JP4592405B2 - 電磁流速センサ - Google Patents

Description

本発明は、農業用水の計測に好適な電磁流速センサの改良に関する。

農業用水路は水資源の有効利用や水質保全のため管水路化される傾向にある。そして、ごみ詰まりも少なく、維持管理が容易な管水路用流量計が望まれており、挿入型電磁流速計（電磁流速センサ）による、管水路の流量測定が報告されている（非特許文献１参照）。

一般的な電磁流量計は、精度が良く、耐久性がある、圧力損失が小さいなどの特徴から流量計側に広く使われている。しかし、電磁流量計は、特に管水路の口径が大きくなると、外径が大きく設置など取扱いが大変であるうえ高価になる。そこで、農業用水などのように、大口径の流量を簡単に測定する場合には、挿入型電磁流速計（電磁流速センサ）が使用されている（例えば、非特許文献２参照）。
榊原正典、佐高成大著、「現場での流量測定に関する試験（第２報）」愛知県農総試験報２１：１３８〜１４５（１９８９） 「農水電磁」カタログ、愛知時計電機株式会社、平成１６年４月、Ｐ４〜６

前記従来技術の非特許文献２に記載されている農水用の電磁は、本願出願人の製造する挿入型電磁流速センサで、その検知部は、図１に示すように、Ｅ形の磁路１に励磁コイル２を巻いたものを、ケース３内に収納し、ケース３の端部にケース３と電気的に絶縁した電極Ａ、Ｂの先端を露出させて設け、更に、ケース３の端面に絶縁ライニング４を被覆している。ケース３は金属製で電気的にアースして用いられる。

励磁コイル２に励磁電流を流すと、Ｅ形磁路１の磁極から破線で示すように磁束が発生する。図１で紙面と直角の方向に流体が流れると、図１のように誘起電圧Ｖ_１、Ｖ_２、Ｖ_３が発生する。これらの電圧は磁束のあるところに分布的に発生するが、電極Ａ、Ｂ間は図２のような等価回路と考えて良い。

なお、Ｖａ、Ｖｂはそれぞれ電極ＡとＢの電圧、Ｖ_３１は絶縁ライニング４の下面近くで、ライニング４に沿って発生する電極Ａ、Ｂ間の電圧で誘起電圧Ｖ_３の一部に相当する。Ｖ_３２は電極Ａ、Ｂ間の電圧Ｖ_３のうち、Ｖ_３１以外の電圧で、Ｖ_３１とＶ_３２が並列的になりＶ_３となる。Ｒ_３１とＲ_３２はそれぞれＶ_３１とＶ_３２と直列の等価抵抗である。換言すれば、Ｒ_３１、Ｒ_３２は電圧Ｖ_３１、Ｖ_３２が発生する部分の電気抵抗（等価抵抗）である。

電極間電圧Ｖ＝Ｖｂ−Ｖａは、次の（１）式となる。
Ｖ＝（Ｒ_３２Ｖ_３１＋Ｒ_３１Ｖ_３２）／（Ｒ_３１＋Ｒ_３２）・・・（１）
ところで、農水では、ケース３のライニング４の下面に水苔のような付着物が付いて、付着部分には流体が流れ難くなり、この部分の流速が小さくなる。従って、この部分で発生していた電圧Ｖ_３１が小さくなる。一般的に農水等では付着物の電気抵抗は、流体の電気抵抗とほぼ等しいため、付着物が付いても電気抵抗Ｒ_３１は殆ど変化しない。

挿入型電磁流速センサのケース３のライニング面に付着物が付いて、その部分の流速が小さくなって、誘起電圧Ｖ_３１が小さくなると、（１）式で示す電極間電圧Ｖも小さくなり、付着物により電磁流速センサの感度が小さくなり、器差変動が生じる。

特に電極Ａ、Ｂ間をほぼ直線的に結ぶ位置の発生電圧（誘起電圧）Ｖ_３１は、電極間電圧への影響が大きく、この電圧Ｖ_３１が変化したときの電極間電圧の変化は大きくなる。電極とアース間も付着物が付くと同じように、その部分の流速が小さくなって、誘起電圧が変化し、そのためによる器差変動も起きる。このように、電磁流速センサを農水の計測に使うと、水苔等の付着物によりセンサの感度が低下して、器差変動を生じるという問題点があった。

因みに、円筒形管路に流れと直角に磁界をかけ、更に磁界と直角に、管路の直径方向に対向配置した電極を有する一般的な電磁流量計では、管の内壁に均一に水苔のような付着物が付いても流れが軸対称流であればこの影響を受けない。又付着物が不均一の場合でも、電極に対する起電力の寄与率を表わす重み関数が管内壁では大きな値ではなく、付着物の影響が少ないからである。

電磁流速センサで、上述のように付着物による誘起電圧Ｖ_３１の減少が、感度、器差に悪影響を与えるのは、図１におけるライニング４の下面に沿う誘起電圧（起電力）Ｖ_３１に係わる重み関数が大きいからである。換言すれば、付着物による電圧の低下の影響が大きい、ライニング４の下面の電圧Ｖ_３１を主として電極間電圧として測定しているからである。

そこで、本発明は上述のような付着物によるセンサの感度、器差の変動を軽減できる電磁流速センサを提供することを目的とする。

本発明は、電磁流速センサのケース又はライニングの表面に付着物が付着しても、センサの感度、器差の変動を抑制するように、電極の近くに電気絶縁性の壁を設けることで、付着物による起電力（誘起電圧）の低下の影響が少ないところの電圧を主として電極間電圧として測定することを最も主要な特徴とする。

請求項１の発明は、農業用水の計測に用いる挿入型電磁流速センサであって、磁路に励磁コイルを巻いたものを、金属製で電気的にアースしたケース内に収納し、ケースの端面に絶縁ライニングを被覆し、かつケースの端部にケースと電気的に絶縁した２つの電極の先端を露出させて設けた検知部を流路中に挿入する電磁流速センサにおいて、
接液する各電極の周りをそれぞれ囲む絶縁性の壁を、各電極からそれぞれ離れて配設するとともに、ケースの端部ライニング面から突出形成したことを特徴とする電磁流速センサである。

こうすることで、付着物による誘起電圧の低下の少ないところを電極間電圧として測定する。

請求項２の発明は、請求項１の電磁流速センサにおいて、電極の周りを囲む壁の基部に空気抜きの穴を形成したものである。

請求項３の発明は、請求項２の電磁流速センサにおいて、空気抜きの穴の位置を、電極の周りを囲む壁の下流側壁面に定めたものである。

請求項４の発明は、請求項１又は２又は３の電磁流速センサにおいて、電極の端面とケースの端部ライニング面とが同一平面上にあることを特徴とするものである。

本発明では、ケース端部のライニングの表面に付着物が付いて、その部分の流速が小さくなっても、その部分の誘起電圧が電極に対する起電力の寄与率を表わす重み関数が小さいため、付着物の影響によるセンサの器差変動を抑制、軽減できる。従って、電磁流速センサの信頼性が向上し、農水の計測精度が向上する。

請求項２の発明では、更に、電磁流速センサの取付姿勢による空気溜まりをなくし、取付姿勢の自由度が向上する。

請求項３の発明では、被計測流体の流れが、空気抜きの穴を通って、筒状の壁内へ積極的に流入して壁に囲まれた部分の流体を移動させることが抑制されるため、空気抜きの穴の存在による計測の不安定を生じることを防止する。

本発明を実施するための最良の形態を図に基づいて説明する。

［実施例１］
図３は本発明の実施例１を説明するための図で（ａ）は要部縦断面図、（ｂ）は下面図、（ｃ）は同図（ｂ）のＡ−Ａ線断面図である。この実施例で、前記図１の従来技術と同じ作用をする要素については、同じ符号を付けて、その説明を省略する。なお、図３（ａ）では、Ｅ形の磁路１からの磁束は、図面が煩雑になるのを避けるために省略してあるが、図１で破線で示したのと同じように磁束が分布する。

この実施例１では、ケース３の下面、厳密にはライニング４を隔ててケース３の下面に、電極Ａ、Ｂをそれぞれ囲む円筒状の壁５と６を配設している。

図３の等価回路は、図４のように表わされる。なお、Ｖａ、Ｖｂはそれぞれ電極Ａ、Ｂの電圧、Ｖ_１は電極Ａとアース間の誘起電圧、Ｖ_２は電極Ｂとアース間の誘起電圧、Ｖ_３は電極Ａ、Ｂ間の誘起電圧、Ｒ_１、Ｒ_２、Ｒ_３はそれぞれ電圧Ｖ_１、Ｖ_２、Ｖ_３が誘起している部分の（流体の）電気抵抗である。アースはケース３を接地することで、アース電位としている。

電極Ａ、Ｂ間の電圧Ｖ＝Ｖｂ―Ｖａは、次の（２）式となる。
Ｖ＝（Ｒ_１＋Ｒ_２）Ｖ_３／（Ｒ_１＋Ｒ_２＋Ｒ_３）＋Ｒ_３（Ｖ_１＋Ｖ_２）／（Ｒ_１＋Ｒ_２＋Ｒ_３）・・・（２）
従って、電圧Ｖ_１、Ｖ_２又はＶ_３のどれかが変われば電極間電圧Ｖが変化して、電磁流速センサの器差変動となる。

本実施例のように、電極Ａ、Ｂの周りをそれぞれ囲む電気絶縁性の壁５と６を配設したことにより、電極Ａ、Ｂ間の等価回路は図５のようになる。壁５を設けたことにより、電気抵抗Ｒ_３３とＲ_３４が、また壁６を設けたことにより、電気抵抗Ｒ_３５とＲ_３６が加わっている。

Ｒ_３４は壁５の円筒面の内側に沿って電圧Ｖ_３２を電極Ａに伝えるときの抵抗、Ｒ_３６は壁６の内面に沿って電圧Ｖ_３２を電極Ｂに伝えるときの抵抗として働くが、実際に本実施例の電磁流速センサを使うときには、電極Ａ、Ｂを入力インピーダンスが極めて大きい図示されていないプリアンプの入力に接続するので、Ｒ_３４とＲ_３６の抵抗は実用上問題にならず、いわば、これらの抵抗は無いと等しく、図５の共通接続点７と８は、抵抗Ｒ_３４、Ｒ_３６を通さなくても、直接電極ＡとＢに接続されているとしても良い。そのため、誘起電圧Ｖ_３２と抵抗Ｒ_３２の直列接続の両端７と８は、いわば直接電極ＡとＢに接続されていると同様に作用する。従って、図５の等価回路で、電極Ａ、Ｂを短距離で結ぶのは、電圧Ｖ_３２と抵抗Ｒ_３２の直列接続（直列回路）である。電圧Ｖ_３１と抵抗Ｒ_３１の直列接続（直列回路）は、電極Ａ、Ｂ間を短距離で結ぶ経路から離れている。つまり、抵抗Ｒ_３３とＲ_３５を介して遠回りしたかたちで、接続点７と８に接続されている。図５におけるこの接続点７と８は、空間的には、図３における円筒状の壁５と６の下端縁近くの位置に対応する。

この下端縁近くの位置７と８の間に、電圧Ｖ_３２と抵抗Ｒ_３２が直接接続されている。電圧Ｖ_３１と抵抗Ｒ_３１は、円筒状の壁５と６の外側の流体の電気抵抗Ｒ_３３とＲ_３５を介して接続されているため、電極間を結ぶ位置７と８から遠く離れて（外れて）おり、電極間電圧に殆ど影響を与えない。また、電極の周りを囲む絶縁性の壁５と６を設けたことで、電極、アース間の電圧も同様に付着物の影響を受けなくすることになる。

つまり、電圧Ｖ_３２は重み関数が大きく、電圧Ｖ_３１は重み関数が小さいといえる。従って、電圧Ｖ_３２が電極間電圧Ｖに支配的に影響し、電圧Ｖ_３１は電極間電圧Ｖに殆ど影響しない。従って、図３（ａ）でライニング４の下面に水苔などの付着物が付いて、その部分の流速が低下して誘起電圧Ｖ_３１が変化しても、電極Ａ、Ｂ間の電圧Ｖは殆ど変化しない。こうして、従来技術の問題点が解消できた。

なお、図３（ｂ）（ｃ）で、符号５ｃ、６ｃで示す穴は、後述する図１０の実施例２の空気抜き穴と同じものであるが、この図３の実施例１では、空気抜き穴５ｃと６ｃの位置を壁５と６における被計測流体の流れの下流側の壁面に形成している。矢印ｖは流体の流れ方向をしめす。

図３（ａ）で、ライニング４の下面に付着した付着物の厚みが０．２ｍｍで、壁５と６の高さが１０ｍｍの場合、電磁流速センサの器差変動は、計測の全範囲に亘って図６に示す折線（ａ）のようにほぼ零であった。壁５と６がない従来技術では０．２ｍｍの厚みの付着物の影響で、同図に示す折線（ｂ）のように−２０〜２５％程度の器差変動が生じていた。

［対照例１］
図７は対照例１で、同図（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は上面図、（ｄ）は下面図で、１００は挿入型電磁流速センサ１０１を用いた電磁流量計で、挿入型電磁流速センサ１０１とフランジ１０２とパイプ１０３と変換表示部１０４で構成され、管路２００のフランジ２０１にフランジ１０２を取付ることで電磁流量計１００を管路２００に装着し、電磁流速センサ１０１を管路２００の流路２０２内に挿入したかたちで装着する。流路２０２の被計測流体は同図（ａ）で紙面に直角な方向に流れる。

変換表示部１０４は、パイプ１０３内の電線で電磁流速センサ１０１と接続され、電極Ａ、Ｂの誘起電圧に基づいて流速、流量を演算して図示されていない液晶表示器に表示する。１０５は図示されていない外部受信器へ信号を伝送するケーブルである。

図８（ａ）は、図７の電磁流量計の一部の拡大縦断面図、図８（ｂ）は、図８（ａ）の側面図である。なお、これらの図では、Ｅ形の磁路と励磁コイルは省略して、図示していない。

図９は、図７、図８に示す対照例１における壁５Ａ（６Ａ）の単体図で、（ａ）は上面図（平面図）、（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ線断面図、（ｃ）は斜め下方から見た斜視図である。この対照例１では壁５Ａ(６Ａ)は電極の外周を囲む電極カバーである。

これら図７乃至図９に示す対照例１では、電極Ａ、Ｂはラッパ状絶縁ゴム１１、絶縁材料からなるスペーサ１２及びワッシャ−１３とナット１４とでケース３に取付けられている。電極ＡとＢの下端はケース３の絶縁ライニング４から下方に大きく突出している。電極ＡとＢをそれぞれ囲む絶縁材からなる壁５Ａと６Ａは、電極に接する内周部を備え、この部分では、上下方向の高さが、電極の突出長さよりわずかに小さく定めてある。そして、電極Ａ、Ｂを囲む部分から流れ方向に次第に高さ（上下方向の高さ）が小さくなる傾斜部分５ａ、６ａを形成することで、流れの乱れを生じにくくし、電磁流速センサの性能の安定性を増すと同時に、壁部に草などの浮遊物が引っ掛からないようにできる。また、壁５Ａ、６Ａは、流れ方向の端部を皿ネジでケース３に固定するための取付穴を備えている（図９参照）。また、壁（電極カバー）５Ａ、６Ａは、図９（ａ）示すように中央部で最大の幅Ｗを有し、図示左右方向、つまり、装着時の流れ方向に中央部から遠ざかる程幅が次第に狭くなるようにテーパ状に形成されている。こうすることでも、壁５Ａ、６Ａによる流れの乱れの軽減、性能の安定性向上、浮遊物の付着の防止をしている。符号５ｂ（６ｂ）がこのテーパ部を示す。

この対照例１の作用は、前記実施例１の作用と殆ど同様であるので詳細説明を省略するが、実施例１と同様に、重み関数の大きい誘起電圧Ｖ_３２が電極ＡとＢを短距離で直線的に結ぶように発生し、重み関数の小さい誘起電圧Ｖ_３１が両電極Ａ、Ｂ間を直接短距離で直線的に結ぶＶ_３２から外れて遠回りする位置つまり、ライニング４の下面に沿って発生する。従って、本来の流速に対応する誘起電圧Ｖ_３２に基づいて正確に流速を計測でき、しかも、水苔等の付着物によって流速が影響を受ける誘起電圧Ｖ_３１の悪影響による器差変動を抑制軽減する。また、実施例１と同様に電極、アース間の電圧も付着物の悪影響を抑制できる。

［実施例２］
図１０は本発明の実施例２の要部を示す断面で、（ａ）は紙面と直角な流れ方向に対して直角な方向で切断した縦断面図、（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。

なお、本実施例２の図１０乃至後述する実施例４の図１４までは、前記対照例１の図８と同様に、Ｅ形の磁路と励磁コイルは省略して図示していない。

この実施例２は、電極Ａ、Ｂの突出量が殆ど零である点が前記対照例１と大きく違う。電極Ａはラッパ状絶縁ゴム１１、絶縁材料からなるスペーサ１２及びワッシャー１３とナット１４とでケース３に取付けられる。他方の電極Ｂも同様にしてケース３に取付けられるが、取付用部品としてのラッパ状の絶縁ゴム、スペーサ、ワッシャー、ナット等の符号は図面の煩雑化をさけるために省略した。図１０（ｂ）で壁（電極カバー）６Ａは、皿ネジ１５でケース３に取付けられている。

この実施例２も、誘起電圧Ｖ_３２が電極Ａ、Ｂ間を短距離で結ぶように発生するので、重み関数が大きく、流速を正確に計測する。そして、付着物により流速が変化するライニング４の下面に近いところの誘起電圧Ｖ_３１は短距離で電極間を結ぶ（前記電圧Ｖ_３２の）位置より外れており、重み関数が小さいので、付着物により器差が変動するのが抑制される。また、実施例１と同様に電極、アース間の電圧についても付着物の影響を抑制できる。なお、符号５ｃ、６ｃで示す穴は、空気抜き用のもので、センサを図示の姿勢で管路に挿入したときの空気の溜まりによる計測誤差を防止する。

［実施例３］
図１１は本発明の実施例３の要部を示す断面で、（ａ）は紙面と直角な流れ方向に対し直角な方向で切断した縦断面図、（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。

この実施例３は実施例２と比較して、ケース３からの電極Ａ、Ｂの突出量を大きくした点だけが異なる。作用は、ほぼ類似であるので説明を省略する。

［対照例２］
図１２（ａ）（ｂ）の対照例２は、図１１（ａ）（ｂ）の実施例３と比較して、壁５Ａ、６Ａの代りに、電極Ａ、Ｂの突出部外周に絶縁ライニング５Ｂ、６Ｂをほどこしたものである。作用は図１１と同じであるので、説明を省略する。

［対照例３］
図１３（ａ）（ｂ）に示す対照例３は、図１１（ａ）（ｂ）に示す構造のものの電極ＡとＢの外周に、図１２（ａ）（ｂ）に示すような絶縁ライニング５Ｂ、６Ｂをほどこしたものである。この対照例３では、壁５Ａ、６Ａと電極Ａ、Ｂとの間に空気が溜まっても、電極の外周の絶縁ライニング５Ｂ、６Ｂの存在により、空気による不都合が生じないから、図１０の実施例３で必要とした空気抜きの穴５ｃ、６ｃは不要であり、設けていない。

［実施例４］
図１４（ａ）（ｂ）に示す実施例４は、実施例１乃至３と比較して、ケース３の下面に設けた絶縁ライニング４を、ケース３の外周部まで延長して形成した。延長部分には特に符号４ａを付して示す。そして、この実施例では電極Ａ、Ｂ間を短距離で結ぶ経路の誘起電圧Ｖ_３２’に対して、ライニング４の下面に沿う誘起電圧、つまり付着物の影響を受ける誘起電圧Ｖ_３１’、Ｖ_３１’ が遠く外れているため、重み関数が小さくなり、付着物による器差変動が軽減される。この実施例では、壁５Ｃは、同図（ａ）のように、電極Ａ、Ｂ間のライニング４の下面３ａに下方に突出するかのように形成され、更に同図（ｂ）のように、電極Ａ、Ｂの位置の上流と下流側に延在するよう延長して配設される。

また、この実施例では、電極Ａ、Ｂとアース間の電気抵抗Ｒ_１とＲ_２をライニング４の延長部分４ａを設けて大きくすることで、前記（２）式におけるＲ_１＋Ｒ_２の値を、電極間の電気抵抗Ｒ_３より比較的大きくすると、電極とアース間の電圧Ｖ_１、Ｖ_２の影響を電極Ａ、Ｂ間の電圧が受けなくなる。この場合、図１４のように電極Ａ、Ｂ間に絶縁性の壁５Ｃからなる仕切り板を形成するだけで付着物の影響を抑制できる。

従来の電磁流速センサの原理を説明する縦断面図。 図１のセンサの要部等価回路。 本発明の実施例１を示す図で、（ａ）は要部縦断面図、（ｂ）は下面図、（ｃ）は同図（ｂ）のＡ−Ａ線断面図。 図３の等価回路。 図３の要部の等価回路。 器差変動を説明する線図。 対照例１の全体図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は上面図（平面図）、（ｄ）は下面図。 一部拡大図で、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は側面図。 図７、８に用いている壁（電極カバー）の図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ線断面図、（ｃ）は斜視図。 本発明の実施例２で、(ａ)は要部縦断面図、（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ線断面図。 本発明の実施例３で、(ａ)は要部縦断面図、（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ線断面図。 対照例２で、(ａ)は要部縦断面図、（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ線断面図。 対照例３で、(ａ)は要部縦断面図、（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ線断面図。 本発明の実施例４で、(ａ)は要部縦断面図、（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ線断面図。

３ ケース
３ａ ケース端面
４ 絶縁ライニング
Ａ，Ｂ 電極
５Ａ，６Ａ 壁
５ａ，６ａ 傾斜部分
５ｂ，６ｂ テーパ部
５Ｂ，６Ｂ 絶縁ライニング
５Ｃ 壁状の仕切り板
５ｃ、６ｃ 空気抜きの穴

Claims (4)

1. 農業用水の計測に用いる挿入型電磁流速センサであって、磁路に励磁コイルを巻いたものを、金属製で電気的にアースしたケース内に収納し、ケースの端面に絶縁ライニングを被覆し、かつケースの端部にケースと電気的に絶縁した２つの電極の先端を露出させて設けた検知部を流路中に挿入する電磁流速センサにおいて、
   接液する各電極の周りをそれぞれ囲む絶縁性の壁を、各電極からそれぞれ離れて配設するとともに、ケースの端部ライニング面から突出形成したことを特徴とする電磁流速センサ。
2. 電極の周りを囲む壁の基部に空気抜きの穴を形成した請求項１記載の電磁流速センサ。
3. 空気抜きの穴の位置を、電極の周りを囲む壁の下流側壁面に定めた請求項２記載の電磁流速センサ。
4. 電極の端面とケースの端部ライニング面とが同一平面上にあることを特徴とする請求項１又は２又は３記載の電磁流速センサ。

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