JP5102463B2

JP5102463B2 - 流量センサ

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Publication number: JP5102463B2
Application number: JP2006126764A
Authority: JP
Inventors: 孝二福村
Original assignee: Keyence Corp
Current assignee: Keyence Corp
Priority date: 2006-04-28
Filing date: 2006-04-28
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2026-04-28
Also published as: JP2007298401A

Description

本発明は、被検出流体の流量を検出する流量センサに関する。

従来より、液体や気体等の流体の流量を検出するために種々の流量センサが用いられている。例えば被検出流体を羽根車に当てて、その回転数を流量値に換算する羽根車式や、鉛直方向に設置されたパイプ中に浮きを配置し、この浮きの上昇度合いで流量を検出する浮き子式、ファラデーの電磁誘導の原理を使用して、流路内に可動部や障害物を配置することなく流量を測定可能な電磁式等がある。この内、電磁流量計には大別して接液電極形と非接液電極形の２種類が存在する。接液電極形の電磁流量計（接液式あるいは電極式電磁流量計等と呼ばれる）は、電極が被検出流体と直接接触し、被検出流体に発生する起電力を直接検出する。一方、非接液電極形の電磁流量計（（静電）容量式電磁流量計等と呼ばれる）は、電極が被検出流体と直接接触せず、被検出流体に発生する起電力を被検出流体と電極間の静電容量を介して検出する。

このような流量センサは、システムに配管する際の接続方式として一般に螺合が使用される。このため、配管のための接続部である流量センサの口金は雌ネジで構成されることが多く、流量センサを配管する際には、両側の口金に螺合のため逆向きのトルクが加わることとなる。このような応力に十分対抗しうる剛性を備えるためには、流量センサを金属で構成することが望ましい。また強度的な要求に加えて、被検出流体の液漏れを防ぎ気密性を保つという観点からも、口金と通水部を金属で一体として、部品数を少なくし組み立てを容易にしている。

しかしながら、流量センサの形状が複雑になりがちであるため、全体を金属で構成した流量センサはコストが高くなるという問題があった。また、金属部材が占める割合が高くなると、重量が重くなるというデメリットもある。

一方、口金を金属製としつつ、被検出流体を通過させる通水部を樹脂部材で構成することで軽量化と低コスト化が実現できるが、この場合は強度が不十分となるおそれがある。特に流量センサの両側の口金を樹脂部材で保持することになるため、筐体全体の強度が低くなり、螺合の際の捻り応力に十分対抗できず、破損等のおそれが生じる。
特開平８−１３６３０７号公報

本発明は、従来のこのような問題点を解決するためになされたものである。本発明の一の目的は、十分な強度を維持しつつ軽量化を図った流量センサを提供することにある。

以上の目的を達成するために、第１発明に係る流量センサは、被検出流体の流量を検出するための流量センサであって、ハウジングと、ハウジング内に配設されて、被検出流体を通過させるための管状の測定管と、前記ハウジングの対向する面を各々閉塞し、前記測定管に連なる流路口を開口する一対のサイドカバーと、前記測定管を流れる被検出流体の流量を検出可能な流量検出手段とを備え、さらに前記一対のサイドカバー同士を連結する本体カバーを備えており、また前記サイドカバーは、前記流路口の周囲に、流量センサを配管に固定するための配管固定機構を備えており、前記ハウジングを樹脂部材で構成し、一方前記サイドカバー及び本体カバーを金属部材で構成しており、前記本体カバーが、断面を略コ字状として、コ字状の開口部分に前記ハウジングを挿入してこれを被覆するよう構成している。

また第２発明に係る流量センサは、前記流量検出手段によって検出された被検出流体の流量を表示可能な表示部を備え、前記表示部は、前記ハウジングのうち前記本体カバーによって被覆されない面に固定されている。

さらに第３発明に係る流量センサは、前記本体カバーの両端で、前記サイドカバーと螺子により固定されている。

さらにまた第４発明に係る流量センサは、前記流量検出手段が、被検出流体に交番磁場を印加するための磁場印加手段と、被検出流体と非接触となるよう前記測定管と結合される電極と、前記測定管を通過する被検出流体の流量を演算する演算手段とを備える。

第１発明によれば、金属製のサイドカバーと本体カバーとが固定されて一体的となり十分な強度を発揮するので、流量センサを配管する際に、本体ケース両面のサイドカバーに設けられた配管固定機構に応力が印加されても流量センサを破損する事態を防止できる。

また、本体カバーを断面略コ字状とすることでさらに曲げ強度を増して剛性を高めることができる。

第３発明によれば、本体カバーを容易にサイドカバーと固定できる。

第４発明によれば、容量式電磁流量計の配管に際して、配管固定機構で印加される応力に対抗でき、信頼性を維持できる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための流量センサを例示するものであって、本発明は流量センサを以下のものに特定しない。また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。
（実施の形態１）

以下、流量センサとして容量式電磁流量計に適用した例を説明する。図１〜図１９に、本発明の実施の形態１に係る容量式電磁流量計１００を示す。これらの図において、図１は容量式電磁流量計１００の構成を示すブロック図、図２は本体ケースの断面図、図３は容量式電磁流量計１００の回路構成のさらに詳細なブロック図、図４は容量式電磁流量計の斜視図、図５は図４の容量式電磁流量計の表示ユニットを外した分解斜視図、図６は図５の本体ケースから口金と補強板を外した分解斜視図、図７はサイドカバーを本体カバーで固定する状態の分解斜視図、図８はハウジングを本体カバーで保持する状態の断面図、図９は測定管の斜視図及び電極を外した分解斜視図、図１０は図６の本体ケースの分解斜視図、図１１はプリアンプモジュールの分解斜視図、図１２は励磁モジュールの斜視図、図１３は励磁プレートの斜視図、図１４は励磁コイルの分解斜視図、図１５は一体型表示ユニットの分解斜視図、図１６は本体ケースに、表示ユニットを固定する様子を示す斜視図、図１７は分離型表示ユニットを使用した容量式電磁流量計の斜視図、図１８はこの電磁流量計のブロック図、図１９は分離型表示ユニットの分解斜視図を、それぞれ示している。
（ブロック図）

図１のブロック図及び図２の本体ケース断面図に示すように、容量式電磁流量計１００は、被検出流体を通過させる測定管１０と、ポールピース１７８の周囲に巻回され、測定管１０の外部から被検出流体に磁場を印加する励磁コイル２２と、励磁コイル２２で交番磁界を発生させるための励磁回路２４と、励磁コイル２２で発生される磁界中を被検出流体が通過して発生される起電力を検出するための電極３０と、電極３０を介して起電力を検出する検出回路３４と、励磁回路２４及び検出回路３４を駆動制御し、さらに検出された信号から流量を演算するための制御部４０と、制御部４０で演算された流量を表示する表示部５１とを備える。この制御部４０は、流量検出手段を構成する本体ケース１１０で検出された被検出流体の流量に基づき、積算流量を演算可能な流量演算部として機能する。また必要に応じて、出力信号を出力するための出力部６０や、外部からのリセット信号等の各種入力信号を入力するための入力部７０、各種設定を行うための設定部８０等を設けてもよい。これら制御部４０、表示部５１、出力部６０、入力部７０、設定部８０等は、表示ユニット５０として、本体ケース１１０と別部材のユニット状に構成される。

この容量式電磁流量計１００の回路構成のさらに詳細なブロック図を図３に示す。この図では、容量式電磁流量計１００を構成する本体ケース１１０と表示ユニット５０各々について、これらを構成する部材を示している。まず本体ケース１１０側には、電極３０とプリアンプ１６３を一対、測定管に配置している。そしてこれらの電極３０で起電力を検出する検出回路３４として、差動増幅器３５と、増幅器３６と、周期性リセット回路３７を備える。図３の例では、プリアンプ１６３の出力は差動増幅器３５に入力され、電極３０間に発生した起電力を検出する。差動増幅器３５の出力はさらに増幅器３６で増幅されて、周期性リセット回路３７を介して、Ａ／Ｄ変換器３８でＡ／Ｄ変換され、制御部４０に入力される。周期性リセット回路３７は、制御部４０から周期的に送られるリセット信号を受けて、検出された電圧をリセットするための回路である。

一方、測定管に励磁コイル２２で磁界を生じさせる励磁回路２４としては、励磁用の励磁電源２５、励磁コイル２２と励磁電源２５との間に介在され、励磁の極性を切り替える励磁極性切替回路２８、及び励磁コイル２２に所定の定電流を通電させるための定電流回路２９を備える。この励磁回路２４では、励磁極性切替回路２８が励磁電源２５より供給される電力をスイッチングして交流電流を励磁コイル２２に供給し、交番磁界を発生させる。図３の例では、励磁電源２５として、初期励磁電源２６及び励磁継続電源２７の２つを備えており、これらを切り替えて使用する。すなわち、励磁コイル２２の立ち上げ時には高電圧が必要であるため、より高出力を得られる初期励磁電源２６を使用する。そして励磁が安定すると、励磁を継続させるために必要な電圧は低くなるので、励磁継続電源２７に切り替える。これにより、起動時の高電圧と安定動作時の定電圧とを供給するために、専用の電源を用意することで、電源が大型化したり電力損失が増すことを回避でき、装置の小型化や発熱防止が図られる。

さらに、励磁極性切替回路２８の出力は、表示ユニット５０側の制御部４０に入力される。表示ユニット５０は、Ａ／Ｄ変換器３８と、制御部４０と、表示部５１と、設定部８０と、入力部７０と、出力部６０を備える。制御部４０は、マイクロコンピュータ等で構成され、これら励磁回路２４と検出回路３４を同期させて駆動、制御する。また設定部８０は、各種の設定や操作を行うためのスイッチやコンソールである。表示部５１は、７セグメント式表示器等を備え、検出された瞬時流量や積算流量、あるいは設定値などを切り替えて、又は同時に表示する。入力部７０は、外部信号を入力する入力回路である。出力部６０は、制御信号等を出力するための外部出力回路６１とアナログ電流出力回路６２を備える。

なお、これら表示ユニットや本体ケース、あるいは励磁回路や検出回路などの区分けは一例であり、各構成部材が属するユニットや回路を適宜変更しても同様の機能が実現できることはいうまでもない。また、機能が実現される限りにおいて任意の部材を統合することも可能である。

この容量式電磁流量計１００の動作原理を、図１に基づいて説明する。被検出流体を導く測定管１０は、測定管１０の左右に配置された一対の励磁コイル２２により発生し、ポールピース１７８に導かれたほぼ平行な磁界と直交するよう配置されている。また、測定管１０の上下面に対向して配置された一対の電極３０は、励磁コイル２２で発生される磁界及び被検出流体の通過方向と直交する方向に発生する起電力を検出するよう配置されている。この構成において、測定管１０内に被検出流体が流れる、すなわち磁界と直交する方向に導電性流体が移動すると、ファラデーの電磁誘導の法則に従い被検出流体中には、その移動速度（流速）に比例した起電力が発生する。このとき起電力はファラデーの法則により磁束密度、流速及び測定管径の積に比例する。電極３０は、誘導体からなる測定管１０の管壁を介して被検出流体と対向し、静電容量結合されており、流体内部に発生した起電力を電気的に取り出す働きをする。取り出された起電力は、制御部４０に伝達され、流量信号に変換されて表示部５１に表示され、あるいは電気信号として出力される。
（本体ケース１１０）

次に、各部材の詳細を図面に基づき説明する。図４及び図５に示す容量式電磁流量計１００は、容量式電磁流量計本体を構成する本体ケース１１０と、表示ユニット５０とで構成される。この容量式電磁流量計は、本体ケース１１０の両端面に開口された流路口１１１から被検出流体を内部に通過させ、その流量を検出して表示ユニット５０に表示する。

本体ケース１１０には、ＰＰＳ樹脂等が利用できる。特に本体ケース１１０のハウジング１２０を金属でなく樹脂で形成することにより、軽量化を図ると共に複雑な形状にも容易に形成でき、安価に構成できる利点が得られる。本体ケース１１０の上面には、図５に示すように、表示ユニット５０が固定される。また本体ケース１１０の側面には、図６に示すように測定管１０を収納するハウジング１２０の前後に各々サイドカバー１３０を固定している。各サイドカバー１３０には被検出流体を流入、排出するための流路口１１１を開口している。

さらにサイドカバー１３０の上面はヨーク蓋１４０で、下面は補強板１４２で各々閉塞している。さらに補強板１４２を覆うように、断面コ字状の本体カバー１５０で被覆し、本体カバー１５０の両端でサイドカバー１３０を固定して補強している。本体ケース１１０を本体カバー１５０で被覆して、サイドカバー１３０同士を本体カバー１５０で固定する状態を図７に示す。この図に示すように、ハウジング１２０の前後にサイドカバー１３０を固定した状態で、本体カバー１５０の側板１５５を挿入できる段差を形成している。さらに本体カバー１５０で本体ケース１１０を被覆した状態で、側板１５５に開口された螺子孔１５６に螺子を挿入して、本体カバー１５０の両端でサイドカバー１３０を螺号して固定する。さらに螺子孔１５６は、ハウジング１２０とサイドカバー１３０との連結に兼用することもでき、これにより組み立て作業効率も向上される。

本体カバー１５０は、板金等剛性のある部材で構成し、両端でサイドカバー１３０と螺子で螺号する等して、容量式電磁流量計の筐体に強度を持たせる。これにより、容量式電磁流量計を配管する際に、容量式電磁流量計の両側に設けられた配管固定機構に応力が加えられても、十分対抗できる強度を付与できる。例えば流路口１１１の内面に設けられた螺子溝１１２を螺号すると、両端から逆向きのトルクが加えられるが、このような捻れ応力で本体ケース１１０が破損しないよう本体カバー１５０が補強する。

また、容量式電磁流量計の筐体全体を金属製とするのでなく、本体ケース１１０のハウジング１２０を樹脂部材とすることで軽量化も図られる。本体カバー１５０は金属製ではあるが比較的軽量な板金で構成することにより、全体としての軽量化が実現できる。さらに本体ケース１１０を複雑な形状としても、金属製の場合と比較して安価に形成でき、コスト面でも有利となる。特に金属部品は単純な板金形状とすることで、安価とできる。さらにまた、容量式電磁流量計の本体ケース１１０表面を板金等の本体カバー１５０で被覆することにより、筐体表面を保護する効果も得られる。加えて、両端のサイドカバー１３０同士を金属製の本体カバー１５０で連結することにより、両端面を導通させてアース電位を共通にできるという副次的な効果も得られる。一方、本体ケース１１０には液アース端子１４４を備えており、被検出流体の電位をサイドカバー１３０の接地電位とする。

本体カバー１５０は、上記の例では図８（ａ）に示すように一枚の断面コ字状本体カバー１５０でハウジング１２０全体をカバーする構成とした。特に板金を断面コ字状に折曲することで、曲げ強度を一層増すことができる。また本体カバー１５０一枚でサイドカバー１３０同士を連結できるので、部品点数も最小限とでき、組み立て作業性にも優れる。ただ、本体カバーは、上記の構成に限られず、複数枚で構成してもよい。例えば図８（ｂ）に示すように、本体カバー１５１を２枚、それぞれ断面コ字状とし、これらをハウジング１２０の上下から覆うように構成することもできる。あるいは図８（ｃ）に示すように、断面Ｌ字状の本体カバー１５２とし、これらをハウジング１２０の対角線方向から狭持する構成としてもよい。さらに図８（ｄ）に示すように、２枚の平板状本体カバー１５３を使用して、サイドカバー同士を橋渡しする構成としても良い。
（サイドカバー１３０）

サイドカバー１３０は、流路口１１１を開口している。流路口１１１は、本体ケース１１０に内蔵される測定管１０とで流路を構成する。流路の口径は、流路口１１１の一端から他端までほぼ同じ直径として、この流路に被検出流体を一方向に流す際の損失を低減する。流路口１１１の部分には、容量式電磁流量計を設置する工場等の外部配管（図示せず）と接続するための配管固定機構として、流路口１１１の内面に螺子溝１１２が形成されている。螺合により配管する際の機械的強度を確保するために、好ましくはサイドカバー１３０を金属で一体に形成する。なお外部配管と流路との他の接続方法としては、本体ケースの開口端面にボルトを植設し、他方、外部配管の端にフランジを設け、このフランジの挿通孔にボルトを通した後にナットを螺着させることによって本体ケースと外部配管とを接続するようにしてもよい。
（測定管１０）

測定管１０は、管状の内部に被検出流体を通過させる絶縁性ライニングである。測定管１０には、被検出流体を通過させるパイプとしての優れた耐薬品性能と、コンデンサを構成するための電気的特性とが要求される。機械的特性の面からは、測定管１０は、被検出流体の圧力、温度変化による配管の伸縮に基づく引張又は圧縮の力を担う強度母体とし、かつそれに耐える所要の内径、肉厚、長さを有する剛構造部材とする。一方、電気的特性の面からは、測定管１０は非磁性の絶縁性部材として誘電体材料であることが望まれる。特に測定管１０の周囲に貼付される電極３０と被検出流体との静電容量結合を高めＳ／Ｎ比を改善するために、誘電率の高い材質で構成する。このような材質としてはセラミックスやプラスチックが利用できる。一般的にはセラミックスが用いられるが、測定管の外周面に、後述する位置決めのための突起１２や段差１４を一体的に形成する場合、成形時の熱収縮による位置決め精度の低下や、後加工でこのような突起や段差を形成するとコスト的に高くなるおそれがある。このため、本実施の形態では比較的強度があり、且つ成形精度と高誘電性を確保できるセラミックスを混入したＰＰＳ樹脂を採用している。ＰＰＳ樹脂は、耐油、耐薬品性等に優れる。本実施の形態では、ポリプラスチックス株式会社製フレクティス（登録商標）を使用した。また測定管１０の内面には必要に応じてライニングが施工される。

被検出流体は、水や非腐食性の液体であり、所定の導電率を備える液体である。容量式電磁流量計は、接液式の電磁流量計と異なり、電極３０を被検出流体に直接接触させないため、従来は使用できなかった電極を腐食するような液体であっても測定できる。また、測定管１０の材質を選択することによって、様々な被検出流体に対応できる。特に、測定精度等に対応して要求される誘電率と、被検出流体に対する耐性に応じて、測定管１０の材質を選択できる。特に本実施の形態に係る容量式電磁流量計は、測定管１０を本体ケース１１０と別部材としているので、測定管１０のみを変更し、他の構成部品を共通化して様々な仕様の容量式電磁流量計を構成でき、製品仕込みの上で有利なものとなる。

さらに測定管１０には、円柱状の測定管１０の回転を阻止するための回転阻止機構を設けている。すなわち、測定管１０の周囲で電極３０と励磁コイル２２とを直交させる必要があるため、円柱状の測定管１０が回転して位置ずれを生じると、正確な検出に支障を来すおそれがある。このため、図９（ａ）に示すように測定管１０の外周に突起１２を設けている。突起１２を支承する孔をプリアンプモジュール１６０や本体ケース１１０等に形成することで、測定管１０を所定の姿勢に位置決めし、回転を阻止する。

測定管１０は、本体ケース１１０と別部材とする。これにより、測定管１０を構成する部材にはコンデンサに適した材質を選択できる。一方で本体ケース１１０のハウジング１２０は、複雑な形状にも容易に成型可能な樹脂が使用できる。このように、測定管１０を本体ケース１１０と別部材とすることにより、各々に適した部材で構成できる。特に測定管を構成する高誘電材料は一般に高価であるため、必要な部分のみを高価な部材で構成し、他の部材はより安価な材質として全体のコストを低減できる。また、容量式電磁流量計に要求される精度等に応じて、適切な材質の測定管１０を選定できる。さらに、口径の異なる測定管に交換することもできる。このように、容量式電磁流量計の検出目的や用途、求められる仕様やコストに応じて、適切な材質の測定管を選定することができる。また、複数の測定管を一の容量式電磁流量計にセット可能とすることで、多品種の容量式電磁流量計の部材を共通化して、安価に提供できる。
（電極３０）

測定管１０の周囲には電極３０が配置される。電極３０は、ポリイミド等の絶縁テープに銅箔をコーティングしたものが使用できる。この電極３０は、図９（ｂ）に示すように、円筒状の測定管１０の外周に沿うように湾曲された面状の導電体であり、一対の電極３０を測定管１０を挟んで対向するように配置する。このように一対の電極３０と被検出流体との静電結合により、流体中に発生した起電力を測定管１０から外部に取り出して、流量を検出できる。各電極３０は、測定管１０の外周に隙間なく貼付される。貼付にはテープや接着剤等が利用できる。電極３０は、好ましくは可撓性部材で構成することにより、測定管１０の外面に隙間なく固定できる。

また面状の導電体である電極の腐食や結露による一対の電極間の導通を防止するために、導電体は絶縁層で被覆することが好ましい。図９の例では、シリコーン樹脂等の絶縁性の接着材を介して測定管１０の外周に接着することにより、絶縁層の形成と接着を同時に実現している。また、その他の構成として絶縁層としてポリイミド樹脂テープを使用し、ポリイミド樹脂テープ上に銅箔の面状導電体を予め設けた電極３０を、測定管１０上に配置する構成とすることもできる。測定管１０の周囲には、電極３０を配置する位置及び大きさに段差１４を形成しており、電極３０の位置決めを実現する。段差１４は、測定管１０外周の肉厚を薄くすることで形成している。

さらに電極３０は、プリアンプモジュール１６０と電気接続するためのリードを設ける。図９の例では、銅箔の面状導電体の一部に切り込みを入れてリード片３２とし、これを引き出している。この構成は、リードの配線等を不要とし、極めて安価且つ容易に電極３０の配線を行うことができる。

なおこの例では一対の電極を使用したが、２組以上の電極を使用することも可能である。複数組の電極を使用する場合、各電極で検出する電界が磁界と直交するように、電極の位置は調整される。
（ハウジング１２０）

次にハウジング１２０の内部に収納される部材を、図１０の分解斜視図に基づいて説明する。この図に示すように、ハウジング１２０は測定管１０と、一対のプリアンプと、励磁モジュール１７０とを備える。またハウジング１２０の前後には貫通孔１２１が開口され、ここに測定管１０が挿入される。またハウジング１２０内部に保持される測定管１０の上下に、プリアンプが配置される。図１１に示すように、電極３０を装着した状態で、測定管１０の上下からプリアンプモジュール１６０にて狭持する。
（プリアンプ）

プリアンプモジュール１６０は、信号増幅用のプリアンプを構成する。容量式電磁流量計においては、電極３０と被検出流体との静電容量結合が一般に数十ｐＦ程度と小さいため、電気信号を通すためのフィルタを設ける際の抵抗のインピーダンスが極めて高くなっている。このため、各電極３０に検出回路３４としてプリアンプを接続してインピーダンスを下げる。図１０に示すプリアンプは、測定管１０に配置される一対の電極３０と電気的に接続され、検出された電気信号を増幅して制御部４０に送出する。このプリアンプは、プリアンプモジュール１６０を、シールドケース１６１に収納し、さらにシールドカバー１６２で閉塞し、電極３０を含むプリアンプを確実にシールドして電気信号をノイズから保護する。
（プリアンプモジュール１６０）

プリアンプモジュール１６０の外観を図１１に示す。この図において、図１１（ａ）は一対のプリアンプモジュール１６０の斜視図を、図１１（ｂ）はプリアンプモジュール１６０の分解斜視図を、それぞれ示している。各プリアンプモジュール１６０は、図１１（ｂ）に示すように、プリアンプ基板１６４と、プリアンプ基板ホルダ１６５と、電極保護シート１６６とで構成される。プリアンプ基板１６４は、電極３０で検出された電気信号増幅用の電子部品を実装する。プリアンプ基板１６４は、プリアンプ基板ホルダ１６５に保持される。図１１（ｂ）に示すプリアンプ基板ホルダ１６５は、上面にプリアンプ基板１６４を保持する開口を形成している。またプリアンプ基板ホルダ１６５は、下面を測定管１０の側面に沿うようアーチ状に湾曲させており、この湾曲面に電極保護シート１６６を固定する。電極保護シート１６６は、ゴム等の弾性体で構成され、プリアンプ基板ホルダ１６５の湾曲面で押圧されて、電極３０を測定管１０の周囲に隙間なく押圧する。特に電極３０による静電容量結合を高めるため、電極３０と測定管１０との間に隙間が生じないように固定する必要がある。この作業を、電極保護シート１６６を利用することで、プリアンプモジュール１６０を測定管１０にセットする際に、電極３０を測定管１０の周囲に確実に押圧して隙間なく固定でき、信頼性を高めると共に構成を簡素化して作業能率も向上する。
（励磁モジュール１７０）

さらに、図１０に示すハウジング１２０は、測定管１０の左右側面を挟むように、励磁モジュール１７０が配置される。励磁モジュール１７０は、励磁コイル２２を備えており、測定管１０の左右から磁界を付与する。したがって、電極３０により検出される電界と磁界が直交するように、励磁モジュール１７０とプリアンプの配置位置が設定される。

励磁モジュール１７０の斜視図を図１２に示す。図１２（ａ）は励磁モジュール１７０を斜め上方から見た斜視図、図１２（ｂ）は斜め下方から見た斜視図を、それぞれ示している。この図に示す励磁モジュール１７０は、励磁コイル２２を保持するコイルケース１７２と、コイルケース１７２を一対、対向するように固定する励磁プレート１７４と、中継基板１７６で構成される。
（励磁プレート１７４）

励磁プレート１７４の斜視図を図１３（ａ）、（ｂ）に示す。励磁プレート１７４は、一対のコイルケース１７２を離間させて保持し、コイルケース１７２のポールピース１７８同士の間で磁界を生じさせる。この励磁プレート１７４は、ほぼ平行に離間させた対向片１７４ａを、連結片１７４ｂの両端で連結した断面ほぼコ字状に形成され、対向片１７４ａに各々コイルケース１７２を保持して、これらを平行に離間させて保持する。また励磁プレート１７４の上面の両端部には、ヨーク蓋固定用のヨーク片１７４ｃが各々形成される。

励磁プレート１７４は、励磁コイル２２で発生される磁界で磁気回路を構成するため、強磁性体材料で構成する。この励磁プレート１７４は、金属等で一体に形成している。また対向するポールピース１７８同士の間で磁界が効率よく発生されるように、いいかえるとポールピース１７８から発される磁束が、下方向の連結片１７４ｂに向かう漏れ磁束を低減するため、励磁プレート１７４の一部を部分的に開口している。特に、連結片１７４ｂと対向片１７４ａとの接合部分を大きく開口して開口部１７４ｄを形成することにより、磁気回路の短絡を防止する。このような形状の励磁プレート１７４を使用することで、漏れ磁場を低減し、磁気回路の効率を高めることができる。
（中継基板１７６）

また図１２（ｂ）に示すように、励磁プレート１７４の連結片１７４ｂの裏面には、中継基板１７６が固定される。中継基板１７６は、励磁コイル２２を励磁する励磁回路２４として、図３に示す初期励磁電源２６、励磁継続電源２７、励磁極性切替回路２８、定電流回路２９を構成する。励磁回路２４でポールピース１７８同士の間で交番磁場を発生させるように、中継基板１７６には必要な電気回路が実装される。この励磁モジュール１７０は、商用周波数と異なる周波数で交番磁場を発生させる。好ましくは、励磁周波数は商用周波数よりも高い周波数、例えば７５ｋＨｚとする。これにより、商用周波数で生じるノイズを回避することができる。
（コイルケース１７２）

コイルケース１７２は、コアを挿入し、コアの周囲に励磁コイル２２を捲回する構成とする。コイルケース１７２の分解斜視図を図１４に示す。この図に示すように、コイルケース１７２は中空の軸で平板１７２ａ、１７２ｂを連結した形状とし、平板１７２ａ、１７２ｂ同士の間に励磁コイル２２を捲回するコイル捲回空間１７２ｃが形成される。一方の平板１７２ａには、コアとしてポールピース１７８を挿入するポールピース挿入口１７２ｄが開口される。またポールピース挿入口１７２ｄは中空の軸状とし、コイル捲回空間１７２ｃを貫通している。さらに他方の平板１７２ｂは矩形状とし、図１２（ａ）に示すように励磁プレート１７４の対向片１７４ａに固定される。
（ポールピース１７８）

励磁コイル２２はポールピースコア１７８ａの周囲に捲回される。ポールピース１７８は、ポールピースコア１７８ａをなす鉄芯の一端に矩形状の平板１７８ｂを固定し、平板１７８ｂを介して磁束が出入りする。ポールピースコア１７８ａには積層鉄心等の導電性の磁性材が好適に使用できる。またポールピースコアを使用しないで、この部分で生じる磁気回路遅れを低減する構成としてもよい。

この励磁モジュール１７０は、内蔵される一対の励磁コイル２２を離間して配置し、中継基板１７６で励磁コイル２２を励磁してポールピース１７８同士の間に磁界を生じさせる。これにより、ポールピース１７８の間に設置された測定管１０に対して、被検出流体として導電率を有する液体を流すと、液体の運動方向と直交する方向に起電力を生じさせる。

なお図１の例では、励磁コイル２２を２つ使用し、測定管１０の左右に設けているが、コイルを一とすることもできる。例えば図２０に示すようにコア１７８Ｂの両端で測定管１０Ｂを挟むようにすれば、コア１７８Ｂに捲回する励磁コイル２２Ｂを一とできる。この図に示す容量式電磁流量計も、図１等と同様に、励磁回路２４Ｂで励磁コイル２２Ｂを励磁し、測定管１０Ｂを通過する被検出流体により生じる起電力を検出回路３４Ｂが電極３０Ｂで検出し、制御部４０Ｂに送出して表示部５１Ｂにて表示する。

さらに図５に戻り、容量式電磁流量計は、本体ケース１１０の上面に、表示ユニット５０を固定している。本体ケース１１０の上面には、表示ユニット５０を固定するための螺子孔１２２をハウジング１２０の四隅に形成している。また、サイドカバー１３０の上端は、本体ケース１１０上面に固定された表示ユニット５０の表面と同一平面となるよう、窪ませた段差空間が形成されている。この段差空間は、表示ユニット５０の外形及び大きさとほぼ等しいか、これよりも若干大きく形成される。
（表示ユニット５０）

表示ユニット５０は被検出流体の流量等の情報を表示するための部材であり、図４等に示すように表示部５１として表示画面５２を備える。図４の例では表示画面５２に数値を表示する数値表示領域として、７セグメント式表示器を使用しており、流量等を数値で表示する。７セグメント式表示器には、検出した流量について、瞬時流量や積算流量等の数値を表示する。この図に示す表示画面５２は、７セグメント式表示器を２段備えており、積算流量と設定値とを同時に表示可能としている。ただ、７セグメント式表示器を１画面のみ設けて、積算流量や瞬時流量、設定値等の表示を切り替え可能とすることも可能であることはいうまでもない。

また表示画面５２は、被検出流体の流速や流れ方向を示す流体表示灯５３を備える。流体表示灯５３は、バー状に配置されたＬＥＤで構成される。流体表示灯５３は、例えば流量に応じた速さでＬＥＤを流れ方向に順次点灯させ、流速と流れ方向を感覚的に表現できる。またバー状ＬＥＤに代わって、矢印形の表示灯等も利用できる。さらに、ＬＥＤ等を使用したセグメント式の表示画面５２に代わって、液晶や有機ＥＬ等を使用した表示画面とすることも可能である。このように表示画面５２には、流量等の数値のみならず矢印等の図形やイメージを併せて、あるいは択一的に表示させることができ、検出した流量等の情報をユーザに視認しやすい形で表示できる。

また表示ユニット５０は、各種の設定を行う設定部８０として操作パネル５４を備えている。操作パネル５４は、各種の設定を行うためのキーやボタンを備えている。図４等の例では、表示画面５２に４桁の７セグメント式表示器を２段に配置し、さらに右下に操作パネル５４を設け、十字方向にキーを配置している。

なお、この例では表示画面５２を表示する表示回路に、検出回路３４及び励磁回路２４と接続されてこれらを制御する制御部４０を組み込んでいる。ただ、制御回路を個別の部材で構成し、本体ケース１１０内に組み込むことも可能であることは言うまでもない。また制御回路や検出回路、励磁回路等を統合することも可能である。
（出力部６０）

また、この表示ユニット５０は出力部６０を備えている。この例では、出力部６０は制御出力、アナログ出力、タイムアウト出力を備え、各々の出力に応じた外部出力端子を備えている。制御出力は、容量式電磁流量計で外部機器のＯＮ／ＯＦＦ動作を直接制御するＯＮ／ＯＦＦ出力として使用できる。この場合は、検出された瞬時流量が所定値に達したときにＯＮ／ＯＦＦ出力を切り替えるように、ＨＩＧＨ／ＬＯＷの２つの状態に出力するスイッチとして機能する。スイッチ機能は、ノーマルオープン、ノーマルクローズのいずれとしてもよい。あるいは、制御出力として、検出された積算流量に応じたパルス電圧を出力することもできる。この場合は、外部の電圧入力機器に対して、積算流量で制御する用途等に利用できる。また、積算流量をリセットするリセット信号入力端子を備えてもよい。

一方、アナログ出力は、測定された瞬時流量や積算流量等に応じたアナログ電流を出力できる。この例では、瞬時流量が０〜定格値の範囲で変化すると、４〜２０ｍＡの範囲でアナログ電流を出力する。このため出力部６０は、アナログ電流出力回路６２を備える。アナログ電流は電圧信号に比べてノイズ耐性に優れており、これを外部に出力することで、データの記録や解析に利用できる。さらにタイムアウト出力は、後述するようにタイムアウト時にタイムアウト信号を出力する。

このように出力部６０は積算値出力部や瞬時値出力部として機能できる。なお出力部は、上記の制御出力、アナログ出力、タイムアウト出力のいずれかを省略したり、あるいはさらに別の出力端子を備えてもよい。さらに、各出力端子の出力状態を示す出力表示灯を設けてもよい。
（入力部７０）

さらに表示ユニット５０は入力部７０を備えることもできる。入力部７０は、温度センサ等の外部機器からの入力信号や、積算値をリセットするためのリセット信号、各種設定情報等を入力するためのインターフェースである。入力部としては、データ通信可能な通信ユニットやＩ／Ｏ端子、メモリカード等が利用できる。
（表示ユニット５０）

一方、表示ユニット５０としては、本体ケース１１０に表示ユニット５０を設ける一体型表示ユニット５０と、本体ケース１１０とは別の位置に表示ユニットを配置する分離型表示ユニット５０Ｂとが利用できる。図１５に、一体型表示ユニット５０の分解斜視図を示す。
（一体型表示ユニット５０）

この図に示す一体型表示ユニット５０は、フロントケース５５と、電源ケーブル５６と、表示基板５７と、電源基板５８とを備える。フロントケース５５は、表示ユニット５０の筐体であり、表示基板５７を内部に保持すると共に、開口窓を通じて表示基板５７上に設けられた７セグメント式表示器が外部に表出するように位置決めして固定する。また表示基板５７の裏面には電源基板５８が離間して配置される。電源ケーブル５６は、容量式電磁流量計を駆動するための外部電源と接続されて、容量式電磁流量計に電力を供給する。表示基板５７は、７セグメント式表示器や各種インジケータを構成するＬＥＤ等の表示素子の駆動回路や、操作パネル５４のスイッチ等を含む電子部品やＣＰＵ等の制御部品が実装されている。さらに、表示基板５７と別に電源基板５８が用意され、電源回路部品が電源基板５８に実装される。表示用駆動回路を実装した表示基板５７と、電源回路を実装した電源基板５８とを分離することにより、電源回路の発熱を表示回路の電子部品から分離できる。
（択一固定機構）

表示ユニット５０は、容量式電磁流量計の取り付け位置や姿勢に応じて、ユーザが表示画面５２を目視しやすい姿勢に表示ユニット５０の取り付け方向を変更可能としている。図１６に、容量式電磁流量計の本体ケース１１０に、表示ユニット５０を固定する様子を示す。図１６（ａ）は、分離型表示ユニット５０Ｂ、図１６（ｂ）は一体型表示ユニット５０を固定する状態、非検出流体の流れ方向と水平に固定する状態、図１６（ｃ）は図１６（ｂ）と同じ一体型表示ユニット５０を、非検出流体の流れ方向と垂直な姿勢に固定する状態を、それぞれ示している。

具体的には、表示ユニット５０及び本体ケース１１０上面の段差空間をほぼ正方形状として、表示ユニット５０の取り付け角度を９０°回転させても、固定可能としている。このため、表示ユニット５０を本体ケース１１０上面に固定するための螺子孔１２２は、正確に四隅に穿孔されている。これにより、表示ユニット５０を９０°回転させた姿勢でも本体ケース１１０に固定でき、表示画面５２の表示方向を変更できる。すなわち、被検出流体の流れ方向（例えば上下又は左右）に沿う姿勢に測定管１０を固定すると共に、この容量式電磁流量計に固定する表示ユニット５０の姿勢は、ユーザが表示画面５２を目視しやすい方向に固定できる。

従来、容量式電磁流量計を配管等に固定する際、容量式電磁流量計が横置きの姿勢のみならず、縦置きの姿勢で固定されることもあった。この場合、表示器が縦方向に配置されるため、横書きで表示される数値が読みづらくなるという問題があった。一方、上述した特許文献２に示すように、縦横いずれの方向でも表示画面５２を視認できるよう、表示ユニット５０を本体ケース１１０と回転させる機構を備えた流量計も存在したが、回転機構が必要となり、その分構造が複雑となり、コストアップやサイズの大型化等の問題があった。これに対し、上記の構成では、取り付け姿勢を変更してねじ止めするという極めて簡単な構成であるため、部品点数が増えることもなく、小型化を実現しつつ、表示画面５２が水平となるように、すなわちユーザが直立した姿勢から目視できる姿勢に、固定することができ、視認性がよくなる。

なお、表示ユニット５０を固定する方法は四隅の螺合に限られず、例えば正方形の各辺の中間に螺子孔を穿孔したり、フック等による係合や嵌合とすることもできる。

また、必ずしも一の表示ユニットの取り付け角度を変更する構成に限られず、例えば水平方向表示用の表示ユニット、垂直方向表示用の表示ユニットを個別に用意し、用途に応じて適切な表示ユニットを選択して固定するように構成してもよい。この構成であれば９０°回転可能な構成とする必要がないので、本体ケースの上面形状をほぼ正方形状とする必要がなく、本体ケースの形状を長方形状等様々な形状とすることができる利点が得られる。

さらに、本体ケース１１０に固定する表示ユニット５０を交換式とできる。これにより、本体ケース１１０は一体型、分離型のいずれの表示ユニット５０に対しても共通に使用でき、部材の共通化を図れるという利点が得られる。
（分離型表示ユニット５０Ｂ）

図１６（ａ）は、分離型の表示ユニット５０Ｂの一例を示している。分離型表示ユニット５０Ｂは、図１７に示すように表示画面５２を本体ケース１１０から離間させて、本体ケース１１０には表示パネル５０Ｃを配置し、ケーブル等により電気信号をやりとりして、本体ケース１１０と離れた位置で流量等の情報を表示画面５２に表示する。表示パネル５０Ｃは、上述した一体型表示ユニット５０と同様の構成とできる。

図１８に、分離型表示ユニットを使用した電磁流量計２００のブロック図を示す。この図に示す電磁流量計２００は、本体ケースについては、上述した図３に係る一体型表示ユニットを使用した電磁流量計の本体ケース１１０と同じものが使用でき、詳細説明は省略する。図１８のブロック図では、表示ユニット５０Ｂに、Ａ／Ｄ変換器３８Ｂと、制御部４０Ｃと、表示部として動作表示画面５２Ｂと、出力部としてアナログ電流出力回路６２Ｂと、通信部としてシリアル通信回路６３を備える。シリアル通信回路６３は、表示パネル５０Ｃとデータ通信を行い、表示パネル５０Ｃで表示すべき必要なデータを送信する。

図１６（ａ）の例では、７セグメント式表示器に代わって、本体ケース１１０の上面に動作表示画面５２Ｂとして、被検出流体の通過を示すインジケータ５３Ｂを設けている。動作表示画面５２Ｂは、流量を検出中であること等、容量式電磁流量計の動作状態を示す他、被検出流体の移動方向を示すことができる。図１６（ａ）の例ではインジケータ５３Ｂとして、測定管１０の検出方向に沿って矢印状の表示灯を４つ水平に並べており、ＬＥＤ等によって表示灯を点灯させる。インジケータ５３Ｂは、被検出流体の通過方向に向かってインジケータ５３Ｂを点滅させ、光を移動させるように点灯させることによって流れ方向を視覚的に表示する。

例えば、検出方向に沿って被検出流体が流れている場合は表示灯を青色に点灯させ、一方被検出流体が逆方向に流れている場合は赤色に表示させる。また、表示灯の点滅パターンを動的に変化させて被検出流体の移動方向を表示させることで、さらに視覚的に流体の移動を容易に認識することができる。

分離型表示ユニット５０Ｂを構成する動作表示画面５２Ｂの分解斜視図を図１９に示す。この図に示す分離型表示ユニット５０Ｂは、フロントケース５５Ｂと、表示基板５７Ｂと、電源基板５８Ｂと、電源ケーブル５６Ｂと、温度センサケーブル５９Ｂとを備える。フロントケース５５Ｂは、インジケータ５３Ｂをインサート成形している。表示基板５７Ｂや電源基板５８Ｂは、上述した一体型表示ユニット５０と同様の部品を実装して構成できる。さらにこの例では、被検出流体の温度を検出する温度センサからの入力信号を温度センサケーブル５９Ｂを介して入力部７０に入力し、被検出流体の温度を、離間して配置した表示パネル５０Ｃ側に送出して表示させることもできる。

なお、本体ケース上面の動作表示画面からインジケータを省いたり、逆に分離型表示ユニットであっても本体ケース側に流量等を表示する表示画面を設けること、すなわち表示ユニットを本体ケースと、それ以外の位置の２カ所に設けることも可能であることは言うまでもない。

以上のように、本発明によれば十分な強度を確保しながら、軽量な流量センサを実現できる。上記では流量センサとして容量式電磁流量計に適用した例を説明したが、これに限られず接液式の電磁流量計やその他の流量検出手段を備える流量センサ、例えばタービン式、カルマン渦式、ダイヤフラム式、パドル式、超音波式等、様々な既知のセンサを適宜採用することができる。

本発明の流量センサは、導電性液体の流量を検出する容量式電磁流量計として好適に適用できる。また電磁流量計に限られず、例えば流れの中に配置された渦発生柱の下流に規則的に発生するカルマン渦を超音波により非接触で検出する音波渦流流量センサ等に対しても適用できる。

流量センサの構成を示すブロック図である。本体ケースの断面図である。容量式電磁流量計の詳細なブロック図である。本発明の一実施の形態に係る流量センサを示す斜視図である。図４に示す流量センサの表示ユニットを外した分解斜視図である。図５の本体ケースから口金と補強板を外した分解斜視図である。サイドカバーを本体カバーで固定する状態を示す分解斜視図である。ハウジングを本体カバーで保持する状態を示す断面図である。る。測定管の斜視図及び電極を外した分解斜視図である。図６の本体ケースの分解斜視図である。プリアンプモジュールの分解斜視図である。励磁モジュールの斜視図である。励磁プレートの斜視図である。励磁コイルの分解斜視図である。一体型表示ユニットの分解斜視図である。流量センサの本体ケースに、表示ユニットを固定する様子を示す斜視図である。分離型表示ユニットを使用した流量センサを示す斜視図である。分離型表示ユニットを使用した電磁流量計を示すブロック図である。分離型表示ユニットの分解斜視図である。流量センサの他の構成を示すブロック図である。

１００、２００…電磁流量計
１０、１０Ｂ…測定管
１２…突起
１４…段差
２２、２２Ｂ…励磁コイル
２４、２４Ｂ…励磁回路
２５…励磁電源
２６…初期励磁電源
２７…励磁継続電源
２８…励磁極性切替回路
２９…定電流回路
３０、３０Ｂ…電極
３２…リード片
３４、３４Ｂ…検出回路
３５…差動増幅器
３６…増幅器
３７…周期性リセット回路
３８、３８Ｂ…Ａ／Ｄ変換器
４０、４０Ｂ、４０Ｃ…制御部
４２…メモリ部
５０…表示ユニット
５０Ｂ…分離型表示ユニット
５０Ｃ…表示パネル
５１、５１Ｂ…表示部
５２…表示画面
５２Ｂ…動作表示画面
５３…流体表示灯
５３Ｂ…インジケータ
５４…操作パネル
５５、５５Ｂ…フロントケース
５６、５６Ｂ…電源ケーブル
５７、５７Ｂ…表示基板
５８、５８Ｂ…電源基板
５９Ｂ…温度センサケーブル
６０…出力部
６１…外部出力回路
６２、６２Ｂ…アナログ電流出力回路
６３…シリアル通信回路
７０…入力部
８０…設定部
１１０…本体ケース
１１１…流路口
１１２…螺子溝
１２０…ハウジング
１２１…貫通孔
１２２…螺子孔
１３０…サイドカバー
１４０…ヨーク蓋
１４２…補強板
１４４…液アース端子
１５０、１５１、１５２、１５３…本体カバー
１５５…側板
１５６…螺子孔
１６０…プリアンプモジュール
１６１…シールドケース
１６２…シールドカバー
１６３…プリアンプ
１６４…プリアンプ基板
１６５…プリアンプ基板ホルダ
１６６…電極保護シート
１７０…励磁モジュール
１７２…コイルケース
１７２ａ、１７２ｂ…平板
１７２ｃ…コイル捲回空間
１７２ｄ…ポールピース挿入口
１７４…励磁プレート
１７４ａ…対向片
１７４ｂ…連結片
１７４ｃ…ヨーク片
１７４ｄ…開口部
１７６…中継基板
１７８…ポールピース
１７８ａ…ポールピースコア
１７８ｂ…平板
１７８Ｂ…コア

Claims

被検出流体の流量を検出するための流量センサであって、
ハウジングと、
前記ハウジング内に配設されて、被検出流体を通過させるための管状の測定管と、
前記ハウジングの対向する面を各々閉塞し、前記測定管に連なる流路口を開口する一対のサイドカバーと、
前記測定管を流れる被検出流体の流量を検出可能な流量検出手段と、
を備え、
さらに前記一対のサイドカバー同士を連結する本体カバーを備えており、
また前記サイドカバーは、前記流路口の周囲に、流量センサを配管に固定するための配管固定機構を備えており、
前記ハウジングを樹脂部材で構成し、
一方前記サイドカバー及び本体カバーを金属部材で構成しており、
前記本体カバーが、断面を略コ字状として、コ字状の開口部分に前記ハウジングを挿入してこれを被覆するよう構成してなることを特徴とする流量センサ。
請求項１に記載の流量センサであって、
前記流量検出手段によって検出された被検出流体の流量を表示可能な表示部を備え、
前記表示部は、前記ハウジングのうち前記本体カバーによって被覆されない面に固定されることを特徴とする流量センサ。
請求項１又は２に記載の流量センサであって、
前記本体カバーの両端で、前記サイドカバーと螺子により固定されてなることを特徴とする流量センサ。
請求項１から３のいずれか一に記載の流量センサであって、
前記流量検出手段が、
被検出流体に交番磁場を印加するための磁場印加手段と、
被検出流体と非接触となるよう前記測定管と結合される電極と、
前記測定管を通過する被検出流体の流量を演算する演算手段と、
を備えることを特徴とする流量センサ。