JP4820030B2 - Electromagnetic flowmeter for molten Pb-Bi - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、電磁誘導によりダクト内を移動する溶融Pb−Bi内に発生する起電力を測定することにより、その溶融Pb−Biの流量を計測する電磁流量計に関し、特に溶融Pb−Biに発生する起電力を電極へ安定して出力することが出来る溶融Pb−Bi用電磁流量計に関する。
【0002】
【従来の技術】
Pb−Biを用いた高速増殖炉や消滅処理用配管内の溶融Pb−Biの流量を測定するためには電磁流量計を使用することが考えられる。
このような目的で使用される従来の電磁流量計の構成を図3に示す。溶融金属は、筒状のダクト1内を移動する。このダクト1を挟んで一対の磁極6、6がダクト1の中心軸と直交する方向に対向しており、この磁極6、6の間でダクト1内を移動する溶融金属をその移動の方向と直交する方向に切るよう磁束が形成される。さらに、ダクト1の中心軸及び前記磁極6、6が対向した方向と直交する方向に対向して一対の電極2、2が配置され、それら電極2、2の先端部4がダクト1内に臨んでいる。こられの電極2、2は、必要に応じて交換しやすいようにテーパ継手(例えば商標名「スエージロック」)5、5への押し込みにより密にダクト1に取り付けられている。この電極2、2にはダクト1内を移動する溶融金属に生じる電圧を測定するための電圧計7が接続されている。
【0003】
このような溶融金属用電磁流量計では、磁極6、6の間に形成される磁束を切るようにダクト1内を溶融金属が流れるとき、いわゆるフレミングの右手の法則に従い、磁束の方向と溶融金属が流れる方向と直交する方向に溶融金属に起電力が生じる。この起電力の電圧の方向は前記電極2、2が対向した方向であり、且つその電圧値は理論上溶融金属の流速に比例する。従って、この電圧を電極2、2により出力し、電圧計7で測定することにより、溶融金属の流速が測定できる。磁極6、6間に形成される磁束が横切る部分のダクト1の断面積と前記溶融金属の流速との積が溶融金属の流量である。
このような従来の電磁流量計において、そのダクト1と電極2、2には、耐酸化特性と耐食性の良い非磁性のオーステナイト系ステンレス鋼が用いられていた。
【0004】
【発明が解決しようとしている課題】
溶融Pb−Biは多量の酸素が大気中の精錬時に含まれてしまうので、溶融Pb−Bi中の酸素をH2 ガスバブリングや真空脱気等で除去しておかなければならない。こうしないと溶融Pb−Biをダクト内に充填するときにダクト表面に酸化膜が生じてしまう。ダクト内に溶融Pb−Biを充填する場合は、常にこの脱酸素ガス処理を行う必要がある。そこで以下の説明においては、この脱酸素ガス処理をした溶融Pb−Biを使う事を前提として説明をする。
【0005】
しかしながら、このような溶融Pb−Biの脱酸素処理を行って、ダクト内に溶融Pb−Biを充填し、かつこの非磁性のオーステナイト系ステンレス鋼のダクト内表面の酸化膜を除去してあっても、溶融Pb−Biを充填するとき、非酸化ガスのArやN2 の高温ガス雰囲に含まれるわずかな酸素により、その表面にCr酸化膜が出来、溶融Pb−Biと濡れ性が損なわれる。このため、溶融Pb−Biの中に発生する起電力が低下したり、不安定となり、正確な流量測定が出来なくなってしまう。
【0006】
これを改善するために雰囲気に還元ガスのH2 を4%程入れて酸化膜が出来ないようにするのが用いられてきた。しかし、このH2 ガスは4%以上空気中に存在すると爆発する危険性があり、高温の溶融金属を扱う溶融金属用電磁流量計では極めて危険である。
電磁流量計においては、ダクトや電極と溶融金属との濡れ性の低下に伴う接触抵抗の増加は、電圧出力の低下をもたらし、接触抵抗の不安定性は、電圧出力の不安定性をもたらす。
【0007】
溶融Pb−Biは、化学的活性度の低い流体であることから、Na等のアルカリ金属のように化学的活性度の高い溶融金属に比べてダクトや電極の表面に出来た酸化膜を除去する作用も小さい。このため、溶融Pb−Biに対して耐食性の良いステンレス鋼の表面に出来た酸化膜を容易に除去出来ず、溶融Pb−Biとステンレス鋼との濡れ性が悪くなる。これにより、溶融Pb−Biとダクトや電極との間に接触抵抗が発生し、電磁流量計の出力低下を来す。これを計算式で表すと、式1で表される。
【0008】
【式1】
【0009】
ここで、E=電極を通して測定される出力(mV)、B=ダクトを通過する磁束密度(Gauss)、v=ダクトを流れる流体の速度(cm/c)、d=ダクト内径(cm)、K1=磁極端末係数=f(磁極長さ=L/ダクト外径)、K2=ダクト短絡係数、K3=磁石の温度による磁束低減係数=f(磁石温度)、K4=ダクトの熱膨張補償係数=1+γ・ΔTである。
【0010】
前記の式1において、磁極端末係数K1は使用磁石の寸法が分かれば一義的に決まり、磁石の温度による磁束低減係数K3とダクトの熱膨張補償係数K4は磁石の温度とダクトの温度が決まればこれも一義的に決まる。他方、ダクト短絡係数K2は、次の式2で表される。ここで、D=ダクト外径、τ=接触抵抗(Ω−cm2)である。
【0011】
【式2】
【0012】
このダクト短絡係数K2には、接触抵抗τを含む項があり、この接触抵抗τの増加によりダクト短絡係数K2が低下し、出力Eが低下することがわかる。このダクト短絡係数K2は接触抵抗τの増加で小さくなり、逆に接触抵抗τが小さくなるとダクト短絡係数K2は増加し、接触抵抗τが0となると、ダクト短絡係数K2はダクトの内径d、ダクトの外径D、流体とダクトの材料の電気抵抗で決定される。
【0013】
溶融金属とダクトや電極との接触抵抗をもたらす原因は、電極表面の酸化膜、酸化膜表面の吸着・吸蔵の酸素等のガス、さらに溶融金属中の酸化物が電極表面に付着することによって生じる。この中で一番問題なのは、電極表面に付いている、或いは加熱中に生じてしまう酸化膜である。
【0014】
さらに、前述した従来の電磁流量計は、電極2、2がダクト1を貫通して取り付けられると共に、テーパ継手5で固定されているため、電極2、2の間で得られる出力が変動するようになったら、電極2、2を抜き、その先端を研磨して酸化膜を除去したうえで再取付して使用することができる。
【0015】
このような電極2、2の取付構造は、電極2、2のメンテナンスが出来るという意味で非常に良い方式である。しかし、放射線が放射されるような場所では、そのようなメンテナンスは出来ない。
さらに電極2、2の交換等で電極2、2を密閉固定するテーパ継手5、5での電極2、2の締付不良を起こすと、溶融金属が漏洩することにもなる。
【0016】
本発明は、前記従来の溶融金属用電磁流量計における電極の課題に鑑み、特に溶融Pb−Bi用電磁流量計において、ダクト内を移動する溶融Pb−Biとダクトの接触抵抗、とりわけダクトの内周面に付着或いは形成される酸化膜による接触抵抗の増大を防止し、電極間に発生する出力の低下やその変動を防止すると共に、溶融Pb−Biの漏洩を防止できるようにすることを目的とする。
【0017】
【課題を解決するための手段】
本発明では、前記の目的を達成するため、ダクト11の一対の電極12、12と一対の磁極16、16が対向した部分の内周面に、溶融Pb−Biへの溶融速度が或る数値以下の貴金属コーティング14を施し、この貴金属コーティング14を介して溶融Pb−Bi内に発生する起電力を電極12、12へ出力するようにした。
【0018】
すなわち、本発明による溶融Pb−Bi用電磁流量計は、溶融Pb−Biを移動させる筒状のダクト11と、このダクト11を挟んで対向し、ダクト11内に磁束を形成する一対の磁極16、16と、ダクト11を挟んで対向し、前記磁束を切る方向にダクト11内を移動する溶融Pb−Biに生じる電圧を出力する一対の電極12、12とを有し、ダクト11の電極12、12及び磁極16、16が対向した位置の内周面の全周にわたり、それら電極12、12と磁極16、16が対向した位置を中心としてダクト11の軸方向に前記磁極16、16のダクト11の軸方向の長さLより短い長さlの範囲にわたって貴金属コーティング14を施したものである。
【0019】
特に溶融金属が溶融Pb−Biである場合、貴金属コーティング14は溶融Pb−Biへの溶融速度が1μm/s以下の貴金属であるのがよく、そのような貴金属として例えばRhやIrをあげることができる。ダクト11の内周面ににRhやIrをメッキによりコーティングする場合、ダクト11の内周面に予めAuをアンダーコートし、その上にRhまたはIrをメッキする。
【0020】
ダクト11の内周面に酸化膜発生を防止するためにはあらかじめ、ダクト11の内周面に貴金属をコーティングしておけば良いことになる。しかし、この貴金属のコーティングもPb−Biに瞬間的に溶けてしまうAg、Au、Ptでは、酸化して酸化膜を発生させながらこれらの貴金属が瞬間的に溶けて行くので、発生する酸化膜がダクト内面に付着してしまう。ダクト系内に残留酸素が多ければなおさらである。
【0021】
実験によれば、Ptより溶融Pb−Biに溶けにくいRhやIrではゆっくり溶けるので、RhやIrの表面にあった残留酸素によって酸化膜が発生してもRhやIrがゆっくり溶融Pb−Biに溶けてしまうので、酸化膜はダクト11の内周面に付着せず、溶融Pb−Bi中に飛散してしまう。これによってダクト11の内周面には酸化膜が付着しないので、溶融Pb−Biとダクト11には、接触抵抗がほとんどない。このため、ダクト11の外周面に電極12、12を直付けした構造でも、ダクト11を介して電極12、12から安定して起電力が出力でき、これを測定することができる。
【0022】
しかし、ダクト11の外周面に接合した電極12、12の内側だけを局所的にRhやIrコートしただけだと、ダクト内周面と溶融Pb−Biとの接触抵抗がばらつき、この接触抵抗のばらつきで溶融Pb−Bi中に発生する起電力が変動し、ダクト11の外周面の電極12、12を通して測定される出力が変動する。そのため、ダクト11に内周面の溶融Pb−Biとの接触抵抗を均一する必要がある。
【0023】
ダクト11の内周面の接触抵抗を均一にするためには、ダクト11の内周面全体にRhやIrコーティングし、かつRhやIrのコーティングをダクト11の軸方向へも長くする必要がある。そこで、電極12、12と磁極16、16が対向した部分の全周にわたり、その対向した部分を中心にしてダクト11の軸方向に前記磁極16、16のダクト11の軸方向の長さLより短い長さlだけRhやIrのコーティングを施す。
【0024】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について、具体的且つ詳細に説明する。
本発明の一実施形態による溶融Pb−Bi用電磁流量計の構成を図1と図2に示す。溶融金属は、筒状のダクト11を通して流され、その流量は流速とダクト11の流路断面積との積である。
【0025】
このダクト11を挟んで一対の磁極16、16がダクト1の中心軸と直交する方向に対向しており、この磁極16、16の間で前記ダクト11内を流れる溶融金属の流れの方向と直交する方向に切るよう磁束が形成される。
さらに、ダクト11の中心軸及び前記磁極16、16が対向したの方向と何れも直交する方向に対向して一対の電極12、12が配置され、それら電極12、12の先端部13、13がダクト11の外周面に溶接により接続・固定されている。この電極12、12にはダクト11内を移動する溶融金属に生じる起電力を測定するための電圧計17が接続されている。
【0026】
さらに、このダクト11の内周面には、溶融Pb−Biとの濡れ性を改善するためにRhやIr等の貴金属コーティング14を施す。図2に示すように、この貴金属コーティング14は、ダクト11の内周面の電極12、12と磁極16、16が対向した位置の全周であって、且つそれら電極12、12と磁極16、16が対向した位置を中心としてダクト11の軸方向に長さlの範囲に亘って施す。図2では、磁極16、16のダクト11の軸方向の長さLに対して、貴金属コーティング14の長さlは、L>lである。この長さlは、対向した磁極16、16の間で、ほぼ均一な磁束密度の磁界が形成される範囲である。なお、これらRh、Irの溶融Pb−Biへの溶解速度は1μm/s以下と遅い。
【0027】
コーティング手段はダクト11の内周面にRhやIrをメッキによりコーティングするのが実用的である。但し、RhやIrは硬い材料であり、SUS316等のオーステナイト系ステンレス鋼にこれらをメッキする場合、予め下地として1μ以下の厚さのAuメッキを施すのがよい。
【0028】
このような溶融Pb−Bi用電磁流量計では、磁極16、16の間に形成される磁束を切るようにダクト11内を溶融金属が流れるとき、いわゆるフレミングの右手の法則に従い、磁束の方向と溶融金属が流れる方向と直交する方向に溶融金属に起電力が発生する。この起電力による電圧の方向は前記電極12、12が対向した方向であり、且つその電圧値は理論上溶融金属の流速に比例する。このため、この電圧をダクト11を介して電極12、12から出力し、電圧計17で測定することにより、溶融金属の流速が測定できる。既に述べた通り、磁極16、16間に形成される磁束が横切る部分のダクト11の断面積と前記溶融金属の流速との積が溶融金属の流量であり、これにより溶融金属の流量が測定される。
【0029】
この場合において、前記ダクト11の内周面に施したRh、Ir等の貴金属コーティング14は、溶融Pb−Biへの溶解速度が1μm/s以下と遅い。このため、、RhやIrの表面に存在する酸素と溶融金属とが酸化膜を短時間に作っても、RhやIrのコーティング膜が溶融Pb−Bi中へ徐々に溶融していくので、酸化膜が溶融Pb−Biの中に飛散していき、ダクト11の内周面に酸化膜が殆ど残らない。また、多少の酸化膜が残っても、残りの大半の部分でダクト11の内周面と溶融Pb−Biが酸化膜を介さずに接触し、接触抵抗が無い状態で接続している。このため、ダクト11の内周面と溶融Pb−Biとの間の接触抵抗が無く、溶融Pb−Biの中に発生する起電力を電極12、12に確実に出力することができる。また、ダクト11の内周面と溶融Pb−Biとの間の酸化膜による接触抵抗が無いので、温度変動等に伴う酸化膜の抵抗値の変動等の影響も受けず、出力変動も小さい。
【0030】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明による溶融Pb−Bi用電磁流量計では、ダクト11内を移動する溶融Pb−Biと接触するダクト11の内周面の接触抵抗、とりわけダクト11の内周面に付着或いは形成される酸化膜による接触抵抗の増大を防止し、ダクト11を介して電極12、12に出力される起電力の低下やその変動を防止することが出来る。これにより、ダクト11内を流れる溶融Pb−Biの流速、流量を正確に測定出来るようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態による溶融Pb−Bi用電磁流量計を示す電極及び磁極部分の縦断端面図である。
【図2】同実施形態による溶融Pb−Bi用電磁流量計を示す電極及び磁極部分の縦断側面図である。
【図3】従来例である溶融Pb−Bi用電磁流量計を示す電極及び磁極部分のダクトの縦断端面図である。
【符号の説明】
11 ダクト
12 電極
14 貴金属コーティング
16 磁極[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to an electromagnetic flowmeter that measures the flow rate of molten Pb-Bi by measuring an electromotive force generated in molten Pb-Bi that moves in a duct by electromagnetic induction, and in particular, generated in molten Pb-Bi. The present invention relates to an electromagnetic flow meter for molten Pb-Bi that can stably output an electromotive force to an electrode.
[0002]
[Prior art]
In order to measure the flow rate of molten Pb-Bi in the fast breeder reactor using Pb-Bi or the extinguishing treatment pipe, it is conceivable to use an electromagnetic flow meter.
A configuration of a conventional electromagnetic flow meter used for such a purpose is shown in FIG. Molten metal moves in the
[0003]
In such an electromagnetic flowmeter for molten metal, when the molten metal flows through the
In such a conventional electromagnetic flow meter, non-magnetic austenitic stainless steel having good oxidation resistance and corrosion resistance is used for the
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
Since the molten Pb-Bi contains a large amount of oxygen during refining in the atmosphere, the oxygen in the molten Pb-Bi must be removed by H 2 gas bubbling or vacuum degassing. Otherwise, an oxide film is formed on the duct surface when the molten Pb-Bi is filled in the duct. When filling the duct with molten Pb-Bi, it is necessary to always perform this deoxygenation gas treatment. Therefore, in the following explanation, explanation will be made on the assumption that this deoxidized gas-treated molten Pb-Bi is used.
[0005]
However, such a deoxidation treatment of the molten Pb-Bi is performed to fill the duct with the molten Pb-Bi, and to remove the oxide film on the inner surface of the duct of this nonmagnetic austenitic stainless steel. However, when filling with molten Pb-Bi, a slight amount of oxygen contained in the high-temperature gas atmosphere of non-oxidizing gas Ar or N 2 forms a Cr oxide film on the surface, impairing the wettability with molten Pb-Bi. It is. For this reason, the electromotive force generated in the molten Pb-Bi decreases or becomes unstable, and accurate flow rate measurement cannot be performed.
[0006]
In order to improve this, it has been used to prevent the formation of an oxide film by introducing about 4% of the reducing gas H 2 into the atmosphere. However, if this H 2 gas is present in the air in an amount of 4% or more, there is a risk of explosion, and it is extremely dangerous in an electromagnetic flowmeter for molten metal that handles high-temperature molten metal.
In an electromagnetic flow meter, an increase in contact resistance accompanying a decrease in wettability between ducts or electrodes and molten metal results in a decrease in voltage output, and instability in contact resistance results in instability in voltage output.
[0007]
Molten Pb-Bi is a fluid having a low chemical activity, and therefore removes oxide films formed on the surfaces of ducts and electrodes as compared with a molten metal having a high chemical activity such as an alkali metal such as Na. Small effect. For this reason, the oxide film formed on the surface of the stainless steel having good corrosion resistance against the molten Pb-Bi cannot be easily removed, and the wettability between the molten Pb-Bi and the stainless steel is deteriorated. As a result, a contact resistance is generated between the molten Pb-Bi and the duct or electrode, resulting in a decrease in the output of the electromagnetic flow meter. When this is expressed by a calculation formula, it is expressed by Formula 1.
[0008]
[Formula 1]
[0009]
Where E = output measured through the electrode (mV), B = flux density through the duct (Gauss), v = velocity of fluid flowing through the duct (cm / c), d = duct inner diameter (cm), K1 = Magnetic pole terminal coefficient = f (magnetic pole length = L / duct outer diameter), K2 = duct short circuit coefficient, K3 = magnetic flux reduction coefficient due to magnet temperature = f (magnet temperature), K4 = thermal expansion compensation coefficient of duct = 1 + γ ΔT.
[0010]
In
[0011]
[Formula 2]
[0012]
The duct short circuit coefficient K2 includes a term including the contact resistance τ, and it can be seen that the increase in the contact resistance τ decreases the duct short circuit coefficient K2 and decreases the output E. The duct short-circuit coefficient K2 decreases as the contact resistance τ increases. Conversely, when the contact resistance τ decreases, the duct short-circuit coefficient K2 increases. When the contact resistance τ becomes 0, the duct short-circuit coefficient K2 increases the inner diameter d of the duct, the duct Is determined by the electrical resistance of the fluid and the material of the duct.
[0013]
The cause of contact resistance between the molten metal and the duct or electrode is caused by the oxide film on the electrode surface, gas such as oxygen adsorbed and occluded on the oxide film surface, and oxides in the molten metal adhering to the electrode surface. . Of these, the most problematic is the oxide film attached to the electrode surface or formed during heating.
[0014]
Further, in the conventional electromagnetic flow meter described above, since the
[0015]
Such an attachment structure of the
Furthermore, if the fastening failure of the
[0016]
In view of the problem of the electrodes in the conventional electromagnetic flowmeter for molten metal, the present invention is a contact resistance between molten Pb-Bi moving in the duct and the duct, particularly in the duct, particularly in the electromagnetic flowmeter for molten Pb-Bi. An object of the present invention is to prevent an increase in contact resistance due to an oxide film adhering to or formed on a peripheral surface, to prevent a decrease in output generated between electrodes and fluctuations thereof, and to prevent leakage of molten Pb-Bi. And
[0017]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, in order to achieve the above-described object, the melting rate to the molten Pb-Bi is a certain numerical value on the inner peripheral surface of the portion of the
[0018]
That is, the electromagnetic flowmeter for molten Pb-Bi according to the present invention has a
[0019]
In particular, when the molten metal is molten Pb-Bi, the
[0020]
In order to prevent the generation of an oxide film on the inner peripheral surface of the
[0021]
According to experiments, Rh and Ir, which are less soluble in molten Pb-Bi than Pt, dissolve slowly, so even if an oxide film is generated due to residual oxygen on the surface of Rh or Ir, Rh or Ir slowly becomes molten Pb-Bi. Since it melts, the oxide film does not adhere to the inner peripheral surface of the
[0022]
However, if only the inside of the
[0023]
In order to make the contact resistance of the inner peripheral surface of the
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described specifically and in detail with reference to the drawings.
The configuration of an electromagnetic flow meter for molten Pb-Bi according to an embodiment of the present invention is shown in FIGS. Molten metal is flowed through the
[0025]
A pair of
Further, a pair of
[0026]
Further, a
[0027]
As a coating means, it is practical to coat Rh or Ir on the inner peripheral surface of the
[0028]
In such an electromagnetic flow meter for molten Pb-Bi, when the molten metal flows through the
[0029]
In this case, the
[0030]
【The invention's effect】
As described above, the molten Pb-Bi electromagnetic flowmeter according to the present invention adheres to the contact resistance of the inner peripheral surface of the
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal end view of electrodes and magnetic pole portions showing an electromagnetic flowmeter for molten Pb-Bi according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a longitudinal side view of an electrode and a magnetic pole portion showing an electromagnetic flowmeter for molten Pb-Bi according to the same embodiment.
FIG. 3 is a longitudinal end view of a duct of an electrode and a magnetic pole part showing a conventional electromagnetic flowmeter for molten Pb-Bi.
[Explanation of symbols]
11
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