ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРА КОЛЕБАТЕЛЬНОГО ОТКЛИКА КОЛЕБАТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА
DETERMINATION OF THE VIBRATING ELEMENT VIBRATORY RESPONSE PARAMETER

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Нижеописанные варианты осуществления относятся к вибродатчикам и, в частности, к определению параметра колебательного отклика колебательного элемента в вибродатчике.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Вибродатчики, например, вибрационные денситометры и вибрационные вискозиметры, действуют посредством регистрации движения колебательного элемента, который колеблется в присутствии текучей среды, характеристики которой подлежат измерению. Колебательный элемент имеет колебательный отклик, который может иметь такой параметр колебательного отклика, как резонансная частота или добротность Q. Колебательный отклик колебательного элемента зависит, как правило, от суммарных характеристик массы, жесткости и демпфирования колебательного элемента в сочетании с текучей средой. Свойства, связанные с текучей средой, например, плотность, вязкость, температура и т.п., можно определить обработкой колебательного сигнала или колебательных сигналов, принимаемых из одного или более датчиков перемещения, соединенных с колебательным элементом. Обработка колебательного сигнала может включать в себя определение параметра колебательного отклика.
Фиг. 1
представляет вибродатчик известного уровня техники, содержащий колебательный элемент и измерительную электронную секцию, соединенную с колебательным элементом. Вибродатчик известного уровня техники включает в себя возбудитель для приведения колебательного элемента в колебательное движение и чувствительный элемент, который создает колебательный сигнал в ответ на колебания. Колебательный сигнал обычно является непрерывным или аналоговым сигналом. Измерительная электронная секция принимает колебательный сигнал и обрабатывает колебательный сигнал, чтобы получать одну или более характеристик текучей среды или результатов измерения текучей среды. Измерительная электронная секция определяет как частоту, так и амплитуду колебательного сигнала. Частота и амплитуда колебательного сигнала могут дополнительно обрабатываться для определения плотности текучей среды.
Вибродатчик известного уровня техники обеспечивает сигнал возбуждения для возбудителя с использованием замкнутой схемы. Сигнал возбуждения обычно основан на принятом колебательном сигнале. Замкнутая схема известного уровня техники обычно модифицирует или включает колебательный сигнал или параметры колебательного сигнала в сигнал возбуждения. Например, сигнал возбуждения может быть усиленным, модулированным или иначе модифицированным вариантом принятого колебательного сигнала. Поэтому принятый колебательный сигнал может содержать обратную связь, которая позволяет замкнутой схеме обеспечивать целевую частоту. При использовании обратной связи, замкнутая схема инкрементным методом изменяет частоту возбуждения и контролирует колебательный сигнал, пока не достигается целевая частота.
Такие свойства текучей среды, как вязкость и плотность текучей среды, можно определять по частотам, на которых разность фаз между сигналом возбуждения и колебательным сигналом равна 135° и 45°. Данные требуемые разности фаз, именуемые первой разностью φ1 фаз нерезонансных колебаний и второй разностью φ2 фаз нерезонансных колебаний, могут соответствовать граничным частотам на уровне половинной мощности или 3 дБ. Первая нерезонансная частота ω1 определяется как частота, на которой первая разность φ1 фаз нерезонансных колебаний равна 135°. Вторая нерезонансная частота ω2 определяется как частота, на которой вторая разность φ2 фаз нерезонансных колебаний равна 45°. Результаты измерения плотности, выполненные на второй нерезонансной частоте ω2, могут быть независимыми от вязкости текучей среды. Соответственно, результаты измерения плотности, выполненные, когда вторая разность φ2 фаз нерезонансных колебаний равна 45°, могут быть более точными, чем результаты измерения плотности, выполненные при других разностях фаз.
Первая и вторая разности φ1, φ2 фаз нерезонансных колебаний обычно не известны до измерения. Соответственно, замкнутая схема должна инкрементным методом приближаться к первой и второй разностям φ1, φ2 фаз нерезонансных колебаний с использованием вышеупомянутой обратной связи. Инкрементный метод, связанный с замкнутой схемой, может вызывать задержку определения параметра колебательного отклика и, поэтому, вызывать задержку определения вязкости, плотности или других свойств текучей среды. Задержки определения упомянутых результатов измерений могут слишком дорого обходиться во многих случаях применения вибродатчика.
Соответственно, существует потребность в определении параметра колебательного отклика колебательного элемента. Существует также потребность в определении параметра колебательного отклика, желательно, быстрым и точным способом.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Предлагается способ определения параметра колебательного отклика колебательного элемента. В соответствии с вариантом осуществления, способ содержит этап приведения колебательного элемента в колебательное движение на первой частоте с помощью первого сигнала возбуждения, этап приема первого колебательного сигнала от колебательного элемента, приводимого в колебательное движение на первой частоте, этап измерения первой разности фаз, при этом первая разность фаз является разностью фаз между первым сигналом возбуждения и первым колебательным сигналом. Способ дополнительно содержит этап приведения колебательного элемента в колебательное движение на второй частоте с помощью второго сигнала возбуждения, этап приема второго колебательного сигнала от колебательного элемента, приводимого в колебательное движение на второй частоте, этап измерения второй разности фаз, при этом вторая разность фаз является разностью фаз между вторым сигналом возбуждения и вторым колебательным сигналом, и этап использования первой разности фаз и второй разности фаз для определения, по меньшей мере, одной из разности фаз и частоты колебательного элемента.
Предлагается вибродатчик для определения параметра колебательного отклика колебательного элемента. В соответствии с вариантом осуществления, виброметр содержит колебательный элемент, выполненный с возможностью приведения в колебательное движение на первой частоте с помощью первого сигнала возбуждения и приведения в колебательное движение на второй частоте с помощью второго сигнала возбуждения. В соответствии с вариантом осуществления, вибродатчик содержит также измерительную электронную секцию, соединенную с возможностью передачи сигналов с колебательным элементом и выполненную с возможностью приема первого сигнала возбуждения, приема первого колебательного сигнала из колебательного элемента, приводимого в колебательное движение на первой частоте, и приема второго колебательного сигнала из колебательного элемента, приводимого в колебательное движение на второй частоте. В соответствии с вариантом осуществления, измерительная электронная секция выполнена также с возможностью измерения первой разности фаз, при этом первая разность фаз является разностью фаз между первым сигналом возбуждения и первым колебательным сигналом, измерения второй разности фаз, причем вторая разность фаз является разностью фаз между вторым сигналом возбуждения и вторым колебательным сигналом, и использования первой разности фаз и второй разности фаз для определения, по меньшей мере, одной из разности фаз и частоты колебательного элемента.
АСПЕКТЫ
В соответствии с аспектом, способ (900, 1000) определения параметра колебательного отклика колебательного элемента (104) содержит этап приведения колебательного элемента (104) в колебательное движение на первой частоте первым сигналом возбуждения, этап приема первого колебательного сигнала из колебательного элемента (104), приводимого в колебательное движение на первой частоте, этап измерения первой разности фаз, при этом первая разность фаз является разностью фаз между первым сигналом возбуждения и первым колебательным сигналом. Способ (900, 1000) содержит также этап приведения колебательного элемента (104) в колебательное движение на второй частоте вторым сигналом возбуждения, этап приема второго колебательного сигнала из колебательного элемента (104), приводимого в колебательное движение на второй частоте, этап измерения второй разности фаз, при этом вторая разность фаз является разностью фаз между вторым сигналом возбуждения и вторым колебательным сигналом. Способ (900, 1000) содержит также этап использования первой разности фаз и второй разности фаз для определения, по меньшей мере, одной из разности фаз и частоты колебательного элемента (104).
В предпочтительном варианте упомянутая определенная, по меньшей мере, одна из разности фаз и частоты колебательного элемента (104) является, по существу, линейной аппроксимацией, вычисленной по первой разности фаз и второй разности фаз.
В предпочтительном варианте упомянутая определенная, по меньшей мере, одна частота колебательного элемента (104) является одной из резонансной частоты ω0, первой нерезонансной частоты ω1 и второй нерезонансной частоты ω2 колебательного элемента (104).
В предпочтительном варианте упомянутая определенная, по меньшей мере, одна разность фаз является одной из разности фаз φ0 резонансных колебаний, первой разности φ1 фаз нерезонансных колебаний и второй разности φ2 фаз нерезонансных колебаний.
В предпочтительном варианте способ (900, 1000) дополнительно содержит этап использования первой разности фаз и второй разности фаз для вычисления линейной аппроксимации значения Q колебательного элемента (104).
В предпочтительном варианте определение, по меньшей мере, одной из разности фаз и частоты колебательного элемента (104) выполняется одним методом из линейной интерполяции и линейной экстраполяции.
В предпочтительном варианте упомянутую определенную, по меньшей мере, одну из разности фаз и частоты колебательного элемента (104) используют для вычисления, по меньшей мере, одного из вязкости и плотности текучей среды, измеряемой колебательным элементом (104).
В предпочтительном варианте способ (900, 1000) дополнительно содержит этап определения, находятся ли первая измеренная разность фаз и вторая измеренная разность фаз в пределах линейной области фазово-частотной характеристики колебательного элемента (104).
В соответствии с аспектом, вибродатчик (5) для определения параметра колебательного отклика колебательного элемента (104) содержит колебательный элемент (104), выполненный с возможностью приведения в колебательное движение на первой частоте первым сигналом возбуждения и приведения в колебательное движение на второй частоте вторым сигналом возбуждения. Вибродатчик (5) содержит также измерительную электронную секцию (20), соединенную с возможностью передачи сигналов с колебательным элементом (104) и выполненную с возможностью приема первого сигнала возбуждения, приема первого колебательного сигнала из колебательного элемента (104), приводимого в колебательное движение на первой частоте, и приема второго колебательного сигнала из колебательного элемента (104), приводимого в колебательное движение на второй частоте. Измерительная электронная секция (20) выполнена также с возможностью измерения первой разности фаз, при этом первая разность фаз является разностью фаз между первым сигналом возбуждения и первым колебательным сигналом, измерения второй разности фаз, причем вторая разность фаз является разностью фаз между вторым сигналом возбуждения и вторым колебательным сигналом, и использования первой разности фаз и второй разности фаз для определения, по меньшей мере, одной из разности фаз и частоты колебательного элемента (104).
В предпочтительном варианте найденная, по меньшей мере, одна из разности фаз и частоты колебательного элемента (104) является, по существу, линейной аппроксимацией, вычисленной по первой разности фаз и второй разности фаз.
В предпочтительном варианте упомянутая определенная, по меньшей мере, одна частота колебательного элемента (104) является одной из резонансной частоты ω0, первой нерезонансной частоты ω1 и второй нерезонансной частоты ω2 колебательного элемента (104).
В предпочтительном варианте упомянутая определенная, по меньшей мере, одна разность фаз является одной из разности фаз φ0 резонансных колебаний, первой разности φ1 фаз нерезонансных колебаний и второй разности φ2 фаз нерезонансных колебаний.
В предпочтительном варианте измерительная электронная секция (20) дополнительно выполнена с возможностью использования первой разности фаз и второй разности фаз для вычисления линейной аппроксимации значения Q колебательного элемента (104).
В предпочтительном варианте измерительная электронная секция (20) выполнена с возможностью определения, по меньшей мере, одной из разности фаз и частоты колебательного элемента (104) с использованием какого-то одного метода из линейной интерполяции и линейной экстраполяции.
В предпочтительном варианте измерительная электронная секция (20) дополнительно выполнена с возможностью вычисления, по меньшей мере, одного из вязкости и плотности текучей среды, измеряемой колебательным элементом (104), с использованием, по меньшей мере, одной из разности фаз и частоты колебательного элемента (104).
В предпочтительном варианте измерительная электронная секция (20) дополнительно выполнена с возможностью определения, находятся ли первая измеренная разность фаз и вторая измеренная разность фаз в пределах линейной области фазово-частотной характеристики колебательного элемента (104).
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Одинаковые числовые позиции обозначают одинаковые элементы на всех чертежах. Следует понимать, что чертежи выполнены не обязательно в масштабе.
Фиг. 1 - вибродатчик известного уровня техники, содержащий колебательный элемент и измерительную электронную секцию, соединенную с колебательным элементом.
Фиг. 2 - вибродатчик 5 в соответствии с вариантом осуществления.
Фиг. 3 - вибродатчик 5 в соответствии с вариантом осуществления.
Фиг. 4 - блок-схема вибродатчика 5 с более подробным представлением схемы 138 возбуждения.
Фиг. 5 - график 500 амплитудно-частотных характеристик, поясняющий колебательный отклик колебательного элемента.
Фиг. 6 - график 600 фазово-частотных характеристик, поясняющий колебательный отклик колебательного элемента.
Фиг. 7 - график 700 фазово-частотных характеристик при низкой вязкости, который является увеличенным видом графика 600 фазово-частотных характеристик, показанного на фиг. 6.
Фиг. 8 - график 800 фазово-частотных характеристик при высокой вязкости, который является увеличенным видом графика 600 фазово-частотных характеристик, показанного на фиг. 6.
Фиг. 9 - способ 900 определения параметра колебательного отклика в соответствии с вариантом осуществления.
Фиг. 10 - способ 1000 определения параметра колебательного отклика в соответствии с вариантом осуществления.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Фиг. 2-10 и последующее описание иллюстрируют конкретные примеры для ознакомления специалистов в данной области техники с тем, как выполнять и применять наиболее предпочтительные варианты осуществления для определения параметра колебательного отклика колебательного элемента. С целью ознакомления с принципами изобретения, некоторые стандартные аспекты были упрощены или не рассматриваются. Специалистам в данной области техники будут понятны изменения данных примеров, которые не выходят за пределы объема настоящего описания. Специалистам в данной области техники будет понятно, что нижеописанные признаки можно сочетать различными способами, чтобы формировать несколько измененных вариантов определения параметра колебательного отклика колебательного элемента. В результате, нижеописанные варианты осуществления не ограничены конкретными нижеописанными примерами, а ограничены только формулой изобретения и ее эквивалентами.
Фиг. 2
представляет вибродатчик 5 в соответствии с вариантом осуществления. Вибродатчик 5 может содержать колебательный элемент 104 и измерительную электронную секцию 20, при этом колебательный элемент 104 соединен с измерительной электронной секцией 20 выводом или выводами 100. В некоторых вариантах осуществления вибродатчик 5 может содержать камертонный вибродатчик или вилочный датчик плотности (смотри фиг. 3 и сопутствующее описание). Однако, другие вибродатчики также применимы и не выходят за пределы объема описания и формулы изобретения.
Вибродатчик 5 может быть, по меньшей мере, частично погруженным в текучую среду, характеристики которой подлежат измерению. Текучая среда может содержать жидкость или газ. В качестве альтернативы, текучая среда может содержать многофазную текучую среду, например, жидкость, которая включает в себя увлеченный газ, механические примеси, сложносоставные жидкости или сочетания перечисленных текучих сред. Некоторые примерные текучие среды включают в себя цементные растворы, нефтепродукты или подобные среды. Вибродатчик 5 можно устанавливать в трубе или трубопроводе, баке, контейнере или других емкостях для текучей среды. Вибродатчик 5 можно также устанавливать в распределительном трубопроводе или аналогичной конструкции для направления потока текучей среды. Однако, другие схемы установки также применимы и не выходят за пределы объема описания и формулы изобретения.
Вибродатчик 5 выполняет функцию обеспечения результатов измерения текучей среды. Вибродатчик 5 может обеспечивать результаты измерения текучей среды, включая что-то одно или более из плотности текучей среды и вязкости текучей среды для текучей среды, включая текущие и нетекущие текучие среды. Вибродатчик 5 может обеспечивать результаты измерения текучей среды, включая массовую скорость потока текучей среды, объемную скорость потока текучей среды и/или температуру текучей среды. Приведенный перечень не является исчерпывающим, и вибродатчик 5 может измерять или определять другие характеристики текучих сред.
Измерительная электронная секция 20 может подавать электропитание в колебательный элемент 104 по выводу или выводам 100. Измерительная электронная секция 20 управляет работой колебательного элемента 104 по выводу или выводам 100. Например, измерительная электронная секция 20 может генерировать сигнал возбуждения и подавать генерируемый сигнал возбуждения в колебательный элемент 104, при этом колебательный элемент 104 генерирует колебания в одном или более колеблющихся компонентов с использованием генерируемого сигнала возбуждения. Генерируемый сигнал возбуждения может управлять амплитудой и частотой колебаний колебательного элемента 104. Генерируемый сигнал возбуждения может также управлять длительностью колебаний и/или временной привязкой колебаний.
Измерительная электронная секция 20 может также принимать колебательный сигнал или сигналы из колебательного элемента 104 по выводу или выводам 100. Измерительная электронная секция 20 может обрабатывать колебательный сигнал или сигналы, чтобы формировать, например, результат измерения плотности. Измерительная электронная секция 20 обрабатывает колебательный сигнал или сигналы, принимаемые из колебательного элемента 104, чтобы определять частоту сигнала или сигналов. Кроме того или дополнительно, измерительная электронная секция 20 обрабатывает колебательный сигнал или сигналы, чтобы определять другие характеристики текучей среды, например, вязкость или разность фаз между сигналами, которые можно обрабатывать, например, для определения скорости потока текучей среды. Как можно понять, разность фаз обычно измеряют или выражают в таких пространственных единицах, как градусы или радианы, хотя можно применять любые подходящие единицы, например, временные единицы. Если применяются временные единицы, то разность фаз может называться временной задержкой между колебательным сигналом и сигналом возбуждения специалистами в данной области техники. Другие характеристики колебательного отклика и/или результаты измерения текучей среды также предполагаются возможными и не выходят за пределы объема описания и формулы изобретения.
Измерительная электронная секция 20 может быть дополнительно соединена с линией 26 связи. Измерительная электронная секция 20 может передавать колебательный сигнал по линии 26 связи. Измерительная электронная секция 20 может также обрабатывать принятый колебательный сигнал, чтобы формировать значение или значения измерения и может передавать значение или значения измерения по линии 26 связи. Дополнительно, измерительная электронная секция 20 может принимать информацию по линии 26 связи. Например, измерительная электронная секция 20 может принимать команды, обновления, рабочие значения или изменения рабочих значений и/или обновления или изменения программ по линии 26 связи.
Фиг. 3
представляет вибродатчик 5 в соответствии с вариантом осуществления. В показанном варианте осуществления измерительная электронная секция 20 соединена с колебательным элементом 104 стержнем 115. Стержень 115 может быть любой требуемой длины. Стержень 115 может быть, по меньшей мере, частично полым. Провода или другие проводники могут продолжаться между измерительной электронной секцией 20 и колебательным элементом 104 по стержню 115. Измерительная электронная секция 20 включает в себя схемные компоненты, например, приемную схему 134, интерфейсную схему 136 и схему 138 возбуждения. В показанном варианте осуществления приемная схема 134 и схема 138 возбуждения непосредственно подсоединены к выводам колебательного элемента 104. В качестве альтернативы, измерительная электронная секция 20 может содержать компонент или устройство, отдельный(ое) от колебательного элемента 104, при этом приемная схема 134 и схема 138 возбуждения соединены с колебательным элементом 104 выводом или выводами 100.
В показанном варианте осуществления колебательный элемент 104 вибродатчика 5 содержит камертонную конструкцию, при этом колебательный элемент 104, по меньшей мере, частично погружен в измеряемую текучую среду. Колебательный элемент 104 включает в себя корпус 105, который можно закреплять к другой конструкции, например, трубе, трубопроводу, баку, резервуару, распределительному трубопроводу или любой другой конструкции для транспортировки текучей среды. Корпус 105 удерживает колебательный элемент 104, тогда как колебательный элемент 104 остается, по меньшей мере, частично открытым. Поэтому колебательный элемент 104 выполнен с возможностью погружения в текучую среду.
Колебательный элемент 104 в показанном варианте осуществления включает в себя первый и второй зубья 112 и 114, которые выполнены с возможностью, по меньшей мере, частичного продолжения в текучую среду. Первый и второй зубья 112 и 114 содержат удлиненные элементы, которые могут иметь любую требуемую форму поперечного сечения. Первый и второй зубья 112 и 114 могут быть, по меньшей мере, частично гибкими или упругими по своему характеру. Вибродатчик 5 дополнительно включает в себя соответствующие первый и второй пьезоэлементы 122 и 124, которые содержат пьезоэлектрические кристаллические элементы. Первый и второй пьезоэлементы 122 и 124 расположены, соответственно, рядом с первым и вторым зубьями 112 и 114. Первый и второй пьезоэлементы 122 и 124 выполнены с возможностью контакта и механического взаимодействия с первым и вторым зубьями 112 и 114.
Первый пьезоэлемент 122 находится в контакте с, по меньшей мере, участком первого зуба 112. Первый пьезоэлемент 122 также имеет электрическое соединение со схемой 138 возбуждения. Схема 138 возбуждения подает генерируемый сигнал возбуждения в первый пьезоэлемент 122. Первый пьезоэлемент 122 растягивается и сокращается под действием генерируемого сигнала возбуждения. В результате, первый пьезоэлемент 122 может попеременно деформироваться и смещать первый зуб 112 из стороны в сторону в колебательном движении (смотри штриховые линии), что создает периодическое, возвратно-поступательное возмущение текучей среды.
Второй пьезоэлемент 124 показан соединенным с приемной схемой 134, которая формирует колебательный сигнал, соответствующий деформациям второго зуба 114 в текучей среде. Перемещение второго зуба 114 вызывает генерацию соответствующего электрического колебательного сигнала посредством второго пьезоэлемента 124. Второй пьезоэлемент 124 передает колебательный сигнал в измерительную электронную секцию 20. Измерительная электронная секция 20 включает в себя интерфейсную схему 136. Интерфейсная схема 136 может быть выполнена с возможностью обмена сигналами с внешними устройствами. Интерфейсная схема 136 передает сигнал или сигналы измеренных колебаний и может передавать найденные характеристики текучей среды в одно или более внешних устройств. Измерительная электронная секция 20 может передавать через интерфейсную схему 136 характеристики колебательного сигнала, например, частоту колебательного сигнала и амплитуду колебательного сигнала для колебательного сигнала. Измерительная электронная секция 20 может передавать через интерфейсную схему 136 результаты измерения текучей среды, например, плотность и/или вязкость текучей среды, среди прочего. Другие результаты измерения текучей среды также предполагаются и не выходят за пределы объема описания и формулы изобретения. Дополнительно, интерфейсная схема 136 может принимать передачи из внешних устройств, в том числе, например, команды и данные для формирования значений измерения. В некоторых вариантах осуществления приемная схема 134 соединена со схемой 138 возбуждения, при этом приемная схема 134 подает колебательный сигнал в схему 138 возбуждения.
t
i
Схема 138 возбуждения генерирует сигнал возбуждения для колебательного элемента 104. Схема 138 возбуждения может модифицировать характеристики генерируемого сигнала возбуждения. Схема 138 возбуждения включает в себя разомкнутый контур возбуждения. Разомкнутый контур возбуждения может служить схеме 138 возбуждения для генерации сигнала возбуждения и подачи генерируемого сигнала возбуждения в колебательный элемент 104 (например, первый пьезоэлемент 122). В некоторых вариантах осуществления разомкнутый контур возбуждения генерирует сигнал возбуждения, чтобы обеспечивать заданную разность фаз φ, начиная с исходной частоты ω. Разомкнутый контур возбуждения может функционировать без опоры на обратную связь по колебательному сигналу, как подробно описано в дальнейшем со ссылкой на фиг. 4.
Фиг. 4
является блок-схемой вибродатчика 5 с более детальным представлением схемы 138 возбуждения. Вибродатчик 5 изображен со схемой 138 возбуждения. Приемная схема 134 и интерфейсная схема 136 не показаны для ясности. Схема 138 возбуждения включает в себя аналоговый входной фильтр 138a и аналоговый выходной фильтр 138b, которые соединены с разомкнутым контуром 147 возбуждения. Аналоговый входной фильтр 138a фильтрует колебательный сигнал, и аналоговый выходной фильтр 138b фильтрует генерируемый сигнал возбуждения.
Разомкнутый контур 147 возбуждения включает в себя аналого-цифровой преобразователь 147a, который соединен с фазовым детектором 147b. Фазовый детектор 147b соединен с генератором 147c сигналов. Показан также колебательный элемент 104, который включает в себя первый пьезоэлемент 122 и второй пьезоэлемент 124. Разомкнутый контур 147 возбуждения может быть реализован цифровым сигнальным процессором, который выполнен с возможностью выполнения одного или более кодов или программ, которые дискретизируют, обрабатывают и генерируют сигналы. Дополнительно или в качестве альтернативы, разомкнутый контур 147 возбуждения может быть реализован электронной схемой, соединенной с цифровым сигнальным процессором, или подобным образом.
Колебательный сигнал, обеспечиваемый первым пьезоэлементом 122, посылается в аналоговый входной фильтр 138a. Аналоговый входной фильтр 138a фильтрует колебательный сигнал до дискретизации колебательного сигнала в аналого-цифровом преобразователе 147a. В показанном варианте осуществления аналоговый входной фильтр 138a может состоять из фильтра нижних частот с частотой среза, которая приблизительно равна половиной частоте дискретизации разомкнутого контура возбуждения 147, хотя возможно применение любого подходящего фильтра нижних частот. Фильтр нижних частот может быть обеспечен с помощью таких пассивных компонентов, как катушка индуктивности, конденсатор и резистор, хотя возможно применение любых подходящих компонентов, распределенных или дискретных, например, фильтра операционного усилителя.
Аналого-цифровой преобразователь 147a может дискретизировать фильтрованный колебательный сигнал, чтобы формировать дискретизированный колебательный сигнал. Аналого-цифровой преобразователь 147a может также дискретизировать генерируемый сигнал возбуждения во втором канале (не показанном). Дискретизация может выполняться любым подходящим способом дискретизации. Как можно понять, генерируемый сигнал возбуждения, дискретизированный аналого-цифровым преобразователем 147a, не содержит шумов, связанных с колебательным сигналом. Генерируемый сигнал возбуждения подается в фазовый детектор 147b.
m
Фазовый детектор 147b может сравнивать фазы дискретизированных колебательного сигнала и генерируемого сигнала возбуждения. Фазовый детектор 147b может быть процессором, выполненным с возможностью выполнения одного или более кодов или программ, которые дискретизируют, обрабатывают и генерируют сигналы, чтобы определять разность фаз между двумя сигналами, как подробно описано в дальнейшем со ссылкой на фиг. 5. В варианте осуществления, показанном на фиг. 4, сравнение обеспечивает измеренную разность φ фаз между дискретизированным колебательным сигналом и дискретизированным генерируемым сигналом возбуждения.
m
t
t
t
m
t
m
t
m
t
c.
Измеренная разность φ фаз сравнивается с заданной разностью φ фаз. Заданная разность φ фаз является требуемой разностью фаз между колебательным сигналом и генерируемым сигналом возбуждения. Например, в варианте осуществления, в котором заданная разность φ фаз приблизительно равна 45°, разность между измеренной разностью φ фаз и заданной разностью φ фаз может равняться нулю, если измеренная разность φ фаз является точно или приблизительно такой же, как 45°. Однако, в альтернативных вариантах осуществления можно использовать любую подходящую заданную разность φ фаз. С помощью сравнения между измеренной разностью φ фаз и заданной разностью φ фаз, фазовый детектор 147b может генерировать управляющую частоту ω
c
m
t
i
c
c
i
c
i
Управляющая частота ω может применяться для генерации сигнала возбуждения. Дополнительно или в качестве альтернативы, можно применять исходную частоту, которая не определяется в результате сравнения между измеренной разностью φ фаз и заданной разностью φ фаз. Исходная частота ω может быть предварительно выбранной частотой, используемой для формирования исходного генерируемого сигнала возбуждения. Исходный генерируемый сигнал возбуждения может дискретизироваться, как описано выше, и сравниваться с дискретизированным колебательным сигналом. Сравнение между дискретизированным исходным генерируемым сигналом возбуждения и дискретизированным колебательным сигналом может служить для генерации управляющей частоты ω. Управляющая частота ω и исходная частота ω могут представляться в таких единицах измерения, как радианы в секунду, хотя возможно применение любых подходящих единиц, например, Герц (Гц). Управляющая частота ω или исходная частота ω могут подаваться в генератор 147c сигналов.
c
c
Генератор 147c сигналов может принимать управляющую частоту ω из фазового детектора 147b и обеспечивать генерируемый сигнал возбуждения с частотой, которая является точно такой же, как управляющая частота ω. Генерируемый сигнал возбуждения может посылаться, как описано выше, в аналого-цифровой преобразователь 147a. Генерируемый сигнал возбуждения посылается также в первый пьезоэлемент 122 через аналоговый выходной фильтр 138b. Дополнительно или в качестве альтернативы, генерируемый сигнал возбуждения может посылаться в другие компоненты в других вариантах осуществления.
Как описано выше, колебательный элемент 104 дает колебательный отклик, вызванный сигналом возбуждения. Колебательный отклик имеет такие параметры колебательного отклика, как резонансная частота ω0, добротность Q и т.п., которые можно использовать для вычисления различных свойств измеряемой текучей среды. Колебательный отклик и примерные параметры колебательного отклика, а также методы возможного использования параметров колебательного отклика для вычисления свойств текучей среды подробно описаны в дальнейшем.
Фиг. 5
представляет график 500 амплитудно-частотных характеристик, поясняющий колебательный отклик колебательного элемента. Колебательный элемент может примерным колебательным элементом, описанным выше со ссылкой на фиг. 2-4. График 500 амплитудно-частотных характеристик включает в себя ось 510 частот и ось 520 амплитуд. Ось 510 частот представлена единицами измерения Гц, хотя возможно применение любой подходящей единицы измерения частоты, например, радиан в секунду. Ось 520 амплитуд представлена шкалой децибел (дБ). Ось 520 амплитуд может быть установлена в любых подходящих единицах, например, Вольтах или Амперах.
График 500 амплитудно-частотных характеристик включает в себя также кривые 530 амплитудно-частотных характеристик. Кривые 530 амплитудно-частотных характеристик могут представлять колебательные отклики колебательного элемента 104, описанного выше, хотя в альтернативных вариантах осуществления возможно применение любого колебательного элемента. Как показано на фиг. 5, кривые 530 амплитудно-частотных характеристик состоят из отдельных кривых амплитудно-частотных характеристик для текучих сред с разными свойствами демпфирования колебаний. Например, кривая с наименьшей амплитудой на резонансной частоте может быть самой уплощенной вследствие погружения колебательного элемента 104 в вязкую и плотную текучую среду. Кривая с наибольшей амплитудой на резонансной частота может быть наименее плоской вследствие погружения колебательного элемента в текучую среду с пониженной вязкостью в сравнении с текучими средами, соответствующими другим кривым среди кривых 530 амплитудно-частотных характеристик. Как можно понять, каждая из кривых 530 амплитудно-частотных характеристик имеет разные соответствующие параметры колебательного отклика.
Например, в показанном варианте осуществления на фиг. 5, каждая из кривых 530 амплитудно-частотных характеристик имеет три маркера, которые указывают на первую нерезонансную частоту ω1, вторую нерезонансную частоту ω2 и резонансную частоту ω0, которые являются параметрами колебательного отклика для колебательного отклика. Первая нерезонансная частота ω1 указана маркером 532 в форме кружка. Вторая нерезонансная частота ω2 указана маркером 536 в форме вертикальной черточки. Резонансная частота ω0 указана ромбовидным маркером 534. Как можно оценить из рассмотрения ромбовидных маркеров 534, резонансная частота ω0 является по существу одной и той же для каждой из кривых 530 амплитудно-частотных характеристик.
В некоторых вариантах осуществления резонансную частоту ω0 можно определять по первой нерезонансной частоте ω1 и второй нерезонансной частоте ω2. Например, резонансную частоту ω0 можно определять по среднему значению из первой нерезонансной частоты ω1 и второй нерезонансной частоты ω2:
. (1)
Однако, в альтернативных вариантах осуществления резонансную частоту ω0 можно определять другими способами, например, путем измерения частоты при пиковой амплитуде, по мере качания по диапазону частот.
Добротность Q можно определять по первой нерезонансной частоте ω1, второй нерезонансной частоте ω2 и резонансной частоте ω0. Например, добротность Q можно определять из уравнения:
. (2)
Как можно понять, добротность Q отличается для каждой кривой. Добротность Q может быть разной для каждой из кривых 530 амплитудно-частотных характеристик по различным причинам, например, наличия у текучей среды, соответствующей каждой из кривых 530 амплитудно-частотных характеристик, отличающейся вязкости или плотности.
Выше показано, каким образом можно определять параметр колебательного отклика, когда измеряют первую нерезонансную частоту ω1 и вторую нерезонансную частоту ω2. Однако, как показано в дальнейшем, параметр колебательного отклика можно также определять посредством измерения разности фаз между сигналом возбуждения и колебательным сигналом. Дополнительно, параметр колебательного отклика можно также определять с использованием частот, которые не являются первой или второй нерезонансной частотой ω1, ω2.
Фиг. 6
представляет график 600 фазово-частотных характеристик, поясняющий колебательный отклик колебательного элемента. Колебательный элемент может быть колебательным элементом 104, описанным выше со ссылкой на фиг. 2-4. График 600 фазово-частотных характеристик включает в себя ось 610 частот, которая является абсциссой графика 600 фазово-частотных характеристик. График 600 фазово-частотных характеристик включает в себя также ось 620 разностей фаз, которая является ординатой графика 600 фазово-частотных характеристик. График 600 фазово-частотных характеристик включает в себя также кривую 630 фазово-частотной характеристики при низкой вязкости и кривую 640 фазово-частотной характеристики при высокой вязкости.
Как можно понять, значительный участок кривых 630, 640 фазово-частотных характеристик при низкой вязкости и высокой вязкости является линейным. Например, кривая 630 фазово-частотной характеристики при низкой вязкости является почти вертикальной, с, по существу, постоянным наклоном от приблизительно 1610 ГЦ до приблизительно 1613 Гц. На кривой 640 фазово-частотной характеристики при высокой вязкости значение разности фаз возрастает с относительно постоянным наклоном на частотах колебательного отклика от приблизительно 1455 Гц до 1610 Гц. Как также можно понять, линейные участки кривых 630, 640 фазово-частотных характеристик при низкой вязкости и высокой вязкости продолжаются в промежутке между первой нерезонансной частотой ω1 (как показано, приблизительно равной 1612,55 Гц при разности фаз 135°) и второй нерезонансной частотой ω2 (как показано, приблизительно равной 1610,65 Гц при разности фаз 45°). Линейность на кривых 630, 640 фазово-частотных характеристик при низкой вязкости и высокой вязкости можно использовать для определения частоты или разности фаз между первой нерезонансной частотой ω1 и второй нерезонансной частотой ω2, как подробно поясняется в дальнейшем со ссылкой на фиг. 7 и 8.
Фиг. 7
представляет график 700 фазово-частотных характеристик при низкой вязкости, который является увеличенным видом графика 600 фазово-частотных характеристик, показанного на фиг. 6. Благодаря увеличению, график 700 фазово-частотных характеристик при низкой вязкости включает в себя ось 710 частот, которая охватывает интервал от 1610,50 до 1613,00. Также благодаря увеличению, график 700 фазово-частотных характеристик при низкой вязкости включает в себя ось 720 разностей фаз, которая охватывает интервал от 45,00 градусов до 135,00 градусов. График 700 фазово-частотных характеристик при низкой вязкости включает в себя также, по существу, вышеописанный линейный участок кривой 630 фазово-частотной характеристики при низкой вязкости. На фиг. 7 показано также примерное линеаризованное представление 632 при низкой вязкости кривой 630 фазово-частотной характеристики при низкой вязкости.
Линеаризованное представление 632 при низкой вязкости относительно близко расположено к кривой 630 фазово-частотной характеристики при низкой вязкости. Например, по меньшей мере, две точки на линеаризованном представлении 632 при низкой вязкости являются общими с кривой 630 фазово-частотной характеристики при низкой вязкости. Линеаризованное представление 632 при низкой вязкости также относительно близко расположено к кривой 630 фазово-частотной характеристики при низкой вязкости по всей длине кривой 630 фазово-частотной характеристики при низкой вязкости. Для иллюстрации того, что кривые фазово-частотных характеристик текучих сред с разными вязкостями можно линеаризовать, далее рассматривается увеличенное изображение кривой 640 фазово-частотной характеристики при высокой вязкости.
Фиг. 8
представляет график 800 фазово-частотных характеристик при высокой вязкости, который является увеличенным видом графика 600 фазово-частотных характеристик, показанного на фиг. 6. Благодаря увеличению, график 800 фазово-частотных характеристик при высокой вязкости включает в себя ось 810 частот, которая охватывает интервал от 1440,00 до 1620,00. Также благодаря увеличению, график 800 фазово-частотных характеристик при высокой вязкости включает в себя ось 820 разностей фаз, которая охватывает интервал от 45,00 градусов до 135,00 градусов. График 800 фазово-частотных характеристик при высокой вязкости включает в себя также, по существу, вышеописанный линейный участок кривой 430 фазово-частотной характеристики при высокой вязкости. На фиг. 8 показано также примерное линеаризованное представление 642 при высокой вязкости кривой 640 фазово-частотной характеристики при высокой вязкости.
Линеаризованное представление 642 при высокой вязкости относительно близко расположено к кривой 640 фазово-частотной характеристики при высокой вязкости. Например, по меньшей мере, две точки на линеаризованном представлении 642 при высокой вязкости являются общими с кривой 640 фазово-частотной характеристики при высокой вязкости. Линеаризованное представление 642 при высокой вязкости также относительно близко расположено к кривой 640 фазово-частотной характеристики при высокой вязкости по всей длине кривой 640 фазово-частотной характеристики при высокой вязкости.
В вариантах осуществления, в которых линеаризацию используют для определения параметра колебательного отклика колебательного элемента, две или более точек на каждой из кривых 630, 640 фазово-частотных характеристик можно использовать для определения частоты или разности фаз. Например, вышеописанные линеаризованные представления 632, 642 можно использовать для вычисления первой нерезонансной частоты ω1 и второй нерезонансной частоты ω2. Аналогично, линеаризованные представления 632, 642 можно использовать для вычисления первой разности φ1 фаз нерезонансных колебаний и второй разности φ2 фаз нерезонансных колебаний. Примерные способы использования нерезонансных частот и разностей фаз, ω1, ω2, φ1, φ2 для определения колебательного отклика подробно описаны в дальнейшем со ссылкой на фиг. 9 и 10.
Фиг. 9
представляет способ 900 определения параметра колебательного отклика в соответствии с вариантом осуществления. Способ 900 начинается на этапе 910 с приведения колебательного элемента в колебательное движение на первой частоте первым сигналом возбуждения. Колебательный элемент может быть колебательным элементом 104, описанным выше со ссылкой на фиг. 2-4. На этапе 920 способа 900 колебательный элемент приводится в колебательное движение на второй частоте вторым сигналом возбуждения. Второй сигнал возбуждения может отличаться от первого сигнала возбуждения. Дополнительно или в качестве альтернативы, колебательный элемент можно приводить в колебательное движение первым сигналом возбуждения и вторым сигналом возбуждения в одно и то же или разное время. Например, на колебательный элемент можно подавать сложный сигнал возбуждения, который состоит из первого и второго сигналов возбуждения, чтобы генерировать первую и вторую частоты.
На этапе 930 способа 900 выполняется определение первой нерезонансной частоты ω1 и второй нерезонансной частоты ω2 с помощью первой частоты и второй частоты. Например, вышеописанная измерительная электронная секция 20 может измерять первую частоту наряду с первой разностью фаз. Измерительная электронная секция 20 может также измерять вторую частоту наряду со второй разностью фаз. Измерительная электронная секция 20 может определять, находятся ли первая частота и соответствующая первая разность фаз и вторая частота и соответствующая вторая разность фаз в пределах линейной области фазово-частотной характеристики колебательного элемента 104. С учетом вышеописанных примерных кривых 630, 640 фазово-частотных характеристик, измерительная электронная секция 20 может определять, являются ли первая и вторая разности фаз больше 45 градусов и меньше 135 градусов. Затем в способе 900 может выполняться вычисление линейной аппроксимации первой нерезонансной частоты ω1 и второй нерезонансной частоты ω2. Дополнительно или в качестве альтернативы, могут быть также вычислены первая и вторая разности φ1, φ2 фаз нерезонансных колебаний, как подробно поясняется в дальнейшем.
Фиг. 10
представляет способ 1000 определения параметра колебательного отклика в соответствии с вариантом осуществления. Способ 1000 начинается на этапе 1010 с приведения колебательного элемента в колебательное движение на первой частоте первым сигналом возбуждения. Колебательный элемент может быть колебательным элементом 104, описанным выше со ссылкой на фиг. 2-4. На этапе 1020 способа 1000 колебательный элемент приводится в колебательное движение на второй частоте вторым сигналом возбуждения. Второй сигнал возбуждения может отличаться от первого сигнала возбуждения. Дополнительно или в качестве альтернативы, колебательный элемент можно приводить в колебательное движение первым сигналом возбуждения и вторым сигналом возбуждения в одно и то же или разное время. Например, сигнал возбуждения может состоять из первого и второго сигналов возбуждения и подаваться в колебательный элемент, чтобы генерировать первый и второй колебательные сигналы.
На этапе 1030 способа 1000 измеряются первая разность фаз и вторая разность фаз. Например, первая разность фаз может быть разностью фаз между первым колебательным сигналом и первым сигналом возбуждения. Аналогично, вторая разность фаз может быть разностью фаз между вторым колебательным сигналом и вторым сигналом возбуждения.
На этапе 1040 способа 1000 может выполняться определение первой разности φ1 фаз нерезонансных колебаний и второй разности φ2 фаз нерезонансных колебаний с помощью первой разности фаз и второй разности фаз. Например, вышеописанная измерительная электронная секция 20 может измерять первую разность фаз наряду с первой частотой. Измерительная электронная секция 20 может также измерять вторую разность фаз наряду со второй частотой. Измерительная электронная секция 20 может определять, находятся ли первая частота и соответствующая первая разность фаз и вторая частота и соответствующая вторая разность фаз в пределах линейной области фазово-частотной характеристики колебательного элемента 104. С учетом примерных кривых 630, 640 фазово-частотных характеристик, описанных выше со ссылкой на фиг. 6-8, измерительная электронная секция 20 может определять, являются ли первая и вторая разности фаз больше 45 градусов и меньше 135 градусов. Затем в способе 1000 может выполняться вычисление линейной аппроксимации первой нерезонансной частоты ω1 и второй нерезонансной частоты ω2.
Выше описано вычисление линейных аппроксимаций частоты или разности, которые могут быть первыми и вторыми нерезонансными частотами и разностями фаз нерезонансных колебаний, ω1, ω2, φ1, φ2. Линейные аппроксимации первых и вторых нерезонансных частот и разностей фаз нерезонансных колебаний, ω1, ω2, φ1, φ2, можно вычислять различными способами. Например, вышеописанная измерительная электронная секция 20 может измерять первые и вторые частоты и разности фаз. Измерительная электронная секция 20 может определять, находятся ли первая частота и соответствующая первая разность фаз и вторая частота и соответствующая вторая разность фаз в пределах линейной области фазово-частотной характеристики колебательного элемента 104. Например, с учетом вышеописанных примерных кривых 630, 640 фазово-частотных характеристик, измерительная электронная секция 20 может определять, являются ли первая и вторая разности фаз больше 45 градусов и меньше 135 градусов. Затем, в способах 900, 1000 может выполняться вычисление линейной аппроксимации первых нерезонансной частоты и разности фаз нерезонансных колебаний, ω1, φ1, и вторых нерезонансной частоты и разности фаз нерезонансных колебаний, ω2, φ2.
Линейную аппроксимацию можно вычислять методом экстраполяции и интерполяции. Например, с учетом вышеописанных линейных представлений 632, 642, первых и вторых частот и разностей фаз, в способах 900, 1000 можно предполагать, что первые и вторые частоты и разности фаз являются двумя точками на линейных представлениях 632, 642. Соответственно, в способах 900, 1000 могут выполняться экстраполяция или интерполяция первых и вторых частот и разностей фаз до первой и второй разностей φ1, φ2 фаз нерезонансных колебаний и соответствующих первой и второй нерезонансных частот ω1, ω2. Хотя выше описаны варианты осуществления, в которых разности фаз больше 45 градусов и меньше 135 градусов, измеренные разности фаз могут быть меньше 45 градусов и больше 135 градусов.
Дополнительно или в качестве альтернативы можно применять другие способы вычисления аппроксимаций первых и вторых нерезонансных частот и разностей фаз нерезонансных колебаний, ω1, ω2, φ1, φ2, например, приближением полиномами более высоких порядков, экспоненциальными кривыми и т.п., к двум или более измеренным частотам и разностям фаз. Однако, линейные аппроксимации могут быть более эффективными, скоростными и т.п., что желательно, по сравнению с альтернативными аппроксимациями.
Этапы измерения первой и второй частот и соответствующих разностей фаз и вычисления частоты и разности фаз, которые могут быть линейными аппроксимациями первых и вторых нерезонансных частот и разностей фаз нерезонансных колебаний, ω1, ω2, φ1, φ2, могут выполняться в течение необходимого интервала времени. Например, поскольку частоту и разность фаз можно определять без итераций результатов измерения фазы и частоты, то параметры колебательного отклика можно определять в течение необходимого короткого периода времени. Соответственно, такие свойства текучих сред, как, например, плотность и вязкость, можно вычислять и получать в течение необходимого интервала времени.
Полезным может быть также этап определения, находятся ли первая и вторая разности фаз в пределах некоторого диапазона, например, меньше 135 градусов и больше 45 градусов. Например, определение, что измеренные первая и вторая разности фаз находятся в пределах первой и второй φ1, φ2 разностей фаз нерезонансных колебаний может предотвратить включение нелинейных областей, например, кривых 630, 640 фазово-частотных характеристик. Соответственно, найденные первые и вторые нерезонансные частоты и разности фаз нерезонансных колебаний, ω1, ω2, φ1, φ2, могут более точными.
c
Хотя выше описано неитерационное определение первых и вторых нерезонансных частот и разностей фаз нерезонансных колебаний, ω1, ω2, φ1, φ2, определение может выполняться в рамках итерационной процедуры. Например, найденные первые и вторые нерезонансные частоты и разности фаз нерезонансных колебаний, ω1, ω2, φ1, φ2, можно использовать как оценку для управляющей частоты ω, которая обеспечивается генератором 147c сигналов в разомкнутом контуре 147 возбуждения, описанном выше со ссылкой на фиг. 4. Соответственно, частота сигнала возбуждения может быть около фактических первых или вторых нерезонансных частот и разностей фаз нерезонансных колебаний, ω1, ω2, φ1, φ2, до итерации, что сокращает время, требующееся для измерения фактических первой и второй нерезонансных частот ω1, ω2.
Подробные описания вышеприведенных вариантов осуществления не являются исчерпывающими описаниями всех вариантов осуществления, которые, как предполагают авторы изобретения, находятся в пределах объема настоящего описания. Действительно, специалисты в данной области техники обнаружат, что некоторые элементы вышеописанных вариантов осуществления можно различным образом объединять или исключать, чтобы создать дополнительные варианты осуществления, и такие дополнительные варианты осуществления находятся не выходят за пределы объема и принципов настоящего описания. Специалистам со средним уровнем компетентности в данной области техники будет также понятно, что вышеописанные варианты осуществления можно объединять целиком или частично для создания дополнительных вариантов осуществления в пределах объема и принципов настоящего описания.
Таким образом, хотя в настоящем описании представлены конкретные варианты осуществления с целью иллюстрации, в пределах объема настоящего описания возможны различные эквивалентные модификации, как будет очевидно специалистам в данной области техники. Принципы, предложенные в настоящем описании, можно применить к другим способам и устройствам для определения параметра колебательного отклика колебательного элемента, а не только к вариантам осуществления, описанным выше и показанным на прилагаемых фигурах. Соответственно, объем вышеописанных вариантов осуществления должен определяться нижеследующей формулой изобретения.