JP6235157B2 - 電磁流量計の改良された磁気コアの構成 - Google Patents

Description

本発明は、電磁流量計に好適な改良された磁気コアの構成に関する。

電磁流量計が知られており、典型的には、電磁石のコイル及び一対の電極を通過するプロセス流体が流れる、電気的に絶縁されたフローチューブを利用する。電磁石は、流れるプロセス流体に電磁界を適用する。ファラデーの電磁誘導の法則により、電圧または起電力（EMF）がプロセス流体内に配置された一対の電極間に発生する。この電圧は、適用される磁界強度の関数であり、流れる液体の速度に比例する。このような電磁流量計の先行技術として特許文献１がある。

WO 2013010715

小さなフローチューブを備えた電磁流量計では、電極周囲の絶縁にコイルシールドを適合することが困難な場合がある。さらに、フローチューブの小さな電磁流量計では時としてコイルの温度が上昇することがあり、その結果、プロセス配管を透過する磁束を最大化することが困難になる場合があった。

電磁流量計に用いられるフローチューブアッセンブリが提供される。フローチューブアッセンブリは、通過するプロセス流体の流れを受け容れるように設計されたフローチューブを含む。磁気コアはフローチューブに対して取り付けられ、この磁気コアはフローチューブから一対のアームの方向へ伸びたステムを含む。各アームはステムから延びている。導線が幾重にも巻かれた巻線スプールがステムに配置され、これらの巻線をフローチューブから離間する。

本発明によれば、以下のような効果が達成される。
(1) フローチューブを透過する磁束の発生効率を高められるので、信号強度を同等に保ちながら、磁気スプールにおける巻線のターン数を削減できる。
(2) 一般にフローチューブ設計上の部品点数を減じることができる。これは、T型コアおよびコイルスプールが、それぞれ複数の目的を果たすためである。
(3) ハウジングが溶接閉止される前に磁気回路の全ての主要な構成を提供できる。これにより、ハウジングが溶接閉止または他の方法により封止される前の未だアクセス可能な状態で、配線を伴うテストやトラブルシューティングを実現することができる。

電磁流量計を含むプロセス制御システムを示す概略図である。 本発明の実施形態に係る電磁流量計の概略図である。 本発明の実施形態に係る磁気コアの構成の断面図である。 本発明の実施形態に係る電磁流量計における磁気コアの概略図である。

図１は、電磁流量計１０２が用いられる典型的な環境１００を示している。電磁流量計１０２は、概略的に線分１０４で示されたプロセス配管に結合され、プロセス配管１０４は制御弁１１２に結合されている。電磁流量計１０２は、プロセスプラント内でのプロセス流体のフローに関連する流速出力を提供するように構成されている。このようなプロセス流体の例としては、化学、パルプ、医薬品、食品あるいは他の流体処理工場におけるスラリーや液体がある。

電磁流量計１０２は、フローチューブ１０８に接続された電子機器筐体１２０を含んでいる。電磁流量計１０２の出力は、プロセス間通信バス１０６を介してコントローラまたはインジケータに長距離伝送できるように構成されている。典型的な処理プラントでは、通信バス１０６は4-20mAの電流ループ、FOUNDATIONTM（登録商標）フィールドバス接続、パルス出力/周波数出力、ハイウェイアドレス可能遠隔トランスデューサ（HART：登録商標）プロトコル通信、IEC62591のような無線通信接続、イーサネット(登録商標)またはファイバによる光接続であり、システムコントローラ／モニタ１１０または他の適切なデバイスのようなコントローラに接続される。システムコントローラ１１０は、人間のオペレータに流量を表示するプロセスモニタとして、あるいは通信バス１０６を介して制御弁１１２を利用することでプロセスをコントロールするプロセスコントローラとしてプログラムされている。本発明の実施形態は、すべての電磁流量計に適用可能であるが、プロセス配管の直径が比較的小さな電磁流量計に特に好適である。このような小さなフローチューブを備えた電磁流量計では、電極周囲の絶縁にコイルシールドを適合することが困難な場合がある。さらに、フローチューブの小さな電磁流量計では時としてコイルの温度が上昇することがあり、その結果、プロセス配管を透過する磁束を最大化することが困難になる場合がある。本発明の実施形態では、一般的にフローチューブから横方向に延びた磁気コア片であって、サイドリングへ横方向に延びる一対のアームを含む磁気コア片を使用する。一実施形態では磁気コアがT型である。

図２は、本発明の一実施形態による改良された磁気コアを有する電磁流量計の概略図である。流量計１５０は、フローチューブ１５６の実質的な中心位置１５４から各サイドリング１５８，１６０へ延びるT型の磁気コア１５２を含む。さらに、第２のT型磁気コア１６２がフローチューブ１５６の前記磁気コア１５２とは反対側に配置されている。これにより、コイル１６４，１６６を流れる電流が符号１６８で示した磁束を発生させる。磁束１６８は、プロセス流体の流量に対応して導電性のプロセス流体を交差する電圧またはEMFを生じさせる主要な磁束と考えられる。一対の電極（図２では、図示省略）がプロセス流体に接触し、誘導電圧を測定してプロセス流体の流量を決定するために電磁流量計回路により使用される。しかしながら、主要磁束が効果的にフローチューブ１５６を透過するようにするためには、効率的な磁気リターン経路を有することも重要である。この点に関して、一般に、T型の磁気コア１５２、１６２のフローチューブ１５６に対して実質的に平行に延びる部分は、磁気戻り経路の磁束漏れを最小限に抑える低リラクタンスコア材料で形成される。一つの実施形態では、T型の磁気コア１５２、１６２は、大部分の鋼と比べて透磁率が高く、保磁力およびヒステリシスが低い鋼または軟磁性材料で形成することができる。しかしながら、他の実施形態では、渦電流を最小化し、磁界を潜在的に速やかに消滅させるために、変圧器と同様の電気鋼の積層で形成しても良い。加えて、本発明の実施形態ではT型の磁気コア１５２，１６２を示したが、重要な機能は、フローチューブの巻線アセンブリからサイドリングへ低リラクタンスパスが提供されることである。したがって、Y字型のような他の形状も本発明の実施形態として使用できる。改良された磁気コアの構成の一つの特徴は、ラッパーまたは他の金属製ハウジングがアッセンブリを覆うように搭載されるよりも前に磁気回路が完全であるということである。この方法によれば、デバイスのテスト及び診断が非常に容易になる。

巻線１６４，１６６は、図３に詳細に示したように、好ましくは非金属製の巻取スプール１８２に巻かれる。一実施形態では、非金属制のスプール１８２はプラスチックで形成される。プラスチックは、好ましくは成形可能であり、電磁流量計１５０において正しく機能できるように十分に高い動作温度特性を備えている。

図３は、本発明の実施形態に係る電磁流量計１５０の一部の概略断面図である。図３では、フローチューブ１５６の一部のみが示されている。図から分かるように、非導電性の内側ライナ１７０が、隣接する金属製のフローチューブ１５６に設けられている。ライナ１７０は、プロセス流体に誘起されたEMFが金属製のフローチューブに到達してショートしてしまわないことを保証する。フローチューブが非導電性である実施形態ではライナ１７０を省略してもよい。図３にも示したように、電極１７２が非導電性のライナ１７０を貫通し、フローチューブ１５６を流れるプロセス流体と接触する。フローチューブ１５６には、ネジ付きスタッド１７４のような取付部材が溶接され、あるいは他の方法で固定されている。T型コア１５２は、フローチューブ１５６から延在するステム部分１５７を有している。ステム部分１５７はその内部に、フローチューブ１５６に対して磁気コア１６２を正確に位置決めするための取付スタッド１７４を受容するサイズの孔を有する。T型コア１５２は、クランプまたは他の方法で、スタッド１７４のねじ山と係合するナット１７６によって適所に固定される。さらに、コア１５２のアーム１５３，１５５も、溶接または他の適宜の方法で各サイドリング１５８，１６０の各表面１７８，１８０に固定されている。

図３には、T型コア１５２の外径１８６が通るサイズの内径１８４を有するスプール１８２が示されている。磁気巻線１６４は、ガイド１８８，１９０の間でスプール１８２の周りに巻かれている。理解されるように、ひとたび取り付け用のスタッド１７４がフローチューブ１５６に取り付けられると、フローチューブの組み立ては比較的簡単で解り易くなる。具体的には、スプール１８２をT型コア１５２の直径１８６の外側に単に滑り込ませることができ、その後、T型コア１５２をスタッド１７４の上に搭載または配置しても良い。アセンブリ全体は、その後、ナット１７６を締めることで所定の位置に固定される。最後に、T型コア１５２は各サイドリング１５８、１６０のそれぞれの表面１７８，１８０に溶接される。完了したら、カバー又は他の好適なハウジング１９２によりアセンブリを覆うように配置することでフローチューブが完成する。

本発明の実施形態によれば、フローチューブを透過する磁束の発生効率を高められると考えられる。具体的には、本実施形態では、本発明の実施形態に従って製造された２つのプロトタイプのフローチューブにおいて、信号強度を同等に保ちながら、磁気スプールにおける巻線のターン数を、それぞれ３５％および４４％も削減できた。さらにまた、本発明の実施形態では、一般にフローチューブ設計上の部品点数を減じることができる。これは、T型コアおよびコイルスプールが、それぞれ複数の目的を果たすためである。T型コアは、磁気コア、取り付けブラケットおよびサイドリング１５８，１６０に対する磁気接続として機能する。コイルは、スプール巻型、電気絶縁、取付けブラケット、スタンドオフおよびワイヤガイド（図４を参照して後述する）として機能する。

図４は、本発明の実施形態に係るフローチューブ１５０の一部分の概略図である。図４は、コイルスプール１８２を備えてフローチューブ１５６の適所に搭載されるT型コア１５２を示している。さらに、図４は、符号１９４で示した電極の一つを示している。配線１９６、１９８は、それぞれ電極１９４およびコイル巻線１６４と電気的に接続されている。コイル巻線が発生する磁界強度を考えると、配線１９６，１９８が移動したり位置がずれたりすると、磁気流量計の出力信号が影響を受けることになる。したがって、フローチューブ１５０の設計においては、配線１９６、１９８が所定の位置にしっかりと保持されて動かないようにすることが非常に重要である。この点、コイルスプール１８２は、フローチューブ１５０内の所定位置にワイヤ１９６、１９８を確実に取り付けることを容易にするための複数の特徴を有している。例えば、電極配線１９６はケーブルタイや他の適切なワイヤ固定装置がスナップまたは他の方法で固定される開口を有するタブ２００を経由する。これにより、電磁流量計の動作にとって非常に重要となる磁界に対する電極配線１９６の位置を正規の位置にできる。同様に、配線１９８は位置２０２で曲げられ、スプール１８２のガイドの開口２０４を通過する。従って、コイルのリード配線１９８は、コイル巻線スプールに設けられた孔を通過することによって正確な位置および撓みに保持される。これにより、配線を正しい位置で、正しく緩和された張力で保持できるようになる。

現在のフローチューブ設計では、一般的に、磁気リターンパスとしてスチール製のコイルハウジングが使用される。しかしながら、スチール製のコイルハウジングでは、ハウジングが溶接閉止されるまで、磁気回路の各種の重要なテストやトラブルシューティングを行うことができない。しかも、ひとたび溶接閉止してしまったら、コイルや電極配線にいかなる変更も加えられない。対照的に、本発明の実施形態は、ハウジングが溶接閉止される前に、磁気回路の全ての主要な構成を提供できる。これにより、ハウジングが溶接閉止または他の方法により封止される前の未だアクセス可能な状態で、配線を伴うテストやトラブルシューティングを実現することができる。

フローチューブ設計における現在の既知の課題の一つに、磁気コイルが発生する熱とフローチューブを通って逃げる熱との組み合わせがコイルの温度を上昇させることがある。これは、磁気ワイヤの熱クラスおよび／または装置の安全保護タイプ（危険場所の評価）に基づく最大プロセスおよび周囲温度に関して制限を強いることになる。コイルをフローチューブから離間（図３中の寸法dで示されている）させることにより、コイルの最高温度を大幅に低下させることができる。一実施形態では、寸法dは約0.35インチである。これは、２つの方法でコイルの最高温度を大幅に低下させる。第１に、温度はフローチューブの壁との間の熱絶縁により直接的に低下される。第２に、温度はまた、コイルが晒される温度が低下することにより巻線の電気抵抗が低下し、その結果、界磁コイルで消費される電力がより低下することにより間接的に低下される。プロトタイプでのテストでは、コイルがフローチューブに直接搭載される従来の設計に比べて、コイル温度に40℃の低下が見られた。フローチューブからコイルを離間させても、T型コアはフローチューブに密着したままなので、フローチューブ内の磁界が大幅に減少することはない。

本発明は、好ましい実施形態を参照して説明したが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく形態や詳細を変更しても良いことは当業者には理解されるであろう。

１０２…電磁流量計，１０４…プロセス配管，１０６…通信バス，１０８…フローチューブ，１１０…システムコントローラ/モニタ，１２０…電子機器筐体，１５０…流量計，１５２，１６２…T型磁気コア，１５３，１５５…アーム，１５６…フローチューブ，１５７…ステム，１５８，１６０…サイドリング，１６４，１６６…コイル，１７０…内側ライナ，１７４…スタッド，１７６…ナット，１８２…スプール，１９６、１９８…配線

Claims (20)

1. 電磁流量計用のフローチューブアセンブリにおいて、
   プロセス流体の流れを受け容れるように構成されたフローチューブと、
   フローチューブの外表面に取り付けられ、前記フローチューブから鉛直方向へ伸びるステム、および当該ステムの鉛直方向の端部において前記フローチューブに沿って相互に反対方向へ拡がる一対のアームを含む磁気コアと、
   磁気巻線を備えて前記ステムの周りに配置され、前記磁気巻線をフローチューブから離間させるスプールとを含むことを特徴とする電磁流量計用のフローチューブアセンブリ。
2. 前記フローチューブに設けられ、前記磁気コアの各アームの端部にそれぞれ近接して配置された一対のサイドリングを含み、
   前記各サイドリングが前記各アームの端部にそれぞれ溶接されたことを特徴とする請求項１に記載のフローチューブアセンブリ。
3. 前記磁気コアがT型であることを特徴とする請求項１または２に記載のフローチューブアセンブリ。
4. 前記磁気コアがY型であることを特徴とする請求項１または２に記載のフローチューブアセンブリ。
5. 前記フローチューブの前記磁気コアとは反対側の外表面に取り付けられ、前記フローチューブから鉛直方向へ伸びる第２ステム、および当該第2ステムの鉛直方向の端部において前記フローチューブに沿って相互に反対方向へ拡がる一対のアームを含む第２磁気コアと、
   磁気巻線を備えて第２磁気コアの第２ステムの周りに配置され、前記磁気巻線をフローチューブから離間させる第２スプールとを具備したことを特徴とする請求項１または２に記載のフローチューブアセンブリ。
6. 前記各磁気コアが同一であることを特徴とする請求項５に記載のフローチューブアセンブリ。
7. フローチューブを通るプロセス流体と接触するように露出した複数の電極をさらに含むことを特徴とする請求項５に記載のフローチューブアセンブリ。
8. 前記スプールが非金属材料で構成されたことを特徴とする請求項１または２に記載のフローチューブアセンブリ。
9. 前記スプールが成形可能なプラスチックを含むことを特徴とする請求項１または２に記載のフローチューブアセンブリ。
10. 前記スプールが、ワイヤを所定位置に保持する少なくとも一つの特徴を含むことを特徴とする請求項１または２に記載のフローチューブアセンブリ。
11. 前記スプールは、前記磁気巻線をフローチューブから離間させて当該磁気巻線の動作温度が大幅に低下するように、前記磁気巻線をフローチューブとの間に間隔を置いて配置することを特徴とする請求項１または２に記載のフローチューブアセンブリ。
12. 前記フローチューブが金属製で非導電性の内側ライナを含むことを特徴とする請求項１または２に記載のフローチューブアセンブリ。
13. 前記フローチューブに設けられた取付部材をさらに含み、磁気コアのステムが協働的に前記取付部材に係合することを特徴とする請求項１または２に記載のフローチューブアセンブリ。
14. 前記取付部材が前記フローチューブに設けられた取付スタッドであり、前記ステムが前記取付スタッドにネジでクランプされたことを特徴とする請求項１３に記載のフローチューブアセンブリ。
15. 前記スプールが前記磁気コアによって固定されていることを特徴とする請求項１３に記載のフローチューブアセンブリ。
16. 前記フローチューブが金属製であり、前記取付スタッドがフローチューブに溶接されていることを特徴とする請求項１４に記載のフローチューブアセンブリ。
17. 電磁流量計用のフローチューブアセンブリの製造方法において、
    プロセス流体の流れを受け容れるように構成されたフローチューブを用意し、
    フローチューブの外表面に磁気コアを取り付け、当該磁気コアがフローチューブから鉛直方向へ伸びるステム、および当該ステムの鉛直方向の端部において前記フローチューブに沿って相互に反対方向へ拡がる一対のアームを含み、
    前記ステムに、磁気巻線を有するスプールを、当該磁気巻線がフローチューブとの間に間隔を設けて配置されるように取り付けることを特徴とするフローチューブアセンブリの製造方法。
18. 前記フローチューブに設けられ、前記磁気コアの各アームの先端に近接してそれぞれ配置された一対のサイドリングを含み、
    前記各サイドリングが前記各アームにそれぞれ溶接されたことを特徴とする請求項１７に記載のフローチューブアセンブリの製造方法。
19. 前記スプールを、成形可能なプラスチックから形成することを含むことを特徴とする請求項１７または１８に記載のフローチューブアセンブリの製造方法。
20. 前記フローチューブの前記磁気コアとは反対側の外表面に第２磁気コアを取り付け、当該第２磁気コアがフローチューブから鉛直方向へ伸びる第２ステム、および当該第２ステムの鉛直方向の端部において前記フローチューブに沿って相互に反対方向へ拡がる一対のアームを含み、
    第２スプールを第２ステムに対して位置決めし、当該第２ステムがフローチューブから離間配置された磁気巻線を有することを特徴とする請求項１７または１８に記載のフローチューブアセンブリの製造方法。