JP2607708B2 - 電磁流量計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、導電性流体の流量を測定する電磁流量計に
関する。

（従来の技術） 従来一般に、導電性流体の流量を測定する電磁流量計
は第６図に示すような構成がとられている。

すなわち、導電性流体の流れる配管に介挿し、その中
に導電性流体を流す導管１と、この導管１に対してその
軸に垂直な方向に磁界をかけるための電磁石２と、この
電磁石２を励磁するための励磁回路３と、前記導管１に
設けられた電極４と、この電極４からの起電力出力を増
幅して取り出す増幅回路５とから構成されている。

そして、電磁石２は、磁気コア６と励磁コイル７とで
構成され、磁気コア６のギャップ部８が導管１の軸に垂
直となる位置関係に配置されている。また電極４は、導
管１に加えられる磁界に対して垂直な方向において流体
の生起する起電力を検出するように設けられている。

このような従来の電磁流量計では、励磁回路３により
電磁石２に一定の交番磁界を生起させるために励磁コイ
ル７に方形波電流を流し、生起された交番磁界を導管１
に加える。すると、導管１では、その内部を流れる導電
性流体がその流速に応じた強さの起電力をフレミングの
右手の法則に基づいて流体の流動方向と磁界の方向とに
共に垂直な方向に発生する。

そこで、これを電極４から取り出し、増幅回路５に通
して信号増幅した後に演算処理することにより導管１内
を流れる導電性流体の流量を得ることができる。

ここで、電磁石２に交番磁界を発生させて導管１に加
える理由は、検出器電極４に発生する電気化学的作用に
よる直流的な分極電圧が流量信号に影響を与えないよう
にするためである。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、このような従来の電磁流量計では、電
磁石２の励磁により磁界を得るために磁気コア６により
鉄損、コイル７による銅損といった電力損失があり、励
磁回路３が励磁コイル７に供給しなければならない電力
が増加し、回路が大形化し、消費電力も大きくなる問題
点があった。さらに、消費電力が大きいために発熱も大
きく、本質安全防爆構造が取れず、防爆構造が必要な場
所での使用ができない問題点があった。

このような問題点を解決するために励磁電流を低くす
ることも考えられるが、励磁電流を低くして磁界を弱く
するならば、電極４から取り出す起電力出力が小さくな
り、S/N比の低下を来たすることになり、好ましいもの
ではない。

また、従来の電磁流量計には、コイル７やその他の電
気的接続部分が多数存在するので、使用温度が限定さ
れ、またその信頼性も低いという課題があった。

本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされた
もので、検出性能を低下させることなく電力消費を減ら
し、装置の小形化と省電力化とが図れ、防爆構造を採れ
る信頼性の高い電磁流量計を提供することを目的とす
る。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために本発明の電磁流量計は、導
電性流体が流れる導管と、磁界を発生させる永久磁石
と、この永久磁石の磁界を前記導管に対してその軸に垂
直な方向に導くように配置された第１の磁路と、前記永
久磁石の磁界を前記導管に導かないように配置された第
２の磁路と、前記永久磁石に接合して設けられ、磁界を
前記第１の磁路と第２の磁路とに周期的に切換えて導く
磁路切換え手段と、前記永久磁石の磁界が前記第１の磁
路を通る時に得られる前記導管の電極からの起電力出力
と、前記永久磁石の磁界が前記第２の磁路を通る時に得
られる前記導管の電極からの起電力出力との差から流体
流量を求める流量検出手段とを備え、前記磁路切換え手
段は、加熱により磁気スピンの再配列現象を起こす物質
と、この物質を加熱する加熱手段とを有し、前記物質を
前記加熱手段で加熱した場合と加熱しない場合とで前記
第１の磁路と第２の磁路とを切換えるものであることを
特徴とするものである。

（作用） 磁界を導管にかける時に電極の表面に発生する分極電
圧と導管内を実際に流れる導電性流体により発生する起
電力とが重畳した形で電極に起電力として現れてくる
が、直流磁界の場合にはこの分極電圧と流体により起電
力との区別がつかない。

そこで、この発明の電磁流量計では、磁路切換え手段
中の物質を加熱しない状態で永久磁石からの磁界を第１
の磁路に通して導管に導き、電極の起電力出力から電極
電圧と流体による起電力とを重畳した形の起電力出力を
得る。

次に、前記物質を加熱すると、磁気スピンの再配列現
象を起こし磁化容易方向が変化して永久磁石からの磁界
を第２の磁路に通す。これにより、導管に磁界をかけな
い状態で電極出力を取り出す。

すると、この時には導電性流体の流動に関係なく電極
に発生している分極電圧のみを電極出力として得ること
ができる。

そして、磁路切換え手段が第１の磁路に切換えている
時の電極出力と第２の磁路に切換えている時の電極出力
との差を流量検出手段により求めることにより、共通に
発生している分極電圧を相殺し、導電性流体の流動によ
り発生する起電力のみを取り出すことができ、流体流量
の正確な検出が行える。

磁路の切り換えを行う前記物質は温度などによって磁
化容易方向が変化する（スピン再配列現象を起こす）稀
土類オーソフェライト（RFeO₃）や稀土類コバルト合金
（DyCo₅やNdCo₅）を用いる。

（実施例） 第１図は本発明の一実施例の回路構成を示している。

図示の如く、本実施例は、導管11に対してその軸方向
に垂直な方向に磁界（磁束）を加えるための第１の磁路
を形成する第１磁気コア12と、この第１磁気コア12に直
流磁界を加える永久磁石13と、スピン再配列物質14と、
このスピン再配列物質14を加熱する加熱素子15と、導管
11に対して永久磁石13の磁界を導かないようにするため
の第２の磁路を形成する第２磁気コア16とを備えてい
る。

また、導管11に設けられた電極17からの起電力出力を
取り出して増幅する増幅回路18と、スピン再配列物質14
が加熱されていないときにオンとなってコンデンサ19に
増幅回路18の出力を蓄電する第１スイッチ20と、スピン
再配列物質14が加熱されているときにオンとなって第２
コンデンサ21に増幅回路18の出力を蓄電する第２スイッ
チ22と、これら第１コンデンサ19と第２コンデンサ21の
電圧差を求める差動増幅器23とを備えている。

上記スピン再配列物質14は、第２図にその特性を示す
ように、低温時Ｃ軸と直角方向に向いていた磁化容易軸
（磁石に吸引される方向）は、温度が高くなるとＣ軸の
方向に傾いて行き、ある温度以上になると完全にＣ軸と
重なる。これをスピン再配列現象といい、磁性体の中に
は、磁石に吸引される方向が温度により90度変化するも
のがある。

本実施例のスピン再配列物質14は、稀土類オーソフェ
ライト（RFeO₃）や稀土類コバルト合金（DyCo₅,NdCo
₅等）を用いている。

また、上記物質14は、加熱されていない常温時におい
て、その磁化容易軸が第１磁気コア11方向となるように
配置されている。

次に、上記構成の電磁流量計の動作について説明す
る。

第３図は第１図に示した回路における信号波形を示し
ており、以下、第１図の回路と第３図の波形図とを基に
して電磁流量計の動作を説明する。

スピン再配列物質14は、第３図ａにその加熱タイミン
グを示すように、加熱素子15によってある一定周期で加
熱されている。また、第１スイッチ20と第２スイッチ22
とはこの加熱タイミングに同期して交互にオン、オフす
る。

まず、スピン再配列物質14が加熱されていない時に
は、永久磁石13の磁束は第１磁気コア12に沿って流れ、
導管11に加えられる磁束ｂは永久磁石の保磁力と第１磁
気コア12の磁気抵抗により決定される。

このスピン再配列物質14が加熱されていない期間は、
磁化容易時が図中上下方向にあるため、第２磁気コア16
方向の磁気抵抗は大きく、その磁束ｃは小さな値とな
る。

したがって、導管11の電極17では、磁界ｂと流体の導
管11内の平均流速とに比例する信号と、電極の表面の分
極電圧（第３図の波形ｄにおいて斜線を施した部分）と
を重畳した信号A1,A2,A3,…の起電力を出力する。そし
て、第１スイッチ20がオンしている間C1,C2,…にこの起
電力が第１コンデンサ19に蓄電されることになる。

次に、加熱素子15によってスピン再配列物質14が加熱
されると、その磁化容易軸は第２磁気コア16方向とな
る。

これにより、永久磁石13の磁束のうち、第１磁気コア
12に導かれる磁界は弱くなり、導管11に加えられる磁束
ｂも小さなものとなる。したがって、電極17の検出する
起電力出力は小さなものとなり、第３図の波形ｄに示す
ように電極17からは、分極電圧信号B1,B2…のみが取り
出されることになり、第２スイッチ22がオンしている間
D1,D2,…にこの出力が第２コンデンサ21に蓄電されるこ
とになる。

そこで差動増幅器23では、これら第１コンデンサ19と
第２コンデンサ21との充電電荷の差分を取って増幅し、
導管11内を流れる導電性流体の平均流速に比例した信号
ｇを取り出すことができる。

こうして取り出された平均流速信号に対しては、流体
流量が平均流速に比例するものであるので、あらかじめ
設定された換算式に基づき導管11内の流量を計算するこ
とができる。

なおこの実施例では、第１スイッチ20、第２スイッチ
22のオンするタイミングは、磁気回路の磁界が安定した
後に一定時間オンするようにし、磁界変化に伴って生じ
る90度ノイズや同相ノイズを避け、高精度で安定した流
量測定ができるように配慮している。

従って、本実施例によれば、従来必要であった電磁石
やこの電磁石を励磁する励磁回路が不要となり、使用温
度や信頼性を高める事ができる。

また、必要十分な磁束を受け、スイッチ20,22により
磁束の安定したタイミングで流量信号を得るので、その
信号には従来の方式のように磁束変化に伴う90度ノイズ
や同相ノイズが含まれず高精度かつ安定に流量を測定す
ることが出来る。これにより、まったくコイルを使用せ
ずいわゆる方形波励磁方式の電磁流量計を構成すること
が出来る。

さらに、コイルによるインダクタンスが検出器内に存
在しないので本質安全防爆形の検出器を設計する場合の
制約は大幅に低減される。

さらに、永久磁石はどんな期間でもほぼ一定の磁気抵
抗の下で使われ、永久磁石に逆向きの磁束を電磁石によ
り加えることがないので、異常な減磁もなく安定に使用
できる。

第４図はこの発明の他の実施例を示している。永久磁
石13は保磁力の経年変化や温度影響によって導管11に加
わる磁界は変動するが、この実施例では、磁界の変動に
よる測定誤差を補正するために第１磁気コア12の形成す
る第１の磁路の中に磁気センサ25を置き、そのセンサ出
力により補正回路26において増幅器23の出力を補正する
ようにし、永年に渡って安定した正確な流量測定が行え
るようにしている。

なお、第４図において第１図と同一の符号を付した部
分は同一の構成を備えている。

以上、各実施例では、スピン再配列物質14の加熱手段
として加熱素子15を用いたが、これに変えてペルチェ素
子を用いてもよい。

すなわち、ペルチェ素子に流す電流の極性を交互に換
える事により、スピン再配列物質14を加熱，冷却を行
う。冷却を行うことでスピン再配列現象を短時間で繰り
返すことができるようになるので、流量信号をサンプリ
ングする期間を短くでき、電磁流量計としての応答時間
の短縮が可能となる。

また、第５図に示すように加熱素子14に換えて光ファ
イバーケーブル27を介して発光素子28からの光線を導入
しこれを熱源としてもよい。

これにより、完全に電気を検出器に供給する必要がな
くなり、増々本質安全防爆形の検出器を設計する場合の
制約が大幅に低減される。

さらに、図示は省略するが加熱源とし太陽光線をミラ
ー及びシャッタ等を経由して導入するようにしてもよ
い。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、永久磁石の磁界
を第１の磁路により導管に垂直に加えた時の電極からの
出力信号と、永久磁石からの磁界を第２の磁路により導
管に導かないようにした時の電極からの出力信号との差
を取り、平均流速を求めるようにしているため、永久磁
石を利用した場合に電極に発生する分極電圧を磁路の切
換え前後の電極出力の差により相殺することができ、実
際の流体の平均流速に比例した出力を得ることができ
る。したがって、従来、永久磁石を利用しては正確に流
体流量を測定することができないと考えて、やむなく交
番磁界を導管にかけるようにしていたために必要となっ
た大掛かりな交番磁界発生用の電源を必要とせず、電力
損失が少なくて省電力化が図れ、装置の小形化が達成で
きる。

また本発明によれば、磁路切換えは、加熱により磁気
スピンの再配列現象を起こす物質により行うことがで
き、従来必要であった電磁石やこの電磁石を励磁する励
磁回路が不要となり、使用温度や信頼性を高める事がで
きる。

さらに、コイルによるインダクタンスが検出器内に存
在しないので、本質安全防爆形の検出器を設計する場合
の制約は大幅に低減される。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の回路図、第２図はスピン
再配列現象の説明図、第３図は上記実施例の動作を示す
タイミングチャート、第４図はこの発明の他の実施例の
回路図、第５図はこの発明のさらに他の実施例の回路
図、第６図は従来例の回路図である。 11……導管、12……第１磁気コア 13……永久磁石、14……スピン再配列物質 15……加熱素子、16……第２磁気コア 17……電極、18……増幅回路 19……第１コンデンサ、20……第１スイッチ 21……第２コンデンサ、22……第２スイッチ 23……差動増幅器

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】導電性流体が流れる導管と、 磁界を発生させる永久磁石と、 この永久磁石の磁界を前記導管に対してその軸に垂直な
   方向に導くように配置された第１の磁路と、 前記永久磁石の磁界を前記導管に導かないように配置さ
   れた第２の磁路と、 前記永久磁石に接合して設けられ、磁界を前記第１の磁
   路と第２の磁路とに周期的に切換えて導く磁路切換え手
   段と、 前記永久磁石の磁界が前記第１の磁路を通る時に得られ
   る前記導管の電極からの起電力出力と、前記永久磁石の
   磁界が前記第２の磁路を通る時に得られる前記導管の電
   極からの起電力出力との差から流体流量を求める流量検
   出手段とを備え、 前記磁路切換え手段は、加熱により磁気スピンの再配列
   現象を起こす物質と、この物質を加熱する加熱手段とを
   有し、前記物質を前記加熱手段で加熱した場合と加熱し
   ない場合とで前記第１の磁路と第２の磁路とを切換える
   ものであることを特徴とする電磁流量計。