JP2021042958A - 静電容量式電磁流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】安価で、ノイズの影響を受けにくく測定精度の高い電磁流量計を構成する。【解決手段】流路を流れる流体の流量を計測する静電容量式電磁流量計であって、前記流路を挟んで対向して配置される検出電極と、前記検出電極の周囲を覆うように設けられ、迷走電流による前記検出電極への影響を低減する保護電極とを備え、前記検出電極と前記保護電極は、プリント基板上の同一面に印刷されたパターンによって形成されたことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、静電容量式電磁流量計に使用される電極と計測管の構成に関する。

静電容量式の電磁流量計では、測定管内を流れる流体に発生する誘導起電力を検出する為に、測定管に電極を取り付ける。しかしながら、発生する誘導起電力は微小であり、なおかつ信号の出力インピーダンスは極めて高い。この為、信号にノイズが混入する事を防ぐ目的で、検出電極の周囲を、同電位の低インピーダンス電極で囲い、迷走電流によるノイズの発生を抑える事が行われている。

特許第４３０３０３９号公報

本発明は、電磁流量計の構造に関する物であり、従来提案されていた検出電極に対する迷走電流の影響を低減する構造を安価に実現すると共に、組立性が良い流量信号の検出部の構造を提供するものである。

以上を鑑み、本発明に係る静電容量式電磁流量計は、
流路を流れる流体の流量を計測する静電容量式電磁流量計であって、
前記流路を挟んで対向して配置される検出電極と、
前記検出電極の周囲を覆うように設けられ、迷走電流による前記検出電極への影響を低減するガード電極と
を備え、
前記検出電極と前記ガード電極は、プリント基板上の同一面に印刷されたパターンによって形成されたことを特徴とする。

本発明によれば、安価でノイズの影響を受けにくい電磁流量計を構成できる。

本発明にかかる電磁流量計の断面を示す断面図。 各部の信号波形を示す図。 従来の電磁流量計の構造を示す図。 本発明の流量検出部を示す図。 本発明の別の実施例の流量検出部を示す図。 保護電極の原理説明図。

本発明は、安価でノイズの影響を受けにくい電磁流量計を提供するものである。以下、図面を参照しながら本発明の実施例について詳細に説明する。本実施例に係る静電容量式電磁流量計は、磁界を印加した流路に発生する誘導起電力の大きさから、流路を流れる流体の速度を算出し、流路の断面積から流体の流量を算出する。図１に本発明を適用した電磁流量計の、計測部分の断面図を示す。

流路１内部に導電性の流体３０が流れた状態でコイル２に電流を印加すると、コイル２及び鉄心３によって磁束が流体３０に印加される。この磁界と流体３０の運動により起電力が発生する。発生した起電力は、流路１の壁面及び検出電極５及び１０を保持している基材７及び８に存在する静電容量を通して、検出電極５及び１０に現れる。

なお、検出電極５及び１０はそれぞれ保護電極６及び９で周囲を囲まれている（図４参照）。検出電極と保護電極及び基材は一体的に形成されており、保護電極の外側に配置されたビス２２〜２５によって流路１に固定されている。なお、検出電極と保護電極及び基材を構成する部材はプリント基板を加工した物であっても良い。

検出電極５及び１０や保護電極６及び９で発生した起電力は、電線１１〜１４を通じ信号処理を行う為の電子部品が搭載されたプリント基板１５に供給され、後述する信号処理を経て流量に換算される。本実施例においては、このように基材７及び８が流路１の一側面に沿って（平行に）配置されるが、検出電極５及び１０や保護電極６及び９が形成されたパターン面とは反対側の面が、流路１側に隣接するように基材７及び８が配置されている。このようにすることで、基材７及び８のパターン面とは反対側の面を矩形に形成された流路１の一側面に対して固定することができ、流路から検出電極である検出電極５及び１０までの距離への取り付け誤差の影響を低減できる。

なお、図１ではプリント基板１５は流路１を取り囲む様に配置された磁路部材４にネジ１６及び１７で固定されているが、プリント基板１５が固定される部材は磁路部材に限らない事は言うまでもない。

図２に、各部の信号を示す。図１のコイル２に図２（ａ）の印加電圧を加える事により、図２（ｂ）のコイル電流が流れ、流路内に磁界が発生する。流路内を導電性の流体が移動していると、流体３０に起電力が発生し流路の壁面と電極の間の静電容量を通じ、図１の検出電極５及び１０の間に図２（ｃ）の検出電圧が発生する。この電圧を測定する事で、流体の速度が計算でき、流路の断面積と流体の速度から流体の流量を計測する事ができる。

計測にあたっては、外部からのノイズの混入が少ない事が望ましい。しかし、本発明の様な流体と検出電極の静電容量を通じて信号を検出する電磁流量計では、信号源のインピーダンスが高い為、検出電極５及び１０の入力インピーダンスも高くせざるを得ない。

図３に本実施例の回路構成について示す。検出電極１０及び５に発生した電圧は差動増幅器１８及び１９に入力される。差動増幅器の非反転入力端子には検出電極１０及び５が接続され、反転入力端子には保護電極９及び６が接続されている。この様な構成では、流路の周囲に存在する迷走電流は、保護電極に流入するため迷走電流の影響は軽減される。差動増幅器１８及び１９の出力は差動増幅器２０に入力され、その出力がＡＤコンバーター２１で計測される。これら差動増幅器１８、差動増幅器１９、差動増幅器２０やＡＤコンバーター２１は、プリント基板１５に搭載されており、上述した電線１１〜１４によって検出電極１０及び５や保護電極９及び６からプリント基板１５に引き出されて信号処理される。

ここで、保護電極の役割について図６を用いて説明する。図６では、検出電極１０の周囲には迷走電流、例えば、ここでは図示していない励磁コイルからの漏れ電流や、流路を経由して他の装置から流入してくる電流が流れている。通常、この様な電流は非常に微弱であり、機器の内部電子回路に対しての影響は無視できる。しかし、本発明の電磁流量計のセンサ部に使用される増幅器は、入力インピーダンスが非常に高く、前述の迷走電流が信号と一緒に増幅されてしまいノイズとなってしまう。

この様な、高入力インピーダンスの信号入力端子を保護する手法として、保護する電極の周囲を同じ電位の低インピーダンスの電極で囲むという手法がある。

一般的に、この様な手法を取る場合、オペアンプの非反転入力端子を信号入力電極、反転入力端子を信号入力端子の周囲を囲む保護電極に接続する事が行われる。

オペアンプは、反転入力端子と非反転入力端子の電位が同じ電位となる様に出力を発生する。また、出力端子のインピーダンスは低くなる様に素子が設計されている。

また、一般的にオペアンプはフィードバック増幅器として使用され、増幅度１の増幅器を構成する場合は、図６に示すように出力と反転増幅入力端子を接続して使用する。

図４を用いて前述した様に、オペアンプの非反転入力端子を信号入力電極、反転入力端子を信号入力端子の周囲を囲む保護電極に接続する構成とすると、前述の迷走電流が回路を流れていたとしても、それらはインピーダンスの低い反転入力端子に接続された電極に吸収されてしまう。

また、オペアンプの特性上、反転入力端子と非反転入力端子の電位は等しくなる為、反転入力端子と非反転入力端子の間には電流が流れず、結果的に非反転入力端子は、迷走電流から保護される事になる。

本発明では、流路の断面を矩形にするとともに、迷走電流の影響を無くすための保護電極を、検出電極の周囲を囲うように、同一の基材上に配置している。この構成によれば、基材及び検出電極、保護電極を、プリント基板を用いて構成する事ができ、電極の面積を正確に決定する事が出来ると共に、部品間のバラツキを小さくする事ができる。さらに、プリント基板で電極を構成する事により、複数の電極を一度に製作する事ができ、安価かつ量産性が良い電磁流量計を構成する事ができる。すなわち、検出電極である検出電極５及び１０と保護電極６及び９とを同じプリント基板上の同一面にエッチングなどによって一度にパターン形成することができ、好適である。また、プリント基板はネジで流路に固定する事が出来る為、従来行われてきた検出電極を銅箔で形成し接着剤によって流路に固定する方法よりも、経年変化が少なく組立性も良い。

図４に本発明による電磁流量計の検出電極の構造を示す斜視図を示す。本発明では、検出電極１０が周囲に存在する保護電極９により囲われている為、前述の様に迷走電流の影響を低減できると共に、前述の様に電極の形状が平板形状であり検出電極と保護電極が一体的に形成されているため組立が容易である。さらに、電極にはプリント基板を用いる事ができるため、電極部品の量産性に優れているだけでなく、安価で寸法精度の良い電極を形成できる。

（第２実施形態）
また、図５に本発明の別の実施例を示す。本実施形態は、第１実施形態とその多くが共通であるため説明を省略し、相違点についてのみ説明する。電磁流量計の電極は、流路を挟んで対向している必要があり、電極の位置がずれることで出力の大きさにバラツキを生じる。

図５に示す実施例では、流路１の外周面に突起２６〜２９が設けられている。流路は、樹脂成形品で製作され、突起２６〜２９も流路を成形する時に同時に成形される。また、流路と突起は、成形品として一体的に成形される為、想定的な位置精度が極めて良い。この為、基材８及び７を突起２６と２８もしくは２７と２９のいずれかに突き当てる事により基材８及び７を正確に位置決めする事が出来る。このように、流路１の外周面に設けた位置決め用構造に対して基材７及び８を突き当てて固定することで、基材７及び８の相対的な対向位置を安定させることができる。

なお、この例では基材を位置決めする為の突起はそれぞれの基材につき２ヶ所設けられているが、突起の数は２ヶ所に限られない。

１ 流路
２ コイル
５、１０ 検出電極
６、９ 保護電極
７、８ 基材

Claims (3)

1. 流路を流れる流体の流量を計測する静電容量式電磁流量計であって、
   前記流路を挟んで対向して配置される検出電極と、
   前記検出電極の周囲を覆うように設けられ、迷走電流による前記検出電極への影響を低減する保護電極と
   を備え、
   前記検出電極と前記保護電極は、プリント基板上の同一面に形成されたパターンによって形成されたことを特徴とする静電容量式電磁流量計。
2. 前記流路の断面が矩形であって、
   前記流路の一側面に沿って、前記検出電極及び前記保護電極が形成されたパターン面とは反対側の面が前記流路側に隣接するように前記プリント基板が配置されたことを特徴とする請求項１に記載の静電容量式電磁流量計。
3. 前記流路の外周面に、前記プリント基板の位置決め用構造が形成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の静電容量式電磁流量計。
   
   

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