JP3126580B2 - 電磁流量計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は非満水時の流量測定に好
適な電磁流量計に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の電磁流量計は、図９に示すよう
に内面に絶縁層が施され、或いはそれ自体が絶縁性を有
する測定管５１の上下方向に２分するライン５２（以
下、電極取付けラインと呼ぶ）上の内壁部に相対向する
ように一対の電極５３，５３が液密，かつ，絶縁を施さ
れて装着され、これら一対の電極５３，５３を結ぶとこ
ろの電極取付けライン５２に対して直交する側の測定管
５１の両外側には磁束を発生する励磁コイル５４が配置
されている。

【０００３】さらに、測定管５１の外側には励磁コイル
５４の中空部分相当位置に配置されたコア５５を介して
構成部材全体を覆うようにケース５６が設けられてい
る。これらコア５５およびケース５６は励磁コイル５４
からの磁束を効率よく発生させるための帰還磁路の役割
を有している。

【０００４】この電磁流量計の測定原理は、測定管５１
内を流通する導電性流体５７に対して励磁コイル５４か
ら発生する磁束を直交するように作用させ、このときに
導電性流体５７の単位時間当たりの流量の流体に誘起す
る起電力を前記一対の電極５２で取り出し、流量信号に
変換し出力するものである。

【０００５】ところで、このような電磁流量計において
は、その設置時、図９に示すように上下方向に２分する
電極取付けライン５２上に相対向するように一対の電極
５３，５３を設置するので、測定管５１内を流通する導
電性流体５７の非満水状態，例えば測定管５１内の水位
が満水状態の水位と辛うじて電極５３に接触する水位と
の中間の任意位置５８にあるとき、その水位に応じて流
量誤差が発生する。

【０００６】以下、導電性流体の非満水時の流量誤差に
ついて説明する。

【０００７】一般に、電磁流量計は、満水状態の流量
（以下、実流量と呼ぶ）が流れていることを前提とし、
一対の電極から得られる信号を適宜信号変換して実流量
を測定している。そこで、実際に満水状態のときの流量
計出力を流量誤差を０とすると、ある任意の水位のとき
には測定管流路断面積において約｛空隙面積（非満水面
積とも呼ぶ）／全流路断面積｝分のプラス流量誤差が発
生する。

【０００８】その理由は、図１０に示すように電極取付
けライン５２に対して垂直方向に所定の幅ｄｘを有する
流体の微小要素ｄＱ₂ について考えれば理解できる。

【０００９】なお、簡単化のために、微小要素ｄＱ₂ 内
の流速は一様かつ満水状態にあると仮定し、かつ、その
微小要素ｄＱ₂ の任意位置の電極間起電力の寄与率が一
様（寄与率一様は流体の偏流にも影響を受けない理想的
な条件であるが、磁束分布の工夫によってある程度実現
されているものも市販されている）であると考えれば、
電極取付けライン５２に対して垂直方向に同じ電位とな
る等電位線６１，６２，…が形成される。このことは、
流体の微小要素ｄＱ₂ における起電力は、非満水面積に
拘らず、一対の電極５３，５３間が導電性流体５７で満
たされている限り、電極取付けライン５２と一致する方
向ｘの幅ｄｘにより決定される。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来の
電磁流量計においては、流体が常に測定管５１内に満水
状態にあることを前提として実流量を測定しているの
で、一対の電極５３，５３が導電性流体５７で満たされ
ている限り、非満水状態であっても満水時と同じ流量計
出力が生ずる。これは、非満水面積部分（空隙面積部
分）にもあたかも実際に流量が流れているかのような流
量計出力を測定することを意味する。しかし、その非満
水面積分の流量に相当する流体５７は実際には何ら流れ
ておらず、後追いの状態で流れるので、実際的には実流
量に非満水面積分の流量が上乗せされた格好の流量計出
力が生じることになる。

【００１１】以上の説明は、流体の微小要素ｄＱ₂ だけ
について考えたが、測定管流路断面積全部の非満水面積
部分（空隙面積部分）を積分した全面積部分にも流体が
流れたと解釈して流量計出力を取り出すので、一対の電
極５３，５３が導電性流体５７で満たされている状態で
流体水位が低くなればなる程、実流量に大きな流量が上
乗せされた状態となり、大きなプラス流量誤差が発生す
る。

【００１２】さらに、測定管５１を上下方向に２分する
左右方向に一対の電極５３，５３が装着されているの
で、水位が５０％まで満たされている場合には流量測定
が可能であるが、５０％を割ると一対の電極５３，５３
が流体から露出した形となり、測定管５１内の流量を測
定することが不可能となる。

【００１３】本発明は上記実情に鑑みてなされたもの
で、非満水状態でも流体の水位に応じて正確に流量を測
定可能とする電磁流量計を提供することを目的とする。

【００１４】また、本発明の他の目的は、非満水状態お
よび満水状態の何れでも適確に流量を測定可能とする電
磁流量計を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１，２に対応する発明は、測定管の端部に導
電性流体と接液するアースを取り付けた電磁流量計にお
いて、前記測定管の下部側にのみ電極を装着するととも
に、この測定管の上下方向に対して直交する側の当該測
定管の両外側に磁束発生装置を配置し、前記電極と前記
測定管端部に常時接液可能に設けられた前記アースとの
電位差から流量を測定する電磁流量計である。

【００１６】なお、前記磁束発生装置においては、測定
管の内面形状に応じて異なる強度の磁束を発生するよう
に形成するものである。

【００１７】次に、請求項３に対応する発明は、測定管
の端部に導電性流体と接液するアースを取り付けた電磁
流量計において、前記測定管の上下部に相対向するよう
に装着された一対の電極および前記測定管の上下方向に
対して直交する側の当該測定管の両外側に配置された磁
束発生装置と、前記一対の電極の出力から満水時と非満
水時の状態を判断する判断手段と、この判断手段により
満水時と判断されたとき、前記一対の電極の出力から流
量を測定する満水時流量測定手段と、前記判断手段によ
り非満水時と判断されたとき、前記測定管下部側のみの
電極と前記測定管端部に常時接液可能に設けられた前記
アースとの電位差から流量を測定する非満水時流量測定
手段とを備えた電磁流量計である。

【００１８】

【作用】従って、請求項１，２に対応する発明は、以上
のような手段を講じたことにより、測定管の下部側にの
み電極を装着し、かつ、測定管の左右方向の両外側に磁
束発生装置を配置し、測定管内の水平方向（左右方向）
に磁束を発生するようにすると、水平方向に対して垂直
となる方向に起電力が発生するので、１個の電極とアー
スとの間には電位差が発生し、この電位差はほぼ流体が
存在する面積を２等分する水平線の位置の流量に相当す
ることから、適宜信号処理することにより、非満水状態
であっても正確に流量を測定できる。

【００１９】なお、測定管の水平方向に対して垂直とな
る方向に起電力が生ずるが、この起電力は、測定管内面
形状が例えば円形である場合、垂直となる方向の各位置
の微小の断面積に比例した値の起電力を発生させる必要
がある。そこで、測定管の内面形状に応じて異なる強度
の磁束を発生すれば、電極とアースとの電位差から適切
な流量を取り出すことができる。

【００２０】次に、請求項３に対応する発明は、測定管
の上下部に一対の電極を装着し、かつ、測定管の左右の
両外側に磁束発生装置を配置し、測定管の水平方向に磁
束を発生するように設定する。この状態において一対の
電極間のインピーダンスから非満水時か満水時かを判断
し、非満水時にはその水位に応じて流量誤差が大きく変
化するので、測定管下部側の電極を用い、満水時には測
定管上下部の一対の電極を用いて流量を測定するので、
流体の水位の状態に応じて適切に流量を測定できる。

【００２１】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。

【００２２】図１は本発明に係わる電磁流量計の一実施
例を示す構成図である。同図において１は内面に絶縁層
が施され、或いはそれ自体が絶縁製の材料で形成された
測定管であって、この測定管１の下部側にのみ電極２が
装着され、かつ、測定管１の上下方向に対して直交する
方向である測定管１の両外側には磁束を発生させる励磁
コイル３が配置されている。４は励磁コイル３に方形
波，正弦波等の励磁電流を供給する励磁回路である。

【００２３】さらに、測定管１の一端部または両端部に
は導電性流体に接液するようにアースリング５が取り付
けられ、１つの電極機能を兼ねる構成となっている。そ
して、電極２の出力端とアースリング５のアース電位線
とが差動増幅器６に導入され、ここで測定管１内の流体
に誘起する起電力，つまり流量に比例する信号を取り出
し、ノイズ除去回路７を介して演算回路８に送られる。
この演算回路８はノイズ除去後の信号に適宜信号処理し
て流量計出力を得るものである。９は測定管１内の流体
の水位を示している。

【００２４】なお、励磁コイル３から磁束を効率よく発
生させるためのコアおよびケースなどで構成される帰還
磁路は本発明の主旨とは直接関係するものでないので、
ここでは図面から省略する。

【００２５】従って、以上のような構成の電磁流量計に
よれば、アースリング５が１つの電極機能を有し、か
つ、励磁コイル３からの磁束は測定管１の水平方向に形
成される。その結果、電極２とアースリング５との間の
導電性流体１０には、流体の水位９が定まることによ
り、等価的には図２に示すような起電力が発生すること
になる。つまり、水平方向の磁束に対し、流体の流量に
よって発生する起電力は図３に示すごとく水平方向に対
して直交する垂直方向（上下方向）に生じる。これは従
来例を説明する図１０とは９０°ずれた方向に起電力が
生ずることを意味する。

【００２６】そこで、測定管１内の水位９が定まれば、
電極２とアースリング５との間の起電力が決まってくる
が、このときのアースリング５によって設定される流体
のアース電位は種々の実験の積み重ねた結果、流体が存
在する断面積をほぼ２等分する水平線１１の位置にある
ことが明確となった。

【００２７】さらに、測定管１内の流体１０が満たされ
ている部分について、図３に示すように水平線１１に平
行な線で分割し、その分割された微小間隔ｄｙからなる
微小要素ｄＱ₁ の起電力を求めるために、測定管下部の
電極２とアースリング５との間の電位差を検知してみる
と、流体の満水時，非満水時に拘らず、常に一定の電位
差を検知することができる。これは、流体の非満水面積
（空隙面積）１２によって流量誤差が発生しないことを
意味する。

【００２８】さらに、この起電力の発生メカニズムを詳
しく説明する。

【００２９】図４は測定管１内の流体を水平方向に微小
間隔ｄｙで薄切りした複数の板状微小要素ｄＱ_1yからな
る図である。

【００３０】今、簡単化のために、測定管流路の任意の
位置の流体速度が一様かつ単位面積当たりの流量を
「１」とし、磁束は水平方向のみとし、垂直方向は無視
するものとする。この場合、微小要素ｄＱ_1yには垂直方
向のみに一様な起電力ｄｖが発生し、板状の微小要素ｄ
Ｑ_1yの水平方向には電位差がないことから、上下方向に
現れる起電力ｄｖは下式で表せる。

【００３１】 ｄｖ＝１（単位面積当たりの流量）・ｄｙ＝ｄｙ ……（１） なぜならば、フレーミングの電磁誘導の法則から水平方
向の磁束に対し直交する方向に導電性流体を切ったと
き、導電性流体による微小間隔ｄｙによって生ずる一定
のインピーダンスにより、測定管１の上下方向に起電力
ｄｖが発生すると考えられるためである。一方、この微
小要素ｄＱ_1yについて、図５の上段のように水平方向に
微小幅ｄｘで幾つかに分割したとき、これら微小幅ｄｘ
の微小要素ｄＱ_1yx 相互の間の関係は図５の下段に示す
ように電池の並列接続と同じ結果となり、前記（１）式
と同様に板状の微小要素ｄＱ_1yx の上下面間の起電力は
ｄｖとなる。結局、これらの微小要素ｄＱ_1yx は、図４
に示すように上下方向に積み重なったときの全体とし
て、電極２とアースリング５との間で電位差Ｖが発生す
る。これは電池を直列に接続した場合と同様となる。

【００３２】そして、電極２とアースリング５間の電位
差Ｖは、測定管１を流れる全体の流量と相関関係をもつ
ためには、上下方向の各微小要素ｄＱ_1yx の断面積に比
例した値となる必要がある。

【００３３】そこで、図４に示す板状微小要素ｄＱ_1yの
断面積に比例する起電力を発生させるためには、励磁コ
イル３による水平方向の磁束の強さが断面積の分布に相
似な分布となるように発生させればよい。例えば測定管
１の内面形状が図６（ａ）に示すごとく円形状の場合に
はｘ値の分布と相似な磁束分布，つまり同図（ｂ）のよ
うな磁束分布に設定すれば、測定管内を流れる全体の流
量に比例した流量計出力を得ることができる。

【００３４】以上の説明について式をもって表すと、以
下のようになる。

【００３５】今、垂直方向をｙ、水平方向をｘ、測定管
内面下端（すなわち電極位置）をｘ＝ｙ＝０とした場
合、測定管１内を流れる流体水面の位置をｙ₀ 、測定管
内面の形状を関数ｘ（ｙ）とし、さらに測定管内を流れ
る単位時間当たりの全体の流量をＱとすると、下記
（２）式のようになる。

【００３６】

【数１】 一方、測定管１内面のｙ方向のｘ値の分布と相似な水平
方向の磁束分布ｋ・ｘ（ｙ）（ここでｋは定数）により
生じる電極２とアースリング５のアース電位線との間の
電位差Ｖは、前記（１）式で示したように板状微小要素
ｄＱ_1yの起電力ｄＶ＝ｄｙから次の（３）式のように表
せる。

【００３７】

【数２】 但し，ｋは定数である。

【００３８】この（３）式の電位差Ｖは前記（２）式で
ある測定管内を流れる単位時間当たりの全体の流量Ｑの
定数倍の関係であることが分かる。従って、電極２とア
ースリング５との電位差Ｖを差動増幅器６および演算回
路８により有用な値に増幅するとき、適宜信号処理すれ
ば、所要とする流量計出力を得ることができる。

【００３９】因みに、測定管内面形状が円形状の場合、
磁束分布は、 ｘ（ｙ）＝２・（Ｄ・ｙ−ｙ² ）^0.5 ……（４） のような関係式となる。但し、Ｄは円の直径である。こ
れは、前述したように測定管内面形状が図６（ａ）のよ
うに円形状の場合にはｘ値の分布と相似な磁束分布，つ
まり図６（ｂ）のような磁束分布に設定すれば、測定管
内を流れる全体の流量に比例した流量計出力を取り出す
ことが可能である。

【００４０】一方、測定管内面形状が矩形の場合には、
図７に示すように流体の水位９の２分の１の位置にアー
ス電位が存在することは明らかである。この場合の測定
管１は、断面円形状でなく、上下方向のどの位置でも矩
形の横幅Ｂが同じであるので、流体が存在する断面積を
２等分する水平線１１の位置は常に水位９の２分の１と
なるためである。

【００４１】従って、このときの磁束分布は、 ｘ（ｙ）＝Ｂ ……（５） となる。

【００４２】従って、以上のような実施例の構成によれ
ば、水位変化方向と流体微小要素ｄＱ¹ の起電力発生方
向がともに垂直方向であることから、水位と起電力との
間には基本的に性質のよい相関関係があり、水平方向の
磁束密度の垂直方向分布を適当に設定することにより、
水位変化に対しても実流量によく一致する流量計出力を
得ることができる。

【００４３】次に、本発明に係わる電磁流量計の他の実
施例について図８を参照して説明する。

【００４４】この実施例は、測定管１の上下部に相対向
するように一対の電極２１，２を装着するとともに、こ
れら一対の電極２１，２の出力線間には流体のインピー
ダンスの測定によって測定管１内の非満水時か満水時か
を判断する水位状態判断手段２２が設けられている。ま
た、測定管１の上部側電極２１の出力線とアースリング
５のアース電位線とを選択する切替手段２３が設けら
れ、この切替手段２３の出力端と測定管１の下部側電極
２との出力端がそれぞれ差動増幅器等の電子回路２４に
導入されている。

【００４５】そして、測定管１内に導電性流体１０が流
れているとき、前記水位状態判断手段２２が一対の電極
間のインピーダンスを測定している。通常、非満水時に
は、測定管１の上部側電極２１には流体が接触しいてい
ないので、非常にインピーダンスが大きい状態にある
が、流体が接触すると流体の導電性や管径その他の要因
で定まるインピーダンスとなる。

【００４６】そこで、水位状態判断手段２２は、一対の
電極２１，２間のインピーダンスを測定し、例えば予め
定めた所定のインピーダンスよりも大きい値となったと
き測定管内の流体が非満水時の状態であると判断し、非
満水時に応じて選択信号を切替手段２３に送出し、図示
する方向とは反対側方向に切替え、測定管１の下部側電
極２の出力端とアースリング５のアース電位線とを電子
回路２４に導く。その結果、前記実施例と同様な測定手
段により、非満水時の流体の流量を測定できる。

【００４７】一方、水位状態判断手段２２において一対
の電極２１，２間のインピーダンスが所定のインピーダ
ンスよりも小さな値となったとき測定管内の流体が満水
時の状態であると判断し、満水時に応じた選択信号を切
替手段２３に送出し、図示するように測定管１の上部側
電極２１を選択する。従って、この場合には測定管１の
上下部側の両電極２，２１の出力端が電子回路２４に導
入される。このとき、非満水時と満水時とではゲインや
信号変換手段が異なるので、切替と同時に水位状態判断
手段２２からゲイン調整その他の信号変換用信号を差動
増幅器その他演算回路等に送出する。

【００４８】従って、以上のような実施例の構成によれ
ば、非満水時には上記の実施例と同様な流量測定手段に
よって流体の水位の変動にもかかわらず流量誤差を伴う
ことなく流量を測定でき、一方、満水時には通常の電磁
流量計の流量測定手段に基づいて流体の流量を測定する
ので、特別な信号変換処理を行うことなく、適切に流体
の流量を測定できる。

【００４９】なお、上記実施例では、測定管１の下部側
に１個の電極２を装着するようにしたが、２個以上の電
極２，…を装着し、これら各電極２，…から得られた出
力を統計的な処理を行って流体の流量を求めるようにし
ても良い。また、測定管１の両側のアースリング５から
アース電位を取り出すようにしたが、種々要望，形態に
応じて測定管１の片側にアースリング５を取り付けた場
合でも同様に適用できる。また、アースリング５はリン
グ状のものを想定しているが、例えばＵ字状のものでも
同様に適用できる。

【００５０】その他、本発明はその要旨を逸脱しない範
囲で種々変形して実施できる。

【００５１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、次
のような種々の効果を奏する。

【００５２】請求項１の発明においては、非満水状態で
も流体の水位に応じて流体の流量を正確に測定できる。

【００５３】次に、請求項２の発明においては、測定管
の上下方向の断面積に比例する起電力を発生でき、ひい
ては測定管内を流れる全体の流量に比例する流量信号を
取り出すことができる。

【００５４】請求項３の発明では、非満水状態と満水状
態に応じて適切な測定手段で適確に流量を測定できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる電磁流量計の一実施例を示す構
成図。

【図２】測定管の下部側に電極を取り付けたときのアー
スリングと電極との間の起電力の発生状態を示す図。

【図３】励磁コイルから測定管の水平方向に磁束を発生
させたときの起電力の現れ方を説明する図。

【図４】励磁コイルから測定管の水平方向に磁束を発生
させたとき、測定管の上下方向の水位に応じて起電力が
積み重ねられて発生する様子を説明する図。

【図５】図４に示す一枚の板状の微小要素を水平方向側
に幾つか分割したときに起電力が変化しないことを説明
する図。

【図６】円形状の測定管内面形状と励磁コイルから発生
する磁界の強度との関係を示す図。

【図７】測定管内面形状が矩形の場合の流体水位とアー
ス電位の現れ方を説明する図。

【図８】本発明に係わる電磁流量計の他の実施例を示す
構成図。

【図９】従来の電磁流量計を示す構成図。

【図１０】従来の電磁流量計における起電力の発生状態
を示す図。

【符号の説明】

１…測定管、２…電極、３…励磁コイル、５…アースリ
ング、６…差動増幅器、９…流体の水位、１０…導電性
流体、２１…電極、２２…水位状態判断手段、２３…切
替手段。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定管の端部に導電性流体と接液するア
   ースを取り付けた電磁流量計において、 前記測定管の下部側にのみ電極を装着するとともに、こ
   の測定管の上下方向に対して直交する側の当該測定管の
   両外側に磁束発生装置を配置し、前記電極と前記測定管
   端部に常時接液可能に設けられた前記アースとの電位差
   から流量を測定することを特徴とする電磁流量計。
2. 【請求項２】 磁束発生装置は、測定管の内面形状に応
   じて異なる強度の磁束を発生することを特徴とする電磁
   流量計。
3. 【請求項３】 測定管の端部に導電性流体と接液するア
   ースを取り付けた電磁流量計において、 前記測定管の上下部に相対向するように装着された一対
   の電極および前記測定管の上下方向に対して直交する側
   の当該測定管の両外側に配置された磁束発生装置と、 前記一対の電極の出力から満水時と非満水時の状態を判
   断する判断手段と、 この判断手段により満水時と判断されたとき、前記一対
   の電極の出力から流量を測定する満水時流量測定手段
   と、 前記判断手段により非満水時と判断されたとき、前記測
   定管下部側のみの電極と前記測定管端部に常時接液可能
   に設けられた前記アースとの電位差から流量を測定する
   非満水時流量測定手段とを備えた ことを特徴とする電磁
   流量計。