JP2021012156A - パドルホイール流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】パドルホイール流量計を提供する。
【解決手段】本発明のパドルホイール流量計は、ベースと、パドルホイールと、軸と、磁気センサ素子と、を備える。ベースは流体流路に嵌入され、２つのラグを有する。パドルホイールは２つのラグの間に設置され、複数のベーンと、２つの回転台と、２つのベアリングと、少なくとも１つの磁石と、を有する。２つの回転台はベーンの対向する両側に位置され、２つのベアリングは２つの回転台にそれぞれ設置され、磁石は回転台に設置される。軸の両端は２つのベアリングをそれぞれ貫通して２つのラグに固定される。磁気センサ素子はベースに設置され、流体流路内の流体がパドルホイールを駆動して回転させると、磁気センサ素子は磁石の磁場の変化を検知して電気信号を発生させる。
【選択図】図２Ｂ

Description

本発明は、流量計の構成に関し、より詳しくは、パドルホイール流量計（Paddlewheel Flowmeter）に関する。

流体と接触するパドルホイール流量計は主に不溶性物質の含量が少ない流体の流量の計測に適用され、パドルホイール流量計は、部分的に管路に嵌入されるケースと、ケースの管路に嵌入される部分に設置されるパドルホイール部材と、ケースの管路に嵌入していない部分に設置される検知部材と、を備える。パドルホイール部材は、回転ホイールと、回転ホイールに連接される複数のベーンと、ベーンに設置される磁石と、を含み、検知部材は磁気検知素子及び信号処理回路を具備する。管路内の流体がパドルホイール部材を駆動して回転させると、ベーンに設置される磁石の磁場が変化し、磁気検知素子は磁場の変化によって図１に示されるような従来のパドルホイール流量計のパルス信号を発生させる。信号処理回路は、異なるパルス信号の周波数に対応する流量データが内蔵されていると共に、磁気検知素子のパルス信号及び内蔵された流量データに基づいて内挿法により流体の流量を算出する。

しかしながら、流体の流速が遅い場合、パドルホイール部材の磁場の変化が小さくなり、検知部材は流量のデータを生成できなくなる、あるいは生成された流量データの誤差が大きくなる。磁気検知素子がパルス信号を発生させているため、信号処理回路はパドルホイール部材の脱落や磨損などの異常を判断できなくなる。また、磁石及びベーンを取り付ける際には相対的な位置関係及び磁場の変化を考慮せねばならず、その過程は煩雑である上に個別のベーンの磁場の差異によって計測に誤差が発生しやすい。
そこで、本発明者は上記の欠点が改善可能と考え、鋭意検討を重ねた結果、合理的な設計で上記の課題を効果的に改善する本発明の提案に到った。
本発明は、このような従来の問題に鑑みてなされたものであって、上記課題を解決するパドルホイール流量計を提供することを主目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のある態様のパドルホイール流量計は、ベースと、パドルホイールと、軸と、磁気センサ素子と、を備える。ベースは流体流路に嵌入され、２つのラグを有する。パドルホイールは２つのラグの間に設置され、複数のベーンと、２つの回転台と、２つのベアリングと、少なくとも１つの磁石と、を有する。２つの回転台はベーンの対向する両側に位置され、２つのベアリングは２つの回転台にそれぞれ設置され、磁石は回転台に設置される。軸の両端は２つのベアリングをそれぞれ貫通して２つのラグに固定される。磁気センサ素子はベースに設置され、流体流路内の流体がパドルホイールを駆動して回転させると、磁気センサ素子が磁石の磁場の変化を検知させて電気信号を発生させる。

本発明の好適例において、上述の各ベーンの両側は上述の２つの回転台にそれぞれ連接される。

本発明の好適例において、上述の隣接する２つのベーンの間の角度は０度より大きく１８０度未満である。

本発明の好適例において、上述の軸は上述の流体流路内の流体の流れる方向に直交する。

本発明の好適例において、上述の軸は上述の流体流路内の流体の流れる方向に平行する。

本発明の好適例において、上述のパドルホイールは上述の２つの回転台に連接される軸管を更に備え、上述の各ベーンの一側は軸管の表面に連接され、上述の軸は軸管の内部を貫通する。

本発明の好適例において、上述の各ベーンは曲面板である。

本発明の好適例において、上述の磁石は複数であると共に、それぞれ上述の２つの回転台またはそのうちの１つに設置される。

本発明の好適例において、上述の磁気センサ素子は上述のベースにおける上述の磁石の表面との間の角度が０度〜９０度である領域に設置される。

本発明の好適例において、上述の電気信号は連続波形信号である。

本発明のパドルホイール流量計は、パドルホイールが複数のベーン、及びベーンの対向する両側に位置される回転台を有し、磁石が回転台に設置されるため、製造及び取り付けが容易になる。管路内の流体がパドルホイールを駆動して回転させると、回転台に内設される磁石の磁場は連続的に変化し、ベースに設置される磁気検知部材に連続波形の電気信号を発生させる。さらに、データ処理回路に精確な流量データを発生させ、且つ電気信号に基づいて異常を判断できる。

従来のパドルホイール流量計のパルス信号図である。 本発明の一実施形態に係るパドルホイール流量計を示す軸方向断面図である。 図２Ａに示すパドルホイール流量計のラジアル断面図ある。 図２Ａに示すパドルホイールの斜視図である。 図３Ａに示されたパドルホイールの一部を示す部分断面図である。 本発明の他の実施形態に係るパドルホイールを示す斜視図である。 本発明の他の実施形態に係るパドルホイールを示すラジアル側面図である。 本発明の他の実施形態に係るパドルホイールを示すラジアル側面図である。 本発明の他の実施形態に係るパドルホイールを示す斜視図である。 図４Ａに示すパドルホイールのラジアル側面図である。 図４Ａに示すパドルホイールの軸方向側面図である。 図４Ａに示すパドルホイールの軸方向断面図である。 本発明の他の実施形態に係るパドルホイールを示す斜視図である。 図５Ａに示すパドルホイールのラジアル側面図である。 図５Ａに示すパドルホイールの軸方向側面図である。 図５Ａに示すパドルホイールの軸方向断面図である。 本発明の一実施形態に係るパドルホイール及び磁気センサ素子の相対位置を示す概略図である。 本発明の他の実施形態に係るパドルホイール及び磁気センサ素子の相対位置を示す概略図である。 本発明の一実施形態の磁気センサ素子の電気信号図である。 本発明の他の実施形態のパドルホイール流量計の擬似パルス信号のシミュレーションを示す図である。

本発明における好適な実施の形態について、添付図面を参照して説明する。尚、以下に説明する実施の形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を限定するものではない。また、以下に説明される構成の全てが、本発明の必須要件であるとは限らない。

図２Ａは本発明の一実施形態に係るパドルホイール流量計を示す軸方向断面図である。図２Ｂは図２Ａに示すパドルホイール流量計のラジアル断面図ある。図２Ａ及び図２Ｂに示されるように、パドルホイール流量計１は、ベース１１と、パドルホイール１２と、軸１３と、磁気センサ素子１４と、を備える。ベース１１は流体流路１０に嵌入され、２つのラグ１１１を有する。パドルホイール１２は２つのラグ１１１の間に設置され、複数のベーン１２１と、２つの回転台１２２と、２つのベアリング１２３と、少なくとも１つの磁石１２４と、を有する。２つの回転台１２２はベーン１２１の対向する両側に位置され、２つのベアリング１２３は２つの回転台１２２にそれぞれ設置され、磁石１２４は回転台１２２に設置される。軸１３の両端は２つのベアリング１２３をそれぞれ貫通して２つのラグ１１１に固定される。磁気センサ素子１４はベース１１に設置され、流体流路内の流体がパドルホイール１２を駆動して回転させると、磁気センサ素子１４が磁石１２４の磁場の変化を検知して電気信号を発生させる。

本発明のパドルホイール流量計は、ベース１１、及び軸１３として物理的及び化学的に安定した材料、例えば、ステンレス、エンジニアリングプラスチック等が選択されるが、これらに限定されていない。ベーン１２１及び回転台１２２としては化学的に安定性した材料が選択され、制限はないが、例えば、エンジニアリングプラスチックが選択される。ベアリング１２３として低摩擦、耐磨耗性の変形しにくい材料が選択され、制限はないが、例えば、エンジニアリングプラスチック、セラミック等が選択される。磁石１２４として高透磁率の強磁性体または合金材料が選択される。一実施形態において、パドルホイール１２の製造方法は、エンジニアリングプラスチック射出によりベアリング１２３が覆われることで環状溝を有する２つの円盤及び２つの円盤を連接する複数のベーン１２１が形成される工程と、接着剤により磁石１２４が円盤の環状溝に接着される工程と、エンジニアリングプラスチック射出により磁石１２４が取り付けられる２つの円盤が覆われることでパドルホイール１２が形成される工程と、を含む。

本実施例では、流体流路１０の両端に本来の管路に連接される螺旋状パイプスリーブ１０１を有し、流体流路１０の中段にプラットフォーム１０２及び挿入孔１０３が形成される。ベース１１の上側（流体流路１０に対向する側の反対側）には回路スロット１１２が形成され、ベース１１の下側（流体流路１０に対向する側）には半球体形状のパドルホイールスロット１１３が形成され、２つのラグ１１１はパドルホイールスロット１１３の対向する両側に位置される。パドルホイール１２は軸１３を介してパドルホイールスロット１１３に回転可能に設置される。軸１３は流体流路１０の軸方向（即ち、流体の流れる方向）に直交し、ラグ１１１及びパドルホイールスロット１１３が挿入孔１０３に嵌入され、回路スロット１１２のスロット壁がプラットフォーム１０２に当接され、接着剤またはねじ（図示省略）によりベース１１が流体流路１０に固定される。流体が挿入孔１０３から漏れないようにするため、挿入孔１０３とパドルホイールスロット１１３との間には密封リングまたは止水剤が増設される（図示省略）。

本発明のパドルホイール流量計は電気信号を外部の電子装置または内部の機能回路に伝送させることで、流体流路を流れる流体の流速及び流量を計算する。本実施例では、パドルホイール流量計１は、ベース１１に設置されると共に導線１６を介して磁気センサ素子１４に電気的に接続されるデータプロセッサー１５を更に備え、データプロセッサー１５にはアナログ‐デジタル信号変換、メモリ、論理演算等のための機能回路（図示省略）が含まれる。アナログ‐デジタル変換回路は磁気センサ素子１４が発生させたアナログ信号をデジタル信号に変換させ、メモリには管径サイズデータ、流速比較データ、及び流量計算プログラムが保存される。論理演算回路はアナログ‐デジタル信号変換回路が発生させたデジタル信号、流速比較データ、及び流量計算プログラムに基づいて流体流路１０の流体流量を算出する。

図３Ａは図２Ａに示すパドルホイールの斜視図であり、図３Ｂは図３Ａに示されたパドルホイールの一部を示す部分断面図である。図３Ａ及び図３Ｂに示されるように、本実施例では、パドルホイール１２は２つの回転台１２２と、ベーン１２１と、ベアリング１２３と、磁石１２４と、を備える。ベーン１２１は４つであり、各ベーン１２１は両側が２つの回転台１２２にそれぞれ連接された半円形の平面板である。ベアリング１２３は回転台１２２の中央領域に設置される。磁石１２４の形状に特別な制限はなく、例えば弧形状、円形状、矩形状等でもよく、２つの円形磁石１２４は２つの回転台１２２内にそれぞれ埋設される。回転台に設置される磁石の数量にも特別な制限はなく、例えば、図３Ｃに示された他の実施形態に係るパドルホイールの斜視図である。パドルホイール１２は２つの回転台１２２と、４つのベーン１２１と、ベアリング１２３と、４つの磁石１２４と、を含む。ベアリング１２３は回転台１２２の中央領域に設置され、回転台１２２は４つのベーン１２１の間に４つの弧形磁石溝がそれぞれ形成され、４つの磁石１２４は回転台１２２の弧形磁石溝内にそれぞれ環状に配列設置される。

本発明のパドルホイール流量計は、パドルホイールのベーンの形状、数量、及びサイズが流体の性質に基づいて調整される。ベーンの形状は例えば平面板や曲面板である。ベーンの数量に制限はないが、例えば３つ、５つ、６つ、８つ、９つ、或いは更に多くてもよく、パドルホイールの隣接する２つのベーンの間の角度が０度より大きく１８０度未満である。単一のベーンの最大チョーク流れ面に制限はないが、例えば半円形や扇形状でもよい。異なる形状、数量、及びサイズのベーンが選択されることで、パドルホイールの異なる流体の流速に対する感度が保たれる。

図３Ｄ及び図３Ｅは本発明に係る平面板ベーンを有するパドルホイールのラジアル側面図である。図３Ｄ及び図３Ｅに示されるように、パドルホイール１２は２つの回転台１２２と、回転台１２２に連接されるベーン１２１と、回転台１２２の中央領域に設置されるベアリング１２３と、磁石（図示省略）と、を備える。ベーン１２１はそれぞれ３つ及び８つであり、各ベーン１２１の形状は平面板である。ベーン１２１の数量が増えることでパドルホイール１２の回転速度が更に均一になる。

図４Ａは本発明の他の実施形態に係るパドルホイールを示す斜視図であり、図４Ｂは図４Ａに示すパドルホイールのラジアル側面図であり、図４Ｃは図４Ａに示すパドルホイールの軸方向側面図であり、図４Ｄは図４Ａに示すパドルホイールの軸方向断面図である。図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃ及び図４Ｄに示されるように、本実施例では、パドルホイール２２は２つの回転台２２２と、ベーン２２１と、ベアリング２２３と、磁石２２４と、を備える。ベーン２２１は４つである、各ベーン２２１は両側が２つの回転台２２２にそれぞれ連接された半円形の曲面板である。ベアリング２２３は回転台２２２の中央領域に設置される。磁石２２４は２つの回転台２２２にそれぞれ埋設される。半円形曲面板のベーン２２１によりパドルホイール２２の流体の流速に対する反応感度が高まる。

図５Ａは本発明の他の実施形態に係るパドルホイールを示す斜視図であり、図５Ｂは図５Ａに示すパドルホイールのラジアル側面図であり、図５Ｃは図５Ａに示すパドルホイールの軸方向側面図であり、図５Ｄは図５Ａに示すパドルホイールの軸方向断面図である。図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃ及び図５Ｄに示されるように、パドルホイール３２は４つのベーン３２１と、２つの回転台３２２と、２つのベアリング３２３と、磁石３２４と、軸管３２５と、を備える。軸管３２５は２つの回転台３２２を連接する。各ベーン３２１は一側が軸管３２５の表面に連接された扇形状の曲面板である。ベアリング３２３は回転台３２２の中央領域に設置される。磁石３２４は回転台３２２内に埋設される。軸（図示省略）は軸管３２５の内部を貫通し、その両側が２つのラグに固定される。軸が流体流路の軸方向に平行し、２つの回転台３２２が流体の流れる方向に沿うように、パドルホイール３２が流体流路に嵌入される。扇形状曲面板のベーン３２１は流体中の帯状物に巻き付かれたり付着されにくく、異常が減少し、パドルホイールの耐用年数が延びる。

図６Ａは本発明の一実施形態に係るパドルホイール及び磁気センサ素子の相対位置を示す概略図である。図６Ａに示されるように、本実施例では、磁気センサ素子１４に制限はないが、例えば、磁気抵抗（Magneto Resistive、MR）、ホール（Hall）、フラックスゲート（Fluxgate）、差動式電磁コイル等のアナログ式電磁素子であり、磁気センサ素子１４は磁石１２４から一定の距離を隔離して、ベース１１における磁石１２４の表面と平行する領域に設置される。また、図６Ｂは本発明の他の実施形態に係るパドルホイール及び磁気センサ素子の相対位置を示す概略図である。図６Ｂに示されるように、磁気センサ素子１４はベース１１における磁石１２４の表面と垂直になる領域に設置され、或いは他の実施形態では、磁気センサ素子１４はベース１１における磁石１２４の表面との間の角度が０度〜９０度である領域（図示省略）に設置される。ちなみに、一つの磁石１２４の磁場を検知するために１つ以上の磁気センサ素子１４を設置することもできる。図２Ｂに示されるように、ベース１１における磁石１２４の表面と平行及び直交する領域に２つの磁気センサ素子１４をそれぞれ設置する。

パドルホイールにおける磁石の磁場は回転台の回転に従って連続的に変化し、磁気センサ素子が磁場の変化を検知することで発生させた電気信号Ｓ（時間（ｔ）に対する電気抵抗（Ω）、電圧（Ｖ）、或いは電流（Ａ）のアナログ信号）はパドルホイールの回転角度（Θ）を示す。本発明のパドルホイール流量計に対応するコンピュータープログラムが保存された外部電子装置または内部のデータプロセッサーに電気信号が伝送され、コンピュータープログラムが電気信号を微分することでパドルホイールの角速度（ω）及び回転速度（ｒ．ｐ．ｍ）を示すデータが得られ、異なる回転速度範囲における比較データ（例えば：４０００ｒ．ｐ．ｍ以下の比較曲線及び４０００ｒ．ｐ．ｍ以上の比較曲線）及び流体流路の内径の断面積に基づいて、流体流量が得られる。

図７は本発明の一実施形態の磁気センサ素子の電気信号図である。図７に示されるように、本実施例では、回転台に内設される磁石の磁場がパドルホイールの回転に従って変化し、磁気センサ素子が磁場の変化を検知すると連続波形の電気信号Ｓ（電気抵抗、電圧、または電流のアナログ信号）を発生させる。外部電子装置または内部のデータプロセッサーは磁気センサ素子の電気信号Ｓに基づいてパドルホイールの角度回転周期及び角速度を計算し、流体流量を算出する。磁気センサ素子の電気信号Ｓが消失した場合、パドルホイールが脱落したか外部の磁場が干渉するといった異常の発生を示す。磁気センサ素子の電気信号Ｓが正常値の範囲を超えた場合、パドルホイールの軸の損耗または磁石の位置ずれの異常が発生したことを示す。外部電子装置または内部のデータプロセッサーは、異なる異常の種類に応じて異常信号を発生させ、異常の発生時間及び状況を保存し、使用者にパドルホイール流量計を検査するように通知する。

従来のパドルホイール流量計の検知部材は、パルス信号のみを処理して外部監視装置に伝送するが、本発明に係るパドルホイール流量計は、連続波形電気信号をパルス信号にシミュレートして、従来のパドルホイール流量計の外部監視装置に対して処理及び運用させるために提供する。

図８は本発明の他の実施形態のパドルホイール流量計の擬似パルス信号のシミュレーションを示す図である。図８に示されるように、本実施例では、磁気センサ素子が２．４Ｖ〜３．６Ｖの連続波形電圧信号を発生させる。内部のデータプロセッサーは予め高閾値３．３Ｖ及び低閾値２．７Ｖを設定し、連続波形電圧信号の３．３Ｖより高い部分を図８に示されるｔ０−ｔ１、ｔ４−ｔ５、ｔ８−ｔ９の擬似パルス信号に変換し、２．７Ｖ以下の部分を図８に示されるｔ２−ｔ３、ｔ６−ｔ７、ｔ１０−ｔ１１の擬似パルス信号に変換する。内部のデータプロセッサーは、従来のパルス信号を基に流量を計算するパドルホイール流量計の監視装置に対し３．３Ｖ及び２．７Ｖの擬似パルス信号を順に伝送するため、計算プログラムを大幅に修正することなく本発明のパドルホイール流量計を従来の流量監視装置に統合可能となる。

本発明のパドルホイール流量計は、パドルホイールが複数のベーンの対向する両側に位置される回転台を有し、少なくとも１つの回転台には磁石が設置されるため、製造及び取り付けが容易になる。管路内の流体がパドルホイールを駆動して回転させると、回転台に内設された磁石の磁場は連続的に変化し、ベースに設置された磁気センサ素子に連続波形の電気信号を発生させるため、より精確な流量データを発生させ、電気信号に基づいて異常を判断できる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

１ パドルホイール流量計
１０ 流体流路
１１ ベース
１２ パドルホイール
２２ パドルホイール
３２ パドルホイール
１３ 軸
１４ 磁気センサ素子
１５ データプロセッサー
１６ 導線
１０１ 螺旋状パイプスリーブ
１０２ プラットフォーム
１０３ 挿入孔
１１１ ラグ
１１２ 回路スロット
１１３ パドルホイールスロット
１２１ ベーン
２２１ ベーン
３２１ ベーン
１２２ 回転台
２２２ 回転台
３２２ 回転台
１２３ ベアリング
２２３ ベアリング
３２３ ベアリング
１２４ 磁石
２２４ 磁石
３２４ 磁石
３２５ 軸管

Claims (10)

1. 流体流路に嵌入され、２つのラグを有するベースと、
   前記２つのラグの間に設置され、複数のベーンと、前記ベーンの対向する両側に位置される２つの回転台と、前記２つの回転台にそれぞれ設置される２つのベアリングと、前記回転台に設置される少なくとも１つの磁石と、を有するパドルホイールと、
   両端が前記２つのベアリングをそれぞれ貫通して前記２つのラグに固定される軸と、
   前記ベースに設置される磁気センサ素子と、を備え
   前記流体流路内の流体が前記パドルホイールを駆動して回転させると、前記磁気センサ素子が前記磁石の磁場の変化を検知して電気信号を発生させることを特徴とするパドルホイール流量計。
2. 各前記ベーンの両側は前記２つの回転台にそれぞれ連接されることを特徴とする請求項１に記載のパドルホイール流量計。
3. 隣接する前記２つのベーンの間の角度は０度より大きく１８０度未満であることを特徴とする請求項１に記載のパドルホイール流量計。
4. 前記軸は前記流体流路内の流体の流れる方向に直交することを特徴とする請求項１に記載のパドルホイール流量計。
5. 前記軸は前記流体流路内の流体の流れる方向に平行することを特徴とする請求項１に記載のパドルホイール流量計。
6. 前記パドルホイールは前記２つの回転台に連接される軸管を備え、各前記ベーンの一側は前記軸管の表面に連接され、前記軸は前記軸管の内部を貫通することを特徴とする請求項１に記載のパドルホイール流量計。
7. 各前記ベーンは曲面板であることを特徴とする請求項１に記載のパドルホイール流量計。
8. 前記磁石は複数であると共に、それぞれ前記２つの回転台またはそのうちの１つに設置されることを特徴とする請求項１に記載のパドルホイール流量計。
9. 前記磁気センサ素子は前記ベースにおける前記磁石の表面との間の角度が０度〜９０度である領域に設置されることを特徴とする請求項１に記載のパドルホイール流量計。
10. 前記電気信号は連続波形信号であることを特徴とする請求項１に記載のパドルホイール流量計。