(shí)現(xiàn)在振動(dòng)設(shè)定點(diǎn)的振動(dòng)。
[0012]等待可能會(huì)達(dá)到固定的預(yù)定時(shí)間，或者可能在長(zhǎng)度上變化。環(huán)境條件可能要求比預(yù)期時(shí)間更長(zhǎng)的時(shí)間來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)相位差。等待的長(zhǎng)度可以取決于各種因素。等待的長(zhǎng)度可以取決于從初始相位差到目標(biāo)相位差的距離。等待的長(zhǎng)度可以取決于傳感器元件的物理特性。等待的長(zhǎng)度可以取決于所測(cè)量的流體性質(zhì)(包括流體的密度和/或粘度)。等待的長(zhǎng)度可以取決于現(xiàn)有技術(shù)振動(dòng)傳感器可用的功率。
[0013]在步驟4中，在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)設(shè)定點(diǎn)并且在驅(qū)動(dòng)傳感器信號(hào)和敏感傳感器信號(hào)之間的相位差對(duì)應(yīng)于第一相位差Φ1的情況下，則相對(duì)應(yīng)的第一振動(dòng)頻率ω?被記錄。第一頻率點(diǎn)ω1包括生成第一目標(biāo)相位差Φ1的振動(dòng)頻率。第一振動(dòng)頻率ω1可以包括其中在驅(qū)動(dòng)信號(hào)相位和敏感信號(hào)相位之間的相位差大約例如135度的頻率。
[0014]在步驟5中，振動(dòng)設(shè)定點(diǎn)被設(shè)定為第二目標(biāo)相位差Φ 2，并且傳感器元件從當(dāng)前振動(dòng)頻率開始振動(dòng)。第二目標(biāo)相位差Φ 2通過使得驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率從當(dāng)前振動(dòng)頻率開始變化而實(shí)現(xiàn)。當(dāng)前振動(dòng)頻率以閉環(huán)方式并且按照所接收的反饋(諸如關(guān)于在當(dāng)前相位差和目標(biāo)相位差之間的差的反饋)來逐漸改變。振動(dòng)頻率增量地從當(dāng)前振動(dòng)頻率傾斜上升或傾斜下降，這取決于相位差是否要增大或者減小。應(yīng)該理解，開始振動(dòng)頻率因此是當(dāng)前振動(dòng)頻率，其包括在上文步驟4中獲取的振動(dòng)頻率。
[0015]在步驟6中，將當(dāng)前相位差與第二目標(biāo)相位差Φ2相比較。如果已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了第二目標(biāo)相位差Φ2，則方法進(jìn)入到步驟8。否則，方法進(jìn)入支線步驟7，直到第二目標(biāo)相位差Φ2實(shí)現(xiàn)。
[0016]在步驟7中，執(zhí)行等待。因此，方法循環(huán)，并且等待，直到實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)設(shè)定點(diǎn)。由于閉環(huán)驅(qū)動(dòng)操作，傳感器元件在至少已經(jīng)經(jīng)過了已知的等待時(shí)間之前不會(huì)實(shí)現(xiàn)在振動(dòng)設(shè)定點(diǎn)的振動(dòng)，如之前討論的。
[0017]在步驟8中，在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)設(shè)定點(diǎn)，并且在驅(qū)動(dòng)傳感器信號(hào)和敏感傳感器信號(hào)之間的相位差對(duì)應(yīng)于第二相位差Φ 2的情況下，則相對(duì)應(yīng)的第二頻率點(diǎn)ω2被記錄。第二頻率點(diǎn)ω2包括生成第二目標(biāo)相位差Φ2的振動(dòng)頻率。第二頻率點(diǎn)ω2可以包括其中在驅(qū)動(dòng)信號(hào)相位和敏感信號(hào)相位之間的相位差大約例如是45度的頻率。
[0018]圖3是圖1的現(xiàn)有技術(shù)振動(dòng)傳感器的閉環(huán)振動(dòng)響應(yīng)的圖。豎軸表示振動(dòng)頻率(ω )，而橫軸表示時(shí)間(t)?？梢钥吹降氖?，現(xiàn)有技術(shù)的振動(dòng)傳感器交替地在第一頻率點(diǎn)ω?并且然后在第二頻率點(diǎn)ω 2處振動(dòng)，其中這種模式反復(fù)地重復(fù)。應(yīng)該理解的是，第一和第二頻率點(diǎn)ω?和ω 2不必須是恒定的。例如，第一和第二振動(dòng)頻率ω?和ω 2可以由于在被振動(dòng)傳感器表征的流體中的改變而改變。
[0019]由于現(xiàn)有技術(shù)振動(dòng)傳感器的驅(qū)動(dòng)部分的閉環(huán)設(shè)計(jì)，可以看到的是，實(shí)際振動(dòng)頻率平滑地并且連續(xù)不斷地、但是緩慢地改變。由于用來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)相位差的反饋，在驅(qū)動(dòng)頻率中的每個(gè)改變要求完成閉環(huán)時(shí)間段Τα。結(jié)果，現(xiàn)有技術(shù)振動(dòng)齒式傳感器不能測(cè)量ω?和ω2中的快速改變，并且因此，不能測(cè)量在要被表征的流體粘度中的快速改變。此外，甚至在時(shí)間段Τα小的情況下，可以看到的是，時(shí)間段Τ α重復(fù)，并且因此將累積并且將影響現(xiàn)有技術(shù)振動(dòng)傳感器的操作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0020]本發(fā)明的一個(gè)方面，振動(dòng)傳感器包括:
振動(dòng)元件，其被配置成生成振動(dòng)信號(hào)；和接收器電路，其從振動(dòng)元件接收振動(dòng)信號(hào)；和
驅(qū)動(dòng)電路，其耦合到接收器電路和振動(dòng)元件，并且生成使得振動(dòng)元件振動(dòng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，其中所述驅(qū)動(dòng)電路使得振動(dòng)元件以所命令的第一頻率開始振動(dòng)并且以開環(huán)方式振動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)于所表征的流體的第一目標(biāo)相位差Φ1，并且確定對(duì)應(yīng)的第一頻率點(diǎn)《1，使得振動(dòng)元件以所命令的第二頻率開始振動(dòng)并且以開環(huán)方式振動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)第二目標(biāo)相位差Φ2，并且確定對(duì)應(yīng)的第二頻率點(diǎn)ω 2，并且通過使用第一頻率點(diǎn)ω?和第二頻率點(diǎn)ω 2來確定所表征的流體的粘度。
[0021]優(yōu)選地，振動(dòng)傳感器反復(fù)地執(zhí)行振動(dòng)和確定步驟。
[0022]優(yōu)選地，所命令的第一頻率包括前一時(shí)間的第一頻率點(diǎn)ω ltine= (t 1}而所命令的第二頻率包括前一時(shí)間的第二頻率點(diǎn)co2t_= (t 1)0
[0023]優(yōu)選地，驅(qū)動(dòng)電路包括閉環(huán)驅(qū)動(dòng)器，其生成驅(qū)動(dòng)信號(hào)來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)相位差并且以當(dāng)前振動(dòng)頻率開始，以及開環(huán)驅(qū)動(dòng)器，其生成驅(qū)動(dòng)信號(hào)來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)相位差并且以所命令的第一或者第二頻率開始。
[0024]優(yōu)選地，使得振動(dòng)傳感器的振動(dòng)元件以開環(huán)方式振動(dòng)包括驅(qū)動(dòng)電路將振動(dòng)設(shè)定點(diǎn)設(shè)定為第一目標(biāo)相位差Φ 1，驅(qū)動(dòng)電路使得振動(dòng)元件以開環(huán)方式并且以所命令的第一頻率振動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電路將當(dāng)前第一相位差與第一目標(biāo)相位差Φ1比較，并且等待直到當(dāng)前第一相位差基本上等于第一目標(biāo)相位差Φ1，如果當(dāng)前第一相位差等于第一目標(biāo)相位差Φ1，則驅(qū)動(dòng)電路記錄對(duì)應(yīng)的第一頻率點(diǎn)《1，其中實(shí)現(xiàn)第一目標(biāo)相位差Φ1生成了振動(dòng)元件中的第一頻率點(diǎn)ω?，驅(qū)動(dòng)電路將振動(dòng)設(shè)定點(diǎn)設(shè)定為第二目標(biāo)相位差Φ2，驅(qū)動(dòng)電路使得振動(dòng)元件以開環(huán)方式并且以所命令的第二頻率振動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電路將當(dāng)前第二相位差與第二目標(biāo)相位差Φ2比較，并且等待直到當(dāng)前第二相位差基本上等于第二目標(biāo)相位差Φ2，并且如果當(dāng)前第二相位差等于第二目標(biāo)相位差Φ 2，則驅(qū)動(dòng)電路記錄對(duì)應(yīng)的第二頻率點(diǎn)ω 2，其中實(shí)現(xiàn)第二目標(biāo)相位差Φ 2生成了振動(dòng)元件中的第二頻率點(diǎn)ω 2。
[0025]優(yōu)選地，驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)一步被配置成使得振動(dòng)元件以閉環(huán)方式振動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)于所表征流