JP2019158579A - 容量式電磁流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】ガード電極やシールドケーブルを必要とすることなく、励磁コイルや流体からの熱影響や磁気回路による磁束微分ノイズの影響を抑制する。【解決手段】面電極１０Ａ，１０Ｂで検出された起電力を増幅するプリアンプ５Ｕが実装されたプリアンプ基板５を、磁束Φが発生する磁束領域Ｆの外側位置であって、かつ、測定管２と交差する方向に配置する。【選択図】 図１

Description

本発明は、流体に発生する起電力を検出する電極を、流体と接触させることなく、流体の流量を計測する容量式電磁流量計に関する。

電磁流量計は、測定管内を流れる流体の長手方向に対して直交する方向に磁界を発生させる励磁コイルと、測定管に配置され、励磁コイルによって発生した磁界と直交する方向に配置された一対の電極を備え、励磁コイルに流す励磁電流の極性を交互に切り替えながら上記電極間に発生する起電力を検出することにより、測定管内を流れる被検出流体の流量を計測する計測機器である。

一般に、電磁流量計は、測定管の内側壁面に設けられた電極を計測対象の流体に直接接触させて、上記流体の起電力を検出する接液式と、測定管の外側部に設けられた電極を計測対象の流体に接触させることなく、上記流体の起電力を流体と電極間の静電容量を介して検出する容量式（非接液式）とに大別される。

容量式の電磁流量計では、電極間に発生した起電力を信号増幅回路（例えば差動増幅回路）によって増幅してから、Ａ／Ｄ変換回路によってデジタル信号に変換し、そのデジタル信号をマイクロコントローラ等のプログラム処理装置に入力して所定の演算処理を実行することにより、流量の計測値を算出している。このような容量式の電磁流量計は、電極が劣化し難くメンテナンスが容易であることから、近年、特に注目されている。

しかしながら、容量式の電磁流量計は、被検出流体と電極とが非接触となるように構成されていることから、被検出流体と電極との間のインピーダンスが非常に高くなり、初段信号増幅回路がノイズ影響を受けやすくなる。そのため、電極と信号増幅回路の入力端子との間の配線にノイズが重畳すると、電磁流量計の計測精度および計測安定性が低下するという問題があった。

従来、このような被検出流体−電極間の高インピーダンスに起因するノイズ影響を低減するための技術として、ガード電極やシールド配線を用いた従来技術１が提案されている（特許文献１など参照）。この従来技術１では、図１１および図１２に示すように、流路９０を形成する測定管９０Ａの外側部のうち、励磁コイル９１Ａ，９１Ｂにより発生する磁界と直交する位置に一対の面電極９２Ａ，９２Ｂを対向配置し、これら面電極９２Ａ，９２Ｂをそれぞれ個別のガード電極９３Ａ、９３Ｂで覆い、さらに面電極９２Ａ，９２Ｂとプリアンプ基板９６に実装されているプリアンプ９５Ａ，９５Ｂとを、シールド配線９４Ａ，９４Ｂで接続することにより外部ノイズの影響を低減している。

また、近年、ＦＡ市場向けの小型の容量式電磁流量計に関するノイズ対策技術として、シールドケースを用いた従来技術２が提案されている（特許文献２など参照）。この従来技術２では、図１３、図１４および図１５に示すように、容量式電磁流量計を小型化するため、プリアンプ基板を２つのプリアンプ基板９６Ａ，９６Ｂに分離し、面電極９２Ａ，９２Ｂのそれぞれの直近に配置し、面電極９２Ａ，９２Ｂからプリアンプ基板９６Ａ，９６Ｂまでの電気回路全体をシールドケース９７によりカバーし、外部ノイズの影響を低減している。

特開２００４−２２６３９４号公報 特開２０１４−１８１９１８号公報

佐々木幸人、「ＳＺ／ＦＦ方式新型電磁流量計」、資源と素材、日本鉱業会誌、Vol. 97(1981)、No. 1124、11-14頁

しかしながら、このような従来技術１にかかる従来の容量式電磁流量計によれば、配線材のコストがかかるとともに配線作業に手間がかかるという課題があった。また、従来技術２にかかる従来の容量式電磁流量計によれば、励磁コイルや流体からの熱影響や磁気回路による磁束微分ノイズの影響を受けやすいという課題があった。

まず、従来技術１の容量式電磁流量計では、図１１に示すように、差動増幅器９５Ｃで信号を増幅する前にゲイン１倍のプリアンプ９５Ａ，９５Ｂによるインピーダンス変換が行われ、得られた低インピーダンス出力信号で、ガード電極９３Ａ、９３Ｂおよびシールド配線９４Ａ，９４Ｂのシールド導体をシールドドライブしている。これは、図１２に示された通り、面電極９２Ａ，９２Ｂからプリアンプ基板９６まで、ある程度の距離があるため、シールド配線９４Ａ，９４Ｂの芯線−シールド導体間静電容量により流量信号レベルが減衰してしまうのを防止するためである。

したがって、このように面電極９２Ａ，９２Ｂとプリアンプ基板９６との距離が離れている場合、シールド配線９４Ａ，９４Ｂを使用してシールドドライブする必要があり、配線材のコストがかかるとともに配線作業に手間がかかるという課題があった。

一方、従来技術２の容量式電磁流量計では、プリアンプ基板９６Ａ，９６Ｂを面電極９２Ａ，９２Ｂの直近に配置できるため、従来技術１のようなガード電極９３Ａ、９３Ｂおよびシールド配線９４Ａ，９４Ｂが不要となり、当然プリアンプ９５Ａ，９５Ｂによるシールドドライブも不要となる。このため、配線材のコストや配線作業負担を削減することができる。

しかし、従来技術２の容量式電磁流量計のように、プリアンプ基板９６Ａ，９６Ｂを面電極９２Ａ，９２Ｂの直近に配置するということは、図１３および図１４に示すように、励磁コイル９１Ａ，９１Ｂの直近であって、かつ、これら２つの励磁コイル９１Ａ，９１Ｂの間に配置することになる。このため、励磁コイル９１Ａ，９１Ｂでの発熱の影響を非常に受けやすくなる。

また、プリアンプ基板９６Ａ，９６Ｂは、図１５に示すように、基板ホルダ９８Ａ，９８Ｂを介して測定管９０Ａに固定されているため、基板ホルダ９８Ａ，９８Ｂを介して測定管９０Ａ内を流れる流体の流体温度の影響を受けやすくなる。この際、プリアンプ基板９６Ａ，９６Ｂが上下に分かれているため、容量式電磁流量計の設置条件によっては上側プリアンプ基板９６Ａと下側プリアンプ基板９６Ｂとの間に温度差が発生し、さらに熱影響が大きくなる。このため、これらの熱影響によりプリアンプ９５Ａ，９５Ｂが異なる温度ドリフトを起こし、計測精度が悪化してしまうという課題があった。

また、図１４に示すように、プリアンプ基板９６Ａ，９６Ｂが磁気回路による磁束Φの磁束領域Ｆの直近にあるため、励磁極性切り替え時の磁束微分ノイズの影響も受けやすいという課題もあった。例えば、図１６に示されているような、励磁コイル９１Ｃとヨーク９１Ｄとからなる磁気回路９１により、磁束がプリアンプ基板９６Ａ，９６Ｂの銅箔パターンを通過すると、渦電流による磁束微分ノイズが発生する（非特許文献１など参照）。

このような磁束微分ノイズの影響は、図１７のように面電極９２Ａ，９２Ｂから得られる流量信号（起電力）に現れ、磁束微分ノイズの影響が大きいほど流量信号が安定するまでの待ち時間が長くなってしまう。このため、励磁周波数を高くすることができず、１／ｆノイズの影響を受けやすくなってしまうという課題があった。

また、磁束微分ノイズは、シールド配線９４Ａ，９４Ｂでも発生する。例えば図１８に示すように、磁束Φの磁束方向Ｙと交差してシールド配線９４Ａ，９４Ｂを配置した場合、シールド配線９４Ａ，９４Ｂにより形成される信号ループＬＰの大きさに応じて、磁束微分ノイズが発生する。したがって、磁束微分ノイズを低減するためには、磁束方向Ｙから見た信号ループＬＰのループ面積Ｓを極力小さくする必要があるが、シールド配線９４Ａ，９４Ｂが長ければ長いほどループ面積Ｓを小さくすることは難しくなる。

本発明はこのような課題を解決するためのものであり、ガード電極やシールド配線を必要とすることなく、励磁コイルや流体からの熱影響や磁気回路による磁束微分ノイズの影響を抑制できる容量式電磁流量計を提供することを目的としている。

このような目的を達成するために、本発明にかかる容量式電磁流量計は、計測対象となる流体が流れる測定管と、前記測定管の長手方向である第１の方向に対して直交する第２の方向に沿って、前記流体に磁束を印加する励磁コイルと、前記第１および第２の方向と直交する第３の方向に沿って、前記測定管を挟んで前記測定管の外周面に対向配置された、第１および第２の面電極からなる一対の面電極と、前記一対の面電極で検出された起電力を増幅するプリアンプが実装されたプリアンプ基板と、前記第１および第２の面電極と前記プリアンプとをそれぞれ電気的に接続する、第１および第２の接続配線からなる一対の接続配線とを備え、前記プリアンプ基板は、前記第１の方向に沿って、前記励磁コイルから離れた位置 であって、かつ、前記測定管と交差する方向に配置されている。

本発明にかかる他の容量式電磁流量計は、計測対象となる流体が流れる測定管と、前記測定管の長手方向である第１の方向に対して直交する第２の方向に沿って、前記流体に磁束を印加する励磁コイルと、前記第１および第２の方向と直交する第３の方向に沿って、前記測定管を挟んで前記測定管の外周面に対向配置された、第１および第２の面電極からなる一対の面電極と、前記一対の面電極で検出された起電力を増幅するプリアンプが実装されたプリアンプ基板と、前記第１および第２の面電極と前記プリアンプとをそれぞれ電気的に接続する、第１および第２の接続配線からなる一対の接続配線とを備え、前記プリアンプ基板は、前記磁束が発生する磁束領域の外側位置であって、かつ、前記測定管と交差する方向に配置されている。

また、本発明にかかる上記容量式電磁流量計の一構成例は、前記プリアンプ基板が、前記測定管の全部または一部が貫通する管孔を有している。

また、本発明にかかる上記容量式電磁流量計の一構成例は、前記プリアンプ基板が、前記管孔の孔壁面に前記測定管の外周面と当接する複数の凸部を備えている。

また、本発明にかかる上記容量式電磁流量計の一構成例は、前記一対の面電極、前記一対の接続配線、および前記プリアンプをシールドするシールドケースをさらに備えている。

また、本発明にかかる上記容量式電磁流量計の一構成例は、前記プリアンプ基板が、少なくとも前記シールドケースと当接する領域にシールドパターンを有するものである。

また、本発明にかかる上記容量式電磁流量計の一構成例は、前記シールドケースが、前記一対の面電極および前記一対の接続配線をシールドするシールドケースと、前記プリアンプをシールドするシールドケースとの、それぞれ別個の２つのシールドケースからなる。

また、本発明にかかる上記容量式電磁流量計の一構成例は、前記測定管の外周面に形成されて一端が前記第１の面電極に接続された第１の管側配線パターンと、前記プリアンプ基板に形成されて一端が前記プリアンプに接続された第１の基板側配線パターンと、前記第１の管側配線パターンの他端と前記第１の基板側配線パターンの他端とを接続する第１のジャンパー線とから構成されており、前記第２の接続配線は、前記測定管の外周面に形成されて一端が前記第２の面電極に接続された第２の管側配線パターンと、前記プリアンプ基板に形成されて一端が前記プリアンプに接続された第２の基板側配線パターンと、前記第２の管側配線パターンの他端と前記第２の基板側配線パターンの他端とを接続する第２のジャンパー線とから構成されている。

また、本発明にかかる上記容量式電磁流量計の一構成例は、前記測定管はセラミックからなり、前記第１および第２の面電極と前記第１および第２の管側配線パターンとは、前記測定管の外周面にメタライズ処理により一体で形成された金属薄膜からなる。

本発明によれば、容量式電磁流量計において、ガード電極やシールドケーブルを必要とすることなく、励磁コイルや流体からの熱影響や磁気回路による磁束微分ノイズの影響を抑制することができる。このため、これらの熱影響によるプリアンプの温度ドリフトを抑制でき、高い精度で流量を計測することが可能となる。

第１の実施の形態にかかる容量式電磁流量計の検出部を示す斜視図である。 第１の実施の形態にかかる容量式電磁流量計の回路構成を示すブロック図である。 第１の実施の形態にかかる検出部の側面図である。 第１の実施の形態にかかる検出部の上面図である。 第１の実施の形態にかかる検出部の正面図である。 プリアンプを用いた差動増幅回路の構成例である。 第２の実施の形態にかかる検出部の正面図である。 第３の実施の形態にかかる検出部の上面図である。 第３の実施の形態にかかる検出部の側面図である。 第３の実施の形態にかかる検出部の正面図である。 従来の容量式電磁流量計の回路構成例である。 従来の容量式電磁流量計の構造例である。 従来の容量式電磁流量計の構造を示す断面図である。 従来の容量式電磁流量計の構造を示す他の断面図である。 従来の容量式電磁流量計の組立図である。 一般的な容量式電磁流量計の回路構成例である。 磁束微分ノイズの波形例である。 シールド配線による磁束微分ノイズの発生を示す説明図である。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
［第１の実施の形態］
まず、図１および図２を参照して、本発明の第１の実施の形態にかかる容量式電磁流量計１００について説明する。図１は、第１の実施の形態にかかる容量式電磁流量計の検出部を示す斜視図である。図２は、第１の実施の形態にかかる容量式電磁流量計の回路構成を示すブロック図である。

［容量式電磁流量計］
この容量式電磁流量計１００は、励磁コイルから印加した磁束により、測定管内を流れる計測対象である流体に生じた起電力を、測定管の外周面に設けられた電極で、流体と電極との間の静電容量を介して検出し、得られた起電力を増幅した後、サンプリングして信号処理することにより、電極を流体に接液させることなく、流体の流量を測定する機能を有している。

図２に示すように、容量式電磁流量計１００は、主な回路部として、検出部２０、信号増幅回路２１、信号検出回路２２、励磁回路２３、伝送回路２５、設定・表示回路２６、および演算処理回路（ＣＰＵ）２７を備えている。

検出部２０は、主な構成として、測定管２、励磁コイル３Ａ，３Ｂ、面電極１０Ａ，１０Ｂ、およびプリアンプ５Ｕを備え、測定管２内の流路１を流れる流体の流速に応じた起電力Ｖａ，Ｖｂを面電極１０Ａ，１０Ｂで検出し、これら起電力Ｖａ，Ｖｂに応じた交流の検出信号Ｖｉｎを出力する機能を有している。

信号増幅回路２１は、検出部２０から出力された検出信号Ｖｉｎに含まれるノイズ成分をフィルタリングした後、増幅して得られた交流の流量信号ＶＦを出力する。信号検出回路２２は、信号増幅回路２１からの流量信号ＶＦをサンプルホールドし、得られた直流電圧を流量振幅値ＤＦにＡ／Ｄ変換して、演算処理回路２７へ出力する。
演算処理回路２７の流量算出部２７Ｂは、信号検出回路２２からの流量振幅値ＤＦに基づいて流体の流量を算出し、流量計測結果を伝送回路２５へ出力する。伝送回路２５は、伝送路Ｌを介して上位装置との間でデータ伝送を行うことにより、演算処理回路２７で得られた流量計測結果や空状態判定結果を上位装置へ送信する。

励磁回路２３は、演算処理回路２７の励磁制御部２７Ａからの励磁制御信号Ｖｅｘに基づいて、交流の励磁電流Ｉｅｘを励磁コイル３Ａ，３Ｂへ供給する。
設定・表示回路２６は、例えば作業者の操作入力を検出して、流量計測、伝導率測定、空状態判定などの各種動作を演算処理回路２７へ出力し、演算処理回路２７から出力された、流量計測結果や空状態判定結果をＬＥＤやＬＣＤなどの表示回路で表示する。

演算処理回路２７は、ＣＰＵとその周辺回路を備え、予め設定されているプログラムをＣＰＵで実行することにより、ハードウェアとソフトウェアを協働させることにより、励磁制御部２７Ａや流量算出部２７Ｂなどの各種処理部を実現する。

［検出部の構成］
次に、図１、図３〜図５参照して、検出部２０の構成について詳細に説明する。図３は、第１の実施の形態にかかる検出部の側面図である。図４は、第１の実施の形態にかかる検出部の上面図である。図５は、第１の実施の形態にかかる検出部の正面図である。

図１に示すように、測定管２は、円筒形状をなすセラミックや樹脂などの絶縁性および誘電性に優れた材料からなり、測定管２の外側には、測定管２の長手方向（第１の方向）Ｘに対して磁束方向（第２の方向）Ｙが直交するよう、略Ｃ字形状のヨーク（例えば、図１６のヨーク９１Ｄと同形状）と、一対の励磁コイル３Ａ，３Ｂが測定管２を挟んで対向配置されている。なお、図１、図３〜図５では、図を見易くするため、対向するヨーク端面だけ、すなわちヨーク面４Ａ、４Ｂだけを図示している。一方、測定管２の外周面２Ａには、長手方向Ｘおよび磁束方向（第２の方向）Ｙと直交する電極方向（第３の方向）Ｚに、薄膜導体からなる一対の面電極（第１の面電極）１０Ａと面電極（第２の面電極）１０Ｂが対向配置されている。

これにより、交流の励磁電流Ｉｅｘを励磁コイル３Ａ，３Ｂに供給すると、励磁コイル３Ａ，３Ｂの中央に位置するヨーク面４Ａ，４Ｂ間に磁束Φが発生して、流路１を流れる流体に、電極方向Ｚに沿って流体の流速に応じた振幅を持つ交流の起電力が発生し、この起電力が、流体と面電極１０Ａ，１０Ｂとの間の静電容量を介して面電極１０Ａ，１０Ｂで検出される。

この静電容量は数ｐＦ程度と非常に小さく、流体と面電極１０Ａ，１０Ｂとの間のインピーダンスが高くなるため、ノイズの影響を受けやすくなる。このため、オペアンプＩＣなどを用いたプリアンプ５Ｕにより、面電極１０Ａ，１０Ｂで得られた起電力Ｖａ，Ｖｂを低インピーダンス化している。

本実施の形態では、図１に示すように、測定管２と交差する方向であって、励磁コイル３Ａ，３Ｂのヨーク面４Ａ，４Ｂ間で磁束Φが発生する領域すなわち磁束領域Ｆの外側位置に、プリアンプ基板５を測定管２に取り付けてプリアンプ５Ｕを実装し、面電極１０Ａ，１０Ｂとプリアンプ５Ｕとを、接続配線（第１の接続配線）１１Ａおよび接続配線（第２の接続配線）１１Ｂを介して電気的に接続するようにしたものである。

プリアンプ基板５は、電子部品を実装するための一般的なプリント配線基板であり、図５に示すように、プリアンプ基板５のほぼ中央位置に、測定管２を貫通させるための管孔５Ｈが形成されている。したがって、プリアンプ基板５は測定管２と交差する方向に沿って取り付けられていることになる。管孔５Ｈに貫通させた測定管２の外周面２Ａと、管孔５Ｈの端部とを接着剤で固定することにより、測定管２にプリアンプ基板５を容易に取り付けることができる。図５の例では、管孔５Ｈは、プリアンプ基板５の基板端部に向けて開口していないが、管孔５Ｈの周部の一部が、プリアンプ基板５の基板端部に向けて直接開口していてもよく、あるいはスリットを介して間接的に開口していてもよい。

また、図３および図４の例において、プリアンプ基板５の取付位置は、長手方向Ｘ（矢印方向）に流れる流体の下流方向に、磁束領域Ｆから離間した位置である。また、プリアンプ基板５の取付方向は、前述したように、基板面が測定管２と交差する方向、ここでは、磁束方向Ｙおよび電極方向Ｚからなる２次元平面に沿った方向である。なお、プリアンプ基板５の取付位置は、磁束領域Ｆの外側位置であればよく、磁束領域Ｆから下流方向とは反対の上流方向に離間した位置であってもよい。また、プリアンプ基板５の取付方向は、上記２次元平面に沿った方向に厳密に限定されるものではなく、上記２次元平面と傾きを持っていてもよい。

また、面電極１０Ａ，１０Ｂ、接続配線１１Ａ，１１Ｂ、および、プリアンプ５Ｕは、接地電位に接続された金属板からなるシールドケース６で電気的にシールドされている。シールドケース６は、長手方向Ｘに沿って伸延する略矩形状をなし、測定管２が内側を貫通するための開口部が、磁束領域Ｆから上流方向と下流方向に設けられている。

これにより、インピーダンスの高い回路部分全体がシールドケース６でシールドされることにより、外部ノイズの影響を抑制される。この際、プリアンプ基板５のうちプリアンプ５Ｕの実装面とは反対側の半田面に、接地電位に接続された接地パターン（べたパターン）からなるシールドパターン５Ｇを形成してもよい。これにより、シールドケース６を構成する平面のうち、プリアンプ基板５と当接する平面はすべて開口していてもよく、シールドケース６の構造を簡素化できる。

接続配線１１Ａ，１１Ｂは、面電極１０Ａ，１０Ｂとプリアンプ５Ｕとを接続する配線であり、前述したように全体がシールドケース６でシールドされているため、一般的な一対の配線ケーブルを用いてもよい。この際、配線ケーブルの両端を、面電極１０Ａとプリアンプ基板５に形成したパッドにそれぞれ半田付けすればよい。
本実施の形態では、図３および図４に示すように、接続配線１１Ａ，１１Ｂとして、測定管２の外周面２Ａに形成した管側配線パターン１２Ａ，１２Ｂを用いるようにしたものである。

すなわち、接続配線１１Ａは、外周面２Ａに形成されて一端が面電極１０Ａに接続された管側配線パターン（第１の管側配線パターン）１２Ａと、プリアンプ基板５に形成されて一端がプリアンプ５Ｕに接続された基板側配線パターン（第１の基板側配線パターン）５Ａと、管側配線パターン１２Ａと基板側配線パターン５Ａとを接続するジャンパー線（第１のジャンパー線）１５Ａとから構成されている。ジャンパー線１５Ａは、管側配線パターン１２Ａの他端に形成されたパッド１６Ａと、基板側配線パターン５Ａの他端に形成されたパッド５Ｃとに半田付けされる。

また、接続配線１１Ｂは、外周面２Ａに形成されて一端が面電極１０Ｂに接続され、他端がプリアンプ基板５近傍に配置したジャンパー線１５Ｂ接続用のパッド１６Ｂに接続された管側配線パターン（第２の管側配線パターン）１２Ｂと、プリアンプ基板５に形成されて一端がプリアンプ５Ｕに接続された基板側配線パターン（第２の基板側配線パターン）５Ｂと、管側配線パターン１２Ｂと基板側配線パターン５Ｂとを接続するジャンパー線（第２のジャンパー線）１５Ｂとから構成されている。ジャンパー線１５Ｂは、管側配線パターン１２Ｂの他端に形成されたパッド１６Ｂと、基板側配線パターン５Ｂの他端に形成されたパッド５Ｄとに半田付けされる。

これにより、接続配線１１Ａ，１１Ｂのうち、面電極１０Ａ，１０Ｂからプリアンプ基板５の近傍位置までの区間で、外周面２Ａに形成された管側配線パターン１２Ａ，１２Ｂが用いられることになる。このため、前述した一対の配線ケーブルを用いる場合のように、配線ケーブルの取り回しや固定などの取付作業を簡素化でき、接続配線のコストおよび配線作業負担が軽減される。

さらに、面電極１０Ａ，１０Ｂと管側配線パターン１２Ａ，１２Ｂとは、銅などの非磁性金属薄膜からなり、測定管２の外周面２Ａにメタライズ処理により一体で形成されるため、製造工程を簡素化することができ、製品コストの低減にもつながる。なお、前述のメタライズ処理は、メッキ処理や蒸着処理などであってもよく、さらには、予め成型しておいた非磁性金属薄膜体を貼り付けてもよい。

また、図３および図４に示すように、管側配線パターン１２Ａは、測定管２の外周面２Ａに長手方向Ｘに沿って直線状に形成された長手方向配線パターン（第１の長手方向配線パターン）１３Ａを含み、管側配線パターン１２Ｂは、測定管２の外周面２Ａに長手方向Ｘに沿って直線状に形成された長手方向配線パターン（第２の長手方向配線パターン）１３Ｂを含んでいる。

接続配線１１Ａ，１１Ｂの一部は、磁束領域Ｆの内側あるいはその近傍に配置されるため、接続配線１１Ａ，１１Ｂとして一対の配線ケーブルを用いた場合には、磁束方向Ｙから見た両配線間の位置ズレにより、前述の図１８に示したような信号ループが形成されてしまい、磁束微分ノイズが発生する要因となる。本実施の形態のように、測定管２の外周面２Ａに形成した配線パターンを用いれば、接続配線１１Ａ，１１Ｂの位置を正確に固定化することができる。このため、磁束方向Ｙから見た両配線間の位置ズレを回避でき、磁束微分ノイズを発生を容易に抑制することができる。

さらに、図３および図４に示すように、管側配線パターン１２Ａは、面電極１０Ａのうち、長手方向Ｘに沿った第１の端部１７Ａから長手方向配線パターン１３Ａの一端まで、測定管２の外周面２Ａに測定管２の周方向Ｗに沿って形成された周方向配線パターン（第１の周方向配線パターン）１４Ａを含んでいる。
また、管側配線パターン１２Ｂは、面電極１０Ｂのうち、長手方向Ｘに沿った第２の端部１７Ｂから長手方向配線パターン１３Ｂの一端まで、測定管２の外周面２Ａに測定管２の周方向Ｗに沿って形成された周方向配線パターン（第２の周方向配線パターン）１４Ｂを含んでいる。

この際、長手方向配線パターン１３Ｂは、測定管２を挟んで長手方向配線パターン１３Ａとは反対側の外周面２Ａのうち、磁束方向Ｙから見て長手方向配線パターン１３Ａと重なる位置に形成されている。すなわち、外周面２Ａのうち、管軸Ｊを通過する電極方向Ｚに沿った平面を挟んで対称となる位置に、長手方向配線パターン１３Ａ，１３Ｂが形成されている。

図３および図４の例では、磁束方向Ｙに沿って測定管２の管軸Ｊを通過する平面が外周面２Ａと交差する交差線ＪＡ，ＪＢ上に、長手方向配線パターン１３Ａ，１３Ｂがそれぞれ形成されている。また、周方向配線パターン１４Ａの一端は、面電極１０Ａの第１の端部１７Ａのうち、長手方向Ｘにおける面電極１０Ａの中央位置に接続されている。同じく、周方向配線パターン１４Ｂの一端は、面電極１０Ｂの第２の端部１７Ｂのうち、長手方向Ｘにおける面電極１０Ｂの中央位置に接続されている。

これにより、長手方向配線パターン１３Ａ，１３Ｂが、磁束方向Ｙから見て重なる位置に形成されているため、前述の図１８に示したような信号ループの形成を正確に回避することができ、磁束微分ノイズを発生を容易に抑制することができる。
なお、周方向配線パターン１４Ａ，１４Ｂと面電極１０Ａ，１０Ｂとの接続点は、管軸Ｊを挟んで対称となる位置、すなわち面電極１０Ａ，１０Ｂの長手方向Ｘにおいて互いに同じ位置で接続しておけば、面電極１０Ａ，１０Ｂの中央位置でなくてもよい。

また、交差線ＪＡ，ＪＢ上に長手方向配線パターン１３Ａ，１３Ｂを形成することにより、周方向配線パターン１４Ａ，１４Ｂの長さが等しくなって、管側配線パターン１２Ａ，１２Ｂ全体の長さが等しくなるため、管側配線パターン１２Ａ，１２Ｂの長さの違いに起因して発生する、面電極１０Ａ，１０Ｂからの起電力Ｖａ，Ｖｂの位相差や振幅などのアンバランスを抑制できる。なお、計測精度上、これらアンバランスが無視できる程度であれば、長手方向配線パターン１３Ａ，１３Ｂは、交差線ＪＡ，ＪＢ上でなくてもよく、磁束方向Ｙから見て重なる位置に形成されていればよい。

図６は、プリアンプを用いた差動増幅回路の構成例である。図６に示すように、プリアンプ５Ｕは、面電極１０Ａ，１０Ｂからの起電力Ｖａ，Ｖｂをそれぞれ個別に低インピーダンス化して出力する２つのオペアンプＵＡ，ＵＢを備えている。これらオペアンプＵＡ，ＵＢは、同じＩＣパッケージ内に封止されている（デュアルオペアンプ）。また、これらは、入力されたＶａ，Ｖｂを差動増幅し、得られた差動出力を検出信号Ｖｉｎとして、図２の信号増幅回路２１へ出力する。

具体的には、ＵＡの非反転入力端子（＋）にＶａが入力され、ＵＢの非反転入力端子（＋）にＶｂが入力されている。また、ＵＡの反転入力端子（−）は、抵抗素子Ｒ１を介してＵＡの出力端子に接続されており、ＵＢの反転入力端子（−）は、抵抗素子Ｒ２を介してＵＢの出力端子に接続されている。そして、ＵＡの反転入力端子（−）は、抵抗素子Ｒ３を介してＵＢの反転入力端子（−）に接続されている。この際、Ｒ１，Ｒ２の値を等しくすることによりＵＡ，ＵＢの増幅率は一致する。これらＲ１，Ｒ２の値とＲ３の値によって増幅率が決定される。

面電極１０Ａ，１０Ｂからの起電力Ｖａ，Ｖｂは、互いに逆相を示す信号であるため、ＵＡ，ＵＢを用いてこのような差動増幅回路をプリアンプ基板５上で構成することにより、励磁コイル３Ａ，３Ｂや測定管２から熱の影響を受けてＶａ，Ｖｂに温度ドリフトが発生したとしても、Ｖａ，Ｖｂが差動増幅される。これにより、検出信号Ｖｉｎにおいて、これら同相の温度ドリフトはキャンセルされるとともに、Ｖａ，Ｖｂが加算されることになり、良好なＳ／Ｎ比を得ることができる。

［第１の実施の形態の効果］
このように本実施の形態は、面電極１０Ａ，１０Ｂで検出された起電力を増幅するプリアンプ５Ｕが実装されたプリアンプ基板５を、磁束Φが発生する磁束領域Ｆの外側位置であって、かつ、測定管２と交差する方向に配置したものである。
これにより、励磁コイル３Ａ，３Ｂから離れた位置にプリアンプ基板５が配置されるため、励磁コイル３Ａ，３Ｂから発生する熱の影響を大幅に抑制することができる。

また、測定管２と交差する方向にプリアンプ基板５が取り付けられるため、測定管２の外周面２Ａに沿ってプリアンプ基板５を取り付けた場合と比較して、測定管２内を流れる流体からの放射熱の影響を大幅に抑制することができる。
このため、これらの熱影響によるプリアンプ５Ｕの温度ドリフトを抑制でき、高い精度で流量を計測することが可能となる。

また、励磁コイル３Ａ，３Ｂから離れた位置にプリアンプ基板５が配置されるため、プリアンプ基板５上の配線パターンを磁束Φが横切った際に生じる磁束微分ノイズを抑制することができる。特に、磁束方向Ｙに沿った方向にプリアンプ基板５を取り付けることにより、プリアンプ基板５の配線パターンが磁束Φとほぼ並行となるため、配線パターンにより形成される信号ループの、磁束方向Ｙから見た断面積を極めて小さくすることができ、磁束微分ノイズを大幅に抑制することができる。

また、本実施の形態において、プリアンプ基板５に、測定管２の全部または一部が貫通する管孔５Ｈを設けてもよい。
これにより、プリアンプ基板５を測定管２と交差する方向に容易に取り付けることができ、取り付けの際には、接着剤などで容易に取り付けることができ、プリアンプ基板５の取付けに要する構成を簡素化できる。さらに、測定管２に管孔５Ｈを貫通させることにより、少ない空間スペースでプリアンプ基板５を測定管２と交差する方向に取り付けることができ、ＦＡ市場の要求に合致した容量式電磁流量計の小型化を実現することができる。

また、本実施の形態において、シールドケース６により、面電極１０Ａ，１０Ｂ、接続配線１１Ａ，１１Ｂ、およびプリアンプ５Ｕをシールドするようにしてもよい。
これにより、インピーダンスの高い回路部分全体がシールドケース６でシールドされるため、外部ノイズの影響を抑制することができる。

また、本実施の形態において、プリアンプ基板５のうち、少なくともシールドケース６と当接する領域に、接地電位に接続されたグランドプレーンからなるシールドパターン（接地パターン）を形成してもよい。
これにより、シールドケース６のうちプリアンプ基板５と当接する面が開口していてもよく、シールドケース６の構造を簡素化できる。

また、本実施の形態において、接続配線１１Ａを、外周面２Ａに形成されて一端が面電極１０Ａに接続された管側配線パターン１２Ａと、プリアンプ基板５に形成されて一端がプリアンプ５Ｕに接続された基板側配線パターン５Ａと、管側配線パターン１２Ａの他端と基板側配線パターン５Ａの他端とを接続するジャンパー線１５Ａとから構成してもよい。
同じく、接続配線１１Ｂを、外周面２Ａに形成されて一端が面電極１０Ｂに接続された管側配線パターン１２Ｂと、プリアンプ基板５に形成されて一端がプリアンプ５Ｕに接続された基板側配線パターン５Ｂと、管側配線パターン１２Ｂの他端と基板側配線パターン５Ｂの他端とを接続するジャンパー線１５Ｂとから構成してもよい。

これにより、接続配線１１Ａ，１１Ｂのうち、面電極１０Ａ，１０Ｂからプリアンプ基板５の近傍位置までの区間で、外周面２Ａに形成された管側配線パターン１２Ａ，１２Ｂが用いられることになる。このため、前述した一対の配線ケーブルを用いる場合のように、配線ケーブルの取り回しや固定などの取付作業を簡素化できる。

また、本実施の形態において、管側配線パターン１２Ａを、長手方向Ｘに沿ってプリアンプ基板５の近傍位置から磁束領域Ｆの方向に形成された長手方向配線パターン１３Ａと、測定管２の周方向Ｗに沿って長手方向配線パターン１３Ａの端点から面電極１０Ａまで形成された周方向配線パターン１４Ａとから構成してもよい。
同じく、管側配線パターン１２Ｂを、長手方向Ｘに沿ってプリアンプ基板５の近傍位置から磁束領域Ｆの方向に、磁束方向Ｙから見て長手方向配線パターン１３Ａと重なる位置に形成された長手方向配線パターン１３Ｂと、測定管２の周方向Ｗに沿って長手方向配線パターン１３Ｂの端点から面電極１０Ｂまで形成された周方向配線パターン１４Ｂとから構成してもよい。

これにより、長手方向配線パターン１３Ａ，１３Ｂが、磁束方向Ｙから見て重なる位置に形成されているため、前述の図１８に示したような信号ループの形成を正確に回避することができ、磁束微分ノイズを発生を容易に抑制することができる。

［第２の実施の形態］
次に、図７を参照して、本発明の第２の実施の形態にかかる容量式電磁流量計について説明する。図７は、第２の実施の形態にかかる検出部の正面図である。
第１の実施の形態では、測定管２に対するプリアンプ基板５の取付方法として、管孔５Ｈに貫通させた測定管２の外周面２Ａと、管孔５Ｈの端部とを接着剤で固定する場合を例として説明した。本実施の形態では、管孔５Ｈの端部を測定管２の外周面２Ａに圧接させることにより、プリアンプ基板５の取れ付ける場合について説明する。

図７に示すように、本実施の形態にかかるプリアンプ基板５は、管孔５Ｈの孔壁面に凸部５Ｔを備え、この凸部５Ｔが外周面２Ａと当接するようにしたものである。これにより、管孔５Ｈの端部が外周面２Ａと部分的に接触することになり、管孔５Ｈの端部の全周にわたって外周面２Ａと接する構成と比較して、測定管２からプリアンプ基板５に伝わる熱の影響を抑制することができる。

また、測定管２を管孔５Ｈに圧入する際、凸部５Ｔの変形や凸部５Ｔにより形成された、管孔５Ｈの端部と外周面２Ａとの隙間により、測定管２を圧入しやすくなるため、圧入専用の治具を用意する必要がなく、作業負担を軽減できる。
また、測定管２を管孔５Ｈに圧入することによりプリアンプ基板５を容易に固定することができ、ジャンパー線１５Ａ，１５Ｂを管側配線パターン１２Ａ，１２Ｂと基板側配線パターン５Ａ，５Ｂに半田付けする際の作業負担も軽減できる。

［第３の実施の形態］
次に、図８〜図１０を参照して、本発明の第３の実施の形態にかかる容量式電磁流量計１００の検出部２０について説明する。図８は、第３の実施の形態にかかる検出部の上面図である。図９は、第３の実施の形態にかかる検出部の側面図である。図１０は、第３の実施の形態にかかる検出部の正面図である。
第１の実施の形態では、１つのシールドケース６で、面電極１０Ａ，１０Ｂ、接続配線１１Ａ，１１Ｂ、および、プリアンプ５Ｕを一括してシールドする場合を例として説明した。本実施の形態では、プリアンプ５Ｕを、面電極１０Ａ，１０Ｂおよび接続配線１１Ａ，１１Ｂと別個にシールドする場合について説明する。

すなわち、本実施の形態にかかる検出部２０は、図８〜図１０に示すように、２つのシールドケース６Ａ，６Ｂを備え、シールドケース６Ａで面電極１０Ａ，１０Ｂおよび接続配線１１Ａ，１１Ｂをシールドし、シールドケース６Ｂでプリアンプ５Ｕをシールドするようにしたものである。
シールドケース６Ａ，６Ｂは、ともに接地電位に接続された金属板からなるケースであり、前述したシールドケース６からプリアンプ５Ｕをシールドする部分がシールドケース６Ｂとして分離されたことになる。

これにより、本実施の形態によれば、図１０に示すように、図５と比較して、プリアンプ基板５のうち測定管２から離れた位置にプリアンプ５Ｕを容易に実装することができ、測定管２からの熱影響をさらに抑制することができる。
また、シールドケース６と比較してシールドケース６Ａの形状が長方形となるため、シールドケース６と比較して、部品コストや組み立て作業を削減できる。また、シールドケース６Ｂは、プリアンプ基板５に容易に実装でき、市販品を利用すれば部品コストの削減にもつながる。

［実施の形態の拡張］
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。また、各実施形態については、矛盾しない範囲で任意に組み合わせて実施することができる。

１００…容量式電磁流量計、１…流路、２…測定管、３Ａ，３Ｂ…励磁コイル、４Ａ，４Ｂ…ヨーク面、５…プリアンプ基板、５Ａ，５Ｂ…基板側配線パターン、５Ｃ，５Ｄ…パッド、５Ｔ…凸部、５Ｇ…シールドパターン、５Ｈ…管孔、５Ｕ…プリアンプ、６，６Ａ，６Ｂ…シールドケース、１０Ａ，１０Ｂ…面電極、１１Ａ，１１Ｂ…接続配線、１２Ａ，１２Ｂ…管側配線パターン、１３Ａ，１３Ｂ…長手方向配線パターン、１４Ａ，１４Ｂ…周方向配線パターン、１５Ａ，１５Ｂ…ジャンパー線、１６Ａ，１６Ｂ…パッド、１７Ａ，１７Ｂ…端部、２０…検出部、２１…信号増幅回路、２２…信号検出回路、２３…励磁回路、２５…伝送回路、２６…設定・表示回路、２７…演算処理回路、２７Ａ…励磁制御部、２７Ｂ…流量算出部、ＵＡ，ＵＢ…オペアンプ、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３…抵抗素子、Ｌ…伝送路、Ｖａ，Ｖｂ…起電力、Ｖｉｎ…検出信号、Φ…磁束、Ｆ…磁束領域、Ｘ…長手方向、Ｙ…磁束方向、Ｚ…電極方向、Ｗ…周方向、Ｊ…管軸、ＪＡ，ＪＢ…交差線。

［検出部の構成］
次に、図１、図３〜図５を参照して、検出部２０の構成について詳細に説明する。図３は、第１の実施の形態にかかる検出部の側面図である。図４は、第１の実施の形態にかかる検出部の上面図である。図５は、第１の実施の形態にかかる検出部の正面図である。

また、励磁コイル３Ａ，３Ｂから離れた位置にプリアンプ基板５が配置されるため、プリアンプ基板５上の配線パターンを磁束Φが横切った際に生じる磁束微分ノイズを抑制することができる。特に、磁束方向Ｙに沿った方向にプリアンプ基板５を取り付けることにより、プリアンプ基板５の配線パターンが磁束Φとほぼ平行となるため、配線パターンにより形成される信号ループの、磁束方向Ｙから見た断面積を極めて小さくすることができ、磁束微分ノイズを大幅に抑制することができる。

［第２の実施の形態］
次に、図７を参照して、本発明の第２の実施の形態にかかる容量式電磁流量計について説明する。図７は、第２の実施の形態にかかる検出部の正面図である。
第１の実施の形態では、測定管２に対するプリアンプ基板５の取付方法として、管孔５Ｈに貫通させた測定管２の外周面２Ａと、管孔５Ｈの端部とを接着剤で固定する場合を例として説明した。本実施の形態では、管孔５Ｈの端部を測定管２の外周面２Ａに圧接させることにより、プリアンプ基板５を取り付ける場合について説明する。

Claims (9)

1. 計測対象となる流体が流れる測定管と、
   前記測定管の長手方向である第１の方向に対して直交する第２の方向に沿って、前記流体に磁束を印加する励磁コイルと、
   前記第１および第２の方向と直交する第３の方向に沿って、前記測定管を挟んで前記測定管の外周面に対向配置された、第１および第２の面電極からなる一対の面電極と、
   前記一対の面電極で検出された起電力を増幅するプリアンプが実装されたプリアンプ基板と、
   前記第１および第２の面電極と前記プリアンプとをそれぞれ電気的に接続する、第１および第２の接続配線からなる一対の接続配線とを備え、
   前記プリアンプ基板は、前記第１の方向に沿って、前記励磁コイルから離れた位置であって、かつ、前記測定管と交差する方向に配置されている
   ことを特徴とする容量式電磁流量計。
2. 計測対象となる流体が流れる測定管と、
   前記測定管の長手方向である第１の方向に対して直交する第２の方向に沿って、前記流体に磁束を印加する励磁コイルと、
   前記第１および第２の方向と直交する第３の方向に沿って、前記測定管を挟んで前記測定管の外周面に対向配置された、第１および第２の面電極からなる一対の面電極と、
   前記一対の面電極で検出された起電力を増幅するプリアンプが実装されたプリアンプ基板と、
   前記第１および第２の面電極と前記プリアンプとをそれぞれ電気的に接続する、第１および第２の接続配線からなる一対の接続配線とを備え、
   前記プリアンプ基板は、前記磁束が発生する磁束領域の外側位置であって、かつ、前記測定管と交差する方向に配置されている
   ことを特徴とする容量式電磁流量計。
3. 請求項１または請求項２に記載の容量式電磁流量計において、
   前記プリアンプ基板は、前記測定管の全部または一部が貫通する管孔を有することを特徴とする容量式電磁流量計。
4. 請求項３に記載の容量式電磁流量計において、
   前記プリアンプ基板は、前記管孔の孔壁面に前記測定管の外周面と当接する複数の凸部を備えることを特徴とする容量式電磁流量計。
5. 請求項１〜請求項４のいずれかに記載の容量式電磁流量計において、
   前記一対の面電極、前記一対の接続配線、および前記プリアンプをシールドするシールドケースをさらに備えることを特徴とする容量式電磁流量計。
6. 請求項５に記載の容量式電磁流量計において、
   前記プリアンプ基板は、少なくとも前記シールドケースと当接する領域にシールドパターンを有することを特徴とする容量式電磁流量計。
7. 請求項５または請求項６に記載の容量式電磁流量計において、
   前記シールドケースは、前記一対の面電極および前記一対の接続配線をシールドするシールドケースと、前記プリアンプをシールドするシールドケースとの、それぞれ別個の２つのシールドケースからなることを特徴とする容量式電磁流量計。
8. 請求項１〜請求項７のいずれかに記載の容量式電磁流量計において、
   前記第１の接続配線は、前記測定管の外周面に形成されて一端が前記第１の面電極に接続された第１の管側配線パターンと、前記プリアンプ基板に形成されて一端が前記プリアンプに接続された第１の基板側配線パターンと、前記第１の管側配線パターンの他端と前記第１の基板側配線パターンの他端とを接続する第１のジャンパー線とから構成されており、
   前記第２の接続配線は、前記測定管の外周面に形成されて一端が前記第２の面電極に接続された第２の管側配線パターンと、前記プリアンプ基板に形成されて一端が前記プリアンプに接続された第２の基板側配線パターンと、前記第２の管側配線パターンの他端と前記第２の基板側配線パターンの他端とを接続する第２のジャンパー線とから構成されている
   ことを特徴とする容量式電磁流量計。
9. 請求項８に記載の容量式電磁流量計において、
   前記測定管はセラミックからなり、
   前記第１および第２の面電極と前記第１および第２の管側配線パターンとは、前記測定管の外周面にメタライズ処理により一体で形成された金属薄膜からなる
   ことを特徴とする容量式電磁流量計。

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