振動傳感器和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及振動傳感器和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]諸如振動密度計和振動粘度計的振動傳感器典型地通過檢測在存在將被測量的流體材料的情況下振動的振動元件的運動來操作。能夠通過處理從與振動元件相關(guān)聯(lián)的運動換能器接收的測量信號來確定諸如密度、粘度、溫度等的與流體材料相關(guān)聯(lián)的屬性。振動元件系統(tǒng)的振動模式通常受振動元件和流體材料的組合的質(zhì)量、硬度和阻尼特性影響。
[0003]圖1示出現(xiàn)有技術(shù)振動傳感器，其中拾取傳感器產(chǎn)生對應(yīng)于感測的振動的電子振動信號。振動信號在本質(zhì)上將是大體正弦的。振動信號在測量或表征振動信號的信號處理器中被接收。在一些實施例中信號處理器可以包括編碼器-解碼器(即編解碼器)。信號處理器確定振動信號的頻率和振幅兩者。振動信號的頻率和振幅能夠被進一步處理以確定相關(guān)聯(lián)的流體的密度，或能夠被處理以確定附加或其他流體特性。
[0004]此外，信號處理器可以為驅(qū)動器產(chǎn)生驅(qū)動信號。信號處理器可以處理振動信號以創(chuàng)建驅(qū)動信號。驅(qū)動信號可以具有預(yù)定的驅(qū)動振幅，其中所述預(yù)定的驅(qū)動振幅可以是固定的或變化的。驅(qū)動信號可以具有基于接收的振動信號的頻率和振幅的驅(qū)動頻率。驅(qū)動頻率可以包括在將要被表征的流體中振動的振動傳感器的諧振頻率，其中通過調(diào)整驅(qū)動頻率直到接收的振動信號的振幅大體處于最大值來確定所述諧振頻率。
[0005]然而，信號處理器可能具有有限的動態(tài)范圍并且可能不能夠準確地和可靠地測量具有相對小的振幅的輸入信號的頻率。振動信號具有明顯大于典型立體編解碼器的可用動態(tài)范圍的動態(tài)振幅范圍。在叉形密度計量器的情況下，在最小拾取振幅到最大拾取振幅之間的動態(tài)范圍可以大于10000，而典型的立體編解碼器可以具有大約100的可用動態(tài)范圍以便在系統(tǒng)的頻率準確性要求的情況下維持穩(wěn)定的閉環(huán)驅(qū)動。
[0006]現(xiàn)有技術(shù)振動傳感器可以包含在拾取傳感器和信號處理器之間的增益級?？梢赃x擇由增益級實施的增益以便振動信號被放大以大體匹配信號處理器的動態(tài)范圍。然后可以更容易地和準確地測量振動信號的頻率。
[0007]圖1中的現(xiàn)有技術(shù)振動傳感器具有缺點。由增益級進行的振動信號的放大可以提高信號處理器將振動信號匹配到信號處理器的輸入并且量化振動信號頻率的能力，但是遺憾的是這消極地影響信號處理器量化振動信號振幅的能力。
[0008]圖2示出現(xiàn)有技術(shù)振動傳感器，其中增益級包括多個增益元件K1-Kn，其中開關(guān)S1-^選擇用于放大振動信號的增益元件。這個現(xiàn)有技術(shù)電路允許以多于單個增益因子放大振動信號。
[0009]然而切換增益的過程具有缺點。一個問題是必須在初始的操作期間(以及在緩動操作期間)動態(tài)地掃描增益以確保系統(tǒng)始終保持穩(wěn)定。另一個問題是從一個增益到下一個增益切換的動作創(chuàng)建振幅和頻率兩者的測量中的非線性，這能夠?qū)е掠涩F(xiàn)有技術(shù)振動傳感器產(chǎn)生的流體測量中的誤差。又一個問題是每個增益級具有與拾取器不同的相位關(guān)系，這必須被補償。為了維持這個相位關(guān)系，必須針對每個可用的增益級計算單獨的補償數(shù)字以確保傳感器總是在預(yù)測的測量點上操作，因為從一個增益到另一個增益的同相線性化的任何誤差將導(dǎo)致測量誤差的另一個源。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]在本發(fā)明的一個方面中，振動傳感器包括:
振動元件，被配置為產(chǎn)生振動信號；以及
計量器電子器件，被耦合到所述振動元件并且接收所述振動信號，其中所述計量器電子器件包括:
增益級，被耦合到所述振動元件并且接收所述振動信號，其中所述增益級以預(yù)定增益放大所述振動信號以產(chǎn)生飽和的振動信號；和
信號處理器，被耦合到所述增益級，其中所述信號處理器的第一輸入接收所述飽和的振動信號并且從所述飽和的振動信號確定振動信號頻率，并且其中所述信號處理器的第二輸入接收所述振動信號并且從所述振動信號確定振動信號振幅。
[0011 ] 優(yōu)選地，所述飽和的振動信號包括大體方波振動信號。
[0012]優(yōu)選地，所述信號處理器的第二輸入被直接耦合到所述振動元件并且從所述振動元件接收所述振動信號。
[0013]優(yōu)選地，所述信號處理器的第二輸入被耦合到所述增益級并且經(jīng)所述增益級接收所述振動信號。
[0014]優(yōu)選地，所述信號處理器的第二輸入被耦合到緩沖器并且從所述緩沖器接收所述振動信號，其中所述緩沖器被耦合到所述振動元件。
[0015]優(yōu)選地，所述信號處理器的第二輸入被耦合到緩沖器并且從所述緩沖器接收所述振動信號，其中所述緩沖器被耦合到所述振動元件并且其中所述緩沖器提供小于用于產(chǎn)生所述飽和的振動信號的預(yù)定增益的預(yù)定第二增益。
[0016]優(yōu)選地，所述信號處理器被耦合到接口電路，其中所述信號處理器將振動信號振幅和振動信號頻率提供給所述接口電路用于傳輸?shù)酵獠垦b置。
[0017]優(yōu)選地，所述信號處理器被耦合到驅(qū)動電路，其中所述信號處理器將振動信號振幅和振動信號頻率提供給所述驅(qū)動電路，其中所述驅(qū)動電路使用振動信號振幅和振動信號頻率產(chǎn)生驅(qū)動信號。
[0018]優(yōu)選地，所述振動傳感器包括振動尖端(t ine )傳感器并且所述振動元件包括音叉結(jié)構(gòu)。
[0019]在本發(fā)明的一個方面中，操作振動傳感器的方法包括:
使用所述振動傳感器的振動元件產(chǎn)生振動信號；
從所述振動信號確定振動信號振幅；
以預(yù)定的增益放大所述振動信號并且產(chǎn)生飽和的振動信號；以及從所述飽和的振動信號確定振動信號頻率。
[0020]優(yōu)選地，所述飽和的振動信號包括大體方波振動信號。
[0021]優(yōu)選地，所述方法進一步包括提供振動信號振幅和振動信號頻率用于傳輸?shù)酵獠?br> 目.ο
[0022]優(yōu)選地，所述方法進一步包括使用振動信號振幅和振動信號頻率產(chǎn)生驅(qū)動信號。
[0023]優(yōu)選地，所述振動傳感器包括振動尖端傳感器并且其中所述振動元件包括音叉結(jié)構(gòu)。
【附圖說明】
[0024]在所有附圖上相同的參考數(shù)字代表相同的元件。附圖未必成比例。
[0025]圖1示出現(xiàn)有技術(shù)振動傳感器，其中拾取傳感器產(chǎn)生對應(yīng)于感測的振動的電子振動信號。
[0026]圖2示出現(xiàn)有技術(shù)振動傳感器，其中增益級包括多個增益元件，其中開關(guān)選擇用于放大振動信號的增益元件。
[0027]圖3示出根據(jù)本發(fā)明的振動傳感器。
[0028]圖4示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的振動傳感器。
[0029]圖5是其中振幅是比較小(在+A和-A之間變化)的示例中的振動信號的曲線圖。
[0030]圖6是飽和的振動信號的曲線圖，其中所述飽和的振動信號在圖5中的振動信號上被極大地放大。
[0031]圖7示出根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的振動傳感器。
[0032]圖8示出根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的振動傳感器。
【具體實施方式】
[0033]圖3-8和下面的描述描繪特定的示例以教導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù)人員如何制造和使用本發(fā)明的最佳模式。出于教導(dǎo)發(fā)明的原理的目的，簡化或省略了一些常規(guī)的方面。本領(lǐng)域技術(shù)人員將領(lǐng)會到落入本發(fā)明的范圍之內(nèi)的與這些示例的變化。本領(lǐng)域技術(shù)人員將領(lǐng)會到以下描述的特征能夠以各種方式被組合以形成本發(fā)明的多個變化。結(jié)果，本發(fā)明不受限于以下描述的特定的示例，而僅由權(quán)利要求和它們的等同物限制。
[0034]圖3示出根據(jù)本發(fā)明的振動傳感器5。振動傳感器5可以包括振動元件104和計量器電子器件20，其中振動元件104通過一個或多個引線100被耦合到計量器電子器件20。在一些實施例中，振動傳感器5可以包括振動尖端傳感器或叉形密度傳感器(參見圖4和7-8以及所附的討論)。然而其他振動傳感器被設(shè)想并且在本描述和權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。
[0035]振動傳感器5可以至少部分地浸入到將被表征的流體中。例如，振動傳感器5可以被安裝在導(dǎo)管或管道中。振動傳感器5可以被安裝在用于