CN105308433B - 振动传感器和使得振动传感器中的振动变化的方法 - Google Patents

Abstract

振动传感器（5）包括振动元件（104），从振动元件（104）接收振动信号的接收器电路（134），和生成驱动信号的驱动电路（138）。驱动电路（138）包括闭环驱动器（143）和开环驱动器（147）。电子仪表（20）使得振动元件（104）以所命令的第一频率开始并且以开环方式振动，以实现对于所表征的流体的第一目标相位差φ1，并且确定对应的第一频率点ω1，使得振动元件（104）以所命令的第二频率开始并且以开环方式振动，以实现第二目标相位差φ2，并且确定对应的第二频率点ω2，并且通过使用第一频率点ω1和第二频率点ω2来确定所表征的流体的粘度。

Description

振动传感器和使得振动传感器中的振动变化的方法

技术领域

本发明涉及一种振动传感器以及使得振动传感器中的振动变化的方法。

背景技术

诸如振动比重计和振动粘度计之类的振动传感器通过检测振动元件的运动来操作，该振动元件在要被表征的流体存在时振动。与流体相关联的性质（诸如密度、粘度、温度等等）可以通过处理从与振动元件相关联的一个或者多个运动换能器所接收的一个或者多个振动信号来确定。振动元件的振动一般由振动元件与流体相组合的组合质量、刚度和阻尼特性影响。

流体的粘度可以通过生成在频率ω1和ω2的振动响应来测量，频率ω1和ω2高于和低于所组合的流体和振动传感器的谐振频率ω0。在谐振频率ω0处，相位差φ0可以大约是90度。两个频率点ω1和ω2被定义为驱动频率，其中驱动信号相位和振动信号相位分别相差相位差φ1和φ2。相位差φ1可以被定义为其中在驱动信号相位和振动信号相位之间的相位差大约135度的点。相位差φ2可以被定义为其中在驱动信号相位和振动信号相位之间的相位差大约45度的点。

在这两个频率点ω1和ω2之间的距离（即，在ω1和ω2之间频率方面的差）被用来确定项Q，其与粘度成比例，并且可以通过公式来近似：

粘度≈Q=ω0/(ω2-ω1) （1）

谐振频率ω0在两个频率点ω1和ω2之间的中间。因此，谐振频率ω0可以被定义为：

ω0≈0.5*(ω2+ω1) （2）

频率点ω1和ω2在操作期间当传感器元件与要被表征的流体交互时被确定。为了适当地确定频率点ω1和ω2，现有技术驱动系统使用闭环驱动器，其驱动传感器元件在两个相位差点（φ1和φ2）之间交替，并且记录在这些点处的振动频率ω1和ω2。通过使用闭环驱动器，现有技术驱动系统确保了在振动频率ω1和ω2被确定时相位差测量是稳定的。

可替换地，频率点ω1和ω2被定义为半功率点，因为它们包括在振动信号中的功率具有谐振频率ω0的一半功率或者半功率点幅度A_half为（A_half=A₀/√2）的频率点。A₀项是在谐振频率ω0处的振动信号的幅度。两个频率点ω1和ω2也被已知为3dB点，其中振动信号功率从谐振频率功率下降3dB。

图1示出了现有技术振动传感器，其包括振动传感器元件和耦合到该传感器元件的信号处理器。现有技术振动传感器包括用于使传感器元件振动的驱动器和响应于振动创建振动信号的敏感传感器（pickoff sensor）。振动信号本质上是正弦的。信号处理器接收振动信号，并且处理振动信号以生成一个或者多个流体特性或者流体测量。信号处理器确定振动信号的频率和幅度两者。振动信号的频率和幅度可以被进一步处理，以确定流体的密度，或者可以被处理来确定附加或者其他流体特性，诸如粘度。

现有技术信号处理器使用闭环驱动电路生成用于驱动器的驱动信号。驱动信号通常基于所接收的振动信号，其中现有技术的闭环驱动电路处理所接收的振动信号来创建驱动信号。驱动信号可以基于所接收的振动信号的频率和幅度，其中所接收的振动信号包括使得现有技术驱动系统能够实现目标振动的反馈。现有技术的振动传感器通过使用闭环驱动器并且使用反馈元件来驱动传感器元件，其中所述闭环驱动增量地改变驱动频率并且监控反馈元件，直到达到所期望的目标点为止。所期望的端点包括在驱动信号和所产生的敏感信号之间的相位差（φ），其实现了相位差φ1或者相位差φ2。

图2是用于测量流体粘度的现有技术振动传感器的操作方法的流程图。以下的步骤1-4确定了第一频率点ω1的频率，而步骤5-8确定了第二频率点ω2的频率。

在步骤1中，振动设定点被设定为第一目标相位差φ1，并且传感器元件从当前振动频率开始振动。第一目标相位差φ1通过使得驱动信号的频率（从当前振动频率开始）变化而实现。当前振动频率以闭环的方式并且按照所接收的反馈（诸如关于在当前相位差和目标相位差之间的差的反馈）逐渐改变。振动频率增量地从当前振动频率倾斜上升或倾斜下降，这取决于相位差是否要增大或者减小。

在步骤2中，当前相位差与第一目标相位差φ1相比较。如果已经实现了第一目标相位差φ1，则方法进入步骤4。否则，方法进入支线步骤3，直到第一目标相位差φ1得以实现。

在步骤3中，执行等待。因此，方法循环，并且等待，直到实现了振动设定点。现有技术振动传感器因此等待传感器元件的实际振动达到振动设定点。由于闭环驱动操作，传感器元件在至少已经经过了已知等待时间之前不会实现在振动设定点的振动。

等待可能会达到固定的预定时间，或者可能在长度上变化。环境条件可能要求比预期时间更长的时间来实现目标相位差。等待的长度可以取决于各种因素。等待的长度可以取决于从初始相位差到目标相位差的距离。等待的长度可以取决于传感器元件的物理特性。等待的长度可以取决于所测量的流体性质（包括流体的密度和/或粘度）。等待的长度可以取决于现有技术振动传感器可用的功率。

在步骤4中，在已经实现了振动设定点并且在驱动传感器信号和敏感传感器信号之间的相位差对应于第一相位差φ1的情况下，则相对应的第一振动频率ω1被记录。第一频率点ω1包括生成第一目标相位差φ1的振动频率。第一振动频率ω1可以包括其中在驱动信号相位和敏感信号相位之间的相位差大约例如135度的频率。

在步骤5中，振动设定点被设定为第二目标相位差φ2，并且传感器元件从当前振动频率开始振动。第二目标相位差φ2通过使得驱动信号的频率从当前振动频率开始变化而实现。当前振动频率以闭环方式并且按照所接收的反馈（诸如关于在当前相位差和目标相位差之间的差的反馈）来逐渐改变。振动频率增量地从当前振动频率倾斜上升或倾斜下降，这取决于相位差是否要增大或者减小。应该理解，开始振动频率因此是当前振动频率，其包括在上文步骤4中获取的振动频率。

在步骤6中，将当前相位差与第二目标相位差φ2相比较。如果已经实现了第二目标相位差φ2，则方法进入到步骤8。否则，方法进入支线步骤7，直到第二目标相位差φ2实现。

在步骤7中，执行等待。因此，方法循环，并且等待，直到实现了振动设定点。由于闭环驱动操作，传感器元件在至少已经经过了已知的等待时间之前不会实现在振动设定点的振动，如之前讨论的。

在步骤8中，在已经实现了振动设定点，并且在驱动传感器信号和敏感传感器信号之间的相位差对应于第二相位差φ2的情况下，则相对应的第二频率点ω2被记录。第二频率点ω2包括生成第二目标相位差φ2的振动频率。第二频率点ω2可以包括其中在驱动信号相位和敏感信号相位之间的相位差大约例如是45度的频率。

图3是图1的现有技术振动传感器的闭环振动响应的图。竖轴表示振动频率（ω），而横轴表示时间（t）。可以看到的是，现有技术的振动传感器交替地在第一频率点ω1并且然后在第二频率点ω2处振动，其中这种模式反复地重复。应该理解的是，第一和第二频率点ω1和ω2不必须是恒定的。例如，第一和第二振动频率ω1和ω2可以由于在被振动传感器表征的流体中的改变而改变。

由于现有技术振动传感器的驱动部分的闭环设计，可以看到的是，实际振动频率平滑地并且连续不断地、但是缓慢地改变。由于用来实现目标相位差的反馈，在驱动频率中的每个改变要求完成闭环时间段T_CL。结果，现有技术振动齿式传感器不能测量ω1和ω2中的快速改变，并且因此，不能测量在要被表征的流体粘度中的快速改变。此外，甚至在时间段T_CL小的情况下，可以看到的是，时间段T_CL重复，并且因此将累积并且将影响现有技术振动传感器的操作。

发明内容

本发明的一个方面，振动传感器包括：

振动元件，其被配置成生成振动信号；和

接收器电路，其从振动元件接收振动信号；和

驱动电路，其耦合到接收器电路和振动元件，并且生成使得振动元件振动的驱动信号，其中所述驱动电路使得振动元件以所命令的第一频率开始振动并且以开环方式振动，以实现对于所表征的流体的第一目标相位差φ1，并且确定对应的第一频率点ω1，使得振动元件以所命令的第二频率开始振动并且以开环方式振动，以实现第二目标相位差φ2，并且确定对应的第二频率点ω2，并且通过使用第一频率点ω1和第二频率点ω2来确定所表征的流体的粘度。

优选地，振动传感器反复地执行振动和确定步骤。

优选地，所命令的第一频率包括前一时间的第一频率点ω1_{time=（t-1）}而所命令的第二频率包括前一时间的第二频率点ω2_{time=（t-1）}。

优选地，驱动电路包括闭环驱动器，其生成驱动信号来实现目标相位差并且以当前振动频率开始，以及开环驱动器，其生成驱动信号来实现目标相位差并且以所命令的第一或者第二频率开始。

优选地，使得振动传感器的振动元件以开环方式振动包括驱动电路将振动设定点设定为第一目标相位差φ1，驱动电路使得振动元件以开环方式并且以所命令的第一频率振动，驱动电路将当前第一相位差与第一目标相位差φ1比较，并且等待直到当前第一相位差基本上等于第一目标相位差φ1，如果当前第一相位差等于第一目标相位差φ1，则驱动电路记录对应的第一频率点ω1，其中实现第一目标相位差φ1生成了振动元件中的第一频率点ω1，驱动电路将振动设定点设定为第二目标相位差φ2，驱动电路使得振动元件以开环方式并且以所命令的第二频率振动，驱动电路将当前第二相位差与第二目标相位差φ2比较，并且等待直到当前第二相位差基本上等于第二目标相位差φ2，并且如果当前第二相位差等于第二目标相位差φ2，则驱动电路记录对应的第二频率点ω2，其中实现第二目标相位差φ2生成了振动元件中的第二频率点ω2。

优选地，驱动电路进一步被配置成使得振动元件以闭环方式振动，以实现对于所表征流体的第一目标相位差φ1，并且确定对应的第一频率点ω1，其中振动以当前振动频率开始，并且使得振动元件以闭环方式振动以实现对于所表征流体的第二目标相位差φ2，并且确定对应的第二频率点ω2，其中振动以当前振动频率开始。

优选地，如果所表征的流体基本上稳定，则驱动电路选择开环操作。

优选地，驱动电路被进一步配置成使得振动元件以所命令的第一频率开始振动，并且以开环方式振动，以近似对于所表征的流体的第一目标相位差φ1，使得振动元件以闭环方式振动以实现第一目标相位差φ1，并且确定对应的第一频率点ω1，使得振动元件以所命令的第二频率开始振动，并且以开环方式振动，以近似对于所表征的流体的第二目标相位差φ2，使得振动元件以闭环方式振动以实现第二目标相位差φ2，并且确定对应的第二频率点ω2，并且使用第一频率点ω1和第二频率点ω2来确定所表征的流体的粘度。

优选地，接收器电路耦合到驱动电路，其中接收器电路向驱动电路提供了振动信号幅度和振动信号频率，其中驱动电路使用振动信号幅度和振动信号频率生成了针对振动元件的驱动信号。

优选地，振动传感器包括振动齿式传感器并且其中振动元件包括音叉结构。

在本发明的一个方面，一种使得振动传感器中的振动变化的方法包括：

使得振动传感器的振动元件以所命令的第一频率开始振动并且以开环方式振动，以实现对于所表征的流体的第一目标相位差φ1，并且确定对应的第一频率点ω1；

使得振动元件以所命令的第二频率开始振动并且以开环方式振动，以实现第二目标相位差φ2，并且确定对应的第二频率点ω2；并且

通过使用第一频率点ω1和第二频率点ω2来确定所表征的流体的粘度。

优选地，该方法反复地执行振动和确定步骤。

优选地，所命令的第一频率包括前一时间的第一频率点ω1_{time=（t-1）}而所命令的第二频率包括前一时间的第二频率点ω2_{time=（t-1）}。

优选地，使得振动元件以开环方式振动包括将振动设定点设定为第一目标相位差φ1，使得振动元件以开环方式并且以所命令的第一频率振动，将当前第一相位差与第一目标相位差φ1比较，并且等待直到当前第一相位差基本上等于第一目标相位差φ1，如果当前第一相位差等于第一目标相位差φ1，则记录对应的第一频率点ω1，其中实现第一目标相位差φ1生成了振动元件中的第一频率点ω1，将振动设定点设定为第二目标相位差φ2，使得振动元件以开环方式并且以所命令的第二频率振动，将当前第二相位差与第二目标相位差φ2比较，并且等待直到当前第二相位差基本上等于第二目标相位差φ2，并且如果当前第二相位差等于第二目标相位差φ2，则记录对应的第二频率点ω2，其中实现第二目标相位差φ2生成了振动元件中的第二频率点ω2。

优选地，该方法进一步包括以下准备步骤：使得振动元件以闭环方式振动，以实现对于所表征流体的第一目标相位差φ1，并且确定对应的第一频率点ω1，其中振动以当前振动频率开始，并且使得振动元件以闭环方式振动，以实现对于所表征流体的第二目标相位差φ2，并且确定对应的第二频率点ω2，其中振动以当前振动频率开始。

优选地，如果所表征的流体基本上稳定，则该方法选择开环操作。

优选地，该方法包括使得振动元件以所命令的第一频率开始振动，并且以开环方式振动，以近似对于所表征的流体的第一目标相位差φ1，使得振动元件以闭环方式振动以实现第一目标相位差φ1，并且确定对应的第一频率点ω1，使得振动元件以所命令的第二频率开始振动，并且以开环方式振动，以近似对于所表征的流体的第二目标相位差φ2，使得振动元件以闭环方式振动，以实现第二目标相位差φ2，并且确定对应的第二频率点ω2，并且使用第一频率点ω1和第二频率点ω2来确定所表征的流体的粘度。

优选地，所述振动传感器包括振动齿式传感器，并且其中所述振动元件包括音叉结构。

附图说明

在所有图上，相同的附图标记表示相同的元件。图不一定按比例。

图1示出了现有技术的振动传感器，其包括振动传感器元件和耦合到传感器元件的信号处理器，所述传感器元件包括振动传感器元件和耦合到传感器元件的信号处理器。

图2是用于测量流体粘度的现有技术振动传感器操作方法的流程图。

图3是图1的现有技术振动传感器的闭环振动响应的图。

图4示出了按照本发明实施例的振动传感器。

图5示出了按照本发明的实施例的振动传感器。

图6是按照本发明实施例的使得振动传感器中的振动变化的方法的流程图。

图7是振动传感器的所组合的闭环和开环振动响应的图。

具体实施方式

图4-7和以下描述描绘了教导本领域技术人员如何产生并且使用本发明的最佳模式的特定示例。出于教导发明原理的目的，一些传统方面已被简化或者省略。本领域技术人员将领会到从落入本发明的范围内的这些示例的变型。本领域的技术人员将领会的是，下文描述的特征可以各种方式组合，以形成本发明的多个变型。因此，本发明不限于下文描述的特定实施例，而仅仅是由权利要求和其等价物限制。

图4示出了按照本发明实施例的振动传感器5。振动传感器5可以包括振动元件104和电子仪表（meter electronics）20，其中振动元件104通过一个或者多个引线（lead）100耦合到电子仪表20。在一些实施例中，振动传感器5可以包括振动齿式传感器或者叉式（fork）密度传感器（参见图5和所附讨论）。然而，其他振动传感器被预计，并且在本描述和权利要求的范围之内。

振动传感器5可以至少部分地被沉浸到要被表征的流体中。例如，振动传感器5可以被安装在管道或者导管中。振动传感器5可以被安装在用于保存流体的水槽或者容器或者结构中。振动传感器5可以被安装在用于引导流体的流的歧管（manifold）或者类似结构中。然而其他安装安排被预计，并且在本描述和权利要求的范围之内。

流体可以包括液体。流体可以包括气体。可替换地，流体可以包括多相位流体，诸如包括夹带气体、夹带固体、多种液体或者其组合的液体。

振动传感器5可以操作来提供流体测量。振动传感器5可以提供包括对于流体的流体密度和流体粘度中的一个或多个的流体测量，所述流体包括流动的或者不流动的流体。振动传感器5可以提供包括流体质量流速率、流体体积流速率和/或流体温度的流体测量。这个列表不是穷举性的，并且振动传感器5可以测量或者确定其他流体特性。

电子仪表20可以经由一个或者多个引线100向振动元件104提供电力。电子仪表20可以经由一个或者多个引线100控制振动元件104的操作。例如，电子仪表20可以生成驱动信号，并且将该驱动信号供应到振动元件104，其中振动元件104通过使用驱动信号生成一个或者多个振动组件中的振动。驱动信号可以控制振动幅度。驱动信号可以控制振动频率。驱动信号可控制振动持续时间和/或振动定时。

电子仪表20可以经由一个或者多个引线100从振动元件104接收一个或者多个振动信号。电子仪表20可以处理一个或者多个振动信号，以便生成例如密度测量。应该理解，可以根据一个或者多个振动信号生成其他或者附加测量。

电子仪表20可以处理从振动元件104接收的一个或者多个振动信号，以确定一个或者多个信号的频率。振动可以包括流体的谐振频率。谐振频率可以用来确定流体的密度。此外，或者附加地，电子仪表可以处理一个或者多个振动信号来确定流体的其他特性，诸如粘度或者在例如可被处理以确定流体流速率的信号之间的相位偏移。其他振动响应特性和/或流体测量被预计，并且在本描述和权利要求的范围内。

电子仪表20可以进一步耦合到通信链路26。电子仪表20可以通过通信链路26来传送振动信号。电子仪表20可以处理所接收的振动信号，以生成一个或者多个测量值，并且可以通过通信链路26来传送一个或者多个测量值。

附加地，电子仪表20可以通过通信链路26来接收信息。电子仪表20可以通过通信链路26接收命令、更新、操作值或者操作值改变和/或编程的更新或者改变。

图5示出了按照本发明实施例的振动传感器5。所示实施例中的振动传感器5包括振动齿式传感器5，其包括通过所示实施例中的轴（shaft）115耦合到振动元件104的电子仪表20。轴115可以是任何期望的长度。轴115可以是至少部分中空的，并且电线或者其他导体可以通过轴115在电子仪表20和振动元件104之间延伸。

在所示实施例中，电子仪表20可以包括电路组件，其诸如是接收器电路134、驱动电路138、和接口电路136。

在所示实施例中，接收器电路134和驱动电路138直接耦合到所示实施例中的振动元件104的引线。可替换地，电子仪表20可以包括与振动元件104分离的组件或者设备，其中接收器电路134和驱动电路138经由一个或者多个导线100耦合到振动元件104，如图4中示出的。

所示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至少部分沉浸在所测量的流体中。振动元件104包括外壳105，其可以附接到另一个结构，诸如管道、导体、水槽、插座、歧管或者任何其他流体处置结构。外壳105保持振动元件104，而振动元件104至少部分地保持为暴露的。振动元件104因此被配置成沉浸在流体中。

所示实施例中的振动元件104包括第一和第二齿112和114，其被配置成至少部分地延伸到流体中。第一和第二齿112和114包括伸长元件，其可以具有任何期望的横截面形状。第一和第二齿112和114可以在本质上是至少部分柔性的或者弹性的。

振动传感器5进一步包括对应的第一和第二压电元件122和124，其包括压电晶体元件。第一和第二压电元件122和124分别位于邻近第一和第二齿112和114的位置。第一和第二压电元件122和124被配置成与第一和第二齿112和114接触并且机械地交互。

第一压电元件122可以接触第一齿112的至少一部分。第一压电元件122可电耦合到驱动电路138，其中驱动电路138向第一压电元件122提供时变的驱动信号。第一压电元件122在受到时变驱动信号时可以扩展和收缩。因此，第一压电元件122可以可替换地在振动运动中使得第一齿112变形并且左右位移（参见虚线），从而以周期性的、往复运动的方式来扰动流体。

第二压电元件124可以耦合到接收器电路134，其产生对应于流体中的第二齿114的变形的时变振动响应信号。第二齿114的移动可以因此促使对应的电振动信号由第二压电元件124生成。第二压电元件124将振动信号传输到电子仪表20。电子仪表20处理振动信号，并且可以测量振动信号的振动信号幅度和/或振动信号频率。

电子仪表20可以包括接口电路136。接口电路136可以被配置成与外部设备通信。接口电路136可以传送一个或者多个振动测量信号，并且可以将所确定的流体特性传送到一个或者多个外部设备。电子仪表20可以经由接口电路136传输振动信号特性，诸如振动信号的振动信号频率和/或振动信号幅度。除了其他的以外，电子仪表20可以经由接口电路136传输流体测量，诸如流体的密度和/或粘度。其他流体测量被预计，并且在本描述和权利要求的范围内。附加地，接口电路136可以从外部设备接收通信，其包括用于例如生成测量值的命令和数据。

在一些实施例中，接收器电路134耦合到驱动电路138，其中接收器电路134向驱动电路138提供振动信号幅度和振动信号频率，并且驱动电路138通过使用振动信号幅度和振动信号频率生成用于振动元件104的驱动信号。

驱动电路138可以接收振动信号，并且可以根据振动信号生成驱动信号，并且可以修改振动信号的特性，以便生成驱动信号。振动元件104一般保持在谐振频率，其由周围流体所影响。振动元件104通常通过驱动电路138保持在谐振频率。驱动电路138可以修改振动信号，以产生流体中期望的振动扰动。例如，驱动电路138可进一步修改振动信号，以补偿在电子仪表20和振动元件104之间的引线长度和/或补偿在振动信号中的其他损耗。

驱动电路138可以包括闭环驱动器143和开环驱动器147。闭环驱动器143或者开环驱动器147中的任一项可以被驱动电路138用来生成驱动信号，并且向振动元件104（即，第一压电元件122）供应驱动信号。

闭环驱动器143生成闭环驱动信号，其中闭环驱动器143使用从振动元件104（即，从第二压电元件124）接收的振动信号。闭环驱动器143因此基于反馈和反馈算法来操作。反馈包括在当前振动和所命令的振动目标之间的差。驱动信号通过闭环驱动器143平滑和连续地变化，直到振动信号（即，反馈）达到振动目标为止。因此，如果命令了第一频率点ω1，则闭环驱动器143将增量地从当前振动频率ω2开始改变，直到最终实现了目标振动ω1为止。

在一些实施例中，驱动电路138包括闭环驱动器143，其以当前振动频率开始生成驱动信号以实现目标相位差，以及开环驱动器147，其以所命令的振动频率开始生成驱动信号以实现目标相位差。

开环驱动器147被配置成基于所命令的振动目标生成驱动信号。因此，如果命令了第一振动频率，则开环驱动器147将生成在第一振动频率的驱动信号（甚至在驱动电路138已经使振动元件104以第二振动频率振动的情况下）。开环驱动器147并不基于反馈进行操作，并且因此，开环驱动器147可以立即以所命令的振动目标进行振动。

在一些实施例中，驱动电路138使振动元件104以所命令的第一频率开始并且以开环方式振动，以实现对于所表征的流体的第一目标相位差φ1，并且确定对应的第一频率点ω1，驱动电路138使振动元件104以所命令的第二频率开始并且以开环的方式振动，以实现第二目标相位差φ2，并且确定对应的第二频率点ω2，并且通过使用第一频率点ω1和第二频率点ω2来确定所表征的流体粘度。

应该理解的是，所命令的第一和第二频率仅仅是第一和第二频率点ω1和ω2的近似。所命令的第一和第二频率可能不是准确的实际第一和第二频率点ω1和ω2的最终值，诸如在流体密度随时间变化的情况下。

在一些实施例中，使振动传感器5的振动元件104以开环方式振动包括振动电路138将振动设定点设定为第一目标相位差φ1，振动电路138使振动元件104以所命令的第一频率开始并且以开环方式振动，振动电路138将当前第一相位差与第一目标相位差φ1比较，并且等待直到当前第一相位差基本上等于第一目标相位差φ1，如果当前第一相位差等于第一目标相位差φ1，则振动电路138记录对应的第一频率点ω1，其中实现第一目标相位差φ1生成了振动元件104中的第一频率点ω1，振动电路138将振动设定点设定为第二目标相位差φ2，振动电路138使振动元件104以所命令的第二频率开始并且以开环方式振动，振动电路138将当前第二相位差与第二目标相位差φ2比较，并且等待直到当前第二相位差基本上等于第二目标相位差φ2，并且如果当前第二相位差等于第二目标相位差φ2，则振动电路138记录对应的第二频率点ω2，其中实现第二目标相位差φ2生成了振动元件104中的第二频率点ω2。

在一些实施例中，驱动电路138被配置成使振动元件104以所命令的第一频率开始并且以开环方式振动，以近似对于所表征的流体的第一目标相位差φ1，使振动元件104以闭环方式振动以实现第一目标相位差φ1，并且确定对应的第一频率点ω1，使振动元件104以所命令的第二频率开始并且以开环方式振动，以近似对于所表征的流体的第二目标相位差φ2，使振动元件104以闭环方式振动，以实现第二目标相位差φ2，并且确定对应的第二频率点ω2，并且使用第一频率点ω1和第二频率点ω2来确定所表征的流体的粘度。

开环控制器（其还可以被称为非反馈控制器）仅仅使用系统的当前状态和系统模型来计算其到系统中的输入。开环控制器的特性是：其不使用反馈来确定输出是否已经实现了期望的输入目标。这意味着系统不会观察其正在控制的过程的输出。因此，真开的环系统不能够以所期望的以及所实现的值校准误差。其还可能不补偿系统中的扰动。然而，可以使用先进的开环系统，其中控制方法可以是自学习的并且自适应的。因此，按照实施例中的任何一个的振动传感器可以采用传统开环控制过程，或者可以采用自适应开环控制过程，其中某种反馈或者外部值被用来确保在驱动信号相位和振动信号相位之间的实际相位差近似于或者非常接近目标相位差。

驱动电路138通过采用开环驱动信号驱动振动元件104以便以频率点的最后的测量值进行振动，将该振动元件104迫使到靠近于所期望的振动频率的振动频率。例如，通过在ω1处、以从ω1的最后测量值获取的频率（被称为ω1_{time=（t-1）}）驱动传感器，驱动系统能够近似地找到第一频率点ω1的新值。一旦实现了所命令的第一频率，驱动器可以转变回闭环操作或者自适应的开环操作，并且找到ω1的准确值。相似地，通过在ω2处、以从ω2的最后测量值获取的频率（被称为ω2_{time=（t-1）}）驱动传感器，驱动系统能够近似地找到第二频率点ω2的新值。一旦实现了所命令的第二频率，驱动器可以转变回闭环操作或者自适应的开环操作，并且找到ω2的准确值。

如上所述，纯粹闭环的振动可以被用来发起振动传感器的振动。振动然后可以被切换成开环振动，或者可以被切换成使用组合的开环和闭环振动，其中循环（iteration）的开环部分很大缩短了循环时间。

附加地，或者可替换地，电子仪表20可以通过检查各种环境因素诸如在每次循环决定是否采用开环振动。例如，如果所表征的流体是可接受地稳定的话，则电子仪表20可以使用开环振动。如果所测量的流体密度没有在预定时间段内变化超过预定的密度容忍度，则所测量的流体密度可以被确定为是稳定的。

图6是按照本发明实施例的使得振动传感器中的振动变化的方法的流程图600。以下的闭环方法步骤601-604以闭环的方式确定了第一频率点ω1的频率，而闭环方法步骤605-608以闭环方式确定了第二频率点ω2的频率。以下的开环方法步骤620-624以开环方式确定了第一频率点ω1的频率，而开环方法步骤625-629以开环方式确定了第二频率点ω2的频率。

在步骤601，将振动设定点设定为第一目标相位差φ1，并且使振动元件振动。目标相位差通过使驱动信号的频率从当前振动频率开始变化而实现。当前振动频率以闭环方式并且按照所接收的反馈（诸如关于在当前相位差和目标相位差之间的差的反馈）逐渐改变。振动频率增量地从当前振动频率倾斜上升或倾斜下降，这取决于相位差是否要增大或者减小。

在步骤602，将当前相位差与第一目标相位差φ1相比较。如果已经实现了第一目标相位差φ1，则方法进入到步骤604。否则，方法进入支线步骤603，直到实现了第一目标相位差φ1为止。

在步骤603，执行等待。因此，方法循环，并且等待，直到已经实现了振动设定点为止。振动传感器因此等待振动元件的实际振动达到振动设定点。由于闭环驱动操作，所以振动元件至少在已经经过了已知等待时间之前不会实现在振动设定点的振动。

等待可以达到固定的预定时间，或者可以在长度上变化。环境条件可以要求比预期时间更长的时间来实现目标相位差。等待的长度可以取决于各种因素。等待的长度可以取决于从初始相位差到目标相位差的距离。等待的长度可以取决于振动元件的物理特性。等待的长度可以取决于所测量的流体性质（包括流体密度和/或粘度）。等待的长度可以取决于可用于振动传感器的电力。如果可用的电力受限，则振动传感器可能不能快速地倾斜到目标相位差和对应的频率点ω1或ω2。

在步骤604中，在已经实现了振动设定点并且在驱动传感器信号和敏感传感器信号之间的相位差对应于第一相位差φ1的情况下，则记录对应的第一频率点ω1。第一频率点ω1包括生成第一目标相位差φ1的振动频率。在一些实施例中，第一频率点ω1包括其中在驱动信号相位和敏感信号相位之间的相位差大约135度的频率。

在步骤605中，将振动设定点设定为第二目标相位差φ2，并且振动元件从当前振动频率开始振动。第二目标相位差φ2通过使驱动信号的频率从当前振动频率开始变化而实现。当前振动频率以闭环方式并且按照所接收的反馈（诸如关于在当前相位差和目标相位差之间的差的反馈）而逐渐改变。取决于相位差是要增大还是减小，振动频率增量地从当前振动频率倾斜上升或倾斜下降。应该理解的是，因此，开始振动频率是当前振动频率，其包括在上文的步骤604中获取的振动频率。

在步骤606中，将当前相位差与第二目标相位差φ2比较。如果已经实现了第二目标相位差φ2，则方法进行到步骤608。否则，方法进入支线步骤607，直到实现了第二目标相位差φ2为止。

在步骤607中，执行等待。因此，方法循环并且等待，直到已经实现了振动设定点为止。由于闭环驱动操作，所以振动元件在至少已经经过了已知等待时间之前不会实现在振动设定点的振动，如之前讨论的。

在步骤608中，在已经实现了振动设定点并且在驱动传感器信号和敏感传感器信号之间的相位差对应于第二相位差φ2的情况下，则对应的第二频率点ω2被记录。第二频率点ω2包括生成第二目标相位差φ2的振动频率。在一些实施例中，第二频率点ω2包括其中在驱动信号相位和敏感信号相位之间的相位差在一些实施例中大约为45度的频率。

以上的闭环方法步骤601-608可以包括用于振动流量计的初始或者启动循环。在一些实施例中，闭环方法步骤601-608可以用来生成第一和第二频率点ω1和ω2的初始值。闭环方法步骤601-608可以在方法进入到以下的开环方法步骤620-629之前循环一次或者两次。

在步骤620中，将振动设定点设定为第一目标相位差φ1。

在步骤621中，振动传感器以所命令的第一频率振动。因此，振动传感器的振动不连续地从当前振动频率（即，它紧接在该步骤之前的振动频率）转变到在所命令的第一频率中给出的频率值。因此，应该理解的是，在该步骤中的初始振动频率不是当前振动频率。因此，振动传感器的振动包括至少达到一段时间的开环振动过程。作为以开环方式振动的结果，当振动以所命令的第一频率开始时，所产生的相位差将立即接近（或者非常接近）第一目标相位差φ1。

在一些实施例中，所命令的第一频率包括前一时间的第一频率点ω1_{time=（t-1）}。下标[time=(t-1)]意味着第一频率点ω1来自前一时间段（在当前循环[time=t]中）。在一些实施例中，前一时间第一频率点ω1_{time=（t-1）}可以包括第一频率点ω1，如在以上的步骤604的前一循环中获取的或者如在以下步骤624的前一循环中获取的。然而，应该理解的是，方法不限于紧接的前一频率值，并且值可以来自在时间上更早的循环。可替换地，前一时间的第一频率点ω1_{time=（t-1）}可以包括之前确定或者接收并且存储在振动传感器内的理想值，诸如对于要被表征的预定流体的所预期的频率值。

应该理解的是，在开环振动转变成前一时间第一频率点ω1_{time=（t-1）}之后，振动然后可以返回成闭环，或者自适应开环振动过程。反馈（或者其他或者附加信息）然后可以被用来改善对于第一目标相位差φ1的振动和归零（zero in）。

在步骤622中，将当期相位差与第一目标相位差φ1相比较。如果已经实现了第一目标相位差φ1，则方法进入到步骤624。否则，方法进入支线步骤623，直到实现了第一目标相位差φ1为止。

在步骤623中，执行等待。因此，方法循环并且等待，直到已经实现了振动设定点为止。等待可以达到固定的预定时间或者可以在长度上变化。等待的长度可以取决于各种因素，诸如从初始相位差到目标相位差的距离、振动元件的物理特性、被测量的流体性质（包括流体密度和/或粘度）和可用于振动传感器的电力。然而，步骤623的等待将显著小于以上步骤603的等待长度。因为步骤621使振动传感器以开环方式振动，并且以将接近于最终频率的频率开始，所以振动传感器所需以实现目标相位差的时间量显著减小。

在步骤624中，在已经实现了振动设定点并且在驱动传感器信号和敏感传感器信号之间的相位差对应于第一相位差φ1的情况下，则记录对应的第一频率点ω1。第一频率点ω1包括生成第一目标相位差φ1的振动频率。在一些实施例中，第一频率点ω1包括其中在驱动信号相位和敏感信号相位之间的相位差大约为135度的频率。

在一些实施例中，新确定的第一频率点ω1可以用作是在开环方法步骤620-624的未来的一个循环（或者多个循环）中的前一时间第一频率点ω1_{time=（t-1）}。

在步骤625中，将振动设定点设定为第二目标相位差φ2。

在步骤626中，振动传感器以所命令的第二频率振动。因此，振动传感器的振动不连续地从当前振动频率（即，它紧接在该步骤之前的振动频率）转变到在所命令的第二频率中给出的频率值。因此，应该理解的是，在该步骤中的初始振动频率不是当前振动频率。因此，振动传感器的振动包括至少达到一段时间的开环振动过程。作为以开环方式振动的结果，当振动以所命令的第二频率开始时，所产生的相位差将立即接近（或者非常接近）第二目标相位差φ2。

在一些实施例中，所命令的第二频率包括前一时间的第二频率点ω2_{time=（t-1）}。下标[time=(t-1)]意味着第二频率点ω2来自前一时间段（在当前循环[time=t]中）。在一些实施例中，前一时间第二频率点ω2_{time=（t-1）}可以包括第二频率点ω2，如在以上的步骤608的前一循环中获取的，或者如在以下步骤629的前一循环中获取的。然而，应该理解的是，方法不限于紧接的前一频率值，并且值可以来自在时间上更早的循环。可替换地，前一时间的第二频率点ω2_{time=（t-1）}可以包括之前确定或者接收并且存储在振动传感器内的理想值，诸如对于要被表征的预定流体的所预期的频率值。

应该理解的是，在开环振动转变成前一时间的第二频率点ω2_{time=（t-1）}之后，振动然后可以返回闭环或者自适应开环振动过程。反馈（或者其他或者附加信息）然后可以被用来改善对于第二目标相位差φ2的振动和归零。

在步骤627中，将当前相位差与第二目标相位差φ2比较。如果已经实现了第二目标相位差φ2，则方法进入步骤629。否则，方法进入支线步骤628，直到实现了第二目标相位差φ2为止。

在步骤628中，执行等待。因此，方法循环并且等待，直到已经实现了振动设定点为止。等待可以达到固定的预定时间或者可以在长度上变化。等待的长度可以取决于各种因素，诸如从初始相位差到目标相位差的距离、振动元件的物理特性、被测量的流体性质（包括流体密度和/或粘度）和可用于振动传感器的电力。然而，步骤628的等待将显著小于以上步骤607的等待长度。因为步骤626使振动传感器以开环方式振动，并且以将接近于最终频率的频率开始，所以振动传感器所需以实现目标相位差的时间量显著减小。

在步骤629中，在已经实现了振动设定点并且在驱动传感器信号和敏感传感器信号之间的相位差对应于第二相位差φ2的情况下，则对应的第二频率点ω2被记录。第二频率点ω2包括生成第二目标相位差φ2的振动频率。在一些实施例中，第二频率点ω2包括其中在驱动信号相位和敏感信号相位之间的相位差大约为45度的频率。

在一些实施例中，新确定的第二频率点ω2可以用作是在开环方法步骤625-629的未来的一个循环（或者多个循环）中的前一时间第二频率点ω2_{time=（t-1）}。

按照任何实施例的振动传感器5通过使用开环操作对所表征的流体中的较快改变做出反应。

应该理解的是，闭环方法步骤601-608可以包括初始或者启动过程，其中闭环方法步骤601-608被执行至少一次。闭环方法步骤601-608可以在正常操作期间或者在初始或者启动过程之后并不被执行。在一些实施例中，开环方法步骤620-629可以被循环地执行，而闭环方法步骤601-608仅仅被执行来得到频率点ω1和ω2的初始值。可替换地，在一些实施例中，步骤闭环方法601-608可以被周期性地或者间歇性地执行（包括例如基于需要而执行）。

在可替换实施例中，第一和第二频率点ω1和ω2可以通过测量振动信号的功率并且从振动信号中的半功率点确定第一和第二频率点ω1和ω2来找到。应该理解的是，通过测量功率而找到的频率点可以近似地与通过监控相位差而找到的频率点相同，但可以不是完全相同。

图7是图4-5的振动传感器的组合的闭环和开环振动响应和/或图6的方法的组合的闭环和开环振动响应的图。竖轴表示振动频率（ω），而横轴表示时间（t）。可以看到的是，现有技术振动传感器在第一频率点ω1并且然后在第二频率点ω2交替振动，其中这种模式循环地重复。虽然所示出的频率点ω1和ω2是恒定的，但是应该理解的是，由于在被振动传感器表征的流体中的改变，所以第一和第二频率点ω1和ω2可以改变。附加地，第一和第二频率点ω1和ω2可以由于环境条件中的改变而改变，诸如由于在例如温度和/或压强中的改变。

前两个振动的发生横跨了两个闭环时间段T_CL。前两个振动的发生包括以闭环方式进行的振动，其中振动以频率点ω1开始，并且在振动达到了频率点ω2之前振动是平滑和连续变化的，或者振动以频率点ω2开始，并且在振动达到了频率点ω1之前振动是平滑和连续变化的。由于在前两个振动发生中的闭环振动，可以看到的是，实际振动频率平滑并且连续地、但是缓慢地改变。由于用来实现目标相位差的反馈，驱动频率中的每个改变要求完成闭环时间段T_CL。因此，现有技术的振动齿式传感器不能测量在频率点ω1和ω2中的快速改变，并且因此不能测量在要被表征的流体的密度和/或粘度中的快速改变。

在图中所示的随后七个振动的发生横跨开环时间段T_OL。随后的七个振动的发生包括开环方式的振动，其中振动以所命令的目标振动开始，并且振动不连续地从之前的振动转变成所命令的目标振动。例如，在第一开环时间段T_OL的开始（图上的点A），在振动频率当前是第二频率点ω2的情况下，振动却突然并且不连续地转变为第一频率点ω1（点B）。

如上所述，纯粹的闭环振动可以用来发起振动。然后，振动可以被切换为纯粹使用开环振动，或者可以切换为使用所组合的开环和闭环振动，其中循环的开环部分很大地缩短了循环时间。

附加地，或者可替换地，电子仪表20可以通过检查各种环境因素诸如在每次循环时决定是否采用开环振动。例如，如果所表征的流体基本上稳定，则电子仪表20可以使用开环振动。如果所测量的流体密度没有在预定时间段内变化超过预定的密度容忍度，则所测量的流体密度可以被确定为是稳定的。

以上实施例的详细描述不是由发明人预计的、在本发明范围内的所有实施例的穷举性描述。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各种组合或者消除，以创建另外的实施例，并且这样的另外实施例落入到本发明的范围和教导之内。对本领域普通技术人员也将显而易见的是，以上描述的实施例可以被整体地或者部分地组合，以创建在本发明的范围和教导内的附加实施例。因此，本发明的范围应该根据以下权利要求来确定。

Claims (18)

1.一种振动传感器（5），包括：

振动元件（104），其被配置成生成振动信号；和

接收器电路（134），其从振动元件（104）接收振动信号；和

驱动电路（138），其耦合到接收器电路（134）和振动元件（104），并且生成使得振动元件（104）振动的驱动信号，其中所述驱动电路（138）使得振动元件（104）以所命令的第一频率开始振动并且以开环方式振动，以实现对于所表征的流体的第一目标相位差φ1，并且确定对应的第一频率点ω1，使得振动元件（104）以所命令的第二频率开始振动并且以开环方式振动，以实现第二目标相位差φ2，并且确定对应的第二频率点ω2，并且通过使用第一频率点ω1和第二频率点ω2来确定所表征的流体的粘度。

2.权利要求1的振动传感器（5），其中所述振动传感器（5）循环地执行振动和确定步骤。

3.权利要求1的振动传感器（5），其中所命令的第一频率包括前一时间的第一频率点ω1_{time=（t-1）}，并且其中所命令的第二频率包括前一时间的第二频率点ω2_{time=（t-1）}。

4.权利要求1的振动传感器（5），其中所述驱动电路（138）包括生成驱动信号以实现目标相位差并且以当前振动频率开始的闭环驱动器（143），以及生成驱动信号以实现目标相位差并且以所命令的第一或者第二频率开始的开环驱动器（147）。

5.权利要求1的振动传感器（5），其中使得所述振动传感器的振动元件（104）以开环方式振动包括：

驱动电路（138）将振动设定点设定为第一目标相位差φ1；

驱动电路（138）使得振动元件（104）以开环方式并且以所命令的第一频率振动；

驱动电路（138）将当前第一相位差与第一目标相位差φ1比较，并且等待直到当前第一相位差基本上等于第一目标相位差φ1；

如果当前第一相位差等于第一目标相位差φ1，则驱动电路（138）记录对应的第一频率点ω1，其中实现第一目标相位差φ1生成了振动元件（104）中的第一频率点ω1；

驱动电路（138）将振动设定点设定为第二目标相位差φ2；

驱动电路（138）使得振动元件（104）以开环方式并且以所命令的第二频率振动；

驱动电路（138）将当前第二相位差与第二目标相位差φ2比较，并且等待直到当前第二相位差基本上等于第二目标相位差φ2；并且

如果当前第二相位差等于第二目标相位差φ2，则驱动电路（138）记录对应的第二频率点ω2，其中实现第二目标相位差φ2生成了振动元件（104）中的第二频率点ω2。

6.权利要求1的振动传感器（5），其中驱动电路（138）被进一步配置成：

使得振动元件（104）以闭环方式振动，以实现对于所表征流体的第一目标相位差φ1，并且

确定对应的第一频率点ω1，其中振动以当前振动频率开始，并且

使得振动元件（104）以闭环方式振动以实现对于所表征流体的第二目标相位差φ2，并且确定对应的第二频率点ω2，其中振动以当前振动频率开始。

7.权利要求1的振动传感器（5），其中如果所表征的流体基本上稳定，则所述驱动电路（138）选择开环操作。

8.权利要求1的振动传感器（5），其中所述驱动电路（138）被进一步配置成：

使得振动元件（104）以所命令的第一频率开始并且以开环方式振动，以近似对于所表征的流体的第一目标相位差φ1；

使得振动元件（104）以闭环方式振动以实现第一目标相位差φ1，并且确定对应的第一频率点ω1；

使得振动元件（104）以所命令的第二频率开始并且以开环方式振动，以近似对于所表征的流体的第二目标相位差φ2；

使得振动元件（104）以闭环方式振动以实现第二目标相位差φ2，并且确定对应的第二频率点ω2，并且

使用第一频率点ω1和第二频率点ω2来确定所表征的流体的粘度。

9.权利要求1的振动传感器（5），其中所述接收器电路（134）耦合到驱动电路（138），其中所述接收器电路（134）向驱动电路（138）提供振动信号幅度和振动信号频率，其中驱动电路（138）使用振动信号幅度和振动信号频率生成了针对振动元件（104）的驱动信号。

10.权利要求1的振动传感器（5），其中所述振动传感器（5）包括振动齿式传感器，并且其中所述振动元件（104）包括音叉结构。

11.一种使得振动传感器中的振动变化的方法，其中所述方法包括：

使得振动传感器的振动元件以所命令的第一频率开始振动并且以开环方式振动，以实现对于所表征的流体的第一目标相位差φ1，并且确定对应的第一频率点ω1；

使得振动元件以所命令的第二频率开始振动并且以开环方式振动，以实现第二目标相位差φ2，并且确定对应的第二频率点ω2；并且

通过使用第一频率点ω1和第二频率点ω2来确定所表征的流体的粘度。

12.权利要求11的方法，循环地执行振动和确定步骤。

13.权利要求11的方法，其中所命令的第一频率包括前一时间的第一频率点ω1_{time=（t-1）}，并且其中所命令的第二频率包括前一时间的第二频率点ω2_{time=（t-1）}。

14.权利要求11的方法，其中使得振动元件以开环方式振动包括：

将振动设定点设定为第一目标相位差φ1；

使得振动元件以开环方式并且以所命令的第一频率振动；

将当前第一相位差与第一目标相位差φ1比较，并且等待直到当前第一相位差基本上等于第一目标相位差φ1；

如果当前第一相位差等于第一目标相位差φ1，则记录对应的第一频率点ω1，其中实现第一目标相位差φ1生成了振动元件中的第一频率点ω1；

将振动设定点设定为第二目标相位差φ2；

使得振动元件以开环方式并且以所命令的第二频率振动；

将当前第二相位差与第二目标相位差φ2比较，并且等待直到当前第二相位差基本上等于第二目标相位差φ2，并且

如果当前第二相位差等于第二目标相位差φ2，则记录对应的第二频率点ω2，其中实现第二目标相位差φ2生成了振动元件中的第二频率点ω2。

15.权利要求11的方法，进一步包括以下准备步骤：

使得振动元件以闭环方式振动，以实现对于所表征流体的第一目标相位差φ1，并且确定对应的第一频率点ω1，其中振动以当前振动频率开始，并且

使得振动元件以闭环方式振动，以实现对于所表征流体的第二目标相位差φ2，并且确定对应的第二频率点ω2，其中振动以当前振动频率开始。

16.权利要求11的方法，其中如果所表征的流体基本上稳定，则所述方法选择开环操作。

17.权利要求11的方法，其中所述振动步骤包括：

使得振动元件以所命令的第一频率开始并且以开环方式振动，以近似对于所表征的流体的第一目标相位差φ1；

使得振动元件以闭环方式振动，以实现第一目标相位差φ1，并且确定对应的第一频率点ω1；

使得振动元件以所命令的第二频率开始并且以开环方式振动，以近似对于所表征的流体的第二目标相位差φ2；

使得振动元件以闭环方式振动，以实现第二目标相位差φ2，并且确定对应的第二频率点ω2，并且

使用第一频率点ω1和第二频率点ω2来确定所表征的流体的粘度。

18.权利要求11的方法，其中所述振动传感器包括振动齿式传感器，并且其中所述振动元件包括音叉结构。