CN107110824A - 确定振动元件的振动响应参数 - Google Patents

Abstract

提供了一种确定振动元件（104）的振动响应参数的方法（900、1000）。方法（900、1000）包括用第一驱动信号以第一频率对振动元件（104）进行振动，从以第一频率振动的振动元件（104）接收第一振动信号，测量第一相位差，该第一相位差是第一驱动信号和第一振动信号之间的相位差。方法（900、1000）还包括用第二驱动信号以第二频率对振动元件（104）进行振动，从以第二频率振动的振动元件（104）接收第二振动信号，测量第二相位差，该第二相位差是第二驱动信号和第二振动信号之间的相位差。方法（900、1000）还包括使用第一相位差和第二相位差来确定振动元件（104）的相位差和频率中的至少一个。

Description

确定振动元件的振动响应参数

技术领域

下面描述的实施例涉及振动传感器，并且更具体地涉及确定振动传感器中的振动元件的振动响应参数。

背景技术

诸如振动密度计和振动粘度计之类的振动传感器通过检测在存在将被表征的流体的情况下振动的振动元件的运动而操作。振动元件具有振动响应，所述振动响应可以具有诸如谐振频率或品质因数Q之类的振动响应参数。振动元件的振动响应通常受到与流体相结合的振动元件的组合质量、刚度和阻尼特性的影响。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属性（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示出了现有技术的振动传感器，其包括振动元件和与振动元件耦合的计量电子装置。现有技术的振动传感器包括用于对振动元件进行振动的驱动器以及响应于振动创建振动信号的敏感元件（pickoff）。振动信号通常是连续时间或模拟信号。计量电子装置接收振动信号，并处理振动信号以生成一个或多个流体特性或流体测量。计量电子装置确定振动信号的频率和振幅两者。振动信号的频率和振幅可以被进一步处理以确定流体的密度。

现有技术的振动传感器使用闭环电路为驱动器提供驱动信号。驱动信号通常基于接收的振动信号。现有技术的闭环电路修改或并入振动信号或振动信号的参数至驱动信号中。例如，驱动信号可以是接收的振动信号的放大的、调制的或以其它方式修改的版本。接收的振动信号因此可以包括使得闭环电路能够实现目标频率的反馈。使用该反馈，闭环电路递增地改变驱动频率，并且监视振动信号直到达到目标频率为止。

可以根据驱动信号和振动信号之间的相位差是135°和45°情况下的频率来确定诸如流体的粘度和密度之类的流体属性。表示为第一非谐振（off-resonant）相位差φ1和第二非谐振相位差φ2的这些理想的相位差能够对应于半功率或3dB频率。将第一非谐振频率ω1定义为第一非谐振相位差φ1为135°情况的频率。将第二非谐振频率ω2定义为第二非谐振相位差φ2为45°情况下的频率。在第二非谐振频率ω2处进行的密度测量可以独立于流体粘度。因此，在第二非谐振相位差φ2是45°的情况下进行的密度测量可以比在其它相位差处进行的密度测量更准确。

在测量之前，第一和第二非谐振相位差φ1、φ2通常不是已知的。因此，使用如前述中描述的反馈，闭环电路必须递增地接近第一和第二非谐振相位差φ1、φ2。与闭环电路相关联的递增接近可引起在确定振动响应参数中的延迟，并且因此引起在确定流体的粘度、密度或其他属性中的延迟。在确定此类测量中的延迟在振动传感器的许多应用中可能是过分地（prohibitively）昂贵的。

因此，存在对确定振动元件的振动响应参数的需要。还存在对以期望地快速和准确的方式确定振动响应参数的需要。

发明内容

提供了一种确定振动元件的振动响应参数的方法。根据实施例，该方法包括用第一驱动信号以第一频率对振动元件进行振动，从以第一频率振动的振动元件接收第一振动信号，测量第一相位差，该第一相位差为第一驱动信号和第一振动信号之间的相位差。该方法还包括用第二驱动信号以第二频率对振动元件进行振动，从以第二频率振动的振动元件接收第二振动信号，测量第二相位差，该第二相位差是第二驱动信号和第二振动信号之间的相位差，并且使用第一相位差和第二相位差来确定振动元件的频率和相位差中的至少一个。

提供了一种用于确定振动元件的振动响应参数的振动传感器。根据实施例，振动计包括振动元件，其被配置成：用第一驱动信号以第一频率振动，用第二驱动信号以第二频率振动。根据实施例，振动传感器还包括计量电子装置，其通信地耦合到振动元件并且被配置成：接收第一驱动信号，从以第一频率振动的振动元件接收第一振动信号，并且从以第二频率振动的振动元件接收第二振动信号。根据实施例，计量电子装置还被配置成测量第一相位差，该第一相位差是第一驱动信号和第一振动信号之间的相位差，测量第二相位差，该第二相位差是第二驱动信号和第二振动信号之间的相位差，并且使用第一相位差和第二相位差来确定振动元件的相位差和频率中的至少一个。

各方面

根据一个方面，一种确定振动元件（104）的振动响应参数的方法（900、1000）包括：用第一驱动信号以第一频率对振动元件（104）进行振动，从以所述第一频率振动的所述振动元件（104）接收第一振动信号，测量第一相位差，所述第一相位差是所述第一驱动信号和所述第一振动信号之间的相位差。方法（900、1000）还包括用第二驱动信号以第二频率对所述振动元件（104）进行振动，从以所述第二频率振动的所述振动元件（104）接收第二振动信号，测量第二相位差，所述第二相位差是所述第二驱动信号和所述第二振动信号之间的相位差。方法（900、1000）还包括使用所述第一相位差和所述第二相位差来确定所述振动元件（104）的相位差和频率中的至少一个。

优选地，所确定的所述振动元件（104）的相位差和频率中的至少一个是根据所述第一相位差和所述第二相位差计算的基本线性近似（approximation）。

优选地，所确定的所述振动元件（104）的至少一个频率是所述振动元件（104）的谐振频率ω0、第一非谐振频率ω1、和第二非谐振频率ω2中的一个。

优选地，所确定的至少一个相位差是谐振相位差φ0、第一非谐振相位差φ1和第二非谐振相位差φ2之一。

优选地，方法（900、1000）还包括使用所述第一相位差和所述第二相位差来计算振动元件（104）的Q值的线性近似。

优选地，由线性内插和线性外推之一来确定所述振动元件（104）的相位差和频率中的至少一个的确定。

优选地，使用所确定的振动元件（104）的相位差和频率中的至少一个来计算由振动元件（104）测量的流体的粘度和密度中的至少一个。

优选地，方法（900、1000）还包括确定第一测量相位差和第二测量相位差是否在振动元件（104）的相位响应的线性区域内。

根据一个方面，一种用于确定振动元件（104）的振动响应参数的振动传感器（5）包括振动元件（104），其被配置成用第一驱动信号以第一频率被振动，用第二驱动信号以第二频率被振动。振动传感器（5）还包括计量电子装置（20），其通信地耦合到振动元件（104）并被配置成：接收所述第一驱动信号，从以所述第一频率振动的振动元件（104）接收第一振动信号，并从以所述第二频率振动的振动元件（104）接收第二振动信号。计量电子装置（20）还被配置成测量第一相位差，所述第一相位差是所述第一驱动信号和所述第一振动信号之间的相位差，测量第二相位差，所述第二相位差是所述第二驱动信号和所述第二振动信号之间的相位差，并且使用所述第一相位差和所述第二相位差来确定所述振动元件（104）的相位差和频率中的至少一个。

优选地，所确定的所述振动元件（104）的相位差和频率中的至少一个是根据所述第一相位差和所述第二相位差计算的基本线性近似。

优选地，所确定的所述振动元件（104）的至少一个频率是所述振动元件（104）的谐振频率ω0、第一非谐振频率ω1、和第二非谐振频率ω2中的一个。

优选地，所确定的至少一个相位差是谐振相位差φ0、第一非谐振相位差φ1和第二非谐振相位差φ2中的一个。

优选地，计量电子装置（20）还被配置成使用所述第一相位差和所述第二相位差来计算所述振动元件（104）的Q值的线性近似。

优选地，所述计量电子装置（20）被配置成使用线性内插和线性外推之一来确定所述振动元件（104）的相位差和频率中的至少一个。

优选地，所述计量电子装置（20）还被配置成使用振动元件（104）的相位差和频率中的至少一个来计算由所述振动元件测量的流体的粘度和密度中的至少一个。

优选地，计量电子装置（20）还被配置成确定所述第一测量相位差和所述第二测量相位差是否在振动元件（104）的相位响应的线性区域内。

附图说明

在所有附图上，相同的参考数字表示相同的元件。应该理解的是附图不一定是按比例的。

图1示出了现有技术的振动传感器，其包括振动元件和与振动元件耦合的计量电子装置。

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示出了图示出振动元件的振动响应的频率响应曲线图500。

图6示出了图示出振动元件的振动响应的相位响应曲线图600。

图7示出了低粘度相位响应曲线图700，其是图6中示出的相位响应曲线图600的放大图。

图8示出了高粘度相位响应曲线图800，其是图6中示出的相位响应曲线图600的放大图。

图9示出了根据实施例的确定振动响应参数的方法900。

图10示出了根据实施例的确定振动响应参数的方法1000。

具体实施方式

图2-10以及下面的描述描绘了特定示例以教导本领域技术人员如何实现并使用确定振动元件的振动响应参数的实施例的最佳模式。为了教导发明原理的目的，已经简化或省略了一些传统方面。本领域技术人员将认识到落入本描述的范围内的来自这些示例的变型。本领域技术人员将认识到，下面描述的特征可以以各种方式组合以形成确定振动元件的振动响应参数的多个变型。因此，下面描述的实施例不被限制到下面描述的特定示例，而是仅通过权利要求及其等价物。

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和计量电子装置20，其中振动元件104通过一个或多个导线100耦合到计量电子装置20。在一些实施例中，振动传感器5可以包括振动齿传感器（vibratory tine sensor）或叉密度传感器（参见图3和随附的讨论）。然而，其它振动传感器被考虑并且在说明书和权利要求的范围内。

可以至少部分地将振动传感器5浸入到将被表征的流体中。流体可以包括液体或气体。替代地，流体可以包括多相流体，诸如包括夹带气体、夹带固体的液体、多个液体或其组合。一些示例性流体包括水泥浆、石油产品等。可以将振动传感器5安装在管或导管、罐（tank）、容器或其它流体容器中。还可以将振动传感器5安装在歧管或用于指引流体流的类似结构中。然而，其它安装装置被考虑且在说明书和权利要求的范围内。

振动传感器5操作以提供流体测量。振动传感器5可以为流体提供包括流体密度和流体粘度中的一个或多个的流体测量，包括流动或不流动流体。振动传感器5可以提供流体测量，包括流体质量流速率、流体体积流速率、和/或流体温度。此列表不是详尽的，且振动传感器5可以测量或确定其它流体特性。

计量电子装置20可以经由一个或多个导线100向振动元件104提供电功率。计量电子装置20经由一个或多个导线100控制振动元件104的操作。例如，计量电子装置20可以生成驱动信号，并将生成的驱动信号提供到振动元件104，其中振动元件104使用所生成的驱动信号来在一个或多个振动部件中生成振动。所生成的驱动信号可以控制振动元件104的振动振幅和频率。所生成的驱动信号还可以控制振动持续时间和/或振动计时。

计量电子装置20还可以经由一个或多个导线100接收来自振动元件104的一个或多个振动信号。例如，计量电子装置20可以处理所述一个或多个振动信号，以生成密度测量。计量电子装置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。此外或另外，计量电子装置20处理一个或多个振动信号以确定流体的其它特性，诸如粘度或信号之间的相位差，其可以被处理以确定例如流体流速率。如可以认识到的，通常以空间单位（例如度或弧度）来测量或表达相位差，但是可以采用诸如基于时间的单位之类的任何合适的单位。如果采用基于时间的单位，则相位差可以被本领域技术人员称为振动信号与驱动信号之间的时间延迟。其它振动响应特性和/或流体测量被考虑，并且在说明书和权利要求的范围内。

计量电子装置20还可以被耦合到通信链路26。计量电子装置20可以通过通信链路26传达振动信号。计量电子装置20还可以处理接收的振动信号以生成一个或多个测量值，并可以通过通信链路26传达所述一个或多个测量值。另外，计量电子装置20可以通过通信链路26接收信息。例如，计量电子装置20可以通过通信链路26接收命令、更新、操作值或操作值变化、和/或编程更新或变化。

图3示出了根据实施例的振动传感器5。在所示的实施例中，计量电子装置20通过轴（shaft）115耦合到振动元件104。轴115可以具有任何期望的长度。轴115可以是至少部分地中空的。导线或其它导体可以在计量电子装置20和振动元件104之间延伸通过轴115。计量电子装置20包括电路部件，诸如接收器电路134、接口电路136以及驱动器电路138。在所示的实施例中，接收器电路134和驱动器电路138直接耦合到振动元件104的导线。替代地，计量电子装置20可以包括从振动元件104分开的部件或设备，其中接收器电路134和驱动器电路138经由一个或多个导线100耦合到振动元件104。

在所示的实施例中，振动传感器5的振动元件104包括音叉结构，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包括外壳105，其可以被附加到另一结构，诸如管、导管、罐、容器、歧管或任何其它流体处理结构。外壳105保持振动元件104，而振动元件104保持至少部分暴露。振动元件104因此被配置成浸入在流体中。

在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包括细长的元件，其可以具有任何期望的截面形状。第一和第二齿112和114可以本质上至少部分为柔性或弹性的。振动传感器5还包括对应的第一和第二压电元件122和124，其包括压电晶体元件。第一和第二压电元件122和124分别邻近于第一和第二齿112和114定位。第一和第二压电元件122和124被配置成接触第一和第二齿112和114并机械地与其交互。

第一压电元件122与第一齿112的至少一部分接触。第一压电元件122还电耦合到驱动器电路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张并收缩。因此，第一压电元件122可以交替地变形，并在振动运动中（参见短划线）使第一齿112从一侧到另一侧移位，以周期的往复的方式扰动流体。

第二压电元件124被示为耦合到接收器电路134，其产生对应于流体中的第二齿114的变形的振动信号。第二齿114的移动引起第二压电元件124生成对应的电振动信号。第二压电元件124将振动信号发射到计量电子装置20。计量电子装置20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传达一个或多个振动测量信号并可以将确定的流体特性传达到一个或多个外部设备。计量电子装置20可以经由接口电路136发射振动信号特性，诸如振动信号的振动信号频率和振动信号振幅。计量电子装置20可以经由接口电路136发射流体测量，除其它事物之外，诸如流体的密度和/或粘度。其它流体测量被考虑并且在说明书和权利要求的范围内。另外，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。驱动器电路138可以使用开环驱动来生成驱动信号，并将所生成的驱动信号供应到振动元件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目标相位差φ_t，其以初始频率ω_i开始。开环驱动可以不基于来自振动信号的反馈进行操作，如将在下面参考图4更详细地描述的。

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，未示出接收器电路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，其与开环驱动147耦合。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包括模数转换器147a，其耦合到相位检测器147b。相位检测器147b耦合到信号发生器147c。还示出振动元件104，其包括第一压电元件122和第二压电元件124。开环驱动147可以用数字信号处理器实现，所述数字信号处理器被配置成执行对信号采样、处理和进行生成的一个或多个代码或程序。另外或替代地，开环驱动147可以用与数字信号处理器等耦合的电子电路来实现。

由第一压电元件122提供的振动信号被发送到模拟输入滤波器138a。在振动信号被模数转换器147a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，其具有大约是开环驱动147的采样率的一半的截止频率，然而可以采用任何适当的低通滤波器。可以通过无源部件提供低通滤波器，诸如电感器、电容器和电阻器，然而可以采用任何适当的部件（分布式或分立式），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，以形成采样的振动信号。模数转换器147a还可以对通过第二通道（未示出）的所生成的驱动信号进行采样。采样可以通过任何合适的采样方法。如可以认识到的，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到相位检测器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可以是处理器，其被配置成执行对信号采样、处理和进行生成的一个或多个代码或程序，以检测两个信号之间的相位差，如将在下面参考图5更详细地被描述的。仍然参考图4的实施例，所述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相位差φ_m。

将测量相位差φ_m与目标相位差φ_t进行比较。目标相位差φ_t是振动信号和所生成的驱动信号之间的期望相位差。例如，在其中目标相位差φ_t大约为45°的实施例中，如果测量相位差φ_m也相同为或者大约45°，则测量相位差φ_m与目标相位差φ_t之间的差可以为零。然而，在替代实施例中，可以采用任何适合的目标相位差φ_t。通过使用测量相位差φ_m与目标相位差φ_t之间的比较，相位检测器147b可以生成命令频率ω_c。

可以采用命令频率ω_c来生成驱动信号。另外或替代地，可以采用不是根据测量相位差φ_m与目标相位差φ_t之间的比较所确定的初始频率。初始频率ω_i可以是预先选择的频率，其用来形成初始的所生成的驱动信号。初始的所生成的驱动信号可以如前述中描述的那样被采样，并将其与采样的振动信号进行比较。采样的初始的所生成的驱动信号和采样的振动信号之间的比较可以用来生成命令频率ω_c。命令频率ω_c和初始频率ω_i可以具有每秒弧度的单位，然而可以采用任何适当的单位，诸如例如赫兹（Hz）。可以将命令频率ω_c或初始频率ω_i提供到信号发生器147c。

信号发生器147c可以从相位检测器147b接收命令频率ω_c，并为所生成的驱动信号提供与命令频率ω_c相同的频率。如前述中所讨论的那样，可以将所生成的驱动信号发送到模数转换器147a。还经由模拟输出滤波器138b将所生成的驱动信号发送到第一压电元件122。另外或替代地，在其它实施例中，可以将所生成的驱动信号发送到其它部件。

如前述中所讨论的，振动元件104具有由于驱动信号引起的振动响应。振动响应具有振动响应参数，诸如谐振频率ω0，品质因数Q等，其可以被用来计算被测量流体的各种属性。下面更详细地讨论振动响应和示例性振动响应参数以及如何可以使用振动响应参数来计算流体的属性。

图5示出了图示出振动元件的振动响应的频率响应曲线图500。振动元件可以是前述中参考图2-4所描述的示例性振动元件104。频率响应曲线图500包括频率轴510和幅度轴520。频率轴510被示出为以Hz为单位，但是可以采用任何合适的频率单位，诸如例如每秒弧度。幅度轴520被示出为具有分贝（dB）标度（scale）。幅度轴520可以根据任何适当的单位（诸如例如伏特或安培）来确定。

频率响应曲线图500还包括频率响应曲线（plot）530。频率响应曲线530可以表示在前述中描述的振动元件104的振动响应，但是在替代实施例中可以采用任何合适的振动元件。如图5中所示，频率响应曲线530包括针对具有不同振动阻尼属性的流体的各个频率响应曲线。例如，由于振动元件104被浸入在粘稠且稠密的流体中，在谐振频率处具有最低幅度的曲线可能是最平坦的。由于振动元件被浸入在相对于与频率响应曲线530中的其它曲线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曲线可能是最不平坦的。如可以认识到的那样，频率响应曲线530中的每个具有不同的相关联的振动响应参数。

例如，在图5中示出的实施例中，频率响应曲线530中的每个具有三个标记，其指示作为振动响应的振动响应参数的第一非谐振频率ω1，第二非谐振频率ω2和谐振频率ω0。第一非谐振频率ω1由圆圈标记532指示。第二非谐振频率ω1由垂直点（tic）标记536指示。谐振频率ω0由菱形标记534指示。如可以通过参考菱形标记534认识到的那样，针对频率响应曲线530中的每个，谐振频率ω0基本相同。

在一些实施例中，可以根据第一非谐振频率ω1和第二非谐振频率ω2确定谐振频率ω0。例如，可以根据第一非谐振频率ω1和第二非谐振频率ω2的平均来确定谐振频率ω0：

。

然而，在替代实施例中，可以以其他方式确定谐振频率ω0，诸如在扫描频率范围的同时测量在峰值幅度处的频率。

可以根据第一非谐振频率ω1、第二非谐振频率ω2和谐振频率ω0来确定品质因数Q。例如，可以根据下面来确定品质因数Q：

。

如可以认识到的那样，针对每个曲线的品质因数Q是不同的。由于诸如例如与频率响应曲线530中的每个相关联的流体具有不同的粘度或密度之类的各种原因，针对频率响应曲线530中的每个，品质因数Q可以是不同的。

前述内容示出了当测量第一非谐振频率ω1和第二非谐振频率ω2时可以如何确定振动响应参数。然而，如下面将说明的，振动响应参数也可以通过测量驱动信号和振动信号之间的相位差来确定。另外，还可以通过使用不是第一或第二非谐振频率ω1、ω2的频率来确定振动响应参数。

图6示出了图示出振动元件的振动响应的相位响应曲线图600。振动元件可以是前述中参考图2-4所描述的振动元件。相位响应曲线图600包括作为相位响应曲线图600的横坐标的频率轴610。相位响应曲线图600还包括作为相位响应曲线图600的纵坐标的相位差轴620。相位响应曲线图600还包括低粘度相位响应曲线630和高粘度相位响应曲线640。

如可以认识到的那样，低粘度和高粘度相位响应曲线630、640的相当大的部分是线性的。例如，低粘度相位响应曲线630几乎是垂直的，具有从大约1610 Hz到大约1613 Hz的基本恒定的斜率。在高粘度相位响应曲线640中，在约1455 Hz和1610 Hz的振动响应频率之间，相位差的值以相对恒定的斜率增加。如还可以认识到的那样，低粘度和高粘度相位响应曲线630、640的线性部分在第一非谐振频率ω1（在135°相位差处示为大约1612.55 Hz）和第二非谐振频率ω2（在45°相位差处示为大约1610.65）之间延伸。低粘度和高粘度相位响应曲线630、640中的线性度可以被用来确定第一非谐振频率ω1和第二非谐振频率ω2之间的频率或相位差，如将在下面参照图7和图8更详细地解释的那样。

图7示出了低粘度相位响应曲线图700，其是图6中示出的相位响应曲线图600的放大图。由于被放大，低粘度相位响应曲线图700包括从1610.50变动到1613.00的频率轴710。同样由于被放大，低粘度相位响应曲线图700包括从45.00度变动到135.00度的相位差轴720。低粘度相位响应曲线图700还包括前述中描述的低粘度相位响应曲线630的基本上线性的部分。在图7中还示出的是低粘度相位响应曲线630的示例性低粘度线性化632。

低粘度线性化632相对接近于低粘度相位响应曲线630。例如，低粘度线性化632上的至少两个点与低粘度相位响应曲线630共享。低粘度线性化632也沿着低粘度相位响应曲线630的整个长度而相对接近于低粘度相位响应曲线630。为了说明具有不同粘度的流体的相位响应曲线可以被线性化，我们现在转向高粘度相位响应曲线640的放大图。

图8示出了高粘度相位响应曲线图800，其是图6中所示的相位响应曲线图600的放大图。由于被放大，高粘度相位响应曲线图800包括从1440.00变动至1620.00的频率轴810。同样由于被放大，高粘度相位响应曲线图800包括从45.00度变动到135.00度的相位差轴820。高粘度相位响应曲线图800还包括前述中所描述的高粘度相位响应曲线640的基本上线性的部分。在图8中还示出的是高粘度相位响应曲线640的示例性高粘度线性化642。

高粘度线性化642相对接近于高粘度相位响应曲线640。例如，高粘度线性化642上的至少两个点与高粘度相位响应曲线640共享。高粘度线性化642也沿着高粘度相位响应曲线640的整个长度而相对接近于高粘度相位响应曲线640。

在其中采用线性化来确定振动元件的振动响应参数的实施例中，可以采用在相位响应曲线630、640中的每个上的两个或更多点来确定频率或相位差。例如，前述中所描述的线性化632、642可用于计算第一非谐振频率ω1和第二非谐振频率ω2。类似地，线性化632、642可以用于计算第一非谐振相位差φ1和第二非谐振相位差φ2。下面参考图9和图10来更详细地描述使用非谐振频率和相位差ω1、ω2、φ1、φ2来确定振动响应的示例性方法。

图9示出了根据实施例的确定振动响应参数的方法900。方法900以在步骤910中用第一驱动信号以第一频率对振动元件进行振动来开始。振动元件可以是参考图2-4在前述中所描述的振动元件104。在步骤920中，方法900用第二驱动信号以第二频率对振动元件进行振动。第二驱动信号可以不同于第一驱动信号。另外或替代地，振动元件可以在相同或不同的时间被第一驱动信号和第二驱动信号振动。例如，可以将包括第一和第二驱动信号的复合驱动信号施加到振动元件以生成第一和第二频率。

在步骤930中，方法900使用第一频率和第二频率来确定第一非谐振频率ω1和第二非谐振频率ω2。例如，前述中所描述的计量电子装置20可以测量第一频率连同第一相位差。计量电子装置20还可以测量第二频率连同第二相位差。计量电子装置20可以确定第一频率和对应的第一相位差以及第二频率和对应的第二相位差是否在振动元件104的相位响应的线性区域内。参考前述中所描述的示例性相位响应曲线630、640，计量电子装置20可以确定第一和第二相位差是否大于45度且小于135度。然后，方法900可以计算第一非谐振频率ω1和第二非谐振频率ω2的线性近似。另外或替代地，还可以计算第一和第二非谐振相位差φ1、φ2，如下面将更详细地解释的那样。

图10示出了根据实施例的确定振动响应参数的方法1000。方法1000以在步骤1010中用第一驱动信号以第一频率对振动元件进行振动开始。振动元件可以是在前述中参考图2-4所描述的振动元件104。在步骤1020中，方法1000用第二驱动信号以第二频率对振动元件进行振动。第二驱动信号可以不同于第一驱动信号。另外或替代地，振动元件可以在相同或不同的时间以第一驱动频率和第二驱动频率振动。例如，驱动信号可以包括第一和第二驱动信号，并被施加到振动元件以生成第一和第二振动信号。

在步骤1030中，方法1000测量第一相位差和第二相位差。例如，第一相位差可以是第一振动信号和第一驱动信号之间的相位差。类似地，第二相位差可以是第二振动信号和第二驱动信号之间的相位差。

在步骤1040中，方法1000可以用第一相位差和第二相位差来确定第一非谐振相位差φ1和第二非谐振相位差φ2。例如，前述中所描述的计量电子装置20可以测量第一相位差连同第一频率。计量电子装置20还可以测量第二相位差连同第二频率。计量电子装置20可以确定第一频率和对应的第一相位差以及第二频率和对应的第二相位差是否在振动元件104的相位响应的线性区域内。参考前述中参照图6-8所描述的示例性相位响应曲线630、640，计量电子装置20可以确定第一和第二相位差是否大于45度且小于135度。然后，方法900可以计算第一非谐振频率ω1和第二非谐振频率ω2的线性近似。

前述内容描述了计算频率或相位差的线性近似，其可以是第一和第二非谐振频率和相位差ω1、ω2、φ1、φ2。可以用各种方法来计算第一和第二非谐振频率和相位差ω1、ω2、φ1、φ2的线性近似。例如，前述中所描述的计量电子装置20可以测量第一和第二频率和相位差。计量电子装置20可以确定第一频率和对应的第一相位差以及第二频率和对应的第二相位差是否在振动元件104的相位响应的线性区域内。例如，参考前述中所描述的示例性相位响应曲线630、640，计量电子装置20可以确定第一和第二相位差是否大于45度且小于135度。然后，方法900、1000可以计算第一非谐振频率和相位差ω1、φ1以及第二非谐振频率和相位差ω2、φ2的线性近似。

可以通过使用外推或内插来计算线性近似。例如，参考前述中描述的线性化632、642，第一和第二频率和相位差，方法900、1000可以假设第一和第二频率和相位差是沿着线性化632、642的两个点。因此，方法900、1000可以将第一和第二频率和相位差外推或内插到第一和第二非谐振相位差φ1、φ2和对应的第一和第二非谐振频率ω1、ω2。尽管前述内容描述了其中相位差大于45度且小于135度的实施例，但是测量的相位差可以小于45度并且大于135度。

另外或替代地，可以采用计算第一和第二非谐振频率和相位差ω1、ω2、φ1、φ2的近似的其他方法，诸如例如拟合高阶多项式、指数曲线等到两个或更多测量的频率和相位差。然而，当与替代的近似进行比较时，线性近似可以是合意地高效的、更快的等等。

可以在期望的时间框架（time frame）内执行测量第一和第二频率和对应的相位差以及计算频率和/或相位差的步骤，其可以是第一和第二非谐振频率和相位差ω1、ω2、φ1、φ2的线性近似。例如，因为可以在没有相位和频率测量的迭代的情况下确定频率和相位差，所以可以在合意地短的时间段内确定振动响应参数。因此，可以在期望的时间框架内计算和提供诸如例如密度和粘度之类的流体属性。

此外，确定所测量的第一和第二相位差是否在诸如小于135度且大于45度的范围内可能是有利的。例如，确定所测量的第一和第二相位差在第一和第二非谐振相位差φ1、φ2之内可以防止包括例如相位响应曲线630、640的非线性区域。因此，确定的第一和第二非谐振频率和相位差ω1、ω2、φ1、φ2可以更准确。

尽管前述内容描述了第一和第二非谐振频率和相位差ω1、ω2、φ1、φ2的非迭代确定，但是可以作为迭代过程的一部分来执行该确定。例如，所确定的第一和第二非谐振频率和相位差ω1、ω2、φ1、φ2可以用作针对提供到在前述中参照图4描述的开环驱动147中的信号发生器147c的命令频率ω_c的估计。因此，驱动信号的频率可以是关于在迭代之前的实际的第一或第二非谐振频率和相位差ω1、ω2、φ1、φ2，从而减少了测量实际的第一和第二非谐振频率ω1、ω2所要求的时间。

上面实施例的详细描述并不是发明人考虑在本说明书范围内的所有实施例的详尽描述。实际上，本领域技术人员将认识到，上述实施例的某些元件可以被不同地组合或消除，以创建更多的实施例，并且此类更多的实施例落入本说明书的范围和教导内。对本领域普通技术人员还将显而易见的是，上述实施例可以整体上或部分地组合以创建在本说明书的范围和教导内的另外的实施例。

因此，尽管本文出于说明性目的来描述了特定实施例，但是如相关领域技术人员将认识到的，各种等同修改在本说明书的范围内是可能的。本文提供的教导可以被应用到用于确定振动元件的振动响应参数的其它方法和装置，并且不仅是上文所述和附图中所示的实施例。因此，应该根据下面的权利要求来确定上面描述的实施例的范围。

Claims (16)

1.一种确定振动元件（104）的振动响应参数的方法（900、1000），所述方法（900、1000）包括：

用第一驱动信号以第一频率对振动元件（104）进行振动；

从以所述第一频率振动的所述振动元件（104）接收第一振动信号；

测量第一相位差，所述第一相位差是所述第一驱动信号和所述第一振动信号之间的相位差；

用第二驱动信号以第二频率振动所述振动元件（104）；

从以所述第二频率振动的所述振动元件（104）接收第二振动信号；

测量第二相位差，所述第二相位差是所述第二驱动信号和所述第二振动信号之间的相位差；和

使用所述第一相位差和所述第二相位差来确定以下各项中的至少一个：

相位差；和

所述振动元件（104）的频率。

2.根据权利要求1所述的方法（900、1000），其中所确定的所述振动元件（104）的频率和相位差中的至少一个是根据所述第一相位差和所述第二相位差计算的基本线性近似。

3.根据权利要求1或权利要求2中的一个所述的方法（900、1000），其中所确定的所述振动元件（104）的至少一个频率是振动元件（104）的谐振频率ω0、第一非谐振频率ω1、和第二非谐振频率ω2中的一个。

4.根据前述权利要求中任何权利要求的一项所述的方法（900、1000），其中所确定的至少一个相位差是谐振相位差φ0、第一非谐振相位差φ1和第二非谐振相位差φ2中的一个。

5.根据前述权利要求中任何权利要求的一项所述的方法（900、1000），还包括：使用所述第一相位差和所述第二相位差来计算所述振动元件（104）的Q值的线性近似。

6.根据前述权利要求中任何权利要求的一项所述的方法（900、1000），其中由线性内插和线性外推之一来确定所述振动元件（104）的相位差和频率中的至少一个的确定。

7.根据前述权利要求中任何权利要求的一项所述的方法（900、1000），其中所确定的所述振动元件（104）的相位差和频率中的至少一个被用来计算由振动元件（104）测量的流体的粘度和密度中的至少一个。

8.根据前述权利要求中任何权利要求的一项所述的方法（900、1000），还包括：确定所述第一测量相位差和所述第二测量相位差是否在所述振动元件（104）的相位响应的线性区域内。

9.一种用于确定振动元件（104）的振动响应参数的振动传感器（5），所述振动传感器（5）包括：

振动元件（104），其被配置成：

用第一驱动信号以第一频率被振动；

用第二驱动信号以第二频率被振动；

计量电子装置（20），其被通信地耦合到所述振动元件（104）并被配置成：

接收所述第一驱动信号；

从以所述第一频率振动的所述振动元件（104）接收第一振动信号；和

从以所述第二频率振动的所述振动元件（104）接收第二振动信号；

测量第一相位差，所述第一相位差是所述第一驱动信号和所述第一振动信号之间的相位差;

测量第二相位差，所述第二相位差是所述第二驱动信号和所述第二振动信号之间的相位差；并且

使用所述第一相位差和所述第二相位差来确定以下各项中的至少一个：

相位差；和

所述振动元件（104）的频率。

10.根据权利要求9所述的振动传感器（5），其中所确定的所述振动元件（104）的相位差和频率中的至少一个是根据所述第一相位差和所述第二相位差计算的基本线性近似。

11.根据权利要求9或权利要求10中的一项所述的振动传感器（5），其中所确定的所述振动元件（104）的至少一个频率是所述振动元件（104）的谐振频率ω0、第一非谐振频率ω1、和第二非谐振频率ω2中的一个。

12.根据前述权利要求9至11中任何权利要求的一项所述的振动传感器（5），其中所确定的至少一个相位差是谐振相位差φ0、第一非谐振相位差φ1、和第二非谐振相位差φ2中的一个。

13.根据前述权利要求9至12中任何权利要求的一项所述的振动传感器（5），其中所述计量电子装置（20）还被配置成使用所述第一相位差和所述第二相位差来计算所述振动元件（104）的Q值的线性近似。

14.根据前述权利要求9至13中任何权利要求的一项所述的振动传感器（5），其中所述计量电子装置（20）被配置成使用线性内插和线性外推之一来确定所述振动元件（104）的相位差和频率中的至少一个。

15.根据前述权利要求9至14中任何权利要求的一项所述的振动传感器（5），其中所述计量电子装置（20）还被配置成使用所述振动元件（104）的相位差和频率中的至少一个来计算由所述振动元件测量的流体的粘度和密度中的至少一个。

16.根据前述权利要求9至15中任何权利要求的一项所述的振动传感器（5），其中所述计量电子装置（20）还被配置成确定所述第一测量相位差和所述第二测量相位差是否在所述振动元件（104）的相位响应的线性区域内。