JP2017508973A - 磁気流量計のための改善された磁性コア構成 - Google Patents

Abstract

磁気流量計（１０２）のための流管アセンブリ（２００）が、提供される。流管アセンブリ（２００）は、プロセス流体の流れを受けるように構成された流管（２０２）を含む。磁コア（２２４）は、流管（２０２）と関連して取り付けられ、透磁性材料の複数の層（３００）を含む。各々の層（３００）は、実質的に平面で、他の複数の層（３００）から電気的に絶縁される。コイル（２１６）は、各々の層（３００）の平面と実質的に直交する磁力線を有した磁場を生成するように配設される。

Description

背景
磁気流量計（又は磁気メータ）は、ファラデーの法則の適用、すなわち電磁効果、により流れを測定する。磁気流量計は、電気的に絶縁された導電性プロセス流を横断する磁場を生成する界磁巻線に励磁電流を流すことによって、１つ以上のコイルを励磁する。起電力（ＥＭＦ）が、磁場を横断してプロセス流体が流れることによって発生し、流体を横断する誘起電圧（電位）と、残りのプロセス流体に関する誘起電圧（電位）の両方が、流れているプロセス流体に接触する１つ以上の導電性電極によって容易に測定され得る。代替的に、電位がプロセスへの直接の電気的接続なしで測定され得るように、いくつかの磁気流量計は、電極とプロセス流体との間の容量性結合を利用する。体積流量は、流れの速度及び流管の断面積に比例する。流れの速度が、電極電位（ＥＶ）に正比例するように、電極電位（ＥＶ）は、誘導磁場強度（Ｂ）に正比例し、誘導磁場強度は、印加磁場（Ｈ）に比例しているとされ、印加磁場は、励磁電流の大きさに直接関連し、直接の相関が、測定された電極電位と指示された体積流量との間に提供される。

磁気流量計は、様々な導電性及び半導電性の流体の流れを測定する環境において有用である。特に、水を主成分とする流体、イオン溶液、及び他の伝導性の流体の流れがすべて、磁気流量計を使用して測定され得る。したがって、磁気流量計は、水処理施設、飲料及び衛生的な食品の製造、化学的処理、高純度薬品製造、並びに危険かつ腐食性の処理施設において見いだされ得る。磁気流量計は、多くの場合、研磨用かつ腐食性のスラリを使用した水圧破砕技術を利用することがある炭化水素燃料産業において利用される。

概要
磁気流量計のための流管アセンブリが、提供される。流管アセンブリは、プロセス流体の流れを受けるように構成された流管を含む。磁性コアは、流管と関連して取り付けられ、透磁性材料の複数の層を含む。各々の層は、実質的に平面で、他の複数の層から電気的に絶縁される。コイルは、各々の層の平面と実質的に直交する磁力線を有した磁場を生成するように配設される。

磁気流量計を含んだプロセス制御システムを示す概略図である。 本発明の実施形態が特に適用可能な、磁気流量計のブロック図である。 本発明の一実施形態に従った磁気流量計の流管アセンブリの斜視図である。 本発明の一実施形態に従った磁気流量計の磁性コアの上面図である。 本発明の一実施形態に従った磁気流量計の磁性コアの縦側面図である。

発明の詳細な説明
図１は、磁気流量計１０２のための代表的な環境１００を例示する。磁気流量計１０２は、制御弁１１２に結合された線１０４で概略的に例示されるプロセス配管に同様に結合される。磁気流量計１０２は、プロセスの配管１０４を通るプロセス流体流と関連した流速出力を提供するように構成される。このようなプロセス流体の例としては、化学、パルプ、製薬、及び他の流体プロセスプラントのスラリ及び液体が挙げられる。

磁気流量計１０２は、流管１０８に接続された電子装置ハウジング１２０を含む。磁気流量計１０２出力は、プロセス通信接続１０６を介した制御装置又は指示装置への長距離にわたる伝送用に構成される。代表的なプロセスプラントでは、通信接続１０６は、デジタル通信プロトコル又はアナログ通信信号のどちらかであり得る。同じ又は追加的なプロセス情報が、無線通信、パルス幅若しくは周波数出力、又は別個の入力／出力（ＤＩ／ＤＯ）を介して利用可能となり得る。システム制御装置１１０は、人間のオペレータに対して流れ情報を表示するだけでなく、弁１１２などの制御弁を使用してプロセスを制御するためにプロセス通信接続１０６を通じて制御信号を提供することができる。

図２は、本発明の実施形態が特に適用可能な、磁気流量計のブロック図である。磁気流量計１０２は、流管アセンブリ１０８を通る導電性プロセス流体の流れを測定する。コイル１２２は、コイルドライバ１３０からの印加励磁電流に応じて流体流中に外部磁場を印加するように構成される。ＥＭＦセンサ（電極）１２４は、流体流に電気的に結合し、印加磁場、流体速度、及びノイズにより流体流に発生するＥＭＦに関連した増幅器１３２にＥＭＦ信号出力１３４を提供する。アナログデジタル変換器１４２は、デジタル化されたＥＭＦ信号をマイクロプロセッサシステム１４８に提供する。信号プロセッサ１５０は、流体速度に関連した出力１５２を提供するためにＥＭＦ出力１３４に結合する流量計電子装置１４０のマイクロプロセッサシステム１４８内に実装される。

マイクロプロセッサシステム１４８は、ファラデーの法則の適用において説明されるようなＥＭＦ出力１３４と流れの速度との関係に従って、流管１０８を通る流体流速度を算出する。

式中、Ｅは、ＥＭＦ出力１３４に関連した信号出力１５２であり、Ｖは、流体の速度であり、Ｄは、流管１０８の直径であり、Ｂは、流体中の誘導磁場の強度であり、ｋは、比例定数である。このファラデーの法則の適用の意味は、励磁電流Ｉが誘導磁場Ｂに正比例すると認められることである。コイルドライバ１３０は、励磁電流、及び、速度測定値の精度に重要な、誘導磁場又は励磁電流の測定値を提供する。励磁電流の測定値は、線１３１を通って提供される。マイクロプロセッサシステム１４８は、公知の技術に従ってプロセス流体の流れを算出するために、速度、及び測定された磁場又はコイル電流を使用する。マイクロプロセッサシステム１４８に結合されたデジタルアナログ変換器１５８は、通信バス１０６に結合するためのアナログ送信機出力１６０を生成する。デジタル通信回路１６２は、デジタル送信機出力１６４を生成する。アナログ出力１６０及び／又はデジタル出力１６４は、所望により、プロセス制御装置又は監視装置に結合され得る。

本発明の実施形態は、すべての磁気流量計に適用可能であるが、特に、比較的小さな直径の流管を有した磁気流量計に関連する。これらの比較的小さなラインサイズの流管のための、界磁巻線構造を実現するときの従来の磁性コアの包含又は空芯構造の使用は、界磁コイルの多くの巻数によって形成されるインダクタンスの高いＱ（品質係数）による、磁気流量計のコイルドライバ電気回路の振動の原因となり得る。中実鋼又は高価でないコア材を使用することを含むアプローチが、Ｑを最小にするために使用され得るが、多くの場合、励磁電流が供給する印加磁場（Ｈ）と誘導磁場（Ｂ）との間に許容できない位相遅延をもたらし、システムにエラーをもたらす。

励磁電流に対する十分な磁場忠実度を維持しながら、コイルドライバ電子装置に駆動が容易な負荷を提示する磁気的に効率よく、低い磁気抵抗で、高利得な磁気回路を生成することは、磁気流量測定の現行技術を改善する。

以下に記載される種々の実施形態によれば、直交コア磁気流量計の流管設計は、正確及び反復可能な流量計システムを構築する必要がある周波数応答及び速いセットリング時間を提供しながら、品質係数（Ｑ）、インダクタンス（Ｌ）、及びコイルドライバに対する負荷である抵抗（Ｒ）を精密かつ直接に制御する能力を提供する。コア構造を介して誘導性負荷のＱを制御することにより、設計者は、界磁巻線の抵抗を低減し、更に好適な減衰要因をシステムに提供することができ、励磁電流の安定化が容易になる。これにより、界磁コイルの抵抗要素を低減し、巻線において散逸される抵抗力を低減させることができる。以下に提供される実施形態は、従来の流管構造よりも少ない銅を使用し、これにより磁気効率を強化することが可能である。

ファラデーの電磁誘導の法則に含意される制限により、導体ｌ（流管の内側の直径Ｄ）が小さいときに、高い誘導地場Ｂが必要な生成電圧Ｅを提供するために必要であり、高いアンペアターンが印加磁場Ｈを生成するために使用される必要がある。効率の問題により、多巻数の磁気ワイヤが使用され、アンペアターンの電流部分を一定に保持する。これが、Ｎが巻数である関係により、インダクタンスを高くする。このように、低いヒステリシスの十分な磁気性能を有した許容可能な低さのＬ及びＱ値を有する小さいラインサイズの磁気回路を作製することはとりわけ困難である。

その後、実質的に平面で、積層板の平面が流管において誘導される磁束と実質的に直交するように配向された積層板を使用して、磁性コアが開発された。誘導される磁束と直交する積層板の層における磁気的に適合する材料の使用は、インダクタンス及び前記インダクタンスの品質係数の両方を直接低減させる。これにより、磁気回路を、コイル駆動の出力段階に対する周波数を超える抵抗負荷とみなすことができる。各々の層の間の絶縁電気被覆のタイプ及び厚さに加えて、コアの積層板の厚さ、タイプ、及び数を規定することによって、回路の磁気抵抗、許容可能なヒステリシス、及び磁気回路の互換性を正確に制御することができる。

図３は、本発明の一実施形態に従った磁気流量計流管アセンブリの概略斜視図である。流管アセンブリ２００は、パイプ取付フランジ２０４、２０６の間に延在した流管２０２を含む。追加的に、プロセス流体が、一般的に金属である流管２０２に接触しないように、非導電性ライナ２０８が、一般的に流管２０２内に提供される。一対のエンドキャップ２１０、２１２が、パイプ取付フランジ２０４、２０６の間に配設される。円筒形のカバー（図３には図示せず）が、エンドキャップ２１０、２１２に取り付けられ得る。カバーは図３には示されないが、その描写は、図１において参照番号１０５で概略的に例示されるものと類似する。電極１２４は、流管２０２の対向側面に取り付けられて、いくつかの実施形態ではプロセス流体と直接接触するように、ライナ２０８を通って流管２０２内に延在する。取付スタッド２１４は、流管２０２に付設されて、そこから上へ延在して例示される。図３に示される分解図は、分解した形でアセンブリの上部分を例示する。しかしながら、アセンブリの下部分は、分解した形で例示されず、参照番号２４０で概略的に示される。したがって、一対のコイル及び磁性コアは、流管２０２を通って磁場を導くために協働し、磁場は、（図３に示される配列に対して）実質的に垂直な配向の磁力線を有する。

スプール２１６は、その間に多数の電気ワイヤの巻線を包含する一対のフランジ２１８及び２２０を含む。スプール２１６はまた、磁性コア２２４を受けるようなサイズ及び形状にされた内径２２２を含む。したがって、スプール２１６の巻線は、実質的に磁性コア２２４の外側を巻回するように配列される。スプール／巻線サブアセンブリは、流管を横切る磁場を生成するコイルであると考えられる。本発明の一実施形態に従って、これらの磁力線は、磁性コア２２４の個々の積層板の平面を通り実質的に直交して走る。磁性コア２２４は、取付スタッド２１４の通過を可能にするようなサイズにされた穴又は開口２２６を含む。しかしながら、磁性コア２２４を取り付ける任意の好適な方法が使用され得る。

図３の分解された要素を組み立てるために、コア２２４は、内径２２２内に配置され、コア２２４の開口２２６は、取付スタッド２１４上に配置される。更に、磁気リターンアセンブリ２３０の開口２２８が同様に、取付スタッド２１４上を摺動する。磁気リターンアセンブリ２３０は、取付スタッド２１４上を摺動する開口２３４によって取り付けられる支持棒２３２により、磁性コア２２４と密接する。最後に、取付ナット２３６が、流管２０２上へアセンブリ全体を圧縮する。理解されるように、実質的な平面接触が、磁性コア２２４と磁気リターンアセンブリ２３０との間に提供される。したがって、磁性コアと磁気リターンアセンブリ２３０との間の界面は、磁気回路の２つの部分の密な結合を可能にする。これは、構築し易さを増加させて、全磁気回路に非常に反復性のある測定可能なパラメータを提供する。更に、いくつかの実施形態では、同じタイプの磁性材料が、磁性コア２２４の積層板及び磁気リターンアセンブリ２３０のために使用され得る。より詳細には、一実施形態では、磁性コア２２４及び磁気リターンアセンブリ２３０の各々が、高品位ケイ素鋼などの、好適な磁性材料で構築される。しかしながら、本発明の実施形態は、磁性コア及び磁気リターンアセンブリが同じ材料で構築されない場合に、実践されてもよい。理解されるように、図３に例示される装置が組み立てられるとき、閉磁気回路が、流管カバーがない場合にも提供される。これは、アセンブリが任意のハウジングを付設する前に試験され得ること、新しいハウジング材料が、将来的に望ましくなった際に、磁気回路とは独立して選択され得ることを意味する。

図４Ａ及び図４Ｂは、それぞれ、本発明の一実施形態に従った磁性コアアセンブリの上面及び縦側面図である。磁性コアアセンブリ２２４は、複数の積み重ねられた個々の金属層からなる。各々のこのような層は、透磁性材料で形成されて、絶縁層によってその隣接層と絶縁される。いくつかの実施形態では、個々の金属層は、ワニスなどの絶縁材料で被覆され得る。しかしながら、任意の好適な絶縁構成が、本発明の実施形態に従って利用され得る。図４Ｂに示されるように、４０の個々の層が例示される。追加的に、図４Ａに示されるように、個々の層３００は各々、ｘ軸及びｙ軸で実質的に線対称である。更に、いくつかの実施形態では、個々の端及び角は、平滑化されている。上に記載されたように、Ｑ、Ｌ、及びＲなどの、コイルドライバに提供される回路の種々のパラメータは、性能最適化を可能にするために、磁性コア及び界磁巻線の物理的パラメータを組み合わせて選択することによって調整され得る。例えば、磁気抵抗、インダクタンスの品質係数、及びインダクタンスを調整するために、積層板の数、積層板材料、積層板の厚さ、及び／又は配向が選択され得る。追加的に、絶縁材料のタイプ及び厚さを規定することによって、同様に、磁気抵抗Ｒなどの磁気回路の追加的なパラメータを直接制御することができる。

本発明の実施形態は、頑強な電流制御ループを可能にし、広い作動範囲にわたるシステム安定性を確実なものにし、その一方で更に、構造的に狭窄な空間で実現されると考えられる。追加的に、印加磁場の幾何学的及び強度的な扱いが、本明細書において説明される種々の実施形態に従って提供され得る。この加えられる磁場の「成形」によって、構造は、異なるサンプル、例えば大きいサイズで−流れプロファイルの経路−を提供することができ−コアの最も広い部分（したがって磁場の最も広い部分）が流れプロファイル全体を横切るようにコアを回転移動させることができる。

追加的な利点が、磁場の密な結合によって提供される。これは、非常に低いアンペアターン条件で駆動する。非常に低いアンペアターン条件は、二線式４〜２０mA制御ループ又はバッテリから実際に電力を供給され得る、低電力磁気流量計に直接適用され得る。これは、非常に低い銅（抵抗）損だが、電流制御ループに必要な安定性を提供するために十分に低いＱの磁気回路を提供する。

密な結合の磁場はまた、高周波／高サンプルレート磁気流量計を提供する能力を提供する。これは、低いアンペアターンが非常に低いインダクタンスを提供するためであり、低いＱは、よりアグレッシブな（アンダーダンプな）コイル制御を可能にし、アグレッシブなコイル制御は、コイル励磁を、高周波及び／又は異なる波形で駆動することができる。例えば、５００Hzの正弦波コイル駆動信号が使用され得る。これは、プロセス流信号に典型的に存在する１／ｆノイズより大きく流れ信号を上昇させるので、信号対ノイズ比（ＳＮＲ）を改善することができる。

Claims (26)

1. 磁気流量計のための流管アセンブリであって、
   通過するプロセス流体の流れを受けるように構成された流管と、
   流管と関連して取り付けられ、透磁性材料の複数の層を含む第１の磁性コアであり、各々の層が、実質的に平面で、他の複数の層から電気的に絶縁される、第１の磁性コアと、
   各々の層の平面と実質的に直交する磁力線を有した磁場を生成するように配設された第１のコイルと、
   を含む流管アセンブリ。
2. 複数の層が積み重ねられる、請求項１に記載の流管アセンブリ。
3. 複数の層の各々が、絶縁材料で被覆される、請求項１に記載の流管アセンブリ。
4. 絶縁材料がワニスである、請求項３に記載の流管アセンブリ。
5. 第１の磁性コアの物理的パラメータが、第１の磁性コアの所望の電気的特性に基づいて選択される、請求項１に記載の流管アセンブリ。
6. 物理的特性が、複数の層の、層の数である、請求項５に記載の流管アセンブリ。
7. 物理的特性が、各々の層の厚さである、請求項５に記載の流管アセンブリ。
8. 物理的特性が、各々の層が構築される材料である、請求項５に記載の流管アセンブリ。
9. 物理的特性が、層配向である、請求項５に記載の流管アセンブリ。
10. 物理的特性が、各々の層を他から絶縁するために使用される材料である、請求項５に記載の流管アセンブリ。
11. 物理的特性が、絶縁厚さである、請求項５に記載の流管アセンブリ。
12. 所望の電気的特性が、インダクタンスである、請求項５に記載の流管アセンブリ。
13. 所望の電気的特性が、抵抗である、請求項５に記載の流管アセンブリ。
14. 第１の磁性コアの物理的パラメータが、第１の磁性コアの所望の磁気特性に基づいて選択される、請求項１に記載の流管アセンブリ。
15. 所望の磁気特性が、磁気抵抗である、請求項１４に記載の流管アセンブリ。
16. 流管に固定され、流管に第１の磁性コア及び第１のスプールを取り付ける取付スタッドを更に含む、請求項１に記載の流管アセンブリ。
17. 透磁性材料で形成され、第１の磁性コアに結合された磁気リターンアセンブリを更に含む、請求項１に記載の流管アセンブリ。
18. 磁気リターンアセンブリ及び第１の磁性コアが、同じ透磁性材料で形成される、請求項１７に記載の流管アセンブリ。
19. 透磁性材料がケイ素鋼である、請求項１８に記載の流管アセンブリ。
20. 流管上に第１の磁性コアと対向して取り付けられ、透磁性材料の複数の層を含む第２の磁性コアであり、各々の層が、実質的に平面で、他の複数の層から電気的に絶縁される第２の磁性コアと、
    各々の層の平面と実質的に直交する磁力線を有した磁場を生成するように配設された第２のコイルと、
    を更に含む、請求項１に記載の流管アセンブリ。
21. プロセス流体に接触するように配設された一対の電極を更に含む、請求項１に記載の流管アセンブリ。
22. プロセス流体の流れの速度を測定する磁気流量計であって、
    通過するプロセス流体の流れを受けるように構成された流管と、
    流管の対向する位置に設置され、各々が透磁性材料の複数の層を含む一対の磁性コアであり、各々の層が、実質的に平面で、他の複数の層から電気的に絶縁される、一対の磁性コアと、
    各々の層の平面と実質的に直交する磁力線を有した磁場を生成するように各々が配設される一対のコイルと、
    流管を通って流れるプロセス流体に接触するように配設された一対の電極と、
    一対の電極対、及び一対のコイルに結合された流量計の電子装置であり、一対のコイルを介して磁場を生成して、一対の電極を介してプロセス流体に誘導された誘導起電力（ＥＭＦ）を測定するように構成される流量計の電子装置と、
    を含む流管アセンブリを備える磁気流量計。
23. 有線のプロセス通信ループに結合する電気回路を含み、プロセス通信ループによって完全に電力を供給される、請求項２２に記載の磁気流量計。
24. バッテリ式で電力が供給される、請求項２２に記載の磁気流量計。
25. 流量計の電子装置が、励磁信号を一対のコイルに提供するように構成され、励磁信号の周波数が、約５００Hzである、請求項２２に記載の磁気流量計。
26. 流量計の電子装置が、正弦波の励磁信号を一対のコイルに提供するように構成される、請求項２２に記載の磁気流量計。

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