JP2003532885A - 流量計 - Google Patents

流量計

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JP2003532885A
JP2003532885A JP2001583133A JP2001583133A JP2003532885A JP 2003532885 A JP2003532885 A JP 2003532885A JP 2001583133 A JP2001583133 A JP 2001583133A JP 2001583133 A JP2001583133 A JP 2001583133A JP 2003532885 A JP2003532885 A JP 2003532885A
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ブラディミール ナタポヴ，
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エヌエムエフ リミテッド
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/05—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects
    • G01F1/20—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects by detection of dynamic effects of the flow
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Abstract

(57)【要約】 磁気応答性材料から作られ、且つ、流体が流れる管状導管（1）内に存在するフロート部材（3）を使用する磁気流量計である。該流量計には、導管（1）内に磁界を生成し、流れる流体によって引き起こされたフロート部材（3）の変位に応じた応答信号を生成する手段（5，5'）が設けられている。流量値は、応答信号を処理し、それを較正曲線と比較することにより得られる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は、様々な気体状又は液体状流体又は粒状物質の流れの体積流量若し
くは質量流量の測定、監視、及び制御に好適な流量計に関する。
【０００２】 特に、本流量計は、磁気応答性材料からなり、流体が流れる管状導管内に存在
するフロート部材を利用する所謂「磁気流量計」に関する。
【０００３】 このような流量計においては、導管内に磁界を生成する手段が設けられ、それ
は、流れる流体によるフロート部材の磁界内での変位に基づいた応答信号を生成
する。応答信号を処理し、それを較正曲線と比較することによって、流量値が得
られる。
【０００４】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
流量測定用に考え出され、様々な物理的法則に基づいた様々な流量計が知られ
ている。
【０００５】 例えば、所謂「コリオリ流量計」は、流体が流れるセンサチューブを利用し、
チューブを捩じる。この捩じる特性は、コリオリ効果と呼ばれる。ニュートンの
運動の第２法則によれば、センサチューブの捩じれ量は、チューブを通じて流れ
る流体の質量流量に正比例する。
【０００６】 コリオリ流量計は、±(0.15-0.25)%の精度（±0安定性）で毎時数キログラム
から数百トンまでの広い範囲の流体の流量を測定する能力がある信頼性の高い器
具である。残念ながら、それらは、構成がやや複雑であり、高価なアイテムであ
る。
【０００７】 さらに、磁界が作成される導管内に存在し、前記導管を通じて流れる流体によ
って変位する強磁性のフロート部材によって生成された応答信号を利用する磁気
流量計が知られている。
【０００８】 独国特許第3341661号公報には、円筒状の非強磁性測定チューブからなり、該
チューブの内部に配されたバッフルを有するフロート型の流量計が開示されてい
る。円錐形の強磁性フロートは、チューブ内に配置され、該チューブ内には、軸
方向に配された２つのコイルが設けられている。前記コイルは、交流電圧源によ
って電圧を印加される。これらのコイルは、差動変圧器を提供するために電気的
に接続され、フロートが変位するときのコイル中の誘導力の変化に応じた応答信
号を生成する機能を有している。この信号は、処理され、予め確立された較正曲
線と比較された後で、流量が導き出される。
【０００９】 この流量計において、流量値は、フロートの断面積と測定チューブの内径との
間の関係に依存する。この条件により、上記流量計は、小さく、また、非常に小
さい流量だけを測定する機能を有している。
【００１０】 さらに、この器具は、測定される各流体の専用の較正曲線を予め確立すること
を必要とするので、該器具の操作は、便利ではなく、従って、単一で普遍的な較
正曲線で作業することが可能ではない。
【００１１】 さらに、フロートに作用する流れる流体の抗力に抵抗してフロートを中立位置
に保持するために、磁力が利用される磁気流量計が知られている。
【００１２】 米国特許第4041756号公報においては、垂直配置されたフローチューブを備え
、その中に存在する強磁性のボールを有する流量計が記述されている。前記ボー
ルは、流体の流れによって作用する抗力と同様に、重力に晒される。フローチュ
ーブに関連して、半透明のチューブと光センサとを横切ってビームを投射する光
源を使用し、一旦ボールがビームを覆い隠せば制御信号を生じる位置センサがあ
る。磁気手段は、フローチューブ内に電磁界を生成するために設けられる。磁気
手段は、コアに巻き付けられた電気的に伝導性のあるワイヤコイルからなる電磁
石として形成される。電磁石は、電流コントローラによって電流を供給され、制
御信号によって管理される。電磁石は、磁力を生成し、ボールを、変位させ、且
つ光ビームから遠ざけるように保持する。従って、ボールは、流体、重力、及び
磁力によって生成された相互作用する抗力のベクトル結果に依存する位置に存在
させられる。コントローラによって生成された時平均電流は、流量の関数である
。
【００１３】 この流量計は、多くの固有の欠点を有している。光学センサを使用するので、
それは、測定チューブが透明な材料から作られており、従って、操作が、透明な
流体の流量測定に厳密に制限されていることを必要とする。この流量計の別の欠
点は、コアに巻き付けられたコイルからなるその磁気手段の構成に関係している
。この構成は、ボールの質量がコアの質量と比較可能であり、従って、著しい電
流がボールの保持を保証するために要求され得ることを要求する。この要求は、
磁力の変化に、従って流量の変化にそれほど敏感でない流量計を提供することに
なる。
【００１４】 その上、磁気手段の上記の構成は、ボールが往復運動することを防止しないの
で、従って、測定はそれほど正確ではない。
【００１５】 同様の原理に基づいたもっと精巧な流量計が米国特許第5578763号公報に開示
されている。この流量計は、流体がそれを通じて流れる導管と、該導管内のスト
ッパと、該導管内に移動可能に支持されたフロート体とを備えている。フロート
体は、ストッパと係合して流れによって通常保持される。フロートの少なくとも
一部は、磁気応答性材料から作られている。専用コアの周囲にワイヤを巻き付け
て構成された電磁石は、導管の外側に形成されている。一旦、ランプ電流発生器
が電磁石に電圧を印加すれば、電磁石の電極は、フロート体に磁力を作用させる
。補助の多重回転センサコイル又は磁界センサは、コアに巻き付けられ、フロー
ト体のストッパから遠ざかる動き及び電磁石に近づく動きに関連した電磁石の磁
束場の変化を検出する機能を有している。磁束の変化は、流体の流れの力に抗し
てストッパから遠ざけるようにフロート体を引き付ける電流に対応する検出信号
に変換される。
【００１６】 この流量計は、透明な導管の使用をもはや必要とせず、不透明な流体の流量を
測定するために使用されることができる。
【００１７】 しかしながら、それも専用のコアの周囲にコイルを巻き付けて構成された磁気
手段を利用するので、上記の流量計と同一の固有の欠点を有している。
【００１８】 結論として、異なる磁気流量計が考え出されているという事実にも拘わらず、
依然として、広い範囲の体積流量又は質量流量の正確で信頼性の高い測定に好適
な、新しく、改良された流量計の要望が存在することは、強調されるべきである
。
【００１９】 本願発明の目的は、従来技術の磁気流量計の前述の欠点を十分に減少又は克服
する一方、利点を維持した、新しく、改良された磁気質量及び体積流量計を提供
することにある。
【００２０】 特に、本願発明の主要な目的は、単純な構成を有し、安価で、そして広い範囲
の流量を測定する機能を有した、新しく、改良された質量及び体積磁気流量計を
提供することにある。
【００２１】 本願発明の別の目的は、その感度及び精度が従来技術の流量計と比較可能であ
り、１つ以上の相からなる流体で作動する機能を有した、新しく、改良された磁
気流量計を提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本願発明の上記の及び他の目的並びに利点は、その異なる実施の形態を参照し
て、その本質的な特徴の次の組み合わせに従って達成されることができる。
【００２３】 好ましい実施の形態のうちの１つによれば、本願発明の流量計は、 それを介して流体を通す管状導管と、 前記流体によって作用する抗力によって中立位置から遠ざかるように変位可能
に前記導管内に配置され、その少なくとも一部が磁気応答性材料からなるフロー
ト部材と、 可変抵抗器に接続された２つの別個のコイルからなり、前記フロート部材の前
記中立位置からの変位に応じた応答電気信号を出力する機能を有した差動変圧手
段と、 前記導管に係合し、前記フロート部材を前記中立位置に保持するのに十分な磁
力を前記フロート部材に及ぼす機能を有する磁気手段と、 前記差動変圧手段に接続された交流電圧源と、 前記差動変圧手段によって生成された前記応答信号を処理し、それを前記磁気
手段を制御するための制御電流信号として出力する機能を有する信号処理手段と
、 参照電圧源と、 前記制御電流信号から前記流量を導き出し、その入力が、前記信号処理手段の
出力と前記参照電圧源の出力とに接続された演算手段と、 導き出された流量値を視覚的に表現するディスプレイ手段と を備え、 前記磁気手段は、緊密に前記導管を囲むソレノイドとして構成され、該ソレノ
イドの内方に向いた面は、前記導管の外方に向いた面に対応し、前記ソレノイド
は、前記差動変圧手段のコイル間に存在し、前記信号処理手段の出力に接続され
ている ことを特徴とする。
【００２４】 更なる実施の形態によれば、上記信号処理手段は、減算手段と、第１の増幅器
と、整流器と、RC回路と、第２の増幅器と、前記応答信号を制御電流信号に変換
する手段とを直列に接続してなる。
【００２５】 更なる好ましい実施の形態により、上記差動変圧手段のコイルは、絶縁性イン
サートによってソレノイドから分離されている。
【００２６】 別の好ましい実施の形態により、上記導管は、非強磁性材料からなるシリンダ
として構成されており、該導管内には、フロート部材の中立位置からの変位を規
制する２つの相対するストッパ手段が設けられている。
【００２７】 別の好ましい実施の形態においては、上記フロート部材は、長尺体として構成
され、そして、その外方に向かって、フロート部材を導管の縦軸に対して実質的
に同心的に中央に位置させるリング状の突起をなしている。
【００２８】 更なる好ましい実施の形態において、上記フロート部材内には、較正された開
口が設けられたディスク状のインサートが取り外し可能に支持されており、該イ
ンサートは、導管の縦軸に対して実質的に同心的にフロート部材内に支持されて
いる。
【００２９】 その様々な実施の形態における本願発明を単に簡潔に要約した。 さて、本願発明について、その利点と同様、より良い理解のために、添付の図面
を参照しながらその実施の形態について次に記述する。
【００３０】
【発明の実施の形態】
図１を参照して、本願発明の流量計の機械的な部分は、矢符で示されるように
、それを通じて流体を連続的に流す長い管状導管1を備えている。該導管は、非
強磁性材料から作られ、公知の内径Diを有し、垂直に向けられたシリンダとして
構成されている。
【００３１】 導管の上側及び下側の端部には、それぞれ、上側及び下側のリング状のストッ
パ2，2'が配され、それらは、流体が導管の内部に入り、導管の内部から出るこ
とを可能にしている。導管内には、フロート部材3が設けられており、該フロー
ト部材3は、上側及び下側のストッパの間の導管の内部に沿って配置されている
。フロート部材は、長いシリンダとして形成され、それぞれ内径di及び外径doを
有している。交換可能なインサート4は、流体が流れる上記内径を変更するため
にフロート部材内に展開されている。インサートは、フロート部材内にしっかり
と収容され、フロート部材の内径よりも小さい公知の内径Oiの較正された開口を
有している。
【００３２】 広い範囲の流量の測定を可能にするために、異なる直径の開口を有するインサ
ートを使用し、これらを、要求される直径に応じて交換することができる。
【００３３】 フロート部材の外径は、導管の内径よりも小さく、この条件により、流れる流
体によってフロート部材に作用する抗力によって、フロート部材は、導管に沿っ
て変位することができる。フロート部材の外方に向いた円筒状面には、２つのリ
ング状の突起P，P'が形成され、それらは、フロート部材を、導管内においてそ
の縦軸X-X'と実質的に同心的に中央に位置させる。さらに、前記突起は、フロー
ト部材が変位するときのフロート部材と導管との間の摩擦を低減する。
【００３４】 フロート部材は、実質的に独国工業規格（DIN）17405に規定されているように
、磁気的性質を有する磁気応答性材料から作られている。いくつかの適切な非消
耗性材料の例は、純粋な鋼RFe12，ケイ素鋼RSi12，ニッケル鋼RNi2等である。
【００３５】 流量計の機械的な部品は、差動変圧器を構成するように電気的に接続された２
つの分離されたコイル5，5'も含んでいる。該コイル5，5'間の導管の周囲には、
導管の少なくとも一部の内部に磁界を生成することができるソレノイド6がしっ
かりと収容されている。ワッシャ状のインサート7は、コイルとソレノイドとを
分離している。分離しているインサートは、上記流量計が大きい流量の測定を意
図する場合には、強磁性材料から製作されることができ、上記流量計が小さい流
量の測定を意図する場合には、他の材料から製作されることができる。流量計の
上記機械的な部分は、ハウジング8内にある。
【００３６】 さて、流量計の電気部品について次に記述する。
【００３７】 交流電圧源9は、上記差動変圧器のコイルに接続され、それらに電圧を印加す
る。各コイルのそれぞれの入力には、可変抵抗器10が接続されている。この抵抗
器によって、フロート部材が導管内に不在の場合には、差動変圧器によって出力
される信号は、最小に調節することができる。コイル5，5'には、減算ブロック1
1，第１の増幅器12，整流器13，RC回路14，第２の増幅器15，及びインバータ手
段16が直列に接続されており、応答電気信号を制御電流信号に変換し、この信号
をソレノイド6に供給する機能を有している。簡略化のため、上記の直列に接続
された部品は、信号処理手段と称される。インバータ手段は、さらに、電流制御
信号を測定し、それがすぐ次に記述されるように、その値を、流量計の他の電子
部品に専用の出力を介して出力する。
【００３８】 参照電圧源17，演算ブロック18，及びディスプレイ手段19が直列に接続されて
いる。インバータ手段16の専用の出力は、演算ブロックの入力に接続され、従っ
て、電流制御信号の値がそれに与えられる。これらの部品は、制御電流信号の値
から流量の値を導き出すことを可能にする。導き出された流量の値は、ディスプ
レイ手段によって視覚的に表わされる。
【００３９】 本願発明の流量計の構成について説明したが、次に、その機能について記述す
る。
【００４０】 開始モードにおいては、流体の流れが導管をまだ通過していないときに、交流
電圧源9から供給される電圧が差動変圧器のコイルに印加される。フロート部材
が中立位置に存在しないが、そこからコイルの１つに向かって変位するので、差
動変圧手段は、信号処理手段によって処理され、導管内に磁界を発生させる電流
としてソレノイドに与えられる応答信号を出力する。この磁界は、フロート部材
を中立位置に引き付ける。
【００４１】 一旦、流体が導管を通過すれば、それは、フロート部材に抗力を作用させ、フ
ロート部材を中立位置から遠ざけるように変位させる。差動変圧器は、変位に比
例する応答信号を出力する。この信号は、減算ブロック11によって減算され、第
１の増幅器12によって増幅され、整流器13によって整流され、その後、RC回路14
で同調される際に、第２の増幅器15によって増幅され、インバータ手段16によっ
て制御電流信号に変換される。この制御電流信号は、ソレノイドに与えられ、生
成される磁界を制御し、これによって、流れの抗力に抵抗し、フロート部材を中
立位置に保持するのに十分な磁力がフロート部材に作用する。
【００４２】 流体が１つの相（例えば、液体又は気体）、又は１つ以上の相（例えば、気体
の泡を有する液体）からなる場合には、質量流量又は体積流量と、ソレノイドに
与えられた制御電流との間の或る関係が存在することが、明らかになっている。
【００４３】 １つの相の流体については、この関係は、方程式KIs = ρQによって記述され
、ここで、Kは比例係数、Isはソレノイドに与えられる制御電流、Qは体積流量（
m3/sec）、及びρは、流体の密度（kg/m3）である。
【００４４】 ２つの相の流体については、この関係は、方程式KIs = maによって記述され、
ここで、mは流体の質量（kg）、aは加速度（m/sec2）である。
【００４５】 流量計の初期モードにおいて、較正曲線は、上記の関係を目標に確立される。
該曲線は、測定される流体の流量又は密度の公知の値を適切な方程式に入力する
ことによって、及び制御電流信号の対応する値を演算することによって確立され
る。参照電圧源17は、流量計が零信号を示すように較正するために使用される。
【００４６】 測定モードにおいて、演算ブロックは、確立している較正曲線に制御電流信号
の測定値を入力することによって流量の値を導き出す。流量の演算値は、ディス
プレイ19上に表示される。
【００４７】 本願発明の流量計は、非常に単純な構成を有し、非常に安価である。流量計は
、水又は水と空気との混合物の流量測定ために成功裡に使用された。計量により
測定精度が確認された。
【００４８】 水の測定にあっては、導管の内径が6 mmから20 mmまで様々であり、及び測定
した質量流量の範囲が0.005-30 kg/min、測定の精度が割合で±0.15%（±0安定
性）であった。
【００４９】 水−空気混合物の測定にあっては、導管の内径が20 mm、及び測定した質量流
量の範囲が0.5-10 kg/min、測定の精度が割合で±0.25%（±0安定性）であった
。
【００５０】 従って、本願発明の流量計は、広い範囲の流量を精度良く測定する機能を有し
ており、その精度は、従来公知の流量計の精度よりも悪くはなく、低コストであ
る。
【００５１】 本願発明が上述の実施の形態によって限定されるものではなく、当業者が添付
の請求の範囲において規定されているような本願発明の範疇から逸脱することな
く変更及び修正を加えることができることは認識されるべきである。
【００５２】 さらに、先の記述において、及び／又は次の請求の範囲及び／又は例示におい
て開示された特徴は、個別に、及びその任意の組み合わせの両方において、その
種々の形態で本願発明を実現するための材料であることは認識されるべきである
。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本願発明の流量計の概略図である。
【符号の説明】
1 管状導管 2，2' ストッパ 3 フロート部材 4 インサート 5，5' コイル 6 ソレノイド 7 インサート 8 ハウジング 9 交流電圧源 10 可変抵抗器 11 減算ブロック 12 第１の増幅器 13 整流器 14 RC回路 15 第２の増幅器 16 インバータ手段 17 参照電圧源 18 演算ブロック 19 ディスプレイ手段（ディスプレイ）
【手続補正書】
【提出日】平成１５年４月１７日（２００３．４．１７）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ， ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ， ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ， ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｂ Ｚ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＯ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＣ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ， ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，Ｉ Ｎ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ， ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，Ｐ Ｌ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ， ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 液体若しくは気体の流体の流れ又は粒状固体物質の流れの体
    積流量及び質量流量を測定する流量計であって、 それを介して流体を通す管状導管と、 前記流体によって作用する抗力によって中立位置から遠ざかるように変位可能
    に前記導管内に配置され、その少なくとも一部が磁気応答性材料からなるフロー
    ト部材と、 可変抵抗器に接続された２つの別個のコイルからなり、前記フロート部材の前
    記中立位置からの変位に応じた応答電気信号を出力する機能を有した差動変圧手
    段と、 前記導管に係合し、前記フロート部材を前記中立位置に保持するのに十分な磁
    力を前記フロート部材に及ぼす機能を有する磁気手段と、 前記差動変圧手段に接続された交流電圧源と、 前記差動変圧手段によって生成された前記応答信号を処理する機能を有し、前
    記磁気手段を制御するための制御電流信号を出力する信号処理手段と、 参照電圧源と、 前記制御電流信号から前記流量を導き出し、その入力が、前記信号処理手段の
    出力と前記参照電圧源の出力とに接続された演算手段と、 導き出された流量値を視覚的に表現するディスプレイ手段と を備え、 前記磁気手段は、緊密に前記導管を囲むソレノイドとして構成され、該ソレノ
    イドの内方に向いた面は、前記導管の外方に向いた面に対応し、前記ソレノイド
    は、前記差動変圧手段のコイル間に存在し、前記信号処理手段の出力に接続され
    ている ことを特徴とする流量計。
  2. 【請求項２】 前記信号処理は、減算手段、第１の増幅器、整流器、RC回路
    、第２の増幅器、及びインバータ手段を直列に接続してなり、前記制御電流信号
    を出力する機能を有している請求項１記載の流量計。
  3. 【請求項３】 前記差動変圧手段のコイルは、絶縁性インサートによりソレ
    ノイドから分離されている請求項２記載の流量計。
  4. 【請求項４】 前記導管は、非強磁性材料からなるシリンダとして構成され
    、前記導管内には、前記磁気手段によって生成される磁界からの前記フロート部
    材の変位を規制する機能を有する２つの相対するストッパが設けられている請求
    項３記載の流量計。
  5. 【請求項５】 前記フロート部材は、長く、実質的に管状体として構成され
    、その外方に向かって、前記導管内において前記フロート部材を前記導管の縦軸
    に対して実質的に同心的に中央に位置させる機能を有した突起が形成されている
    請求項４記載の流量計。
  6. 【請求項６】 前記フロート部材内には、ディスク状のインサートが取り外
    し可能に展開され、該インサートには、較正された開口が設けられている請求項
    ５記載の流量計。
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