CN107110823B - 基于相位误差控制振动传感器的振动 - Google Patents

基于相位误差控制振动传感器的振动 Download PDF

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Abstract

提供了一种基于相位误差控制振动元件的振动的方法。所述方法包括：利用驱动信号使振动元件振动，从振动元件接收振动信号，测量驱动信号与振动信号之间的相位差异，确定目标相位差异与测量的相位差异之间的相位误差，以及利用所确定的相位误差来计算一个或多个振动控制项。

Description

基于相位误差控制振动传感器的振动
技术领域
以下描述的实施例涉及振动传感器，并且更特别地，涉及基于相位误差控制振动传感器的振动。
背景技术
振动传感器（诸如振动密度计和振动粘度计）通过检测在要表征的流体存在的情况下的进行振动的振动元件的运动进行操作。振动元件具有振动响应，所述振动响应可以具有振动响应参数，诸如谐振频率或者质量因数Q。振动元件的振动响应一般受与流体组合的振动元件的组合的质量、刚度和阻尼特性而影响。可以通过处理从与振动元件相关联的一个或多个运动换能器接收的一个或多个振动信号来确定与流体相关联的性质，诸如密度、粘度、温度等。振动信号的处理可以包括确定振动响应参数。
图1示出了现有技术振动传感器，包括振动元件以及耦合到振动元件的仪表电子装置。现有技术振动传感器包括用于使振动元件振动的驱动器以及响应于振动而产生振动信号的拾取器（pickoff）。振动信号典型地是连续时间或模拟信号。仪表电子装置接收振动信号并且处理振动信号以生成一个或多个流体特性或流体测量结果。仪表电子装置确定振动信号的频率和幅度二者。可以进一步处理振动信号的频率和幅度以确定流体的密度。
现有技术振动传感器使用闭环电路提供用于驱动器的驱动信号。驱动信号典型地基于所接收的振动信号。现有技术闭环电路修改或者向驱动信号中并入振动信号或者振动信号的参数。例如，驱动信号可以是所接收的振动信号的经放大、调制或者以其它方式修改的版本。所接收的振动信号因此可以包括反馈，所述反馈使得闭环电路能够实现目标频率。使用反馈，闭环电路递增地改变驱动频率并且监控振动信号直至达到目标频率为止。
流体性质（诸如流体的粘度和密度）可以从其中驱动信号和振动信号之间的相位差异为135°和45°的频率来确定。标记为第一非谐振相位差异φ1和第二非谐振相位差异φ2的这些期望的相位差异可以对应于半功率或3dB频率。第一非谐振频率ω1被定义为其中第一非谐振相位差异φ1为135°的频率。第二非谐振频率ω2被定义为其中第二非谐振相位差异φ2为45°的频率。在第二非谐振频率ω2处做出的密度测量可以独立于流体粘度。相应地，在第二非谐振相位差异φ2为45°的情况下做出的密度测量可以比在其它相位差异下做出的密度测量更加准确。
第一和第二非谐振相位差异φ1、φ2典型地在测量之前不是已知的。相应地，闭环电路必须使用如在前文中描述的反馈递增地逼近第一和第二非谐振相位差异φ1、φ2。与闭环电路相关联的增量逼近可以引起在确定振动响应参数方面的延迟，并且因此引起在确定流体的粘度、密度或其它性质方面的延迟。在振动传感器的许多应用中，在确定这样的测量方面的延迟可能过于昂贵。
相应地，存在对于基于相位误差控制振动传感器的振动的需要。还存在对于在没有与闭环电路相关联的延迟的情况下达到第一和第二非谐振相位差异φ1、φ2的需要。
发明内容
提供了一种基于相位误差控制振动元件的振动的方法。根据实施例，该方法包括利用驱动信号使振动元件振动，从振动元件接收振动信号，以及测量驱动信号与振动信号之间的相位差异。该方法还包括确定目标相位差异与测量的相位差异之间的相位误差，以及利用所确定的相位误差计算一个或多个振动控制项。
提供了一种用于控制振动元件的振动的仪表电子装置。根据实施例，仪表电子装置包括耦合到振动元件的驱动器电路，驱动器电路被配置为向振动元件提供驱动信号。仪表电子装置还包括耦合到振动元件的接收器电路，接收器电路被配置为从振动元件接收振动信号。仪表电子装置被配置为测量驱动信号与振动信号之间的相位差异，确定目标相位差异与测量的相位差异之间的相位误差，以及利用所确定的相位误差计算一个或多个振动控制项。
各方面
根据一方面，基于相位误差控制振动元件的振动的方法包括利用驱动信号使振动元件振动，从振动元件接收振动信号，测量驱动信号与振动信号之间的相位差异，确定目标相位差异与测量的相位差异之间的相位误差，以及利用所确定的相位误差计算一个或多个振动控制项。
优选地，所述一个或多个振动控制项是比例积分控制回路中的项。
优选地，确定相位误差的步骤包括基于以下等式计算相位误差：
Figure 429989DEST_PATH_IMAGE001
。
优选地，所述一个或多个振动控制项是用于接收所确定的相位误差的比例积分控制回路的比例增益项。
优选地，比例增益项基于以下等式计算：
比例增益=所确定的相位误差×Kp，其中Kp是比例增益常数。
优选地，振动控制项是用于接收所确定的相位误差的控制回路的积分项。
优选地，积分项基于以下等式计算：
积分项=积分项+所确定的相位误差× Ki，其中Ki是积分项常数。
优选地，所述方法还包括基于所确定的相位误差而生成命令频率以及将命令频率提供给信号生成器，所述信号生成器被配置为生成驱动信号，所述驱动信号使振动元件在命令频率振动。
优选地，命令频率使用积分项和比例增益项来生成。
优选地，通过基于以下等式将积分项和比例增益项相加来使用积分项和比例增益项而生成命令频率：
命令频率=积分项+比例增益项。
根据一方面，用于控制振动元件（104）的振动的仪表电子装置（20）包括耦合到振动元件（104）的驱动器电路（138），所述驱动器电路（138）被配置为向振动元件（104）提供驱动信号；以及耦合到振动元件（104）的接收器电路（134），所述接收器电路（134）被配置为从振动元件（104）接收振动信号。仪表电子装置（20）被配置为测量驱动信号与振动信号之间的相位差异，确定目标相位差异与测量的相位差异之间的相位误差，以及利用所确定的相位误差计算一个或多个振动控制项。
优选地，所述一个或多个振动控制项是比例积分控制回路中的项。
优选地，所述仪表电子装置（20）被配置为确定相位误差的包括所述仪表电子装置（20）被配置为基于以下等式计算相位误差：
Figure 612709DEST_PATH_IMAGE002
。
优选地，所述一个或多个振动控制项是用于接收所确定的相位差异的比例积分控制回路的比例增益项。
优选地，比例增益项基于以下等式计算：
比例增益=所确定的相位误差× Kp，其中Kp是比例增益常数。
优选地，振动控制项是用于接收所确定的相位误差的控制回路的积分项。
优选地，积分项基于以下等式计算：
积分项=积分项+所确定的相位误差× Ki，其中Ki是积分项常数。
优选地，仪表电子装置（20）进一步被配置为基于所确定的相位误差而生成命令频率（ωc）并且将命令频率（ωc）提供给信号生成器（147c），所述信号生成器（147c）被配置为生成驱动信号，所述驱动信号使振动元件（104）在命令频率（ωc）振动。
优选地，命令频率（ωc）使用积分项和比例增益项而生成。
优选地，通过基于以下等式将积分项和比例增益项相加而使用积分项和比例增益项来生成命令频率（ωc）：
命令频率=积分项+比例增益项。
附图说明
相同附图标记在所有附图上表示相同元件。应当理解到，附图未必按照比例。
图1示出了现有技术振动传感器，其包括振动元件以及耦合到振动元件的仪表电子装置。
图2示出了根据实施例的振动传感器5。
图3示出了根据实施例的振动传感器5。
图4示出了具有驱动器电路138的更详细表示的振动传感器5的框图。
图5示出了频率响应曲线图500，其图示了振动元件的振动响应。
图6示出了相位响应曲线图600，其图示了振动元件的振动响应。
图7示出了基于相位误差控制振动元件中的振动的方法700。
图8示出了基于相位误差控制振动元件中的振动的另一方法800。
具体实施方式
图1-8以及下面的描述描绘了具体示例以教导本领域技术人员如何实现和使用最佳实施例模式以用于基于相位误差来控制振动传感器的振动。出于教导发明原理的目的，已经简化或者省略一些常规方面。本领域技术人员将领会到落入本说明书的范围内的来自这些示例的变化。本领域技术人员将领会到，以下描述的特征可以以各种方式组合以形成基于相位误差控制振动传感器的振动的多个变形。作为结果，以下描述的实施例不限于以下描述的具体示例，而是仅由权利要求及其等同方案来限定。
图2示出了根据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和仪表电子装置20，其中振动元件104通过一个或多个引线100耦合到仪表电子装置20。在一些实施例中，振动传感器5可以包括振动齿状传感器或者叉形密度传感器（参见图3和随附讨论）。然而，设想到其它振动传感器并且它们在说明书和权利要求的范围内。
振动传感器5可以至少部分地淹没到要表征的流体中。流体可以包括液体或气体。可替换地，流体可以包括多相流体，诸如包括携入气体、携入固体、多种液体或其组合的液体。一些示例性流体包括水泥浆、石油产品等。振动传感器5可以安装在管道或导管、罐体、容器或其它流体器皿中。振动传感器5还可以安装在用于引导流体流的岐管或类似结构中。然而，设想到其它安装布置并且它们在说明书和权利要求的范围内。
振动传感器5操作为提供流体测量结果。振动传感器5可以提供流体测量结果，其包括针对流体的流体密度和流体粘度中的一个或多个，所述流体包括流动或非流动的流体。振动传感器5可以提供流体测量结果，包括流体质量流率、流体体积流率和/或流体温度。这种列举不是穷举性的，并且振动传感器5可以测量或确定其它流体特性。
仪表电子装置20可以经由一个或多个引线100向振动元件104提供电气功率。仪表电子装置20经由一个或多个引线100控制振动元件104的操作。例如，仪表电子装置20可以生成驱动信号并且向振动元件104提供所生成的驱动信号，其中振动元件104使用所生成的驱动信号生成一个或多个振动组件中的振动。所生成的驱动信号可以控制振动元件104的振动幅度和频率。所生成的驱动信号还可以控制振动持续时间和/或振动定时。
仪表电子装置20还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。仪表电子装置20可以处理一个或多个振动信号以生成例如密度测量结果。仪表电子装置20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。进一步地或者此外，仪表电子装置20处理一个或多个振动信号以确定流体的其它特性，诸如粘度，或者信号之间的相位差异，其可以被处理以确定例如流体流率。如可以领会到，相位差异典型地以空间单位来测量或表达，所述空间单位诸如度或弧度，尽管可以采用任何适合的单位，诸如基于时间的单位。如果采用基于时间的单位，则可以由本领域中的技术人员将相位差异称为振动信号与驱动信号之间的时间延迟。设想到其它振动响应特性和/或流体测量结果并且它们在说明书和权利要求的范围内。
仪表电子装置20可以进一步耦合到通信链路26。仪表电子装置20可以通过通信链路26传送振动信号。仪表电子装置20还可以处理所接收的振动信号以生成一个或多个测量值并且可以通过通信链路26传送一个或多个测量值。此外，仪表电子装置20可以通过通信链路26接收信息。例如，仪表电子装置20可以通过通信链路26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3示出了根据实施例的振动传感器5。在所示实施例中，仪表电子装置20通过轴杆115耦合到振动元件104。轴杆115可以具有任何期望的长度。轴杆115可以至少部分地中空。导线或者其它导体可以通过轴杆115在仪表电子装置20和振动元件104之间延伸。仪表电子装置20包括电路组件，诸如接收器电路134、接口电路136和驱动器电路138。在所示实施例中，接收器电路134和驱动器电路138直接耦合到振动元件104的引线。可替换地，仪表电子装置20可以包括与振动元件104分离的组件或设备，其中接收器电路134和驱动器电路138经由所述一个或多个引线100耦合到振动元件104。
在所示实施例中，振动传感器5的振动元件104包括调谐叉形结构，其中振动元件104至少部分地淹没在所测量的流体中。振动元件104包括可以固设到另一结构的外壳105，所述另一结构诸如管道、导管、罐体、接受器、岐管、或者任何其它流体处置结构。外壳105保留振动元件104而同时振动元件104保持为至少部分地暴露。振动元件104因此配置为要淹没在流体中。
在所示实施例中，振动元件104包括配置为至少部分地延伸到流体中的第一和第二齿状物112和114。第一和第二齿状物112和114包括可以具有任何期望的截面形状的伸长元件。第一和第二齿状物112和114可以在本性上为至少部分地柔性或弹性的。振动传感器5还包括对应的第一和第二压电元件122和124，包括压电式晶体元件。第一和第二压电元件122和124分别位于邻近第一和第二齿状物112和114。第一和第二压电元件122和124被配置为与第一和第二齿状物112和114接触并且机械地相互作用。
第一压电元件122与第一齿状物112的至少部分接触。第一压电元件122还电气耦合到驱动器电路138。驱动器电路138向第一压电元件122提供所生成的驱动信号。第一压电元件122在经受所生成的驱动信号时扩展和收缩。作为结果，第一压电元件122可以使第一齿状物112在振动运动中左右摇摆地交替地变形和移位（见虚线），从而以周期的、往复方式扰动流体。
将第二压电元件124示出为耦合到接收器电路134，所述接收器电路134产生对应于流体中的第二齿状物114的变形的振动信号。第二齿状物114的移动使得通过第二压电元件124生成对应电气振动信号。第二压电元件124将振动信号传输到仪表电子装置20。仪表电子装置20包括接口电路136。
接口电路136可以被配置为与外部设备通信。接口电路136传送一个或多个振动测量信号并且可以传送所确定的流体特性到一个或多个外部设备。仪表电子装置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振动信号幅度。除其它之外，仪表电子装置20可以经由接口电路136传输流体测量结果，诸如流体的密度和/或粘度。设想到其它流体测量结果并且它们在说明书和权利要求的范围内。此外，接口电路136可以从外部设备接收通信，例如包括用于生成测量值的命令和数据。在一些实施例中，接收器电路134耦合到驱动器电路138，其中接收器电路134向驱动器电路138提供振动信号。
驱动器电路138生成用于振动元件104的驱动信号。驱动器电路138可以修改所生成的驱动信号的特性。驱动器电路138包括开环驱动。开环驱动可以由驱动器电路138使用以生成驱动信号并且将所生成的驱动信号供应给振动元件104（例如，到第一压电元件122）。在一些实施例中，开环驱动生成驱动信号以实现在初始频率ωi处开始的目标相位差异φt。开环驱动可以不基于来自振动信号的反馈而进行操作，如将在下文中参照图4更加详细地描述。
图4示出了具有驱动器电路138的更详细表示的振动传感器5的框图。振动传感器5被示出具有驱动器电路138。为了清楚起见而没有示出接收器电路134和接口电路136。驱动器电路138包括模拟输入滤波器138a和模拟输出滤波器138b，其耦合到开环驱动147。模拟输入滤波器138a对振动信号进行滤波，并且模拟输出滤波器138b对所生成的驱动信号进行滤波。
开环驱动147包括耦合到相位检测器147b的模数转换器147a。相位检测器147b耦合到信号生成器147c。还示出了振动元件104，其包括第一压电元件122和第二压电元件124。开环驱动147可以利用数字信号处理器实现，所述数字信号处理器被配置为执行对信号进行采样、处理和生成的一个或多个代码或程序。附加地或者可替换地，开环驱动147可以利用耦合到数字信号处理器的电子电路等实现。
将由第一压电元件122提供的振动信号发送给模拟输入滤波器138a。在由模数转换器147a对振动信号进行采样之前，模拟输入滤波器138a对振动信号进行滤波。在所示实施例中，模拟输入滤波器138a可以包括低通滤波器，所述低通滤波器具有大约为开环驱动147的采样速率的一半的截止频率，尽管可以采用任何适合的低通滤波器。低通滤波器可以由无源组件提供，所述无源组件诸如电感器、电容器和电阻器，尽管可以采用任何适合的分布式或离散式组件，诸如运算放大器滤波器。
模数转换器147a可以对经滤波的振动信号进行采样以形成经采样的振动信号。模数转换器147a还可以对通过第二信道（没有示出）的所生成的驱动信号进行采样。采样可以是通过任何适当的采样方法。如可以领会到，通过模数转换器147a采样的所生成的驱动信号不具有与振动信号相关联的噪声。将所生成的驱动信号提供给相位检测器147b。
相位检测器147b可以比较经采样的振动和所生成的驱动信号的相位。相位检测器147b可以是配置为执行一个或多个代码或程序的处理器，所述一个或多个代码或程序对信号进行采样、处理和生成以检测两个信号之间的相位差异，如将在下文参照图5更加详细描述。仍然参照图4的实施例，比较提供了经采样的振动信号和经采样的所生成的驱动信号之间的测量的相位差异φm。
将测量的相位差异φm与目标相位差异φt相比较。目标相位差异φt是振动信号与所生成的驱动信号之间的期望相位差异。例如，在其中目标相位差异φt大概为45°的实施例中，如果测量的相位差异φm也与45°相同或者大约为45°，测量的相位差异φm与目标相位差异φt之间的差异可以为零。然而，在可替换实施例中，可以采用任何适当的目标相位差异φt。使用测量的相位差异φm与目标相位差异φt之间的比较，相位检测器147b可以生成命令频率ωc。
可以采用命令频率ωc来生成驱动信号。附加地或可替换地，可以采用不是从测量的相位差异φm与目标相位差异φt之间的比较确定的初始频率ωi。初始频率ωi可以是用于形成初始生成的驱动信号的预选频率。初始生成的驱动信号可以如前文所述的那样进行采样并且与经采样的振动信号进行比较。经采样的初始生成的驱动信号与经采样的振动信号之间的比较可以用于生成命令频率ωc。命令频率ωc和初始频率ωi可以具有弧度每秒的单位，尽管可以采用任何适合的单位，诸如例如赫兹（Hz）。可以将命令频率ωc或初始频率ωi提供给信号生成器147c。
信号生成器147c可以从相位检测器147b接收命令频率ωc，并且提供具有与命令频率ωc相同的频率的所生成的驱动信号。所生成的驱动信号可以如前文中讨论的那样发送给模数转换器147a。所生成的驱动信号还经由模拟输出滤波器138b发送给第一压电元件122。附加地或者可替换地，所生成的驱动信号可以在其它实施例中发送给其它组件。
如在前文中讨论的，振动元件104具有由于驱动信号而引起的振动响应。振动响应具有振动响应参数，诸如谐振频率ω0、质量因数Q等，可以采用所述振动响应参数来计算所测量的流体的各种性质。在下文中更加详细地讨论振动响应和示例性的振动响应参数以及可以如何使用振动响应参数来计算流体的性质。
图5示出了频率响应曲线图500，其图示了振动元件的振动响应。频率响应曲线图500包括频率轴510和幅度轴520。频率轴510以Hz为单位示出，尽管可以采用任何适合的频率单位，诸如例如弧度每秒。幅度轴520以分贝（dB）尺度示出。幅度轴520可以从任何适当的单位来确定，诸如例如伏特或者安培。频率响应曲线图500还包括频率响应绘图530。频率响应绘图530可以表示前文中描述的振动元件104的振动响应，尽管可以在可替换实施例中采用任何适合的振动元件。
如在图5中示出，频率响应绘图530包括针对具有不同振动阻尼性质的流体的单独频率响应绘图。例如，由于振动元件104淹没在粘性且稠密的流体中，在谐振频率处具有最低幅度的绘图可以是最平坦的。由于振动元件淹没在相对于与频率响应绘图530中的其它绘图相关联的流体而言具有低粘度的流体中，在谐振频率处具有最大幅度的绘图可以是最不平坦的。如可以领会到，每一个频率响应绘图530具有不同的相关联的振动响应参数。
例如，在图5中所示的实施例中，每一个频率响应绘图530具有指示第一非谐振频率ω1、第二非谐振频率ω2和谐振频率ω0的三个标记，其是振动响应的振动响应参数。第一非谐振频率ω1由第一非谐振标记532指示。第二非谐振频率ω2由第二非谐振标记534指示。谐振频率ω0由谐振标记536指示。如可以通过参照谐振标记536而领会到，谐振频率ω0对于每一个频率响应绘图530大体上相同。
在一些实施例中，谐振频率ω0可以从第一非谐振频率ω1和第二非谐振频率ω2来确定。例如，谐振频率ω0可以从第一非谐振频率ω1和第二非谐振频率ω2的平均来确定：
Figure 923604DEST_PATH_IMAGE003
然而，在可替换实施例中，谐振频率ω0可以以其它方式确定，诸如在扫掠频率范围的同时测量峰值幅度处的频率。
质量因数Q可以从第一非谐振频率ω1、第二非谐振频率ω2和谐振频率ω0来确定。例如，质量因数Q可以从以下来确定：
Figure 177868DEST_PATH_IMAGE004
如可以领会到，质量因数Q对于每一个曲线不同。由于各种原因，诸如例如具有不同的粘度或密度的与每一个频率响应绘图530相关联的流体，质量因数Q可以对于每一个频率响应绘图530而不同。
图6示出了相位响应曲线图600，其图示了振动元件的振动响应。振动元件可以是在前文中参照图2-4描述的振动元件104，尽管可以采用任何适合的振动元件。相位响应曲线图600包括频率轴610，其是相位响应曲线图600的横坐标。相位响应曲线图600还包括相位差异轴620，其是相位响应曲线图600的纵坐标。相位响应曲线图600包括针对不同粘度的流体的相位响应绘图630。每一个相位响应绘图630具有第一非谐振标记632和第二非谐振标记634。还示出了每一个相位响应绘图630的谐振标记636。
每一个相位响应绘图630图示了振动信号和驱动信号之间的相位差异与振动信号的频率之间的关系。第一和第二非谐振标记632、634的频率对于每一个相位响应绘图630不同。如所示，-135度处的第一非谐振标记632范围从大约1630Hz到大约1715Hz。-45度的第二非谐振标记634范围从大约1560Hz到大约1620Hz。
如可以领会到，相位差异与频率之间的关系在第一和第二非谐振标记632、634之间近似为线性的。因此，如果在其相应频率处测量两个或更多相位差异，则可以建立频率与相位差异之间的函数关系。该函数关系可以用于确定目标相位差异φt与测量的相位差异φm之间的相位误差，如在前文中参照图4所述。如将在下文中更加详细地描述，可以采用相位误差来计算用于控制回路的一个或多个振动控制项。
图7示出了基于相位误差控制振动元件中的振动的方法700。振动元件可以是在前文中参照图2-4描述的振动元件104，尽管在可替换实施例中可以采用任何适合的振动元件。方法700通过在步骤710中利用驱动信号使振动元件振动而开始。驱动信号可以例如由参照图4所述的驱动器电路138生成。
在步骤720中，方法700从振动元件接收振动信号。方法700可以例如利用仪表电子装置20接收该信号。特别地，方法700可以是程序，所述程序在仪表电子装置20上执行以使得接收器电路134接收由图3中所示的引线100承载的振动信号。
在步骤730中，方法700可以测量驱动信号与振动信号之间的相位差异φm。方法700可以例如利用相位检测器147b测量相位差异φm，尽管可以采用任何适合的部件来测量相位差异φm。在步骤740中，可以确定目标相位差异φt与测量的相位差异φm之间的相位误差。可以例如通过减去目标相位差异φt与测量的相位差异φm之间的差异来确定相位误差。
在步骤750中，方法700可以利用所确定的相位误差来计算一个或多个振动控制项。振动控制项可以例如是在控制回路中采用的项，所述控制回路控制振动元件的振动。例如，方法700可以在驱动器电路中采用，诸如在前文中描述的开环驱动147。相应地，方法700可以使振动元件以从所确定的相位误差计算的频率振动，如在下文中更加详细地描述。
图8示出了基于相位误差控制振动元件中的振动的另一方法800。振动元件可以是前文中参照图2-4描述的振动元件104，尽管可以采用任何适合的振动元件。方法800在步骤810中通过生成驱动信号而开始。驱动信号可以由参照图4所述的信号生成器147c生成。在步骤820中，方法800可以利用驱动信号使振动元件振动。例如，根据图8中所示的实施例，方法800可以使信号生成器147c经由模拟输出滤波器138b将驱动信号提供给振动元件104。
在步骤830中，方法800测量来自振动元件的振动信号与驱动信号之间的相位差异。在步骤840中，方法800可以计算来自控制回路的一个或多个振动控制项。在步骤850中，方法800可以利用所述一个或多个振动控制项来计算增益。在步骤860中，方法800可以利用控制回路来计算针对驱动信号的频率。将方法800示为循环回到步骤810以生成驱动信号，其可以具有在步骤860中计算的频率。
方法700、800可以例如通过在仪表电子装置20上执行软件程序而实施前面描述的步骤。在前文中描述的方法700、800可以测量驱动信号与振动信号之间的相位差异，确定目标相位差异φt与测量的相位差异φm之间的相位误差，以及基于所确定的相位误差计算一个或多个振动控制项。这些和其它步骤在下文中更加详细地描述。
可以以各种方式测量驱动信号与振动信号之间的相位差异。例如，可以通过利用模数转换器147a对驱动信号和振动信号进行采样来测量相位差异。相位检测器147b可以检测驱动信号和振动信号的零交叉点。零交叉点可以是驱动信号和振动信号在其处为零伏特或大约零伏特的时间，其以模拟形式或者数字地进行编码。驱动信号和振动信号的零交叉点之间的时间差异可以与驱动或振动信号的频率相乘以计算测量的相位差异φm。然而，可以采用测量驱动信号与振动信号之间的相位差异的任何适合的部件。
相位误差可以从测量的相位差异φm来确定。相位误差可以是目标相位差异φt与测量的相位差异φm之间的差异除以目标相位差异φt的比。相应地，目标相位差异φt与测量的相位差异φm之间的差异可以相对于目标相位差异φt进行缩放。例如，仪表电子装置20可以执行方法700、800以便通过使用以下等式来计算相位误差：
Figure 523399DEST_PATH_IMAGE005
（3）
在这些和其它实施例中，可以采用所确定的相位误差来计算一个或多个振动控制项。例如，相位误差可以与诸如例如预确定的常数之类的值相乘以计算振动控制项中的一个。
振动控制项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个或多个振动控制项相加以生成增益。可以采用增益来控制振动元件的振动，诸如例如前文中参照图1所述的振动元件104。例如，可以采用增益来将振动元件驱动到第一或第二非谐振相位差异φ1、φ2。
通过将振动元件驱动到第一和第二非谐振相位差异φ1、φ2，测量的相位差异φm与目标相位差异φt之间的相位误差降低。也就是说，目标相位差异φt可以是第一或第二非谐振相位差异φ1、φ2中的一个。减少的相位误差可以用于计算针对控制回路的对应振动控制项。相应地，随着测量的相位差异φm变得更接近目标相位差异φt，控制回路可以在增量过程中递增地减少由控制回路计算的增益。
控制回路可以是具有从所确定的相位误差计算的振动控制项的比例积分控制回路。在实施例中，比例积分控制回路可以包括例如比例增益项和积分项的总和。在一些实施例中，比例积分控制回路通过等式描述，所述等式将所确定的相位误差与比例增益常数Kp和积分项常数Ki相乘，如将在下文更加详细地描述。
比例增益项可以是比例增益常数Kp与所确定的相位误差相乘。在实施例中，比例增益项可以从以下等式计算：
比例增益项=相位误差× Kp （4）
该等式中的相位误差可以是所确定的相位误差。例如，当从振动元件104接收到驱动信号和振动信号时，该等式中的相位误差可以从测量的相位差异φm来确定。
比例增益项可以在比例积分控制回路中采用。相应地，比例积分控制回路的输出可以与所确定的相位误差相关。相应地，测量的相位差异φm与目标相位差异φt之间的差异越大，来自比例积分控制回路的输出就越大。因此，大的所确定的相位误差导致比例增益项相对于由比例增益常数Kp确定的尺度而对应地大。
比例积分控制回路还可以包括积分项。积分项可以是积分项常数Ki乘以所确定的相位误差。此外，积分项还可以包括其它所确定的相位误差。例如，如前文中所述，相位误差可以迭代地确定。相应地，积分项常数Ki可以与当前相位误差和一个或多个之前的相位误差相乘以确定用于比例积分控制回路的当前积分项。
例如，方法700、800可以将一个或多个之前的相位误差存储在仪表电子装置20中。所述一个或多个之前的相位误差可以通过方法700、800获得，与积分项常数Ki相乘，并且添加到从当前相位误差计算的积分项。当由仪表电子装置20接收到测量的相位差异φm时，当前相位误差可以是由测量的相位差异φm和目标相位差异φt确定的相位误差。
在另一个示例中，方法700、800可以将一个或多个之前测量的相位差异φm存储在仪表电子装置20中。方法700、800可以获得一个或多个之前测量的相位差异φm，并且计算对应于一个或多个之前测量的相位差异φm的一个或多个之前的相位误差。所述一个或多个之前的相位误差可以与积分项Ki相乘并且然后添加到当前积分项。当仪表电子装置20经由引线100接收到测量的相位差异φm时，可以确定当前积分项。
在实施例中，可以采用一个之前的积分项。也就是说，当前相位误差与积分项Ki相乘并且然后添加到所述一个之前的积分项，其例如被存储在仪表电子装置20中。在实施例中，积分项可以通过以下等式计算：
积分项=积分项+相位误差×Ki （5）
等式（5）右侧上的相位误差可以是在由仪表电子装置20接收到驱动信号和振动信号时从测量的相位差异φm计算的当前确定的相位误差。等式（5）右侧上的积分项可以是从之前的相位误差计算的之前的积分项。等式（5）左侧上的积分项因此可以是当前积分项。
当前积分项可以通过方法700、800存储在仪表电子装置20中以用于控制回路的随后迭代。例如，等式（5）左侧上的积分项可以存储在仪表电子装置20中，使得等式（5）的随后计算可以在等式（5）右侧上采用所存储的积分项。在可替换实施例中，可以采用计算振动控制项的其它方法。
方法700、800还可以基于所确定的相位误差来生成命令频率ωc，并且向信号生成器提供命令频率ωc，所述信号生成器被配置为生成驱动信号，所述驱动信号使振动元件在命令频率ωc处振动。根据实施例，使用积分项和比例增益项生成命令频率ωc。可以通过基于以下等式将积分项和比例增益项相加而使用积分项和比例增益项来生成命令频率ωc：
命令频率=积分项+比例增益项 （6）
如可以领会到，可以通过前文中描述的仪表电子装置20而生成命令频率ωc，尽管在可替换实施例中可以使用任何仪表电子装置。相应地，仪表电子装置20可以被配置为基于所确定的相位误差而生成命令频率ωc，并且将命令频率ωc提供给信号生成器147c，所述信号生成器147c被配置为生成驱动信号，所述驱动信号使振动元件104在命令频率ωc处振动。在可替换实施例中可以采用其它配置。
前文中描述的实施例提供了用于基于所确定的相位误差来控制振动元件104的振动的方法700、800以及仪表电子装置20。如在前文中解释到，方法700、800和仪表电子装置20可以提供基于所确定的相位误差的驱动增益。驱动增益因此在误差大时为大并且在误差小时为小。驱动增益因此使驱动信号更加快速地逼近第一和第二非谐振频率ω1、ω2。相应地，可以更加快地测量所测量的材料的粘度和密度。此外，因为驱动增益在误差小时为小，所以在驱动信号处于第一和第二非谐振频率ω1、ω2时，驱动信号可以是稳定的。
以上实施例的详细描述不是发明人设想到处于本说明书的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以各种方式组合或消除以创建另外的实施例，并且这种另外的实施例落入本说明书的范围和教导内。对于本领域普通技术人员还将明显的是，以上描述的实施例可以整体地或者部分地组合以便创建本说明书的范围和教导内的附加实施例。
因而，尽管在本文中出于说明性目的而描述了具体实施例，但是各种等同修改在本说明书的范围内是可能的，如相关领域中的技术人员将认识到。本文提供的教导可以应用到用于基于相位误差来控制振动传感器的振动的其它方法和装置，而不仅仅是在上文中描述并且在附图中示出的实施例。相应地，以上描述的实施例的范围应当从以下权利要求来确定。

Claims (20)

1.一种基于相位误差而控制振动元件的振动的方法，所述方法包括：
利用驱动信号使振动元件振动；
从振动元件接收振动信号；
测量驱动信号与振动信号之间的相位差异；
确定目标相位差异与测量的相位差异之间的相位误差的幅度；以及
利用所确定的相位误差的幅度来计算用于生成命令频率的一个或多个振动控制项，其中由一个或多个振动控制项生成的命令频率与相位误差的幅度线性相关。
2.权利要求1所述的方法，其中所述一个或多个振动控制项是比例积分控制回路中的项。
3.权利要求1或2中的一项所述的方法，其中确定相位误差的步骤包括基于以下等式计算相位误差：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
。
4.权利要求1或2所述的方法，其中所述一个或多个振动控制项是用于接收所确定的相位误差的比例积分控制回路的比例增益项。
5.权利要求4所述的方法，其中比例增益项基于以下等式计算：
比例增益=所确定的相位误差× Kp；
其中Kp是比例增益常数。
6.权利要求1或2所述的方法，其中振动控制项是用于接收所确定的相位误差的控制回路的积分项。
7.权利要求6所述的方法，其中积分项基于以下等式计算：
积分项=积分项+所确定的相位误差× Ki；
其中Ki是积分项常数。
8.权利要求1或2所述的方法，还包括基于所确定的相位误差而生成命令频率以及将命令频率提供给信号生成器，所述信号生成器被配置为生成驱动信号，所述驱动信号使振动元件以命令频率振动。
9.权利要求8所述的方法，其中使用积分项和比例增益项来生成命令频率。
10.权利要求9所述的方法，其中通过基于以下等式将积分项和比例增益项相加而使用积分项和比例增益项来生成命令频率：
命令频率=积分项+比例增益项。
11.一种用于控制振动元件（104）的振动的仪表电子装置（20），所述仪表电子装置（20）包括：
耦合到振动元件（104）的驱动器电路（138），所述驱动器电路（138）被配置为向振动元件（104）提供驱动信号；以及
耦合到振动元件（104）的接收器电路（134），所述接收器电路（134）被配置为从振动元件（104）接收振动信号；
其中仪表电子装置（20）被配置为：
测量驱动信号与振动信号之间的相位差异；
确定目标相位差异与测量的相位差异之间的相位误差的幅度；以及
利用所确定的相位误差的幅度来计算用于生成命令频率的一个或多个振动控制项，其中由一个或多个振动控制项生成的命令频率与相位误差的幅度线性相关。
12.权利要求11所述的仪表电子装置（20），其中所述一个或多个振动控制项是比例积分控制回路中的项。
13.权利要求11或12中的一项所述的仪表电子装置（20），其中所述仪表电子装置（20）被配置为确定相位误差包括所述仪表电子装置（20）被配置为基于以下等式计算相位误差：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
。
14.权利要求11或12所述的仪表电子装置（20），其中所述一个或多个振动控制项是用于接收所确定的相位误差的比例积分控制回路的比例增益项。
15.权利要求14所述的仪表电子装置（20），其中比例增益项基于以下等式计算：
比例增益=所确定的相位误差× Kp；
其中Kp是比例增益常数。
16.权利要求11或12所述的仪表电子装置（20），其中振动控制项是用于接收所确定的相位误差的控制回路的积分项。
17.权利要求16所述的仪表电子装置（20），其中积分项基于以下等式计算：
积分项=积分项+所确定的相位误差× Ki；
其中Ki是积分项常数。
18.权利要求11或12所述的仪表电子装置（20），其中仪表电子装置（20）进一步被配置为基于所确定的相位误差而生成命令频率（ωc）以及将命令频率（ωc）提供给信号生成器（147c），所述信号生成器（147c）被配置为生成驱动信号，所述驱动信号使振动元件（104）以命令频率（ωc）振动。
19.权利要求18所述的仪表电子装置（20），其中使用积分项和比例增益项来生成命令频率（ωc）。
20.权利要求19所述的仪表电子装置（20），其中通过基于以下等式将积分项和比例增益项相加而使用积分项和比例增益项来生成命令频率（ωc）：
命令频率=积分项+比例增益项。
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