JP2010122215A - 磁気誘導性の流量測定器 - Google Patents

Abstract

【課題】従来技術による基本的な構造の磁気誘導性の流量測定器を発展させる。
【解決手段】測定管（１）がワンピースで鋳造された金属管として、またはワンピースでハイドロフォーミングによって製造された金属管として実施されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、先ず何よりも、測定管と、この測定管を少なくとも部分的に貫通する磁界を形成する磁界形成装置と、流体内に誘導される測定電圧を取り出すための２つの電極とを備えた、流体の流量を測定する磁気誘導性の流量測定器に関する。上記において、本発明は、「先ず何よりも」、磁気誘導性の流量測定器に関する、と述べたが、これは流量測定器として磁気誘導性の流量測定器のみが対象となるのではなく、むしろ他の流量測定器、殊に超音波流量測定器も対象となることを表している。それにもかかわらず、以下では磁気誘導性の流量測定器についてのみ言及する。

磁気誘導性の流量測定器は従来技術において数十年来公知のものである。これに関しては、例えば非特許文献１を参照されたい。

流体の流量を測定する磁気誘導性の流量測定器の基本原理はファラデーにまで遡る。ファラデーは既に1832年に、流体の流速を測定するために電磁誘導の原理を適用することを提案していた。ファラデーの電磁誘導の法則によれば、電荷を伴って磁界を通過する流体内には、流れ方向に対して垂直に、且つ磁界に対して垂直に電界が発生する。ファラデーの電磁誘導の法則は磁気誘導性の流量測定器において、通常の場合、電流が流される２つの磁気コイルを有する磁界形成装置を用いて磁界を形成し、この磁界を少なくとも部分的に測定管を通って案内させることによって利用される。この場合、形成された磁界は流れ方向に対して垂直に延在する少なくとも１つの成分を有する。磁界内では、この磁界を通過して移動し、またある程度の数の電荷を有している流体の各体積要素が、この体積要素内に生じている電界強度によって、電極を介して取り出される測定電圧に寄与している。

上述のように、磁気誘導性の流量測定器は数十年来広く知られたものであり、また数え切れないほどの実施形態が既知であるが、十分に発展した技術分野であるような磁気誘導性の流量測定器に関しても依然として発達が望まれており、また可能である。

「Technische Durchflussmessung」、Prof. Dr.-Ing. K. W, Bonfig等著、第３版、Vulkan出版社Essen、2002年、第123〜167頁

したがって本発明が基礎とする課題は、冒頭で述べたような基本的な構造の磁気誘導性の流量測定器を発展させ、しかも、単独でも全体としても有意義である、全く異なる複数の観点から発展させることである。

この課題は、測定管がワンピースで鋳造された金属管として実施されていることによって解決される。また測定管がワンピースでハイドロフォーミングによって製造された金属管として実施されていることによって解決される。また測定管がアルミニウムまたはアルミニウム合金または青銅から構成されていることによって解決される。また測定管の中央領域における壁の厚みが測定管の入口および出口における壁の厚みよりも薄いことによって解決される。さらには、測定管の中央領域には補強リブが設けられていることによって解決される。

冒頭で述べたような、本発明による磁気誘導性の流量測定器の第１の実施形態は、先ず何よりも、測定管がワンピースで鋳造された金属管として実施されていることを特徴とする。択一的に、測定管をワンピースでハイドロフォーミング（英語：Hydroforming）によって製造された金属管として実施することができる。ハイドロフォーミングは比較的新しい成形方法である（フリー百科事典ウィキペディアの「バルジ成形」を参照されたい）。ハイドロフォーミングにおいては、管状の加工品が内部圧力によって拡大され、それと同時に軸方向の力によって圧縮される。加工品は拡大の前に閉じられた工具内に置かれ、内部圧力によって工具のグラビアまたはプロファイルの形状を取る。内部圧力（例えば約３０００ｂａｒを上回る）は水油エマルションによって伝達され、軸方向の力の導入は管の端部における２つのピストンを介して行われる。ハイドロフォーミングにおいて、内部圧力、軸方向の力、工具の幾何学形状および材料データの協働による成形プロセスは非常に複雑である。実際のところ、パラメータを求めて評価することは簡単ではない。

本発明の対象はまた、前述のように、測定管がワンピースでハイドロフォーミングによって製造された金属管として実施されていることを特徴とする、冒頭で述べたような磁気誘導性の流量測定器であるが、以下では実質的に、測定管がワンピースで鋳造された金属管として実施されている実施形態について記述する。

本発明による磁気誘導性の流量測定器では、ワンピースで鋳造された金属管として実施されている測定管（またはワンピースでハイドロフォーミングによって製造された金属管として実施されている測定管）は、磁気誘導性の流量測定器の機能に必要とされる全ての構成部材、または必要に応じた付加的な構成部材を固定、配置および／または収容するための形状および／または構成を有する。このことは、磁界形成装置に配属されている磁気コイルを固定または配置するための形状および／または構成、また電極を収容するための形状および／または構成は、ワンピースで鋳造された金属管として測定管を実現する場合には自ずと得られるので、すなわち前述の意味における全ての形状および／または構成は同一の製造プロセスで得られるので、事後的な機械的な処理はもはや必要ないことを意味している。

ワンピースで鋳造された金属管（またはワンピースでハイドロフォーミングによって製造された金属管）の本発明による実施形態は、一方では製造に関する前述の利点を有し、他方ではまた機能に関する利点、しかも初期的なエラーを有していないことについても、また動作の安全性についても利点を有する。本発明による磁気誘導性の流量測定器においては、測定管がワンピースで鋳造された金属管（またはワンピースでハイドロフォーミングによって製造された金属管）として実施されていることによって、すなわち測定管が「鋳造からなる」ことによって、全ての壁の厚み、壁の厚み変化が正確に設計されていることを前提とすれば、マルチピースで実施されている測定管の個々の部分が例えば溶接によって相互に接続される場合、または測定管が事後的に機械的に処理されなければならない場合、例えば電極を収容するために孔を設けなければならない場合に生じる可能性がある弱い個所は存在しない。

前述のような磁気誘導性の流量測定器に関して、測定管には非磁性の材料が使用されなければならない。この非磁性の材料は基本的にプラスチックでよいが、特殊鋼もしばしば使用される。しかしながら冒頭で述べたような本発明による磁気誘導性の流量測定器の第２の実施形態は、先ず何よりも、測定管がアルミニウム又はアルミニウム合金から構成されていることを特徴とする。

前記のとおり、磁気誘導性の流量測定器に関して、測定管には非磁性の材料を使用しなければならない。アルミニウムは非磁性の材料として広く知られたものである。さらには、アルミニウムの利点としてその軽量性が知られている。それにもかかわらず、これまで磁気誘導性の流量測定器の測定管の材料としてアルミニウムが使用されていなかったが、これには原因があるに違いない。その原因は公知のようなアルミニウムの良好な導電性にあるのかもしれない。

上記においては測定管用の材料としてアルミニウムまたはアルミニウム合金を検討したが、本発明はこれに制限されない。材料として青銅、すなわち、有利には少なくとも６０％含有されている銅と、１つまたは複数の主合金添加物とからなる合金を使用することもできるが、主合金添加物において亜鉛が優勢になってはならない。殊に、青銅とは銅とスズの合金と解される。スズが完全に、または部分的に、亜鉛を除いた他の１つまたは複数の材料に置換されると、これは特殊青銅と称される（LUEGER LEXIKON DER TECHNIK，第３巻「WERKSTOFFE UND WERKSTOFFPRUEFUNG」第９３頁左欄を参照されたい）。

冒頭で述べたような磁気誘導性の流量測定器では、磁界形成装置に配属されている磁気コイルには通常の場合直流電流は流されず、むしろ交流電流が流されるか、今日では通常であるようにクロック制御された直流電流が流される。その結果、時間的に変化する磁界が生じ、この磁界は電磁誘導の法則に従い導電性の材料に電圧を誘導し、この電圧は電流の流れる経路が存在する場合には、しばしば渦電流と称される不所望な電流を生じさせる可能性がある。

本発明によればそれにもかかわらず、アルミニウムまたはアルミニウム合金が渦電流を事実上発生させない、もしくは殆ど発生させないように措置が講じられれば、磁気誘導性の流量測定器の測定管用の材料としてアルミニウムまたはアルミニウム合金を使用できることが分かった。

機能上不可欠な構成部材である測定管、磁界形成装置および電極の他に、これらの構成部材を収容するケーシングを有する冒頭で述べたような磁気誘導性の流量測定器が既に公知であり、測定管はその長さにわたり可変の断面を有し、測定管の中央領域における断面は測定管の入口および出口における断面よりも小さく、有利には、測定管の中央領域における断面は矩形、また必要に応じて正方形である（例えば欧州特許明細書第1 544 582号を参照されたい）。また殊に、磁気誘導性の流量測定器のその種の実施形態においては、測定管をワンピースで鋳造された金属管として、またはワンピースでハイドロフォーミングによって製造された金属管として実施することが推奨される。

上記の本発明による磁気誘導性の流量測定器の有利な実施形態は、測定管の中央領域における壁の厚みが測定管の入口および出口における壁の厚みよりも薄いことを特徴とする。

上述したように、本発明によれば、アルミニウムまたはアルミニウム合金が渦電流を事実上発生させない、もしくは殆ど発生させない措置が講じられれば、磁気誘導性の流量測定器の測定管用の材料としてアルミニウムまたはアルミニウム合金を使用できることが分かった。これに基づき、測定管がアルミニウムまたはアルミニウム合金から構成されている本発明による磁気誘導性の流量測定器の有利な実施形態は、測定管の中央領域における壁の厚みが測定管の入口および出口における壁の厚みよりも薄いことを特徴とする。この場合には、トレードオフに「対峙」しなければならない。一方では、測定管の壁の厚みは測定管の中央領域においては非常に薄くあるべきである。何故ならば、これによって渦電流の発生を殊に良好に制限することができるか、完全に阻止することができるからである。しかしながら他方では、測定管内に生じている圧力を考慮して、測定管の所定の圧力耐性はその中央領域においても必要とされる。本発明のさらなる教示は前述のトレードオフに関する。

前述の本発明による措置を実現することができる（しかしながらそのような措置は必ずしも実現させなければならないものではない）、冒頭で述べたような本発明による磁気誘導性の流量測定器の別の実施形態は、測定管の中央領域に補強リブが設けられていることを特徴とする。その種の磁気誘導性の流量測定器において、測定管がワンピースで鋳造された金属管として、またはワンピースでハイドロフォーミングによって製造された金属管として実施されている場合には、上記の理由により、補強リブも測定管の構成部材である。すなわち補強リブは測定管と共にワンピースで実施されている。本発明による磁気誘導性の流量測定器の殊に有利な実施形態によれば、測定管の中央領域における壁の厚みは測定管の入口および出口における壁の厚みよりも薄く、有利には、圧力耐性の観点から可能とされる薄さであり、また測定管のこの領域には補強リブが設けられている。その種の実施形態は、渦電流を低減ないし阻止するという視点のもとでは、測定管の中央領域における壁の厚みが低減されておらず、したがって補強リブを省略することができる実施形態にくらべて非常に有利である。

詳細には、本発明による磁気誘導性の流量測定器を実現ないし構成し、また発展させる種々の可能性が存在する。それに関しては、独立請求項を引用する請求項、また添付の図面を参照する本発明による磁気誘導性の流量測定器の実施例についての下記の説明を参照されたい。

非常に概略的な本発明による磁気誘導性の流量測定器の有利な実施例を示す。 図１による磁気誘導性の流量測定器に所属する測定管の斜視図を示す。 図２よりも拡大した図２による測定管の平面図を示す。 図２よりも拡大した図２による測定管の側面図を示す。 図４に示した測定管の図４における矢印の区間の断面図を示す。

図１に（実質的には単に概略的に）示されている磁気誘導性の流量測定器は流体の流量の測定に適したものであり、機能上不可欠な測定管１と、この測定管１を少なくとも部分的に貫通する磁界を形成し、また図１に示唆されているような２つの磁気コイル２が配属されている、詳細には図示していない磁界形成装置と、流体に誘導される測定電圧を取り出すための２つの電極３（図５にのみ示されている）とを有する。

本発明による磁気誘導性の流量測定器に関しては、図面からは見て取ることはできないが、何よりも測定管１がワンピースで鋳造された金属管として実施されていることが重要である。ワンピースで鋳造された金属管として実施されている測定管１は、磁気誘導性の流量測定器の機能に必要とされる全ての構成部材および付加的な構成部材を固定、配置および／または収容するための形状および構成を有し、これは図面では部分的にしか図示ないし示唆していない。このことは、磁界形成装置に配属されている磁気コイル２を固定または配置するための形状および構成、また電極３を収容するための形状および／または構成は、ワンピースで鋳造された金属管として測定管１を実現する場合には自ずと得られるので、すなわち前述の意味における全ての形状および／または構成は同一の製造プロセスで得られるので、事後的な機械的な処理は必要ないことを意味している。

本発明による磁気誘導性の流量測定器の機能にとって重要なことは、測定管１が非磁性の材料から構成されていることである。非磁性の材料として原則的にはプラスチックを使用することができるが、特殊鋼もしばしば使用される。しかしながら、それ自体でも殊に重要な本発明のさらなる教示によれば、本発明による磁気誘導性の流量測定器は測定管１がアルミニウムまたはアルミニウム合金から構成されていることを特徴とする。

磁気誘導性の流量測定器では、磁界形成装置に配属されている磁気コイル２には通常の場合直流電流は流されず、むしろ交流電流が流されるか、今日では一般的であるようにクロック制御された直流電流が流される。すなわち時間的に変化する磁界が生じる。この時間的に変化する磁界は電磁誘導の法則に従い、導電性の材料内に電圧を誘導させる。これらの電圧は電流の流れる経路（Strombahn）がある場合には不所望な電流を生じさせる。これらの電流はしばしば渦電流と称される。すなわち時間的に変化する磁界によって、誘導電圧、またこの誘導電圧に起因して流れる電流が損失を発生させる。そのような損失は勿論望ましいものではない。

上記の点を考慮すれば、前述したとおり、アルミニウムは良好な導電性を有しているので、そもそも測定管１に対してアルミニウムを使用することはありえない。

しかしながら本発明によればそれにもかかわらず、磁気誘導性の流量測定器において、アルミニウムまたはアルミニウム合金が渦電流を事実上発生させない、もしくは殆ど発生させないように措置が講じられれば、測定管１に対してアルミニウムまたはアルミニウム合金を使用できることが分かった。

さらには、図示されている本発明による磁気誘導性の流量測定器の有利な実施形態に関しては、流量測定器が、機能上不可欠な構成部材、すなわち測定管１、磁界形成装置に配属されている磁気コイル２および電極３を収容するケーシング４を有していることが重要である。

その他の点に関して、図示されている本発明による磁気誘導性の流量測定器の有利な実施形態に関しては、測定管１がその長さ方向にわたり可変の断面を有し、この断面は測定管１の中央領域においては測定管１の入口および出口における断面よりも小さく、有利には測定管１の断面はその中央領域において図２および図５に示されているように矩形であることが重要である。測定管１の断面はその中央領域において正方形であってもよい。

上述のように、本発明による磁気誘導性の流量測定器において、測定管１がアルミニウムまたはアルミニウム合金から構成されている場合には、測定管１の壁の厚みをその長さにわたり異なるようにすることによって、すなわち測定管１の壁の厚みを中央領域においてはその入口および出口における壁の厚みよりも低くすることによって、渦電流の発生を大幅に低減することができる。

中央領域における測定管１の壁の厚みの低減には勿論限界がある。すなわち、トレードオフが存在する。一方では、測定管１の壁の厚みはこの測定管１の中央領域において非常に薄くあるべきである。何故ならば、これによって渦電流の発生を殊に良好に制限することができるか、完全に阻止することができるからである。しかしながら他方では、測定管１の所定の圧力耐性はその中央領域においても必要とされる。

図１から図４には、測定管１の中央領域に補強リブ５が設けられていることを特徴とする、本発明による磁気誘導性の流量測定器の殊に有利な実施形態が示されている。ここで、上述の本発明の教示にしたがい、測定管１がワンピースで鋳造された金属管として実施されている場合には、補強リブ５も測定管１の構成部材である。すなわち補強リブ５は測定管１と共にワンピースで実施されている。

図示されている本発明による磁気誘導性の流量測定器の殊に有利な実施形態によれば、測定管１の中央領域における壁の厚みは測定管１の入口および出口における壁の厚みよりも薄く、有利には、圧力耐性の視点から可能な限り薄く、また測定管１の中央領域には補強リブ５が設けられている。この実施形態は、渦電流を低減ないし阻止するという観点のもとでは、測定管１の中央領域における壁の厚みが低減されておらず、したがって補強リブ５を省略することができる実施形態に比べて非常に有利である。

Claims (8)

1. 測定管と、該測定管を少なくとも部分的に貫通する磁界を形成する磁界形成装置と、流体内に誘導される測定電圧を取り出すための２つの電極とを備えた、流体の流量を測定する磁気誘導性の流量測定器において、
   前記測定管（１）はワンピースで鋳造された金属管として実施されていることを特徴とする、磁気誘導性の流量測定器。
2. 測定管と、該測定管を少なくとも部分的に貫通する磁界を形成する磁界形成装置と、流体内に誘導される測定電圧を取り出すための２つの電極とを備えた、流体の流量を測定する磁気誘導性の流量測定器において、
   前記測定管はワンピースでハイドロフォーミングによって製造された金属管として実施されていることを特徴とする、磁気誘導性の流量測定器。
3. 前記測定管（１）は、ワンピースで鋳造された金属管（またはワンピースでハイドロフォーミングによって製造された金属管）としては、磁気誘導性の流量測定器の機能に必要とされる全ての構成部材、または必要に応じた付加的な構成部材を固定、配置および／または収容するための形状および／または構成を有する、請求項１または２記載の磁気誘導性の流量測定器。
4. 例えば請求項１から３までのいずれか１項による、測定管と、該測定管を少なくとも部分的に貫通する磁界を形成する磁界形成装置と、流体内に誘導される測定電圧を取り出すための２つの電極とを備えた、流体の流量を測定する磁気誘導性の流量測定器において、
   前記測定管（１）はアルミニウムまたはアルミニウム合金または青銅から構成されていることを特徴とする、磁気誘導性の流量測定器。
5. 測定管と、該測定管を少なくとも部分的に貫通する磁界を形成する磁界形成装置と、流体内に誘導される測定電圧を取り出すための２つの電極と、前記測定管、前記磁界形成装置および前記電極を収容するケーシングとを備えた、流体の流量を測定する磁気誘導性の流量測定器であって、
   前記測定管は該測定管の長さにわたり可変の断面を有し、該断面は前記測定管の中央領域においては、該測定管の入口および出口における断面よりも小さく、有利には前記測定管の前記断面は該測定管の中央領域において矩形であり、必要に応じて正方形でもある、磁気誘導性の流量測定器において、
   前記測定管（１）はワンピースで鋳造された金属管として、またはワンピースでハイドロフォーミングによって製造された金属管として実施されていることを特徴とする、磁気誘導性の流量測定器。
6. 例えば請求項５による、測定管と、該測定管を少なくとも部分的に貫通する磁界を形成する磁界形成装置と、流体内に誘導される測定電圧を取り出すための２つの電極と、前記測定管、前記磁界形成装置および前記電極を収容するケーシングとを備えた、流体の流量を測定する磁気誘導性の流量測定器であって、
   前記測定管は該測定管の長さにわたり可変の断面を有し、該断面は前記測定管の中央領域においては、該測定管の入口および出口における断面よりも小さく、有利には前記測定管の前記断面は該測定管の中央領域において矩形であり、必要に応じて正方形でもある、磁気誘導性の流量測定器において、
   前記測定管（１）の中央領域における壁の厚みは前記測定管（１）の入口および出口における壁の厚みよりも薄いことを特徴とする、磁気誘導性の流量測定器。
7. 前記測定管（１）の中央領域における壁の厚みは前記測定管（１）の入口および出口における壁の厚みよりも薄い、請求項４および５記載の磁気誘導性の流量測定器。
8. 例えば請求項１から７までのいずれか１項による、測定管と、該測定管を少なくとも部分的に貫通する磁界を形成する磁界形成装置と、流体内に誘導される測定電圧を取り出すための２つの電極とを備えた、流体の流量を測定する磁気誘導性の流量測定器において、
   前記測定管（１）の中央領域には補強リブ（５）が設けられていることを特徴とする、磁気誘導性の流量測定器。

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