以下描述的實(shí)施例涉及振動傳感器，并且更特別地，涉及基于相位誤差控制振動傳感器的振動。

背景技術(shù)：

振動傳感器（諸如振動密度計(jì)和振動粘度計(jì)）通過檢測在要表征的流體存在的情況下的進(jìn)行振動的振動元件的運(yùn)動進(jìn)行操作。振動元件具有振動響應(yīng)，所述振動響應(yīng)可以具有振動響應(yīng)參數(shù)，諸如諧振頻率或者質(zhì)量因數(shù)q。振動元件的振動響應(yīng)一般受與流體組合的振動元件的組合的質(zhì)量、剛度和阻尼特性而影響?？梢酝ㄟ^處理從與振動元件相關(guān)聯(lián)的一個(gè)或多個(gè)運(yùn)動換能器接收的一個(gè)或多個(gè)振動信號來確定與流體相關(guān)聯(lián)的性質(zhì)，諸如密度、粘度、溫度等。振動信號的處理可以包括確定振動響應(yīng)參數(shù)。

圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)振動傳感器，包括振動元件以及耦合到振動元件的儀表電子裝置?，F(xiàn)有技術(shù)振動傳感器包括用于使振動元件振動的驅(qū)動器以及響應(yīng)于振動而產(chǎn)生振動信號的拾取器（pickoff）。振動信號典型地是連續(xù)時(shí)間或模擬信號。儀表電子裝置接收振動信號并且處理振動信號以生成一個(gè)或多個(gè)流體特性或流體測量結(jié)果。儀表電子裝置確定振動信號的頻率和幅度二者。可以進(jìn)一步處理振動信號的頻率和幅度以確定流體的密度。

現(xiàn)有技術(shù)振動傳感器使用閉環(huán)電路提供用于驅(qū)動器的驅(qū)動信號。驅(qū)動信號典型地基于所接收的振動信號?，F(xiàn)有技術(shù)閉環(huán)電路修改或者向驅(qū)動信號中并入振動信號或者振動信號的參數(shù)。例如，驅(qū)動信號可以是所接收的振動信號的經(jīng)放大、調(diào)制或者以其它方式修改的版本。所接收的振動信號因此可以包括反饋，所述反饋使得閉環(huán)電路能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)頻率。使用反饋，閉環(huán)電路遞增地改變驅(qū)動頻率并且監(jiān)控振動信號直至達(dá)到目標(biāo)頻率為止。

流體性質(zhì)（諸如流體的粘度和密度）可以從其中驅(qū)動信號和振動信號之間的相位差異為135°和45°的頻率來確定。標(biāo)記為第一非諧振相位差異φ1和第二非諧振相位差異φ2的這些期望的相位差異可以對應(yīng)于半功率或3db頻率。第一非諧振頻率ω1被定義為其中第一非諧振相位差異φ1為135°的頻率。第二非諧振頻率ω2被定義為其中第二非諧振相位差異φ2為45°的頻率。在第二非諧振頻率ω2處做出的密度測量可以獨(dú)立于流體粘度。相應(yīng)地，在第二非諧振相位差異φ2為45°的情況下做出的密度測量可以比在其它相位差異下做出的密度測量更加準(zhǔn)確。

第一和第二非諧振相位差異φ1、φ2典型地在測量之前不是已知的。相應(yīng)地，閉環(huán)電路必須使用如在前文中描述的反饋遞增地逼近第一和第二非諧振相位差異φ1、φ2。與閉環(huán)電路相關(guān)聯(lián)的增量逼近可以引起在確定振動響應(yīng)參數(shù)方面的延遲，并且因此引起在確定流體的粘度、密度或其它性質(zhì)方面的延遲。在振動傳感器的許多應(yīng)用中，在確定這樣的測量方面的延遲可能過于昂貴。

相應(yīng)地，存在對于基于相位誤差控制振動傳感器的振動的需要。還存在對于在沒有與閉環(huán)電路相關(guān)聯(lián)的延遲的情況下達(dá)到第一和第二非諧振相位差異φ1、φ2的需要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

提供了一種基于相位誤差控制振動元件的振動的方法。根據(jù)實(shí)施例，該方法包括利用驅(qū)動信號使振動元件振動，從振動元件接收振動信號，以及測量驅(qū)動信號與振動信號之間的相位差異。該方法還包括確定目標(biāo)相位差異與測量的相位差異之間的相位誤差，以及利用所確定的相位誤差計(jì)算一個(gè)或多個(gè)振動控制項(xiàng)。

提供了一種用于控制振動元件的振動的儀表電子裝置。根據(jù)實(shí)施例，儀表電子裝置包括耦合到振動元件的驅(qū)動器電路，驅(qū)動器電路被配置為向振動元件提供驅(qū)動信號。儀表電子裝置還包括耦合到振動元件的接收器電路，接收器電路被配置為從振動元件接收振動信號。儀表電子裝置被配置為測量驅(qū)動信號與振動信號之間的相位差異，確定目標(biāo)相位差異與測量的相位差異之間的相位誤差，以及利用所確定的相位誤差計(jì)算一個(gè)或多個(gè)振動控制項(xiàng)。

各方面

根據(jù)一方面，基于相位誤差控制振動元件的振動的方法包括利用驅(qū)動信號使振動元件振動，從振動元件接收振動信號，測量驅(qū)動信號與振動信號之間的相位差異，確定目標(biāo)相位差異與測量的相位差異之間的相位誤差，以及利用所確定的相位誤差計(jì)算一個(gè)或多個(gè)振動控制項(xiàng)。

優(yōu)選地，所述一個(gè)或多個(gè)振動控制項(xiàng)是比例積分控制回路中的項(xiàng)。

優(yōu)選地，確定相位誤差的步驟包括基于以下等式計(jì)算相位誤差：

。

優(yōu)選地，所述一個(gè)或多個(gè)振動控制項(xiàng)是用于接收所確定的相位誤差的比例積分控制回路的比例增益項(xiàng)。

優(yōu)選地，比例增益項(xiàng)基于以下等式計(jì)算：

比例增益=所確定的相位誤差×kp，其中kp是比例增益常數(shù)。

優(yōu)選地，振動控制項(xiàng)是用于接收所確定的相位誤差的控制回路的積分項(xiàng)。

優(yōu)選地，積分項(xiàng)基于以下等式計(jì)算：

積分項(xiàng)=積分項(xiàng)+所確定的相位誤差×ki，其中ki是積分項(xiàng)常數(shù)。

優(yōu)選地，所述方法還包括基于所確定的相位誤差而生成命令頻率以及將命令頻率提供給信號生成器，所述信號生成器被配置為生成驅(qū)動信號，所述驅(qū)動信號使振動元件在命令頻率振動。

優(yōu)選地，命令頻率使用積分項(xiàng)和比例增益項(xiàng)來生成。

優(yōu)選地，通過基于以下等式將積分項(xiàng)和比例增益項(xiàng)相加來使用積分項(xiàng)和比例增益項(xiàng)而生成命令頻率：

命令頻率=積分項(xiàng)+比例增益項(xiàng)。

根據(jù)一方面，用于控制振動元件（104）的振動的儀表電子裝置（20）包括耦合到振動元件（104）的驅(qū)動器電路（138），所述驅(qū)動器電路（138）被配置為向振動元件（104）提供驅(qū)動信號；以及耦合到振動元件（104）的接收器電路（134），所述接收器電路（134）被配置為從振動元件（104）接收振動信號。儀表電子裝置（20）被配置為測量驅(qū)動信號與振動信號之間的相位差異，確定目標(biāo)相位差異與測量的相位差異之間的相位誤差，以及利用所確定的相位誤差計(jì)算一個(gè)或多個(gè)振動控制項(xiàng)。

優(yōu)選地，所述一個(gè)或多個(gè)振動控制項(xiàng)是比例積分控制回路中的項(xiàng)。

優(yōu)選地，所述儀表電子裝置（20）被配置為確定相位誤差的包括所述儀表電子裝置（20）被配置為基于以下等式計(jì)算相位誤差：

。

優(yōu)選地，所述一個(gè)或多個(gè)振動控制項(xiàng)是用于接收所確定的相位差異的比例積分控制回路的比例增益項(xiàng)。

優(yōu)選地，比例增益項(xiàng)基于以下等式計(jì)算：

比例增益=所確定的相位誤差×kp，其中kp是比例增益常數(shù)。

優(yōu)選地，振動控制項(xiàng)是用于接收所確定的相位誤差的控制回路的積分項(xiàng)。

優(yōu)選地，積分項(xiàng)基于以下等式計(jì)算：

積分項(xiàng)=積分項(xiàng)+所確定的相位誤差×ki，其中ki是積分項(xiàng)常數(shù)。

優(yōu)選地，儀表電子裝置（20）進(jìn)一步被配置為基于所確定的相位誤差而生成命令頻率（ωc）并且將命令頻率（ωc）提供給信號生成器（147c），所述信號生成器（147c）被配置為生成驅(qū)動信號，所述驅(qū)動信號使振動元件（104）在命令頻率（ωc）振動。

優(yōu)選地，命令頻率（ωc）使用積分項(xiàng)和比例增益項(xiàng)而生成。

優(yōu)選地，通過基于以下等式將積分項(xiàng)和比例增益項(xiàng)相加而使用積分項(xiàng)和比例增益項(xiàng)來生成命令頻率（ωc）：

命令頻率=積分項(xiàng)+比例增益項(xiàng)。

附圖說明

相同附圖標(biāo)記在所有附圖上表示相同元件。應(yīng)當(dāng)理解到，附圖未必按照比例。

圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)振動傳感器，其包括振動元件以及耦合到振動元件的儀表電子裝置。

圖2示出了根據(jù)實(shí)施例的振動傳感器5。

圖3示出了根據(jù)實(shí)施例的振動傳感器5。

圖4示出了具有驅(qū)動器電路138的更詳細(xì)表示的振動傳感器5的框圖。

圖5示出了頻率響應(yīng)曲線圖500，其圖示了振動元件的振動響應(yīng)。

圖6示出了相位響應(yīng)曲線圖600，其圖示了振動元件的振動響應(yīng)。

圖7示出了基于相位誤差控制振動元件中的振動的方法700。

圖8示出了基于相位誤差控制振動元件中的振動的另一方法800。

具體實(shí)施方式

圖1-8以及下面的描述描繪了具體示例以教導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù)人員如何實(shí)現(xiàn)和使用最佳實(shí)施例模式以用于基于相位誤差來控制振動傳感器的振動。出于教導(dǎo)發(fā)明原理的目的，已經(jīng)簡化或者省略一些常規(guī)方面。本領(lǐng)域技術(shù)人員將領(lǐng)會到落入本說明書的范圍內(nèi)的來自這些示例的變化。本領(lǐng)域技術(shù)人員將領(lǐng)會到，以下描述的特征可以以各種方式組合以形成基于相位誤差控制振動傳感器的振動的多個(gè)變形。作為結(jié)果，以下描述的實(shí)施例不限于以下描述的具體示例，而是僅由權(quán)利要求及其等同方案來限定。

圖2示出了根據(jù)實(shí)施例的振動傳感器5。振動傳感器5可以包括振動元件104和儀表電子裝置20，其中振動元件104通過一個(gè)或多個(gè)引線100耦合到儀表電子裝置20。在一些實(shí)施例中，振動傳感器5可以包括振動齒狀傳感器或者叉形密度傳感器（參見圖3和隨附討論）。然而，設(shè)想到其它振動傳感器并且它們在說明書和權(quán)利要求的范圍內(nèi)。

振動傳感器5可以至少部分地淹沒到要表征的流體中。流體可以包括液體或氣體?？商鎿Q地，流體可以包括多相流體，諸如包括攜入氣體、攜入固體、多種液體或其組合的液體。一些示例性流體包括水泥漿、石油產(chǎn)品等。振動傳感器5可以安裝在管道或?qū)Ч?、罐體、容器或其它流體器皿中。振動傳感器5還可以安裝在用于引導(dǎo)流體流的岐管或類似結(jié)構(gòu)中。然而，設(shè)想到其它安裝布置并且它們在說明書和權(quán)利要求的范圍內(nèi)。

振動傳感器5操作為提供流體測量結(jié)果。振動傳感器5可以提供流體測量結(jié)果，其包括針對流體的流體密度和流體粘度中的一個(gè)或多個(gè)，所述流體包括流動或非流動的流體。振動傳感器5可以提供流體測量結(jié)果，包括流體質(zhì)量流率、流體體積流率和/或流體溫度。這種列舉不是窮舉性的，并且振動傳感器5可以測量或確定其它流體特性。

儀表電子裝置20可以經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)引線100向振動元件104提供電氣功率。儀表電子裝置20經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)引線100控制振動元件104的操作。例如，儀表電子裝置20可以生成驅(qū)動信號并且向振動元件104提供所生成的驅(qū)動信號，其中振動元件104使用所生成的驅(qū)動信號生成一個(gè)或多個(gè)振動組件中的振動。所生成的驅(qū)動信號可以控制振動元件104的振動幅度和頻率。所生成的驅(qū)動信號還可以控制振動持續(xù)時(shí)間和/或振動定時(shí)。

儀表電子裝置20還可以經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)引線100從振動元件104接收一個(gè)或多個(gè)振動信號。儀表電子裝置20可以處理一個(gè)或多個(gè)振動信號以生成例如密度測量結(jié)果。儀表電子裝置20處理從振動元件104接收的一個(gè)或多個(gè)振動信號以確定一個(gè)或多個(gè)信號的頻率。進(jìn)一步地或者此外，儀表電子裝置20處理一個(gè)或多個(gè)振動信號以確定流體的其它特性，諸如粘度，或者信號之間的相位差異，其可以被處理以確定例如流體流率。如可以領(lǐng)會到，相位差異典型地以空間單位來測量或表達(dá)，所述空間單位諸如度或弧度，盡管可以采用任何適合的單位，諸如基于時(shí)間的單位。如果采用基于時(shí)間的單位，則可以由本領(lǐng)域中的技術(shù)人員將相位差異稱為振動信號與驅(qū)動信號之間的時(shí)間延遲。設(shè)想到其它振動響應(yīng)特性和/或流體測量結(jié)果并且它們在說明書和權(quán)利要求的范圍內(nèi)。

儀表電子裝置20可以進(jìn)一步耦合到通信鏈路26。儀表電子裝置20可以通過通信鏈路26傳送振動信號。儀表電子裝置20還可以處理所接收的振動信號以生成一個(gè)或多個(gè)測量值并且可以通過通信鏈路26傳送一個(gè)或多個(gè)測量值。此外，儀表電子裝置20可以通過通信鏈路26接收信息。例如，儀表電子裝置20可以通過通信鏈路26接收命令、更新、操作值或操作值改變和/或編程更新或改變。

圖3示出了根據(jù)實(shí)施例的振動傳感器5。在所示實(shí)施例中，儀表電子裝置20通過軸桿115耦合到振動元件104。軸桿115可以具有任何期望的長度。軸桿115可以至少部分地中空。導(dǎo)線或者其它導(dǎo)體可以通過軸桿115在儀表電子裝置20和振動元件104之間延伸。儀表電子裝置20包括電路組件，諸如接收器電路134、接口電路136和驅(qū)動器電路138。在所示實(shí)施例中，接收器電路134和驅(qū)動器電路138直接耦合到振動元件104的引線?？商鎿Q地，儀表電子裝置20可以包括與振動元件104分離的組件或設(shè)備，其中接收器電路134和驅(qū)動器電路138經(jīng)由所述一個(gè)或多個(gè)引線100耦合到振動元件104。

在所示實(shí)施例中，振動傳感器5的振動元件104包括調(diào)諧叉形結(jié)構(gòu)，其中振動元件104至少部分地淹沒在所測量的流體中。振動元件104包括可以固設(shè)到另一結(jié)構(gòu)的外殼105，所述另一結(jié)構(gòu)諸如管道、導(dǎo)管、罐體、接受器、岐管、或者任何其它流體處置結(jié)構(gòu)。外殼105保留振動元件104而同時(shí)振動元件104保持為至少部分地暴露。振動元件104因此配置為要淹沒在流體中。

在所示實(shí)施例中，振動元件104包括配置為至少部分地延伸到流體中的第一和第二齒狀物112和114。第一和第二齒狀物112和114包括可以具有任何期望的截面形狀的伸長元件。第一和第二齒狀物112和114可以在本性上為至少部分地柔性或彈性的。振動傳感器5還包括對應(yīng)的第一和第二壓電元件122和124，包括壓電式晶體元件。第一和第二壓電元件122和124分別位于鄰近第一和第二齒狀物112和114。第一和第二壓電元件122和124被配置為與第一和第二齒狀物112和114接觸并且機(jī)械地相互作用。

第一壓電元件122與第一齒狀物112的至少部分接觸。第一壓電元件122還電氣耦合到驅(qū)動器電路138。驅(qū)動器電路138向第一壓電元件122提供所生成的驅(qū)動信號。第一壓電元件122在經(jīng)受所生成的驅(qū)動信號時(shí)擴(kuò)展和收縮。作為結(jié)果，第一壓電元件122可以使第一齒狀物112在振動運(yùn)動中左右搖擺地交替地變形和移位（見虛線），從而以周期的、往復(fù)方式擾動流體。

將第二壓電元件124示出為耦合到接收器電路134，所述接收器電路134產(chǎn)生對應(yīng)于流體中的第二齒狀物114的變形的振動信號。第二齒狀物114的移動使得通過第二壓電元件124生成對應(yīng)電氣振動信號。第二壓電元件124將振動信號傳輸?shù)絻x表電子裝置20。儀表電子裝置20包括接口電路136。

接口電路136可以被配置為與外部設(shè)備通信。接口電路136傳送一個(gè)或多個(gè)振動測量信號并且可以傳送所確定的流體特性到一個(gè)或多個(gè)外部設(shè)備。儀表電子裝置20可以經(jīng)由接口電路136傳輸振動信號特性，諸如振動信號的振動信號頻率和振動信號幅度。除其它之外，儀表電子裝置20可以經(jīng)由接口電路136傳輸流體測量結(jié)果，諸如流體的密度和/或粘度。設(shè)想到其它流體測量結(jié)果并且它們在說明書和權(quán)利要求的范圍內(nèi)。此外，接口電路136可以從外部設(shè)備接收通信，例如包括用于生成測量值的命令和數(shù)據(jù)。在一些實(shí)施例中，接收器電路134耦合到驅(qū)動器電路138，其中接收器電路134向驅(qū)動器電路138提供振動信號。

驅(qū)動器電路138生成用于振動元件104的驅(qū)動信號。驅(qū)動器電路138可以修改所生成的驅(qū)動信號的特性。驅(qū)動器電路138包括開環(huán)驅(qū)動。開環(huán)驅(qū)動可以由驅(qū)動器電路138使用以生成驅(qū)動信號并且將所生成的驅(qū)動信號供應(yīng)給振動元件104（例如，到第一壓電元件122）。在一些實(shí)施例中，開環(huán)驅(qū)動生成驅(qū)動信號以實(shí)現(xiàn)在初始頻率ωi處開始的目標(biāo)相位差異φt。開環(huán)驅(qū)動可以不基于來自振動信號的反饋而進(jìn)行操作，如將在下文中參照圖4更加詳細(xì)地描述。

圖4示出了具有驅(qū)動器電路138的更詳細(xì)表示的振動傳感器5的框圖。振動傳感器5被示出具有驅(qū)動器電路138。為了清楚起見而沒有示出接收器電路134和接口電路136。驅(qū)動器電路138包括模擬輸入濾波器138a和模擬輸出濾波器138b，其耦合到開環(huán)驅(qū)動147。模擬輸入濾波器138a對振動信號進(jìn)行濾波，并且模擬輸出濾波器138b對所生成的驅(qū)動信號進(jìn)行濾波。

開環(huán)驅(qū)動147包括耦合到相位檢測器147b的模數(shù)轉(zhuǎn)換器147a。相位檢測器147b耦合到信號生成器147c。還示出了振動元件104，其包括第一壓電元件122和第二壓電元件124。開環(huán)驅(qū)動147可以利用數(shù)字信號處理器實(shí)現(xiàn)，所述數(shù)字信號處理器被配置為執(zhí)行對信號進(jìn)行采樣、處理和生成的一個(gè)或多個(gè)代碼或程序。附加地或者可替換地，開環(huán)驅(qū)動147可以利用耦合到數(shù)字信號處理器的電子電路等實(shí)現(xiàn)。

將由第一壓電元件122提供的振動信號發(fā)送給模擬輸入濾波器138a。在由模數(shù)轉(zhuǎn)換器147a對振動信號進(jìn)行采樣之前，模擬輸入濾波器138a對振動信號進(jìn)行濾波。在所示實(shí)施例中，模擬輸入濾波器138a可以包括低通濾波器，所述低通濾波器具有大約為開環(huán)驅(qū)動147的采樣速率的一半的截止頻率，盡管可以采用任何適合的低通濾波器。低通濾波器可以由無源組件提供，所述無源組件諸如電感器、電容器和電阻器，盡管可以采用任何適合的分布式或離散式組件，諸如運(yùn)算放大器濾波器。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器147a可以對經(jīng)濾波的振動信號進(jìn)行采樣以形成經(jīng)采樣的振動信號。模數(shù)轉(zhuǎn)換器147a還可以對通過第二信道（沒有示出）的所生成的驅(qū)動信號進(jìn)行采樣。采樣可以是通過任何適當(dāng)?shù)牟蓸臃椒?。如可以領(lǐng)會到，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器147a采樣的所生成的驅(qū)動信號不具有與振動信號相關(guān)聯(lián)的噪聲。將所生成的驅(qū)動信號提供給相位檢測器147b。

相位檢測器147b可以比較經(jīng)采樣的振動和所生成的驅(qū)動信號的相位。相位檢測器147b可以是配置為執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)代碼或程序的處理器，所述一個(gè)或多個(gè)代碼或程序?qū)π盘栠M(jìn)行采樣、處理和生成以檢測兩個(gè)信號之間的相位差異，如將在下文參照圖5更加詳細(xì)描述。仍然參照圖4的實(shí)施例，比較提供了經(jīng)采樣的振動信號和經(jīng)采樣的所生成的驅(qū)動信號之間的測量的相位差異φm。

將測量的相位差異φm與目標(biāo)相位差異φt相比較。目標(biāo)相位差異φt是振動信號與所生成的驅(qū)動信號之間的期望相位差異。例如，在其中目標(biāo)相位差異φt大概為45°的實(shí)施例中，如果測量的相位差異φm也與45°相同或者大約為45°，測量的相位差異φm與目標(biāo)相位差異φt之間的差異可以為零。然而，在可替換實(shí)施例中，可以采用任何適當(dāng)?shù)哪繕?biāo)相位差異φt。使用測量的相位差異φm與目標(biāo)相位差異φt之間的比較，相位檢測器147b可以生成命令頻率ωc。

可以采用命令頻率ωc來生成驅(qū)動信號。附加地或可替換地，可以采用不是從測量的相位差異φm與目標(biāo)相位差異φt之間的比較確定的初始頻率ωi。初始頻率ωi可以是用于形成初始生成的驅(qū)動信號的預(yù)選頻率。初始生成的驅(qū)動信號可以如前文所述的那樣進(jìn)行采樣并且與經(jīng)采樣的振動信號進(jìn)行比較。經(jīng)采樣的初始生成的驅(qū)動信號與經(jīng)采樣的振動信號之間的比較可以用于生成命令頻率ωc。命令頻率ωc和初始頻率ωi可以具有弧度每秒的單位，盡管可以采用任何適合的單位，諸如例如赫茲（hz）?？梢詫⒚铑l率ωc或初始頻率ωi提供給信號生成器147c。

信號生成器147c可以從相位檢測器147b接收命令頻率ωc，并且提供具有與命令頻率ωc相同的頻率的所生成的驅(qū)動信號。所生成的驅(qū)動信號可以如前文中討論的那樣發(fā)送給模數(shù)轉(zhuǎn)換器147a。所生成的驅(qū)動信號還經(jīng)由模擬輸出濾波器138b發(fā)送給第一壓電元件122。附加地或者可替換地，所生成的驅(qū)動信號可以在其它實(shí)施例中發(fā)送給其它組件。

如在前文中討論的，振動元件104具有由于驅(qū)動信號而引起的振動響應(yīng)。振動響應(yīng)具有振動響應(yīng)參數(shù)，諸如諧振頻率ω0、質(zhì)量因數(shù)q等，可以采用所述振動響應(yīng)參數(shù)來計(jì)算所測量的流體的各種性質(zhì)。在下文中更加詳細(xì)地討論振動響應(yīng)和示例性的振動響應(yīng)參數(shù)以及可以如何使用振動響應(yīng)參數(shù)來計(jì)算流體的性質(zhì)。

圖5示出了頻率響應(yīng)曲線圖500，其圖示了振動元件的振動響應(yīng)。頻率響應(yīng)曲線圖500包括頻率軸510和幅度軸520。頻率軸510以hz為單位示出，盡管可以采用任何適合的頻率單位，諸如例如弧度每秒。幅度軸520以分貝（db）尺度示出。幅度軸520可以從任何適當(dāng)?shù)膯挝粊泶_定，諸如例如伏特或者安培。頻率響應(yīng)曲線圖500還包括頻率響應(yīng)繪圖530。頻率響應(yīng)繪圖530可以表示前文中描述的振動元件104的振動響應(yīng)，盡管可以在可替換實(shí)施例中采用任何適合的振動元件。

如在圖5中示出，頻率響應(yīng)繪圖530包括針對具有不同振動阻尼性質(zhì)的流體的單獨(dú)頻率響應(yīng)繪圖。例如，由于振動元件104淹沒在粘性且稠密的流體中，在諧振頻率處具有最低幅度的繪圖可以是最平坦的。由于振動元件淹沒在相對于與頻率響應(yīng)繪圖530中的其它繪圖相關(guān)聯(lián)的流體而言具有低粘度的流體中，在諧振頻率處具有最大幅度的繪圖可以是最不平坦的。如可以領(lǐng)會到，每一個(gè)頻率響應(yīng)繪圖530具有不同的相關(guān)聯(lián)的振動響應(yīng)參數(shù)。

例如，在圖5中所示的實(shí)施例中，每一個(gè)頻率響應(yīng)繪圖530具有指示第一非諧振頻率ω1、第二非諧振頻率ω2和諧振頻率ω0的三個(gè)標(biāo)記，其是振動響應(yīng)的振動響應(yīng)參數(shù)。第一非諧振頻率ω1由第一非諧振標(biāo)記532指示。第二非諧振頻率ω2由第二非諧振標(biāo)記534指示。諧振頻率ω0由諧振標(biāo)記536指示。如可以通過參照諧振標(biāo)記536而領(lǐng)會到，諧振頻率ω0對于每一個(gè)頻率響應(yīng)繪圖530大體上相同。

在一些實(shí)施例中，諧振頻率ω0可以從第一非諧振頻率ω1和第二非諧振頻率ω2來確定。例如，諧振頻率ω0可以從第一非諧振頻率ω1和第二非諧振頻率ω2的平均來確定：

然而，在可替換實(shí)施例中，諧振頻率ω0可以以其它方式確定，諸如在掃掠頻率范圍的同時(shí)測量峰值幅度處的頻率。

質(zhì)量因數(shù)q可以從第一非諧振頻率ω1、第二非諧振頻率ω2和諧振頻率ω0來確定。例如，質(zhì)量因數(shù)q可以從以下來確定：

如可以領(lǐng)會到，質(zhì)量因數(shù)q對于每一個(gè)曲線不同。由于各種原因，諸如例如具有不同的粘度或密度的與每一個(gè)頻率響應(yīng)繪圖530相關(guān)聯(lián)的流體，質(zhì)量因數(shù)q可以對于每一個(gè)頻率響應(yīng)繪圖530而不同。

圖6示出了相位響應(yīng)曲線圖600，其圖示了振動元件的振動響應(yīng)。振動元件可以是在前文中參照圖2-4描述的振動元件104，盡管可以采用任何適合的振動元件。相位響應(yīng)曲線圖600包括頻率軸610，其是相位響應(yīng)曲線圖600的橫坐標(biāo)。相位響應(yīng)曲線圖600還包括相位差異軸620，其是相位響應(yīng)曲線圖600的縱坐標(biāo)。相位響應(yīng)曲線圖600包括針對不同粘度的流體的相位響應(yīng)繪圖630。每一個(gè)相位響應(yīng)繪圖630具有第一非諧振標(biāo)記632和第二非諧振標(biāo)記634。還示出了每一個(gè)相位響應(yīng)繪圖630的諧振標(biāo)記636。

每一個(gè)相位響應(yīng)繪圖630圖示了振動信號和驅(qū)動信號之間的相位差異與振動信號的頻率之間的關(guān)系。第一和第二非諧振標(biāo)記632、634的頻率對于每一個(gè)相位響應(yīng)繪圖630不同。如所示，-135度處的第一非諧振標(biāo)記632范圍從大約1630hz到大約1715hz。-45度的第二非諧振標(biāo)記634范圍從大約1560hz到大約1620hz。

如可以領(lǐng)會到，相位差異與頻率之間的關(guān)系在第一和第二非諧振標(biāo)記632、634之間近似為線性的。因此，如果在其相應(yīng)頻率處測量兩個(gè)或更多相位差異，則可以建立頻率與相位差異之間的函數(shù)關(guān)系。該函數(shù)關(guān)系可以用于確定目標(biāo)相位差異φt與測量的相位差異φm之間的相位誤差，如在前文中參照圖4所述。如將在下文中更加詳細(xì)地描述，可以采用相位誤差來計(jì)算用于控制回路的一個(gè)或多個(gè)振動控制項(xiàng)。

圖7示出了基于相位誤差控制振動元件中的振動的方法700。振動元件可以是在前文中參照圖2-4描述的振動元件104，盡管在可替換實(shí)施例中可以采用任何適合的振動元件。方法700通過在步驟710中利用驅(qū)動信號使振動元件振動而開始。驅(qū)動信號可以例如由參照圖4所述的驅(qū)動器電路138生成。

在步驟720中，方法700從振動元件接收振動信號。方法700可以例如利用儀表電子裝置20接收該信號。特別地，方法700可以是程序，所述程序在儀表電子裝置20上執(zhí)行以使得接收器電路134接收由圖3中所示的引線100承載的振動信號。

在步驟730中，方法700可以測量驅(qū)動信號與振動信號之間的相位差異φm。方法700可以例如利用相位檢測器147b測量相位差異φm，盡管可以采用任何適合的部件來測量相位差異φm。在步驟740中，可以確定目標(biāo)相位差異φt與測量的相位差異φm之間的相位誤差?？梢岳缤ㄟ^減去目標(biāo)相位差異φt與測量的相位差異φm之間的差異來確定相位誤差。

在步驟750中，方法700可以利用所確定的相位誤差來計(jì)算一個(gè)或多個(gè)振動控制項(xiàng)。振動控制項(xiàng)可以例如是在控制回路中采用的項(xiàng)，所述控制回路控制振動元件的振動。例如，方法700可以在驅(qū)動器電路中采用，諸如在前文中描述的開環(huán)驅(qū)動147。相應(yīng)地，方法700可以使振動元件以從所確定的相位誤差計(jì)算的頻率振動，如在下文中更加詳細(xì)地描述。

圖8示出了基于相位誤差控制振動元件中的振動的另一方法800。振動元件可以是前文中參照圖2-4描述的振動元件104，盡管可以采用任何適合的振動元件。方法800在步驟810中通過生成驅(qū)動信號而開始。驅(qū)動信號可以由參照圖4所述的信號生成器147c生成。在步驟820中，方法800可以利用驅(qū)動信號使振動元件振動。例如，根據(jù)圖8中所示的實(shí)施例，方法800可以使信號生成器147c經(jīng)由模擬輸出濾波器138b將驅(qū)動信號提供給振動元件104。

在步驟830中，方法800測量來自振動元件的振動信號與驅(qū)動信號之間的相位差異。在步驟840中，方法800可以計(jì)算來自控制回路的一個(gè)或多個(gè)振動控制項(xiàng)。在步驟850中，方法800可以利用所述一個(gè)或多個(gè)振動控制項(xiàng)來計(jì)算增益。在步驟860中，方法800可以利用控制回路來計(jì)算針對驅(qū)動信號的頻率。將方法800示為循環(huán)回到步驟810以生成驅(qū)動信號，其可以具有在步驟860中計(jì)算的頻率。

方法700、800可以例如通過在儀表電子裝置20上執(zhí)行軟件程序而實(shí)施前面描述的步驟。在前文中描述的方法700、800可以測量驅(qū)動信號與振動信號之間的相位差異，確定目標(biāo)相位差異φt與測量的相位差異φm之間的相位誤差，以及基于所確定的相位誤差計(jì)算一個(gè)或多個(gè)振動控制項(xiàng)。這些和其它步驟在下文中更加詳細(xì)地描述。

可以以各種方式測量驅(qū)動信號與振動信號之間的相位差異。例如，可以通過利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器147a對驅(qū)動信號和振動信號進(jìn)行采樣來測量相位差異。相位檢測器147b可以檢測驅(qū)動信號和振動信號的零交叉點(diǎn)。零交叉點(diǎn)可以是驅(qū)動信號和振動信號在其處為零伏特或大約零伏特的時(shí)間，其以模擬形式或者數(shù)字地進(jìn)行編碼。驅(qū)動信號和振動信號的零交叉點(diǎn)之間的時(shí)間差異可以與驅(qū)動或振動信號的頻率相乘以計(jì)算測量的相位差異φm。然而，可以采用測量驅(qū)動信號與振動信號之間的相位差異的任何適合的部件。

相位誤差可以從測量的相位差異φm來確定。相位誤差可以是目標(biāo)相位差異φt與測量的相位差異φm之間的差異除以目標(biāo)相位差異φt的比。相應(yīng)地，目標(biāo)相位差異φt與測量的相位差異φm之間的差異可以相對于目標(biāo)相位差異φt進(jìn)行縮放。例如，儀表電子裝置20可以執(zhí)行方法700、800以便通過使用以下等式來計(jì)算相位誤差：

（3）

在這些和其它實(shí)施例中，可以采用所確定的相位誤差來計(jì)算一個(gè)或多個(gè)振動控制項(xiàng)。例如，相位誤差可以與諸如例如預(yù)確定的常數(shù)之類的值相乘以計(jì)算振動控制項(xiàng)中的一個(gè)。

振動控制項(xiàng)可以在生成增益的控制回路中采用。例如，控制回路可以使所述一個(gè)或多個(gè)振動控制項(xiàng)相加以生成增益。可以采用增益來控制振動元件的振動，諸如例如前文中參照圖1所述的振動元件104。例如，可以采用增益來將振動元件驅(qū)動到第一或第二非諧振相位差異φ1、φ2。

通過將振動元件驅(qū)動到第一和第二非諧振相位差異φ1、φ2，測量的相位差異φm與目標(biāo)相位差異φt之間的相位誤差降低。也就是說，目標(biāo)相位差異φt可以是第一或第二非諧振相位差異φ1、φ2中的一個(gè)。減少的相位誤差可以用于計(jì)算針對控制回路的對應(yīng)振動控制項(xiàng)。相應(yīng)地，隨著測量的相位差異φm變得更接近目標(biāo)相位差異φt，控制回路可以在增量過程中遞增地減少由控制回路計(jì)算的增益。

控制回路可以是具有從所確定的相位誤差計(jì)算的振動控制項(xiàng)的比例積分控制回路。在實(shí)施例中，比例積分控制回路可以包括例如比例增益項(xiàng)和積分項(xiàng)的總和。在一些實(shí)施例中，比例積分控制回路通過等式描述，所述等式將所確定的相位誤差與比例增益常數(shù)kp和積分項(xiàng)常數(shù)ki相乘，如將在下文更加詳細(xì)地描述。

比例增益項(xiàng)可以是比例增益常數(shù)kp與所確定的相位誤差相乘。在實(shí)施例中，比例增益項(xiàng)可以從以下等式計(jì)算：

比例增益項(xiàng)=相位誤差×kp（4）

該等式中的相位誤差可以是所確定的相位誤差。例如，當(dāng)從振動元件104接收到驅(qū)動信號和振動信號時(shí)，該等式中的相位誤差可以從測量的相位差異φm來確定。

比例增益項(xiàng)可以在比例積分控制回路中采用。相應(yīng)地，比例積分控制回路的輸出可以與所確定的相位誤差相關(guān)。相應(yīng)地，測量的相位差異φm與目標(biāo)相位差異φt之間的差異越大，來自比例積分控制回路的輸出就越大。因此，大的所確定的相位誤差導(dǎo)致比例增益項(xiàng)相對于由比例增益常數(shù)kp確定的尺度而對應(yīng)地大。

比例積分控制回路還可以包括積分項(xiàng)。積分項(xiàng)可以是積分項(xiàng)常數(shù)ki乘以所確定的相位誤差。此外，積分項(xiàng)還可以包括其它所確定的相位誤差。例如，如前文中所述，相位誤差可以迭代地確定。相應(yīng)地，積分項(xiàng)常數(shù)ki可以與當(dāng)前相位誤差和一個(gè)或多個(gè)之前的相位誤差相乘以確定用于比例積分控制回路的當(dāng)前積分項(xiàng)。

例如，方法700、800可以將一個(gè)或多個(gè)之前的相位誤差存儲在儀表電子裝置20中。所述一個(gè)或多個(gè)之前的相位誤差可以通過方法700、800獲得，與積分項(xiàng)常數(shù)ki相乘，并且添加到從當(dāng)前相位誤差計(jì)算的積分項(xiàng)。當(dāng)由儀表電子裝置20接收到測量的相位差異φm時(shí)，當(dāng)前相位誤差可以是由測量的相位差異φm和目標(biāo)相位差異φt確定的相位誤差。

在另一個(gè)示例中，方法700、800可以將一個(gè)或多個(gè)之前測量的相位差異φm存儲在儀表電子裝置20中。方法700、800可以獲得一個(gè)或多個(gè)之前測量的相位差異φm，并且計(jì)算對應(yīng)于一個(gè)或多個(gè)之前測量的相位差異φm的一個(gè)或多個(gè)之前的相位誤差。所述一個(gè)或多個(gè)之前的相位誤差可以與積分項(xiàng)ki相乘并且然后添加到當(dāng)前積分項(xiàng)。當(dāng)儀表電子裝置20經(jīng)由引線100接收到測量的相位差異φm時(shí)，可以確定當(dāng)前積分項(xiàng)。

在實(shí)施例中，可以采用一個(gè)之前的積分項(xiàng)。也就是說，當(dāng)前相位誤差與積分項(xiàng)ki相乘并且然后添加到所述一個(gè)之前的積分項(xiàng)，其例如被存儲在儀表電子裝置20中。在實(shí)施例中，積分項(xiàng)可以通過以下等式計(jì)算：

積分項(xiàng)=積分項(xiàng)+相位誤差×ki（5）

等式（5）右側(cè)上的相位誤差可以是在由儀表電子裝置20接收到驅(qū)動信號和振動信號時(shí)從測量的相位差異φm計(jì)算的當(dāng)前確定的相位誤差。等式（5）右側(cè)上的積分項(xiàng)可以是從之前的相位誤差計(jì)算的之前的積分項(xiàng)。等式（5）左側(cè)上的積分項(xiàng)因此可以是當(dāng)前積分項(xiàng)。

當(dāng)前積分項(xiàng)可以通過方法700、800存儲在儀表電子裝置20中以用于控制回路的隨后迭代。例如，等式（5）左側(cè)上的積分項(xiàng)可以存儲在儀表電子裝置20中，使得等式（5）的隨后計(jì)算可以在等式（5）右側(cè)上采用所存儲的積分項(xiàng)。在可替換實(shí)施例中，可以采用計(jì)算振動控制項(xiàng)的其它方法。

方法700、800還可以基于所確定的相位誤差來生成命令頻率ωc，并且向信號生成器提供命令頻率ωc，所述信號生成器被配置為生成驅(qū)動信號，所述驅(qū)動信號使振動元件在命令頻率ωc處振動。根據(jù)實(shí)施例，使用積分項(xiàng)和比例增益項(xiàng)生成命令頻率ωc。可以通過基于以下等式將積分項(xiàng)和比例增益項(xiàng)相加而使用積分項(xiàng)和比例增益項(xiàng)來生成命令頻率ωc：

命令頻率=積分項(xiàng)+比例增益項(xiàng)（6）

如可以領(lǐng)會到，可以通過前文中描述的儀表電子裝置20而生成命令頻率ωc，盡管在可替換實(shí)施例中可以使用任何儀表電子裝置。相應(yīng)地，儀表電子裝置20可以被配置為基于所確定的相位誤差而生成命令頻率ωc，并且將命令頻率ωc提供給信號生成器147c，所述信號生成器147c被配置為生成驅(qū)動信號，所述驅(qū)動信號使振動元件104在命令頻率ωc處振動。在可替換實(shí)施例中可以采用其它配置。

前文中描述的實(shí)施例提供了用于基于所確定的相位誤差來控制振動元件104的振動的方法700、800以及儀表電子裝置20。如在前文中解釋到，方法700、800和儀表電子裝置20可以提供基于所確定的相位誤差的驅(qū)動增益。驅(qū)動增益因此在誤差大時(shí)為大并且在誤差小時(shí)為小。驅(qū)動增益因此使驅(qū)動信號更加快速地逼近第一和第二非諧振頻率ω1、ω2。相應(yīng)地，可以更加快地測量所測量的材料的粘度和密度。此外，因?yàn)轵?qū)動增益在誤差小時(shí)為小，所以在驅(qū)動信號處于第一和第二非諧振頻率ω1、ω2時(shí)，驅(qū)動信號可以是穩(wěn)定的。

以上實(shí)施例的詳細(xì)描述不是發(fā)明人設(shè)想到處于本說明書的范圍內(nèi)的所有實(shí)施例的窮舉性描述。實(shí)際上，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，以上描述的實(shí)施例的某些元件可以以各種方式組合或消除以創(chuàng)建另外的實(shí)施例，并且這種另外的實(shí)施例落入本說明書的范圍和教導(dǎo)內(nèi)。對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員還將明顯的是，以上描述的實(shí)施例可以整體地或者部分地組合以便創(chuàng)建本說明書的范圍和教導(dǎo)內(nèi)的附加實(shí)施例。

因而，盡管在本文中出于說明性目的而描述了具體實(shí)施例，但是各種等同修改在本說明書的范圍內(nèi)是可能的，如相關(guān)領(lǐng)域中的技術(shù)人員將認(rèn)識到。本文提供的教導(dǎo)可以應(yīng)用到用于基于相位誤差來控制振動傳感器的振動的其它方法和裝置，而不僅僅是在上文中描述并且在附圖中示出的實(shí)施例。相應(yīng)地，以上描述的實(shí)施例的范圍應(yīng)當(dāng)從以下權(quán)利要求來確定。