振动传感器和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及振动传感器和方法。
【背景技术】
[0002]诸如振动密度计和振动粘度计的振动传感器典型地通过检测在存在将被测量的流体材料的情况下振动的振动元件的运动来操作。能够通过处理从与振动元件相关联的运动换能器接收的测量信号来确定诸如密度、粘度、温度等的与流体材料相关联的属性。振动元件系统的振动模式通常受振动元件和流体材料的组合的质量、硬度和阻尼特性影响。
[0003]图1示出现有技术振动传感器，其中拾取传感器产生对应于感测的振动的电子振动信号。振动信号在本质上将是大体正弦的。振动信号在测量或表征振动信号的信号处理器中被接收。在一些实施例中信号处理器可以包括编码器-解码器(即编解码器)。信号处理器确定振动信号的频率和振幅两者。振动信号的频率和振幅能够被进一步处理以确定相关联的流体的密度，或能够被处理以确定附加或其他流体特性。
[0004]此外，信号处理器可以为驱动器产生驱动信号。信号处理器可以处理振动信号以创建驱动信号。驱动信号可以具有预定的驱动振幅，其中所述预定的驱动振幅可以是固定的或变化的。驱动信号可以具有基于接收的振动信号的频率和振幅的驱动频率。驱动频率可以包括在将要被表征的流体中振动的振动传感器的谐振频率，其中通过调整驱动频率直到接收的振动信号的振幅大体处于最大值来确定所述谐振频率。
[0005]然而，信号处理器可能具有有限的动态范围并且可能不能够准确地和可靠地测量具有相对小的振幅的输入信号的频率。振动信号具有明显大于典型立体编解码器的可用动态范围的动态振幅范围。在叉形密度计量器的情况下，在最小拾取振幅到最大拾取振幅之间的动态范围可以大于10000，而典型的立体编解码器可以具有大约100的可用动态范围以便在系统的频率准确性要求的情况下维持稳定的闭环驱动。
[0006]现有技术振动传感器可以包含在拾取传感器和信号处理器之间的增益级。可以选择由增益级实施的增益以便振动信号被放大以大体匹配信号处理器的动态范围。然后可以更容易地和准确地测量振动信号的频率。
[0007]图1中的现有技术振动传感器具有缺点。由增益级进行的振动信号的放大可以提高信号处理器将振动信号匹配到信号处理器的输入并且量化振动信号频率的能力，但是遗憾的是这消极地影响信号处理器量化振动信号振幅的能力。
[0008]图2示出现有技术振动传感器，其中增益级包括多个增益元件K1-Kn，其中开关S1-^选择用于放大振动信号的增益元件。这个现有技术电路允许以多于单个增益因子放大振动信号。
[0009]然而切换增益的过程具有缺点。一个问题是必须在初始的操作期间(以及在缓动操作期间)动态地扫描增益以确保系统始终保持稳定。另一个问题是从一个增益到下一个增益切换的动作创建振幅和频率两者的测量中的非线性，这能够导致由现有技术振动传感器产生的流体测量中的误差。又一个问题是每个增益级具有与拾取器不同的相位关系，这必须被补偿。为了维持这个相位关系，必须针对每个可用的增益级计算单独的补偿数字以确保传感器总是在预测的测量点上操作，因为从一个增益到另一个增益的同相线性化的任何误差将导致测量误差的另一个源。
【发明内容】
[0010]在本发明的一个方面中，振动传感器包括:
振动元件，被配置为产生振动信号；以及
计量器电子器件，被耦合到所述振动元件并且接收所述振动信号，其中所述计量器电子器件包括:
增益级，被耦合到所述振动元件并且接收所述振动信号，其中所述增益级以预定增益放大所述振动信号以产生饱和的振动信号；和
信号处理器，被耦合到所述增益级，其中所述信号处理器的第一输入接收所述饱和的振动信号并且从所述饱和的振动信号确定振动信号频率，并且其中所述信号处理器的第二输入接收所述振动信号并且从所述振动信号确定振动信号振幅。
[0011 ] 优选地，所述饱和的振动信号包括大体方波振动信号。
[0012]优选地，所述信号处理器的第二输入被直接耦合到所述振动元件并且从所述振动元件接收所述振动信号。
[0013]优选地，所述信号处理器的第二输入被耦合到所述增益级并且经所述增益级接收所述振动信号。
[0014]优选地，所述信号处理器的第二输入被耦合到缓冲器并且从所述缓冲器接收所述振动信号，其中所述缓冲器被耦合到所述振动元件。
[0015]优选地，所述信号处理器的第二输入被耦合到缓冲器并且从所述缓冲器接收所述振动信号，其中所述缓冲器被耦合到所述振动元件并且其中所述缓冲器提供小于用于产生所述饱和的振动信号的预定增益的预定第二增益。
[0016]优选地，所述信号处理器被耦合到接口电路，其中所述信号处理器将振动信号振幅和振动信号频率提供给所述接口电路用于传输到外部装置。
[0017]优选地，所述信号处理器被耦合到驱动电路，其中所述信号处理器将振动信号振幅和振动信号频率提供给所述驱动电路，其中所述驱动电路使用振动信号振幅和振动信号频率产生驱动信号。
[0018]优选地，所述振动传感器包括振动尖端(t ine )传感器并且所述振动元件包括音叉结构。
[0019]在本发明的一个方面中，操作振动传感器的方法包括:
使用所述振动传感器的振动元件产生振动信号；
从所述振动信号确定振动信号振幅；
以预定的增益放大所述振动信号并且产生饱和的振动信号；以及从所述饱和的振动信号确定振动信号频率。
[0020]优选地，所述饱和的振动信号包括大体方波振动信号。
[0021]优选地，所述方法进一步包括提供振动信号振幅和振动信号频率用于传输到外部
目.ο
[0022]优选地，所述方法进一步包括使用振动信号振幅和振动信号频率产生驱动信号。
[0023]优选地，所述振动传感器包括振动尖端传感器并且其中所述振动元件包括音叉结构。
【附图说明】
[0024]在所有附图上相同的参考数字代表相同的元件。附图未必成比例。
[0025]图1示出现有技术振动传感器，其中拾取传感器产生对应于感测的振动的电子振动信号。
[0026]图2示出现有技术振动传感器，其中增益级包括多个增益元件，其中开关选择用于放大振动信号的增益元件。
[0027]图3示出根据本发明的振动传感器。
[0028]图4示出根据本发明的实施例的振动传感器。
[0029]图5是其中振幅是比较小(在+A和-A之间变化)的示例中的振动信号的曲线图。
[0030]图6是饱和的振动信号的曲线图，其中所述饱和的振动信号在图5中的振动信号上被极大地放大。
[0031]图7示出根据本发明的另一个实施例的振动传感器。
[0032]图8示出根据本发明的另一个实施例的振动传感器。
【具体实施方式】
[0033]图3-8和下面的描述描绘特定的示例以教导本领域技术人员如何制造和使用本发明的最佳模式。出于教导发明的原理的目的，简化或省略了一些常规的方面。本领域技术人员将领会到落入本发明的范围之内的与这些示例的变化。本领域技术人员将领会到以下描述的特征能够以各种方式被组合以形成本发明的多个变化。结果，本发明不受限于以下描述的特定的示例，而仅由权利要求和它们的等同物限制。
[0034]图3示出根据本发明的振动传感器5。振动传感器5可以包括振动元件104和计量器电子器件20，其中振动元件104通过一个或多个引线100被耦合到计量器电子器件20。在一些实施例中，振动传感器5可以包括振动尖端传感器或叉形密度传感器(参见图4和7-8以及所附的讨论)。然而其他振动传感器被设想并且在本描述和权利要求的范围之内。
[0035]振动传感器5可以至少部分地浸入到将被表征的流体中。例如，振动传感器5可以被安装在导管或管道中。振动传感器5可以被安装在用于