JP2541619B2

JP2541619B2 - 電磁流量計の検出器

Info

Publication number: JP2541619B2
Application number: JP63087709A
Authority: JP
Inventors: 省三葛西
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-04-11
Filing date: 1988-04-09
Publication date: 1996-10-09
Anticipated expiration: 2011-10-09
Also published as: JPS6435217A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は電磁流量計の検出器に係り、特に流量と流量
信号との関係が忠実な導電性流体の流量を計測する電磁
流量計の検出器に関するものである。

〔従来の技術〕

電磁流量計の流量信号Ｅは、JIS Z8764（1980年）
「電磁流量による流量測定方法」によれば、Ｅ＝kBdv …（１）ここに、k;短絡係数 B;磁束密度 d;配管の口径（検出電極間距離） v;流速で示される。通常、検出器は第３図に示すように、断面
が円形の配管１の左右に流量の電気信号を取り出す一対
の検出電極２があり、電極間隔は配管の口径、すなわ
ち、検出器口径とほぼ同じに作られている。

検出電極２間を結ぶ軸と流体３が流れる方向（配管軸
方向）のいずれとも直交する上下方向には磁極４があ
り、ヨーク５でつながれている。また、磁極４には一対
の励磁コイル６が取り付けてあり、方形波状の交流で励
磁され、流体３には磁界が印加される。なお、これら磁
極４に代え、永久磁石を用いてもよい。この場合は、励
磁コイルが不要となり、構造が簡単となるばかりでな
く、励磁電流による熱の発生もなくなるので、熱が加わ
ると困る被測定流体の計測に便利となる。このように、
電極２と磁極４を配置することにより、フアラデーの電
磁誘導の法則により検出電極２には（１）式で示す流体
３の速度に応じた流量の電気信号Ｅが発生する。このよ
うな磁極で発生する磁束密度分布は第４図に示す形状で
ある。この磁束密度分布の測定方法は、第３図の検出器
についてｙ軸（磁極４巻を結ぶ軸）方向の磁束密度をｘ
軸（検出電極２間を結ぶ軸）方向の分布として測定する
方法で、その結果が第４図である。このように、磁束密
度は配管内で異なり、（１）式で示す流量信号Ｅの発生
量も配管内で異なる。

さらに、検出電極２で検出される流量信号は、磁束密
度Ｂの流速ｖの積が同じでも配管内の位置により異な
る。この場合は、配管内の各部で発生した流量信号のう
ち電極２で検出される度合は、重み係数Ｗで表わされ、
次式で示される。

なお、ｙ軸方向の磁界によりｘ軸方向に発生する信号
量の重み係数Ｗ（ｘ）は次式のようになる。

（３）式に各位置におけるx,yの値を代入し、ｄ＝１
として計算した結果が次式のようになり、これを第５図に示す。この図は、JIS B7554に掲載され
てたものと同様なものである。図ではｘ軸の上側の半分
だけ示してあるが、図からわかるように重み係数は検出
電極近傍が非常に大きくなつており、流量信号がほとん
ど配管内壁近傍の範囲を流れる流量で発生している。

第６図は配管の半径方向の各部分を流れる流量ΔＱを
次式より求めて示したものである。

ΔＱ＝２π×ｒ×Δｒ×ｖ …（５）ここに、r;0〜α/2まで変わる半径 Δr;微小半径 v;一定値図からもわかるように、流量ΔＱは半径に比例して増
えている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来の検出器では、各部を流れる流量が流量信号
として検出される量は、磁石密度分布と第５図に示す重
み係数の積Ｂ×Ｗに依存して定まる。

いま、第７図に示すような均一の磁束密度分布の場合
は、積Ｂ×Ｗは第８図の棒グラフのようになる。このグ
ラフからもわかるように、電極に検出される流量信号
は、配管内の壁面近傍の流量でほぼ決定される。このた
め、一般に流体は配管の中央部を多く流れるにもかかわ
らず、中央部を流れる流量が流量信号としてほとんど検
出されないことになり、実際の流量を忠実に測定するこ
とができない結果となる。しかも、配管内壁面近傍は流
れの乱れを生じやすく、その乱れによるノイズや流量信
号に影響を与えることが多く。また、電極表面の汚れに
よるノイズ等の影響も流量信号に生じやすかつた。

第９図，第10図は、それぞれ第３図に示した検出器の
磁束密度分布とＢ×Ｗの関係を示した線図である。この
場合でも多少改善されるが、まだ各部の流量と流量信号
の関係が忠実でないことがわかる。しかも、配管内壁面
の流れの乱れによるノイズの影響が流量信号中に生じや
すいという問題がある。

本発明の目的は、配管内の各部の流量により忠実な流
量信号を検出することができ、しかも、流量信号へのノ
イズの影響を軽減できる電磁流量計の検出器を提供する
ことにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、被測定流体が流通する配管の内壁に対向
して設けられた一対の検出電極と、上記配管と軸とこの
検出電極間を結ぶ直線のいずれにも直交する方向に磁場
を形成する磁石手段とを備えたものにおいて、上記磁石
手段は、上記配管の口径をｄとするとき、上記検出電極
間を結ぶ直線の中心から上記各検出電極へ向かう方向に
0.3dだけ離れた位置行の近傍で最大の磁束密度行を生ず
るように形成された一対の磁極先端部を有する構成とし
て達成するようにした。

〔作用〕

配管内を流れる流量が全ての部分で均一に分布してい
るとするときの配管内の半径方向の流量分布は（５）式
で表わされ、第６図に示すようになる。従つて、検出電
極で検出される半径方向の各部の流量信号を表わすＢ×
Ｗの値の分布が、第６図に示す流量分布と一致しておれ
ば、各部の流量に忠実に一致する流量信号が検出電極で
検出されることになる。すなわち、（５）式で表わされ
る各部を流れる流量ΔQ,磁束密度B,重み係数Ｗの関係を
次式のようにする必要がある。

ΔＱ＝Ｋ（Ｂ×Ｗ） …（６）ここに、K;比例定数しかし、ΔＱは（５）式で、Ｗは（４）式で与えられ
るので、残る変数Ｂを（６）式から求めると、次のよう
になる。

いま、検出電極を結ぶ直線上における磁束密度分布の
みを考えると、（７）式中のｙ＝０と置くことができ、
また、ｒ＝ｘであるから、次式が得られる。

磁束密度Ｂの最大値を求めるためにdB/dx＝０を満足
するｘの値を求めると次式のようになる。

（９）式は、半径を１としたとき、配管内の各部の流
量を忠実に流量信号に反影させるように、中心から電極
方向にほぼ±0.6移動した位置で最大となるような磁束
密度分布を与えることが必要であることを意味する。い
ま、配管の半径をd/2とすれば、磁束密度の最大の位置
は、となる。このような磁束密度分布を図示すると第13図の
ようになる。実際には第13図に示す磁束密度分布を実現
することは困難であるので、第11図に示すような分布の
ものを用いると、Ｂ×Ｗの値は第12図に示すようにな
る。第12図からわかるように、点線で示す流量分布に比
べ、中心部で幾分ずれがあるが、両者間の差を10〜15％
以内とすることができる。

〔実施例〕

以下本発明を第１図に示した実施例及び第２図を用い
て詳細に説明する。

第１図は本発明の電磁流量計の検出器の一実施例を示
す縦断面図である。第１図において、１は断面が円形の
配管、２は配管１の左右に設けた流量の電気信号を取り
出すための一対の検出電極、３は流体、４は検出電極２
間を結ぶ軸と流体３が流れる方向とのいずれとも直交す
る上下方向に設けた磁極で、磁極４はヨーク５でつなが
れている。６は励磁コイルである。

いま、検出器の各点に符号を付ける。配管中心をＯ
点，検出電極をＤ点，電極の端をＰ点，磁極の付根部を
Ｙ点とする。また、磁極の端Ｐ点と配管中心Ｏ点を結ぶ
線OPと検出電極Ｄ点と配管中心Ｏ点を結ぶ線ODとのなす
角をΦとし、磁極４の側面PYとODのなす角をθとする。

条件１検出器の測定精度や配管内の偏流や乱流による流量の
検出ずれなどを考慮すると、管内各部の流量の検出器へ
の反影を忠実度の誤差は10〜20％程度は許容される。な
お、ここで忠実度とは、各部におけるΔＱ＝２πｒ・Δ
ｒ・ｖに対するΔＱ＝Ｋ（Ｂ×Ｗ）の差をパーセントで
表わしたものである。この忠実度の（10）式に対し±20
％の許容範囲を求めると、0.255d〜0.335dとなる。この
範囲内で磁極端における磁極端の間隔が最小になればよ
いから、を満足するΦの値を求めればよい。従つて、Φは59゜〜
48゜が得られる。

条件２配管中心Ｏ点の磁束密度B_oが最大磁束密度B_mの80％以
下とすると、忠実度は±15.3％となり、最大磁束密度B_m
のずれも考慮すれば、この条件が妥当である。従つて、
次式が成立すればよい。

ただし、 B_o＝（NI/d）μ …（13）ここに、NI;励磁アンペアターン μ；比透磁率 B_m＝（NI/dsinΦ）μ …（14）これらを（12）式に代入して、（15）式からΦ≦53゜となる。従つて、条件１と２を満
足するΦの範囲は、Φ＝48゜〜53゜となる。

条件３検出電極近傍の磁束密度B_dとB_mの比が30％以下とす
る。この理由は、第13図において、忠実度を20％以下
で、最大磁束密度B_mのずれを許容範囲の上限である0.33
5dとすると、磁極近傍である0.475dの位置で30％程度と
なるからである。

この条件を満足するためには、条件２と同じようにここに、R;磁極の端部効果の係数で約２とする。ただ
し、（17）式の分母は磁束の通路長である。（16）式に
（14）式と（17）式を代入すると、上式よりtanθを求めると、ここで、Φ＝53゜,X＝d/2を代入すると、となり、θ≧66.8゜が得られる。

以上述べたように、磁極端Ｐと配管中心Ｏを結ぶ直線
OPとODとなす角Φが、Φ＝48゜〜53゜とし、磁極側面PY
とODとのなす角θが、θ≧66.8゜とすることにより、上
記の３つの条件を満足した磁束密度分布が得られるの
で、本発明の実施例においては、第１図に示すように、
磁極４の形状を先端を配管１の外周部に隣接し、検出電
極２に対応する側面をΦ＝48゜〜53゜でθ≧66.8゜とし
た。

なお、口径ｄが変つてもΦとθの条件が変わらないこ
とはいうまでもない。第２図は本発明の検出器の磁気回
路の磁束密度分布を測定した結果を示す線図である。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、配管内の各部
の流量に忠実な流量電気信号が得られるため、例えば、
配管内壁面の乱流が生じやすい部分のノイズの多い流量
信号のノイズを軽減できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の電磁流量計の検出器の一実施例を示す
縦断面図、第２図は本発明の検出器の磁気回路の磁束密
度分布を測定した結果を示す線図、第３図は従来の電磁
流量計の検出器の縦断面図、第４図は第３図の検出器の
磁気回路の磁束密度分布を示す線図、第５図は各部で発
生する信号が電極に寄与する割合を示す重み関数を示す
線図、第６図は第５図の場合の配管の径方向の流量特性
図、第７図，第９図，第11図はそれぞれ磁束密度が一定
の場合、第４図のような場合及び第２図のような場合の
磁束密度分布図、第８図，第10図，第12図はそれぞれ第
７図，第９図，第11図に対応するＢ×Ｗを棒グラフで示
した図、第13図は最も好ましい磁束密度分布図である。１……配管、２……検出電極、３……流体、４……磁
極、５……ヨーク、６……励磁コイル。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定流体が流通する配管の内壁に対向し
て設けられた一対の検出電極と、前記配管の軸と該検出
電極間を結ぶ直線のいずれとも直交する方向に磁場を形
成する磁石手段とを備えた電磁流量計の検出器におい
て、前記磁石手段は、前記配管の口径をｄとするとき、
前記検出電極間を結ぶ直線の中心から前記各検出電極へ
向かう方向に0.3dだけ離れた位置の近傍で最大の磁束密
度を生ずるように形成された一対の磁極先端部を有する
ことを特徴とする電磁流量計の検出器。
【請求項２】前記磁極先端部は、前記配管の周方向に対
し円弧を描くように形成してある特許請求の範囲第１項
記載の電磁流量計の検出器。
【請求項３】前記磁極先端部の円弧は、実質的に前記配
管の中心を中心とする円弧に沿つて形成されている特許
請求の範囲第２項記載の電磁流量計の検出器。
【請求項４】前記磁極先端部は、前記検出電極間を結ぶ
直線と、前記配管の中心と前記磁極先端部の円周方向端
部とを結ぶ直線とのなす角度Φが48゜から53゜の間の値
になるように形成されている特許請求の範囲第３項記載
の電磁流量計の検出器。
【請求項５】前記磁極は、前記検出電極間を結ぶ直線
と、前記円弧の周面方向における磁極の側面とのなす角
度θが66.8゜以上であるように形成されている特許請求
の範囲第３項記載の電磁流量計の検出器。