JP2017032304A - 接液式電磁流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】流量分布の影響を受けることなく、大きな口径の管路に対しても良好な測定精度を得る。【解決手段】金属管１１の内周には絶縁材１２がライニングされており、一対の接液電極板１３ａ、１３ｂが絶縁材１２の内周面に貼り付けられている。接液電極板１３ａ、１３ｂはそれぞれ、同形の２枚の金属板である表面板１５と裏面板１６とから成り、これらは溶接等の手段により貼り合わせにより結合されている。裏面板１６の背面には、後方に突出するＬ字片状、鉤状の突起から成る多数の係止部１７が設けられており、これらの係止部１７は絶縁材１２中において固定され、接液電極板１３ａ、１３ｂの脱落を防止している。【選択図】図７

Description

本発明は、測定流体の流速分布の影響を受けず、特に口径の大きな管路に好適な接液式電磁流量計に関するものである。

一般に、管路中に配置した流量計では、その測定精度を向上させるために、流量計の前後の配管中に直管部を十分にとることにより、流速分布が安定した状態で測定することが望まれている。

なかでも、電磁流量計は比較的に直管部が少なくて済むが、更にその改善を図るために、直管部が殆どなくとも流速分布の影響をあまり受けない容量式電磁流量計として、特許文献１が知られている。

特許文献１はＭＩＴのクリストファ・Ｃ・スミス氏の論文：「電磁流量計の理論的考察」における積分型電磁流量計の基本式を背景としてなされた発明である。

この特許文献１の主たる特徴点は、「検出電極の管軸方向の電極長を、前記管路の管壁に立つ法線方向と前記管軸及び前記磁界に直交する軸とでなす角度の余弦に比例するようにした容量式電磁流量計」である。角度の余弦に比例した形状を持つ一対のリーフ形状の検出電極を、測定流体とは電気的に絶縁して管路の外周面に配置することにより、流量分布に依存せずに流量を測定することができる。

特許文献１の容量式電磁流量計は、図９や特許文献１の段落００５６に示すように、絶縁性の円形管路の外周面に導電性材料により電極幅を余弦であるｃｏｓθとする一対の面電極２ａ、２ｂを形成し、測定流体の流量を電磁誘導により発生した誘導起電力を容量結合により検出している。

このように、絶縁性の円形管路の外周面に電極２ａ、２ｂを配置する場合では、円形管路は温度変化等に強く、誘電容量の安定性を維持するアルミナ等の絶縁性セラミック材料で成型された管体１を使用することが必要である。

図１０により特許文献１の基本原理を説明する。面電極２ａ、２ｂの管軸方向の長さつまり電極幅は、管体１の中央断面を横切る線ｙ−ｙ’の管軸ｚ−ｚ’と交差する点であって、各面電極２ａ、２ｂの中央を結ぶ線ｘ−ｘ’を基準として、管路の内周面とのなす角θの余弦、つまりｃｏｓθに比例するように形成されている。

断面半径ｒの円管路に流量Ｑの導電性流体を流す。流量Ｑの方向をｚ軸、ｚ軸と直交する円形断面において磁界Ｈｏの印加方向をｙ軸、ｙ軸と直交する方向をｘ軸とする。

このような構成において、ｘ軸からの角度θにおける点Ｐ（θ）における発生起電力から、マックスウエルの方程式を解いて流量Ｑを求めると、三次元モデルにおける基本式（１）が得られる。
μＨｏＱＬ=−∫φ（ｓ）ｉｘ・ｉｎｄｓ （１）

ここで、μは流体の導磁率、Ｈｏは磁界、Ｌはｘ軸方向の長さ、ｉｘはｘ軸における単位ベクトル、ｉｎはＰ点における法線の単位ベクトル、φはＰ点における電位である。
円形二次元断面においては、ｉｘ・ｉｎ＝ｃｏｓθなので、
μＨｏＱ＝−∫φ（ｃ）ｉｘ・ｉｎｄｃ （２）
Ｂｏ＝μＨｏなので、
Ｑ＝−（ａ／Ｂｏ）∫φ（θ）ｃｏｓθｄθ （３）

（３）式から、流速方向に直交する向きに磁界Ｈｏを加え、一対の面電極２ａ、２ｂの円管路断面のｘ軸から角度θの位置の電極幅をｃｏｓθとして、誘起された電位にｃｏｓθの重み付けを行う。そして、これらを積分加算すれば、流速分布に依存しない電流の起電力信号が得られる。

また、上位液面ＡＤが磁界Ｈｏと直交していれば、（３）式が成り立つので、非満水の場合にも測定が可能となる。

特許第３０３１０９６号公報

この特許文献１による容量式電磁流量計は、上述したように検出信号の精度維持のために、絶縁体である管壁材の温度特性等に強く、誘電容量の安定性を維持したアルミナ等のセラミック材料により管体を使用する必要がある。

しかし、例えば発展途上国等の上下水道においては、口径が１５０ｍｍを越える中口径や１０００ｍｍを越える大口径の管体が要求されるが、１ＭＰａ以上の耐圧を有するセラミックパイプの口径の上限は高々２００ｍｍ程度であり、上述の中口径、大口径のセラミック材料による管路の製造はなかなか困難である。

また、電極を測定流体に接液して測定する接液式電磁流量計は知られているが、この場合の電極は点状電極であり、一対の点状電極を管路内に露出させて測定する方式である。しかし、この点状電極は中心対称流に対しては測定可能であるが、偏流があると測定誤差が大きくなるという問題もある。

本発明の目的は、上述の課題を解決し、特許文献１の発明の原理を利用し、流量分布の影響を受けることなく、口径が中口径、大口径の管路に対しても適用可能で、良好な測定精度が得られる接液式電磁流量計を提供することにある。

上述の目的を達成するための本発明に係る接液式電磁流量計は、内面を絶縁材により断面円形に形成した管路と、該管路の管軸に直交して測定流体に磁界を形成する励磁手段と、前記管軸及び前記磁界と直交する方向であって前記絶縁材の内周面に対向して係止し相互に絶縁した一対の接液電極板とを備え、前記接液電極板に生ずる起電力を基に測定流体の流量を測定する接液式電磁流量計であって、前記接液電極板の表面の接液面を平面状とし裏面に係止部を設け、該係止部により前記絶縁材に密着して係止し、前記接液電極板の管軸方向の電極長を、前記管路の内壁に立つ法線方向と前記管軸及び前記磁界に直交する軸とでなす角度θの余弦に比例するようにしたことを特徴とする。

本発明に係る接液式電磁流量計によれば、流速分布による誤差を少なくするために、所定形状を持つ接液電極板を管路の絶縁材の内面に取り付け、これらの接液電極板から得られる管路内の起電力を荷重平均して取り出すことで、流速分布の影響を少なくできる。また、中口径、大口径の管路についても良好な精度を安価に実現できる。更に、本発明では非満水回路においても、同様に測定可能である。

実施例の接液式電磁流量計の基本的構成図である。 管路の切断斜視図である。 接液電極板の平面図である。 接液電極板の配置の変形例の説明図である。 表面板と裏面板の断面図である。 他の実施例の裏面板の断面図である。 接液電極板の係止部を絶縁材中に埋設した状態の断面図である。 測定回路の構成図である。 特許文献１の容量式電磁流量計の断面構成図である。 特許文献１の容量式電磁流量計の測定原理の説明図である。

本発明を図１〜図８に図示の実施例により詳細に説明する。
図１は接液式電磁流量計の基本的構成図、図２は断面円形の管路の切断斜視図であり、例えばＳＵＳ製の金属管１１の内側に絶縁材１２がライニングされている。絶縁材１２の内周面には、管路の管軸を挟んで図３に示すように一対の接液電極板１３ａ、１３ｂが対向して配置され、絶縁材１２に密着して係止されている。また、励磁手段により管軸に沿って平行に、管軸と直交した方向に均一磁場Ｂの印加による磁界Ｈｏが形成されている。そして、接液電極板１３ａ、１３ｂから管路外に信号線１４ａ、１４ｂが引き出されている。

図３は一対の接液電極板１３ａ、１３ｂの平面図である。この金属板から成る接液電極板１３ａ、１３ｂの形状は、特許文献１の面電極２ａ、２ｂと同様であり、接液電極板１３ａ、１３ｂの管軸方向の電極長ａが、管路の内壁に立つ法線方向と管軸及び磁界に直交する軸とでなす角度θの余弦、つまりｃｏｓθに比例するように形成された一対のリーフ形状とされている。そして、各接液電極板１３ａ、１３ｂの管軸方向と直交する長さｂの２倍が、絶縁材１２の内周と等しくされている。

しかし、このまま接液電極板１３ａ、１３ｂの角度θを０〜９０゜として、絶縁材１２に取り付けると、接液電極板１３ａ、１３ｂ同士は短絡することになるので、接液電極板１３ａ、１３ｂの先端の細状部ｃをそれぞれ切欠して、相互に絶縁状態のすることが必要である。

なお、接液電極板１３ａ、１３ｂの細状部ｃを切欠することなく、更に絶縁状態を維持すためには、図４に示すように接液電極板１３ａ、１３ｂ同士を管軸方向に僅かにずらせて貼り付ける。或いは、相互に円周方向から稍々傾けて、一対の接液電極板１３ａ、１３ｂの細状部ｃ同士を完全に離隔すればよい。この場合においても、若干の誤差は発生するものの、その誤差は細状部ｃを切欠する場合の誤差よりも小さくて済む。

図５に示すように、接液電極板１３ａ、１３ｂはそれぞれ同形の２枚の例えば厚さ１ｍｍのＳＵＳ板から成る表面板１５と裏面板１６とから成り、表面板１５の接液面は平面状であるが、裏面板１６には例えばＬ字片状、鉤片状の突起を後方に突出する多数の係止部１７が設けられている。これらの表面板１５と裏面板１６は、溶接等の手段により貼り合わせにより結合されている。なお、表面板１５と裏面板１６とは、それぞれを絶縁材１２の内周に密着するように湾曲させてから結合してもよいし、結合後に湾曲してもよい。

図６（ａ）、（ｂ）はそれぞれ他の裏面板１６の断面図であり、（ａ）のように裏面板１６に多数の孔部から成る係止部１７を設けたり、（ｂ）に示すようにプレス機械による膨出部から成る係止部１７を設けることもできる。更に他の実施例として、裏面板１６は使用せずに、厚めの表面板１５の裏面側に多数の凹部を穿設して係止部１７とすることもできる。

図７に示すように、図５で示した裏面板１６の係止部１７は絶縁材１２中に固定され、接液電極板１３ａ、１３ｂの絶縁材１２からの脱落防止機能を有している。絶縁材１２は突起から成る係止部１７の周囲を囲み、更には裏面板１６の孔内に入り込む。なお、絶縁材１２の厚みは、たとえ突出した係止部１７を挿入しても、係止部１７が外側の金属管１１に達しない程度の十分な厚みとする必要がある。

金属管１１、絶縁材１２には両側から絶縁円筒管１８ａ、１８ｂが挿入され、接液電極板１３ａ、１３ｂからの信号線１４ａ、１４ｂが引き出されている。絶縁円筒管１８ａ、１８ｂ内の信号線１４ａ、１４ｂは絶縁シール材１９と抑えブッシング２０により絶縁保護され、絶縁シール材１９と抑えブッシング２０との間にはコイルスプリング２１が介在されている。

絶縁材１２はゴム材、ポリウレタン、テフロン（登録商標）等の合成樹脂材から成る電気絶縁材料を、例えば金属管１１を軸中心に回転させながら、遠心注型法等により金属管１１の内面に数ｃｍの厚さにライニングする。接液電極板１３ａ、１３ｂの絶縁材１２への取付け手順には幾つかの方法が考えられる。例えば、接液電極板１３ａ、１３ｂを金属管１１内に仮固定しておき、接液電極板１３ａ、１３ｂの部分については、金属管１１との間に絶縁材１２を入り込ませるようにライニングして、接液電極板１３ａ、１３ｂを絶縁材１２に取り付ける。

このとき、接液電極板１３ａ、１３ｂの背面側の突起等から成る係止部１７が絶縁材１２中に挿し込まれ、接液電極板１３ａ、１３ｂの保持が確実となる。絶縁材１２への貼り付けに際しては、なるべくは表面板１５の接液面は管路の内面である絶縁材１２の内面と面一近くにすることが、流量抵抗が少なくなり好ましい。

図８は測定回路の構成図であり、接液電極板１３ａ、１３ｂの各中央部に接続された信号線１４ａ、１４ｂは、図７に示すように、金属管１１に対して絶縁された状態で金属管１１の外側に引き出され、信号処理回路２２に接続されている。

各接液電極板１３ａ、１３ｂで検出される起電力信号は、信号処理回路２２において、電流信号としてそれぞれ各演算増幅器２３ａ、２３ｂに送信され、演算増幅器２３ａ、２３ｂはこれらを電圧信号に変換する。そして、電圧信号は演算増幅器２４で差動演算がなされて出力端２５に出力される。

このように、管路の内部で発生する起電力に対して、接液電極板１３ａ、１３ｂの出力を余弦であるｃｏｓθの重み付けをして、全体から得られる電流信号を加算して出力端２５から出力することにより、測定流体の流速分布の影響を受けずに流量Ｑを測定することができる。

本発明の測定原理は、管軸方向の電極長ａの大きさが角度θの余弦に比例することにおいて、特許文献１と同一である。しかし、特許文献１では誘起される起電力信号を静電容量を基に電極を接液することなく検出するのに対し、本発明では電極を測定流体に接液して検出するので、変換器は通常の電極に接続して使用する汎用型で済む利点がある。

また本願発明では、管路の内面に接液電極板１３ａ、１３ｂを設けるため、特許文献１のような温度特性等に強く、かつ誘電容量の安定性を維持したセラミック材料のような管壁材を用いる必要がない。そして、前述の中口径、大口径の既製の金属管に対するライニングによる絶縁材１２の形成は比較的容易であるので、中口径、大口径の管路においても、本発明に係る接液式電磁流量計を使用することで、精度良く流量を測定できる。

なお、特許文献１の面電極２ａ、２ｂは絶縁体の外側に配置し、測定流体と接することがないために、面電極２ａ、２ｂ自体の耐摩耗性等は不要であり、箔や導電塗料によって形成できる。しかし、本発明の接液電極板１３ａ、１３ｂは測定流体に対する耐摩耗性等を必要とするので、接液電極板１３ａ、１３ｂとしてはＳＵＳ板を使用することが好ましい。

また、本発明に係る接液式電磁流量計は、管路の内部の一部に空間が存在する非満水管路においても、測定流体を同様に測定することが可能である。

１１ 金属管
１２ 絶縁材
１３ａ、１３ｂ 接液電極板
１４ａ、１４ｂ 信号線
１５ 表面板
１６ 裏面板
１７ 係止部
２２ 信号処理装置
２３ａ、２３ｂ、２４ 演算増幅器
２５ 出力端

上記目的を達成するための本発明に係る接液式電磁流量計は、内面を絶縁材により断面円形に形成した管路と、該管路の管軸に直交して測定流体に磁界を形成する励磁手段と、前記管軸及び前記磁界と直交する方向であって前記絶縁材の内周面に対向して係止し相互に絶縁した一対の接液電極板とを備え、前記接液電極板に生ずる起電力を基に測定流体の流量を測定する接液式電磁流量計であって、前記接液電極板は表面板と裏面板との同形の２枚の金属板を貼り合わせて形成し、前記表面板を平面状の接液面とし、前記裏面板の裏面に設けた係止部により前記絶縁材に密着して係止し、前記接液電極板の管軸方向の電極長を、前記管路の内壁に立つ法線方向と前記管軸及び前記磁界に直交する軸とでなす角度θの余弦に比例するようにしたことを特徴とする。

Claims (7)

1. 内面を絶縁材により断面円形に形成した管路と、該管路の管軸に直交して測定流体に磁界を形成する励磁手段と、前記管軸及び前記磁界と直交する方向であって前記絶縁材の内周面に対向して係止し相互に絶縁した一対の接液電極板とを備え、前記接液電極板に生ずる起電力を基に測定流体の流量を測定する接液式電磁流量計であって、
   前記接液電極板の表面の接液面を平面状とし裏面に係止部を設け、該係止部により前記絶縁材に密着して係止し、前記接液電極板の管軸方向の電極長を、前記管路の内壁に立つ法線方向と前記管軸及び前記磁界に直交する軸とでなす角度θの余弦に比例するようにしたことを特徴とする接液式電磁流量計。
2. 前記接液電極板は表面板と裏面板との同形の２枚の金属板を貼り合わせて形成し、前記表面板を接液面とし、前記裏面板に設けた係止部により前記絶縁材に係止したことを特徴とする請求項１に記載の接液式電磁流量計。
3. 前記裏面板の係止部は後方に突出した多数の突起とし、前記接液電極板を前記突起により前記絶縁材に係止したことを特徴とする請求項２に記載の接液式電磁流量計。
4. 前記裏面板の係止部は前記裏面板に設けた多数の孔部とし、前記接液電極板を前記孔部により前記絶縁材に係止したことを特徴とする請求項２に記載の接液式電磁流量計。
5. 前記絶縁材はゴム材、合成樹脂材から成り、金属管の内面にライニングにより形成したことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の接液式電磁流量計。
6. 前記一対の接液電極板は先端の細状部をそれぞれ切欠することにより、相互に絶縁したことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の接液式電磁流量計。
7. 前記一対の接液電極板の細状部同士は前記管路の管軸方向にずらして、前記細状部同士を絶縁したことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の接液式電磁流量計。

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