CN105051517A - 振动传感器和方法 - Google Patents

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Abstract

振动传感器（5）包含被配置为产生振动信号的振动元件（104）和被耦合到振动元件（104）并且接收振动信号的计量器电子器件（20），其中计量器电子器件（20）包含：被耦合到振动元件（104）并且接收振动信号的增益级（150），其中增益级（150）以预定的增益放大振动信号以产生饱和的振动信号；和被耦合到增益级（150）的信号处理器（156），其中信号处理器（156）的第一输入（161）接收所述饱和的振动信号并且从所述饱和的振动信号确定振动信号频率，并且其中信号处理器（156）的第二输入（162）接收振动信号并且从所述振动信号确定振动信号振幅。

Description

振动传感器和方法
技术领域
本发明涉及振动传感器和方法。
背景技术
诸如振动密度计和振动粘度计的振动传感器典型地通过检测在存在将被测量的流体材料的情况下振动的振动元件的运动来操作。能够通过处理从与振动元件相关联的运动换能器接收的测量信号来确定诸如密度、粘度、温度等的与流体材料相关联的属性。振动元件***的振动模式通常受振动元件和流体材料的组合的质量、硬度和阻尼特性影响。
图1示出现有技术振动传感器，其中拾取传感器产生对应于感测的振动的电子振动信号。振动信号在本质上将是大体正弦的。振动信号在测量或表征振动信号的信号处理器中被接收。在一些实施例中信号处理器可以包括编码器-解码器（即编解码器）。信号处理器确定振动信号的频率和振幅两者。振动信号的频率和振幅能够被进一步处理以确定相关联的流体的密度，或能够被处理以确定附加或其他流体特性。
此外，信号处理器可以为驱动器产生驱动信号。信号处理器可以处理振动信号以创建驱动信号。驱动信号可以具有预定的驱动振幅，其中所述预定的驱动振幅可以是固定的或变化的。驱动信号可以具有基于接收的振动信号的频率和振幅的驱动频率。驱动频率可以包括在将要被表征的流体中振动的振动传感器的谐振频率，其中通过调整驱动频率直到接收的振动信号的振幅大体处于最大值来确定所述谐振频率。
然而，信号处理器可能具有有限的动态范围并且可能不能够准确地和可靠地测量具有相对小的振幅的输入信号的频率。振动信号具有明显大于典型立体编解码器的可用动态范围的动态振幅范围。在叉形密度计量器的情况下，在最小拾取振幅到最大拾取振幅之间的动态范围可以大于10000，而典型的立体编解码器可以具有大约100的可用动态范围以便在***的频率准确性要求的情况下维持稳定的闭环驱动。
现有技术振动传感器可以包含在拾取传感器和信号处理器之间的增益级。可以选择由增益级实施的增益以便振动信号被放大以大体匹配信号处理器的动态范围。然后可以更容易地和准确地测量振动信号的频率。
图1中的现有技术振动传感器具有缺点。由增益级进行的振动信号的放大可以提高信号处理器将振动信号匹配到信号处理器的输入并且量化振动信号频率的能力，但是遗憾的是这消极地影响信号处理器量化振动信号振幅的能力。
图2示出现有技术振动传感器，其中增益级包括多个增益元件K1-KN，其中开关S1-SN选择用于放大振动信号的增益元件。这个现有技术电路允许以多于单个增益因子放大振动信号。
然而切换增益的过程具有缺点。一个问题是必须在初始的操作期间（以及在缓动操作期间）动态地扫描增益以确保***始终保持稳定。另一个问题是从一个增益到下一个增益切换的动作创建振幅和频率两者的测量中的非线性，这能够导致由现有技术振动传感器产生的流体测量中的误差。又一个问题是每个增益级具有与拾取器不同的相位关系，这必须被补偿。为了维持这个相位关系，必须针对每个可用的增益级计算单独的补偿数字以确保传感器总是在预测的测量点上操作，因为从一个增益到另一个增益的同相线性化的任何误差将导致测量误差的另一个源。
发明内容
在本发明的一个方面中，振动传感器包括：
振动元件，被配置为产生振动信号；以及
计量器电子器件，被耦合到所述振动元件并且接收所述振动信号，其中所述计量器电子器件包括：
　　增益级，被耦合到所述振动元件并且接收所述振动信号，其中所述增益级以预定增益放大所述振动信号以产生饱和的振动信号；和
　　信号处理器，被耦合到所述增益级，其中所述信号处理器的第一输入接收所述饱和的振动信号并且从所述饱和的振动信号确定振动信号频率，并且其中所述信号处理器的第二输入接收所述振动信号并且从所述振动信号确定振动信号振幅。
优选地，所述饱和的振动信号包括大体方波振动信号。
优选地，所述信号处理器的第二输入被直接耦合到所述振动元件并且从所述振动元件接收所述振动信号。
优选地，所述信号处理器的第二输入被耦合到所述增益级并且经所述增益级接收所述振动信号。
优选地，所述信号处理器的第二输入被耦合到缓冲器并且从所述缓冲器接收所述振动信号，其中所述缓冲器被耦合到所述振动元件。
优选地，所述信号处理器的第二输入被耦合到缓冲器并且从所述缓冲器接收所述振动信号，其中所述缓冲器被耦合到所述振动元件并且其中所述缓冲器提供小于用于产生所述饱和的振动信号的预定增益的预定第二增益。
优选地，所述信号处理器被耦合到接口电路，其中所述信号处理器将振动信号振幅和振动信号频率提供给所述接口电路用于传输到外部装置。
优选地，所述信号处理器被耦合到驱动电路，其中所述信号处理器将振动信号振幅和振动信号频率提供给所述驱动电路，其中所述驱动电路使用振动信号振幅和振动信号频率产生驱动信号。
优选地，所述振动传感器包括振动尖端（tine）传感器并且所述振动元件包括音叉结构。
在本发明的一个方面中，操作振动传感器的方法包括：
使用所述振动传感器的振动元件产生振动信号；
从所述振动信号确定振动信号振幅；
以预定的增益放大所述振动信号并且产生饱和的振动信号；以及
从所述饱和的振动信号确定振动信号频率。
优选地，所述饱和的振动信号包括大体方波振动信号。
优选地，所述方法进一步包括提供振动信号振幅和振动信号频率用于传输到外部装置。
优选地，所述方法进一步包括使用振动信号振幅和振动信号频率产生驱动信号。
优选地，所述振动传感器包括振动尖端传感器并且其中所述振动元件包括音叉结构。
附图说明
在所有附图上相同的参考数字代表相同的元件。附图未必成比例。
图1示出现有技术振动传感器，其中拾取传感器产生对应于感测的振动的电子振动信号。
图2示出现有技术振动传感器，其中增益级包括多个增益元件，其中开关选择用于放大振动信号的增益元件。
图3示出根据本发明的振动传感器。
图4示出根据本发明的实施例的振动传感器。
图5是其中振幅是比较小（在+A和-A之间变化）的示例中的振动信号的曲线图。
图6是饱和的振动信号的曲线图，其中所述饱和的振动信号在图5中的振动信号上被极大地放大。
图7示出根据本发明的另一个实施例的振动传感器。
图8示出根据本发明的另一个实施例的振动传感器。
具体实施方式
图3-8和下面的描述描绘特定的示例以教导本领域技术人员如何制造和使用本发明的最佳模式。出于教导发明的原理的目的，简化或省略了一些常规的方面。本领域技术人员将领会到落入本发明的范围之内的与这些示例的变化。本领域技术人员将领会到以下描述的特征能够以各种方式被组合以形成本发明的多个变化。结果，本发明不受限于以下描述的特定的示例，而仅由权利要求和它们的等同物限制。
图3示出根据本发明的振动传感器5。振动传感器5可以包括振动元件104和计量器电子器件20，其中振动元件104通过一个或多个引线100被耦合到计量器电子器件20。在一些实施例中，振动传感器5可以包括振动尖端传感器或叉形密度传感器（参见图4和7-8以及所附的讨论）。然而其他振动传感器被设想并且在本描述和权利要求的范围之内。
振动传感器5可以至少部分地浸入到将被表征的流体中。例如，振动传感器5可以被安装在导管或管道中。振动传感器5可以被安装在用于保持流体的箱或容器或结构中。振动传感器5可以被安装在用于引导流体流动的歧管或类似的结构中。然而，其他安装布置被设想并且在本描述和权利要求的范围之内。
流体能够包括液体。流体能够包括气体。替选地，流体能够包括多相流体，诸如包含夹带的气体、夹带的固体、多种液体、或其组合的液体。
振动传感器5可以操作以提供流体测量。振动传感器5可以为包含流动或非流动流体的流体提供包含流体密度和流体粘度中的一个或多个的流体测量。振动传感器5可以提供包含流体质量流速、流体体积流速和/或流体温度的流体测量。这个列表不是详尽的并且振动传感器5可以测量或确定其他流体特性。
计量器电子器件20可以经由一个或多个引线100为振动元件104提供电功率。计量器电子器件20可以经由一个或多个引线100控制振动元件104的操作。例如，计量器电子器件20可以产生驱动信号并且为振动元件104供应驱动信号，其中振动元件104使用所述驱动信号在一个或多个振动部件中产生振动。驱动信号可以控制振动的振幅。驱动信号可以控制振动的频率。驱动信号可以控制振动的持续时间和/或振动的定时。
计量器电子器件20可以经由一个或多个引线100从振动元件104接收一个或多个振动信号。计量器电子器件20可以处理所述一个或多个振动信号以便产生例如密度测量。应该理解的是，可以从一个或多个振动信号产生其他的或附加的测量。
计量器电子器件20可以处理从振动元件104接收的一个或多个振动信号以确定一个或多个信号的频率。频率可以包括流体的谐振频率。谐振频率可以用于确定流体的密度。进一步或另外，计量器电子器件可以处理所述一个或多个振动信号以确定流体的其他的特性，诸如粘度，或者处理能够被处理的信号之间的相移以确定例如流体流速。其他振动响应特性和/或流体测量被设想并且在本描述和权利要求的范围之内。
计量器电子器件20可以被进一步耦合到通信线路26。计量器电子器件20可以在通信线路26上传送振动信号。计量器电子器件20可以处理接收的振动信号以产生一个或多个测量值并且可以在通信线路26上传送一个或多个测量值。
另外，计量器电子器件20可以在通信线路26上接收信息。计量器电子器件20可以在通信线路26上接收命令、更新、操作值或操作值改变和/或编程更新或改变。
图4示出根据本发明的实施例的振动传感器5。在示出的实施例中的振动传感器5包括振动尖端传感器5，所述振动尖端传感器5包含在示出的实施例中通过轴115耦合到振动元件104的计量器电子器件20。轴115可以具有任何期望的长度。轴115可以是至少部分中空的并且导线或其他导体可以在计量器电子器件20和振动元件104之间经轴115延伸。
计量器电子器件20可以包含电路部件，诸如在示出的实施例中的信号处理器156、增益级150、驱动电路138和接口电路136。如之前讨论的，在一些实施例中的信号处理器156可以包括立体编解码器。
在示出的实施例中，驱动电路138和增益级150被直接耦合到振动元件104的引线。替选地，计量器电子器件20可以包括与振动元件104分离的部件或装置，其中驱动电路138和增益级150经由一个或多个引线100被耦合到振动元件104，如在图3中示出的那样。
在示出的实施例中的振动传感器5的振动元件104包括音叉结构104，其中振动元件104至少部分地浸入在正被测量的流体中。振动元件104包含可以被固定到诸如导管、管道、箱、贮槽、歧管或任何其他流体处置结构的另一个结构的外壳105。外壳105保留振动元件104，而振动元件104保持至少部分暴露。振动元件104因此被配置为浸入在流体中。
在示出的实施例中的振动元件104包含被配置为至少部分延伸到流体中的第一和第二尖端112和114。第一和第二尖端112和114包括可以具有任何期望的横截面形状的细长的元件。第一和第二尖端112和114可以在本质上是至少部分柔性的或有弹性的。
振动传感器5进一步包含包括压电晶体元件的对应的第一和第二压电元件122和124。第一和第二压电元件122和124分别被邻近于第一和第二尖端112和114定位。第一和第二压电元件122和124被配置为接触第一和第二尖端112和114并且与第一和第二尖端112和114机械地相互作用。
第一压电元件122可以接触第一尖端112的至少部分。第一压电元件122可以被电耦合到驱动电路138，其中驱动电路138为第一压电元件122提供时变的驱动信号。第一压电元件122可以在受到时变的驱动信号时膨胀和收缩。结果，第一压电元件122可以在振动运动中交替地使第一尖端112变形并且使第一尖端112从一侧到另一侧移位（参见虚线），从而以周期的往复方式扰动流体。
第二压电元件124可以被耦合到生成与在流体中的第二尖端114的变形对应的时变的振动响应信号的接收器电路134。第二尖端114的移动可以因此造成由第二压电元件124产生对应的电振动信号。第二压电元件124将振动信号传输到计量器电子器件20。计量器电子器件20处理振动信号并且可以测量振动信号的振动信号振幅和/或振动信号频率。
计量器电子器件20可以包含接口电路136。计量器电子器件20可以将诸如振动信号的振动信号频率和/或振动信号振幅的振动信号特性传输到接口电路136。计量器电子器件20可以将流体测量尤其诸如流体的密度和/或粘度传输到接口电路136。其他流体测量被设想并且在本描述和权利要求的范围之内。
接口电路136可以被配置为与外部装置通信。接口电路136可以传送一个或多个振动测量信号并且可以传送确定的流体特性到一个或多个外部装置。
振动元件104通常维持在如受周围的流体影响的谐振频率处。振动元件104典型地通过驱动电路138维持在谐振频率处。
驱动电路138可以接收振动信号并且可以从振动信号产生驱动信号并且可以修改振动信号的特性以便产生驱动信号。驱动电路138可以修改振动信号以在流体中生成期望的振动扰动。驱动电路138进一步可以例如修改振动信号以补偿在计量器电子器件20和振动元件104之间的引线的长度和/或补偿振动信号中的其他损耗。
图5是其中振幅是比较小（在+A和-A的振幅之间变化）的示例中的振动信号的曲线图。信号在时间t1、t2和t3处越过零轴。然而，作为小振幅的结果，能够理解的是确定精确的过零点对于信号处理器156而言可能是有问题的，因为振动信号的振幅在过零之前和之后的时刻改变非常小。
图6是饱和的振动信号的曲线图，其中饱和的振动信号在图5中的振动信号上被极大地放大。现在振幅在这个示例中在+10A和-10A之间变化。过零点仍然在时间t1、t2和t3处。然而，由于所述放大，紧接着在时间t1之前的振幅与紧接着在时间t1之后的振幅极大地不同，并且在振幅中的这个大的改变确保找到过零点将是容易的和准确的。此外，如果振动信号被极大地放大，则饱和的振动信号能够看起来像图6中的示例而不管原始的振动信号的振幅。
再次参照图4，增益级150接收由第二压电元件124产生的时变振动信号。振动信号包括大体正弦的信号。增益级150实施预定的增益。
增益级150在示出的实施例中包含两个输出。在示出的实施例中的下部输出包括通过应用预定的增益而被极大地放大的放大输出，其中预定的增益是比较大的增益。在一些实施例中，选择预定的增益以致使输出饱和，其中输出的信号基本上是方波（用在增益级150的下部输出处的方波符号代表）。饱和的振动信号对于确定振动信号频率是理想的。增益级150的下部放大的输出随后在信号处理器156的第一输入161中被接收。
增益级150的下部输出将具有固定的振幅。更显著地，饱和的振动信号的振幅实现准确的和可靠的频率测量。与振动信号是正弦曲线的情况，尤其是振动信号具有小振幅的情况相比，方波（即饱和的振动信号）的过零点将更容易确定。
相反，示出的实施例中的增益级150的上部输出输出振动信号的非放大的版本（用在增益级150的上部输出处的正弦曲线符号代表）。增益级150的上部的正弦曲线输出随后在信号处理器156的第二输入162中被接收。增益级150的上部输出保留它的大体原始的形状。因此，振动信号能够由信号处理器156用来量化振动信号振幅。
在图中的计量器电子器件20被配置为通过针对将被测量的信息的每个片段以单独的方式修改振动信号来有利地处置大的动态范围差异。出于更好地测量振动信号的振幅和频率的目的，振动信号被分开并且使用振动信号的两个不同的版本来单独地测量振动信号振幅和振动信号频率。信号处理器156对基本上未改变的振动信号执行振幅测量。同时，信号处理器156接收饱和的振动信号并且信号处理器156使用饱和的振动信号执行频率测量。
通过使用信号处理器156的分离的输入通道（这在处理器156例如由普通的立体输入编解码器实施的情况下通常是可获得的），能够从振动信号单独地和最佳地获得频率和振幅信息。能够获得频率和振幅信息而没有使用单个信号来获得信息的两个片段的缺点。结果，振动信号能够被修整以针对每个测量单独地最大化信号处理器156的灵敏度。
信号处理器156和增益级150改进了由振动传感器5产生的测量。针对振幅测量，信号处理器156能够有利地横跨更大得多的动态范围测量振幅，同时在比较更小的动态范围上测量振动信号频率。这允许使用仅仅单个增益级，而不要求多个增益级和切换电路。
有利地，信号处理器156能够测量振动信号的频率而不必预先选择增益，从而确保不管振动信号的振幅，只要它在信号处理器156的功能范围之内，能够产生稳定的振动信号频率测量。
有利地，频率信息仅仅具有单个驱动-拾取相位补偿算法要执行，从而消除由具有针对多个增益级的多个补偿创建的非线性。
有利地，饱和的频率信号的振幅是可预测的并且不受振动信号的振幅中的变化影响，从而使驱动振幅的归一化功能更容易。所有这些因素允许驱动信号的产生比现有技术多个增益级方案中的更稳定和可重复得多，同时也产生准确的振动信号振幅测量。
图7示出根据本发明的另一个实施例的振动传感器5。在这个实施例中，振动信号被提供给增益级150并且也被直接提供给信号处理器156的第二输入。
图8示出根据本发明的另一个实施例的振动传感器5。在这个实施例中，计量器电子器件20进一步包含缓冲器168。在这个实施例中，振动信号被提供给增益级150和缓冲器168。缓冲器168包含预定的第二增益K2。缓冲器168接收振动信号并且将振动信号传输给信号处理器156的第二输入162。
在一些实施例中的缓冲器168不放大振动信号（即预定的第二增益K2≈1）。替选地，在其他实施例中，缓冲器168可以提供不使振动信号饱和并且振动信号保持大体正弦的适度的放大（即预定的第二增益K2>1）。应该理解的是预定的第二增益小于用于产生饱和的振动信号的预定的增益。
以上实施例的具体描述不是由发明人设想的在本发明范围之内的所有实施例的详尽的描述。实际上，本领域技术人员将认识到以上描述的实施例的某些元件可以被不同地组合或删除以创建进一步的实施例，并且这样的进一步的实施例落入本发明的范围和教导之内。对于本领域普通技术人员也将显然的是，以上描述的实施例可以全部或部分组合以创建在本发明的范围和教导之内的附加实施例。因此，应该从所附权利要求确定本发明的范围。

Claims (14)

1.振动传感器（5），包括：
振动元件（104），被配置为产生振动信号；以及
计量器电子器件（20），被耦合到振动元件（104）并且接收振动信号，其中计量器电子器件（20）包括：
　　增益级（150），被耦合到振动元件（104）并且接收振动信号，其中增益级（150）以预定的增益放大振动信号以产生饱和的振动信号；以及
　　信号处理器（156），被耦合到增益级（150），其中信号处理器（156）的第一输入（161）接收所述饱和的振动信号并且从所述饱和的振动信号确定振动信号频率，并且其中信号处理器（156）的第二输入（162）接收振动信号并且从振动信号确定振动信号振幅。
2.权利要求1的振动传感器（5），其中所述饱和的振动信号包括大体方波振动信号。
3.权利要求1的振动传感器（5），其中信号处理器（156）的第二输入（162）被直接耦合到振动元件（104）并且从振动元件（104）接收振动信号。
4.权利要求1的振动传感器（5），其中信号处理器（156）的第二输入（162）被耦合到增益级（150）并且经增益级（150）接收振动信号。
5.权利要求1的振动传感器（5），其中信号处理器（156）的第二输入（162）被耦合到缓冲器（168）并且从缓冲器（168）接收所述振动信号，其中缓冲器（168）被耦合到振动元件（104）。
6.权利要求1的振动传感器（5），其中信号处理器（156）的第二输入（162）被耦合到缓冲器（168）并且从缓冲器（168）接收振动信号，其中缓冲器（168）被耦合到振动元件（104）并且其中缓冲器（168）提供小于用于产生所述饱和的振动信号的预定增益的预定第二增益(K2)。
7.权利要求1的振动传感器（5），其中信号处理器（156）被耦合到接口电路（136），其中信号处理器（156）将振动信号振幅和振动信号频率提供给接口电路（136）用于传输到外部装置。
8.权利要求1的振动传感器（5），其中信号处理器（156）被耦合到驱动电路（138），其中信号处理器（156）将振动信号振幅和振动信号频率提供给驱动电路（138），其中驱动电路（138）使用振动信号振幅和振动信号频率产生驱动信号。
9.权利要求1的振动传感器（5），其中振动传感器（5）包括振动尖端传感器（5）并且其中振动元件（104）包括音叉结构（104）。
10.一种操作振动传感器的方法，其中所述方法包括：
使用振动传感器的振动元件产生振动信号；
从振动信号确定振动信号振幅；
以预定的增益放大振动信号并且产生饱和的振动信号；以及
从所述饱和的振动信号确定振动信号频率。
11.权利要求10的方法，其中所述饱和的振动信号包括大体方波振动信号。
12.权利要求10的方法，进一步包括提供振动信号振幅和振动信号频率用于传输到外部装置。
13.权利要求10的方法，进一步包括使用振动信号振幅和振动信号频率产生驱动信号。
14.权利要求10的方法，其中振动传感器包括振动尖端传感器并且其中振动元件包括音叉结构。
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