[發(fā)明專利]振動傳感器和使得振動傳感器中的振動變化的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201380075988.1
• 申請日: 2013-05-31
• 公開（公告）號: CN105308433B
• 公開（公告）日: 2018-04-06
• 發(fā)明（設(shè)計）人: A.S.克拉維茨;C.B.麥卡納利
• 申請（專利權(quán)）人: 高準(zhǔn)公司
• 主分類號: G01N11/16
• 分類號: G01N11/16
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司72001
• 代理人: 王洪斌,王傳道

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種振動傳感器以及使得振動傳感器中的振動變化的方法。

背景技術(shù)

諸如振動比重計和振動粘度計之類的振動傳感器通過檢測振動元件的運(yùn)動來操作，該振動元件在要被表征的流體存在時振動。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元件相關(guān)聯(lián)的一個或者多個運(yùn)動換能器所接收的一個或者多個振動信號來確定。振動元件的振動一般由振動元件與流體相組合的組合質(zhì)量、剛度和阻尼特性影響。

流體的粘度可以通過生成在頻率ω1和ω2的振動響應(yīng)來測量，頻率ω1和ω2高于和低于所組合的流體和振動傳感器的諧振頻率ω0。在諧振頻率ω0處，相位差φ0可以大約是90度。兩個頻率點(diǎn)ω1和ω2被定義為驅(qū)動頻率，其中驅(qū)動信號相位和振動信號相位分別相差相位差φ1和φ2。相位差φ1可以被定義為其中在驅(qū)動信號相位和振動信號相位之間的相位差大約135度的點(diǎn)。相位差φ2可以被定義為其中在驅(qū)動信號相位和振動信號相位之間的相位差大約45度的點(diǎn)。

在這兩個頻率點(diǎn)ω1和ω2之間的距離（即，在ω1和ω2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≈Q=ω0/(ω2-ω1) （1）

諧振頻率ω0在兩個頻率點(diǎn)ω1和ω2之間的中間。因此，諧振頻率ω0可以被定義為：

ω0≈0.5*(ω2+ω1) （2）

頻率點(diǎn)ω1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被確定。為了適當(dāng)?shù)卮_定頻率點(diǎn)ω1和ω2，現(xiàn)有技術(shù)驅(qū)動系統(tǒng)使用閉環(huán)驅(qū)動器，其驅(qū)動傳感器元件在兩個相位差點(diǎn)（φ1和φ2）之間交替，并且記錄在這些點(diǎn)處的振動頻率ω1和ω2。通過使用閉環(huán)驅(qū)動器，現(xiàn)有技術(shù)驅(qū)動系統(tǒng)確保了在振動頻率ω1和ω2被確定時相位差測量是穩(wěn)定的。

可替換地，頻率點(diǎn)ω1和ω2被定義為半功率點(diǎn)，因?yàn)樗鼈儼ㄔ谡駝有盘栔械墓β示哂兄C振頻率ω0的一半功率或者半功率點(diǎn)幅度A_half為（A_half=A₀/√2）的頻率點(diǎn)。A₀項(xiàng)是在諧振頻率ω0處的振動信號的幅度。兩個頻率點(diǎn)ω1和ω2也被已知為3dB點(diǎn)，其中振動信號功率從諧振頻率功率下降3dB。

圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)振動傳感器，其包括振動傳感器元件和耦合到該傳感器元件的信號處理器。現(xiàn)有技術(shù)振動傳感器包括用于使傳感器元件振動的驅(qū)動器和響應(yīng)于振動創(chuàng)建振動信號的敏感傳感器（pickoff sensor）。振動信號本質(zhì)上是正弦的。信號處理器接收振動信號，并且處理振動信號以生成一個或者多個流體特性或者流體測量。信號處理器確定振動信號的頻率和幅度兩者。振動信號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。

現(xiàn)有技術(shù)信號處理器使用閉環(huán)驅(qū)動電路生成用于驅(qū)動器的驅(qū)動信號。驅(qū)動信號通常基于所接收的振動信號，其中現(xiàn)有技術(shù)的閉環(huán)驅(qū)動電路處理所接收的振動信號來創(chuàng)建驅(qū)動信號。驅(qū)動信號可以基于所接收的振動信號的頻率和幅度，其中所接收的振動信號包括使得現(xiàn)有技術(shù)驅(qū)動系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)振動的反饋。現(xiàn)有技術(shù)的振動傳感器通過使用閉環(huán)驅(qū)動器并且使用反饋元件來驅(qū)動傳感器元件，其中所述閉環(huán)驅(qū)動增量地改變驅(qū)動頻率并且監(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)動信號和所產(chǎn)生的敏感信號之間的相位差（φ），其實(shí)現(xiàn)了相位差φ1或者相位差φ2。

圖2是用于測量流體粘度的現(xiàn)有技術(shù)振動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)ω1的頻率，而步驟5-8確定了第二頻率點(diǎn)ω2的頻率。

在步驟1中，振動設(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)前振動頻率開始振動。第一目標(biāo)相位差φ1通過使得驅(qū)動信號的頻率（從當(dāng)前振動頻率開始）變化而實(shí)現(xiàn)。當(dāng)前振動頻率以閉環(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。振動頻率增量地從當(dāng)前振動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。

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)。

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)了振動設(shè)定點(diǎn)。現(xiàn)有技術(shù)振動傳感器因此等待傳感器元件的實(shí)際振動達(dá)到振動設(shè)定點(diǎn)。由于閉環(huán)驅(qū)動操作，傳感器元件在至少已經(jīng)經(jīng)過了已知等待時間之前不會實(shí)現(xiàn)在振動設(shè)定點(diǎn)的振動。