JP6391670B2 - 液体流量を測定する装置 - Google Patents

Description

本発明は、液体運搬管路内の液体の流量を測定する流量計並びに液体運搬管路内の液体の流れを生じさせる液体ポンプと、この液体の流量を測定する流量計の組み合わせ（combination）に関する。

磁気流量計は、電磁流量計又は誘導流量計とも呼ばれる場合があり、かかる磁気流量計は、誘導された電圧を測定することによって既知の又は制御された磁界を通る導電性液体の流れの速度の測定を利用している。流れ断面積が既知の場合、流量又は体積流量を流速から導き出すことができ、このことは、以下の説明における液体流量についての考え方によって取り扱われるべきである。導電性の液体に存在するイオンの電荷分離に起因して流れを通す磁界中に電圧が生じ、この電圧を誘導電圧として測定することができる。電圧測定は、典型的には、導電性液体と電気的接触状態にある電極の対にかかっている誘導電圧を引き出すことによって実施される。この電圧は、流速に比例し且つ磁界強度とは無関係である。電荷分離は、流れ方向及び磁界の方向に垂直の方向に起こる。したがって、磁気流量計の磁界は、好ましくは、対応の液体チャネル内の流れの方向に垂直に配置され、誘導電圧をそらす電極対は、好ましくは、磁界の方向と液体チャネル内の流れの方向の両方に垂直に配置される。

典型的な電磁流量計は、内側が絶縁材料で内張りされた非磁性の且つ磁化不能な管で構成される。

磁界は、典型的には、液体を流通させる管の外側に配置された１つ又は２つ以上のコイルによって生じる。液体の流れにより引き起こされる電圧は、典型的には、電圧計によって測定され、電圧測定結果は、液体の流れ、即ち、流量又は体積流量を測定された電圧に基づいて求める評価ユニットに送られる。

電極のところで引き出された電圧は、電気化学ポテンシャルによって追加的に影響を受け又は乱される場合が多い。電気化学ポテンシャルによって引き起こされる影響又は外乱を補償するため又は計算の際にこれらを補正するため、電磁流量計内の磁界として典型的には交流電流磁界又は交番磁界（alternating magnetic field）が用いられる。したがって、かかる形態における永久磁石の使用は、通常除外される。

したがって、本発明の目的は、別の電磁流量計を提供することにある。

この目的は、請求項１〜８のうちいずれか一に記載の電磁流量計並びに請求項９〜１４のうちいずれか一に記載の電磁流量計と液体ポンプの組み合わせによって達成される。

本発明によれば、液体運搬管路内の液体の流れ、特に流れの速度又は体積流量を測定する電磁流量計が提供される。液体運搬管路中に磁界を発生させる磁石と、測定された電圧に基づいて液体流量を求めるために液体が液体運搬管路を通って流れているときに電圧を引き出す１対の電極とを有する。磁石を軸線回りに回転させて交番磁界を発生させるのが良い。交番磁界は、正弦曲線又は他の何らかの交番曲線を有するのが良い。

回転可能な磁石は、好ましくは、永久磁石として具体化される。回転可能な磁石は、電磁石又は換言すると磁化可能なコイルとしても具体化でき、この場合、磁気特性は、適当な付勢電流が電磁石を流れたときの動作中にのみ生じる。

好ましい実施形態では、電磁流量計は、電極対の電極相互間の電圧を測定する電圧計と、測定された電圧に基づいて液体運搬管路内の液体流量を求める評価ユニットとを有する。

電磁流量計の別の好ましい実施形態では、評価ユニットは、測定電圧の干渉成分の位相関係を求める手段と、測定電圧に基づいて、干渉成分が除去された信号を求める手段と、干渉成分が除去された信号に基づいて液体流量を求める手段とを含む。本発明者の認識したところによれば、交番磁界により誘導され、磁界の変化に比例する電圧をこのようにして測定された電圧から干渉成分としてなくすることができ、それにより干渉のない信号を生じさせることができる。次に、この干渉のない信号を液体流量を求めるために更に用いることができる。

また、本発明者の認識したところによれば、回転可能な磁石の回転角度の位相関係を求めることにより干渉成分の位相関係を求めることができる。

回転可能な磁石の位相関係は、有利には、ホールセンサを用いて又は光学回転角度センサを用いて求められる。

電磁流量計は、液体運搬管路内で液体を循環させる液体ポンプと共同して具体化され、この場合、このポンプは、回転可能な磁石に連結されたポンプロータを有する。これにより、電磁流量計及び液体ポンプの特にコンパクトな実施形態の実現が可能である。かくして、ポンプ内のどこかの場所に存在する回転可能な部品を追加の機能のために利用することができる。

好ましい実施形態では、液体ポンプは、インペラ式ポンプであり、ポンプロータは、インペラ式ポンプのインペラである。

好ましい実施形態では、液体ポンプは、蠕動ポンプ（peristaltic pump）であり、ポンプロータは、蠕動ポンプのポンプヘッドである。

液体ポンプは、好ましくは、駆動装置として電気モータを有し、電気モータは、回転磁界を発生させるスタータ及び回転磁界内に位置する回転可能なロータを有し、ロータは、回転可能な磁石から成る。かくして、回転可能な磁石は、電流がロータ内に動作中にのみ誘導され、次に磁石を磁化する場合、回転可能な磁化可能コイルであるのが良い。

好ましい実施形態では、電気モータは、同期電動機（synchronous motor）、特にロータとして永久磁石を有する同期電動機である。これは、ロータの特に簡単な実施形態である。

別の好ましい実施形態では、ポンプロータは、磁気継手の第１の磁気継手半部に連結され、磁気継手は、第１の磁気継手半部を駆動装置に連結されている磁気継手の第２の磁気継手半部に結合しており、その結果、磁気継手の第１の半部と第２の半部が磁気的に結合されたとき、駆動装置は、磁気継手を介して液体ポンプを駆動することができるようになっており、この場合、磁気継手半部は、回転可能な磁石から成る。かくして、磁気継手内のどこかの場所に存在する部分を有利には、追加の目的のために使用することができる。

開示する教示による流量計及び液体ポンプの断面図である。 図１に示された評価ユニットのブロック図である。 発生させた磁界の略図と共に図１の一部の詳細図である。 開示する教示による流量計を備えた追加の液体ポンプの断面図である。 図１の流量計及び液体ポンプの分解組立て図である。

図１は、液体ポンプ１００の断面図であり、この液体ポンプには開示する教示に従って流量計が組み込まれている。液体ポンプ１００は、圧送されるべき導電性の液体のための液体入口１１７を有する。図示の実施形態では、ポンプ１００は、上側ポンプ半部５１１及び下側ポンプ半部５１０から成り、これらポンプ半部は、封止リング５１２によって互いに対して封止されている。圧送されるべき液体をインペラ式ポンプとしての液体ポンプ１００のこの実施形態ではインペラ１２０によって具体化されたポンプロータ１２０中に循環させる。インペラ１２０を回転させると、以下に説明するように、圧力差が液体入口１１７と液体出口（図示せず）との間で圧送されるべき液体中に生じ、それにより、液体は、その流れ抵抗が十分に低い場合、連結されている液体循環路（図示せず）中に圧送される。しかしながら、本発明の教示を液体ポンプとしての蠕動ポンプの場合にも利用することができ、この場合、ポンプロータとしてのインペラの機能は又、ポンプロータとしての蠕動ポンプのポンプヘッドにより具体化される。インペラ１２０は、磁石１０４に固定的に連結され、磁石１０４は、好ましくは、インペラ１２０を駆動する回転対称形態に具体化されている。磁石１０４は、好ましくは、永久磁石として具体化されるが、磁石１０４が磁化可能なコイルとして具体化されて動作中にのみコイル電流を発生させ、次に磁気特性を生じさせてインペラを駆動する変形実施形態も又可能である。磁石１０４は、磁気クッションによって、例えば軸受として回転可能に設けられる。

磁石１０４は、スタータにより生じる回転磁界中に位置し、スタータの１つの付勢コイルは、脚２０３及び交番電圧をかける端子１０１を備えた鉄心１０６を備えた状態で示されている。全体で２つ又は３つ以上、好ましくは３つの付勢コイルが設けられ、交番電流が脚２０３相互間に回転磁界を発生させる位相ずれを備えた状態で付勢コイルに流される。これら付勢コイルは、一緒になって、電気モータのスタータを形成する。交番電圧をかける端子１０１は、交番電圧源２０１に接続され、交番電圧源２０１は、好ましくは、２つ又は３つ以上の位相ずれ交番電圧を供給する電気線２０２によって接続されている。交番電圧源２０１により供給される交番電圧の制御は、周波数の制御及びかくして回転磁界の周期数の制御から成る。

回転可能に支持された磁石１０４は、電気モータのロータ、即ち、好ましい実施形態における同期電動機のロータを形成する。この場合、電気モータの回転速度及びかくして液体ポンプの回転速度は、回転磁界の周期数の制御によって可能である。

回転可能に支持された磁石１０４は、磁界によって包囲され、この磁界の磁力線は、液体入口１１７から見て下流側に位置した液体管路１０７を通過する。電極対１０３が液体管路１０７の内側に位置した状態で設けられている。電極対１０３の電極は、液体管路１０７内の液体に直流通電的に結合されても良く、或いは、容量結合が設けられても良い。電極対１０３の電極相互間の接続線は、好ましくは、本質的に、液体管路１０７内の流れの方向に及び更に磁石１０４を包囲している磁界の磁力線に垂直である。変形実施形態では、例えば液体管路内の複数の場所での測定を可能にし又は基準電極対として液体が流通しない場所で電極対を利用できるようにするために複数の電極対も又、使用できる。電極対は、大地電位を定める接地電極を備えるのが良い。複数の電極対のために共通の接地電極を設けるのが良い。

導電性液体が液体管路１０７を通って流れている場合、磁界が磁石１０４を包囲しているので、電荷分離が生じ、これを電極対のところで誘電電圧として引き出すことができる。電極対のところで引き出された測定電圧は、測定ライン１０８により評価ユニット１０２に送られる。

磁石１０４を包囲している磁界は、磁石１０４の回転運動に起因して交番磁界である。

したがって、測定ライン１０８の枝が電極対１０３と一緒になってループを形成し、或いは、換言すると、磁石１０４を包囲している交番磁界中に回路を形成したときに生じる追加の誘導電圧が追加の誘導電圧上に重畳される。

交番磁界により誘導される電圧は、この回路又はループを通る磁束の変化に比例し、したがって、この回路又はループに入り込む磁界の変化に比例する。測定電圧の干渉成分は、磁界の変化に比例する。

しかしながら、液体の流れにより誘導されると共に電極相互間で測定される電圧、換言すると、この電圧の有効成分は、電極相互間に生じる磁界に比例する。

磁石１０４の回転運動の場合、測定信号の有効成分及び干渉成分は、かくして、ほぼ９０°の位相ずれを起こし、位相ずれの正確な角度は、電極の幾何学的形状及び測定電圧を引き出す測定ライン１０８で決まる。

本発明によれば、磁石１０４の位相関係及びかくして磁石を包囲している磁界の位相関係を支持する位相信号は、干渉成分が除去された信号を発生させるために用いられ、次に、この位相信号を用いると、特に流速を求めるために液体流量を求めることができる。

磁石１０４の位相関係を求めるため、回転角度センサ１０５が設けられ、このセンサは、測定ライン１０９によって評価ユニット１０２に接続されている。回転角度センサは、好ましくは、磁石１０４を包囲している磁界の位相関係を求め、これに基づいて、磁石１０４の位相関係又は回転角度を求めるホールセンサ１０９として具体化される。回転角度センサ１０９の別の実施形態は、光学回転角度センサとしての実施形態であり、この場合、回転可能な磁石１０４に接続されたストリップパターンは、光学的に近似的に評価される。回転角度センサ１０５の別の実施形態は、回転角度を求めるコイルの使用から成る。

干渉成分が除去された信号を発生させる評価ユニット１０２の一実施形態について図２と関連して詳細に説明する。

評価ユニットは、測定ライン１０８に接続された電圧計又は換言すると電極対１０３の電極相互間の電圧を測定信号として求める手段３０５を含む。

評価ユニット１０２は、干渉成分の位相関係を求める手段３０１を更に含む。このようにするため、信号ライン１０９により受け取られた回転角度センサ１０９からの回転角度信号を分析するためにほぼ１つの評価ユニットが設けられるのが良い。

回転可能な磁石１０４の位相関係と干渉成分の位相関係との間の角度が既知の場合、干渉成分の位相関係を回転磁石１０４の位相関係から導き出すことができる。このようにするため、流体が例えば流体管路１０７を通って流れることができないことが確実である場合、較正測定が実施されるのが良く、例えば、測定電圧の測定が実施されるのが良い。と言うのは、流体入口１１７が遮断されているからである。この場合、測定信号の位相関係は、干渉成分の位相に対応している。

加うるに、評価ユニット１０２は、干渉成分が除去された信号を求め、換言すると、測定信号の有効成分を求める手段３０３を含む。このようにするため、有効信号を周期的正弦波信号としてモデル化するのが良く、この場合、有効信号の位相関係は、干渉成分の位相関係から９０°だけずれている。この場合、有効信号を対応の位相成分としてのその周波数及びその位相の知識から直接導き出す。かくして、例えば、有効信号を測定信号の位相選択整流及び半波に関する積分により得ることができ、この場合、有効信号が正の符号を有する半波を選定し、即ち、選択し、次に半波に関して積分する。「シュトレームングス‐ウント・ドュルヒフラスメステクニーク（Stromungs-und Durchflussmesstechnik）」［フロー・アンド・メジャメント・テクノロジー（Flow and Measurement Technology）］，オットー・フィードラ（Otto Fiedler），オルデンブルグ・フェアラーク・ミュニック（Oldenburg Verlag Munich）１９９２に所収のチャプタ５．３：フロー・メジャメント・イン・アン・オルタネーティング・フィールド（Flow Measurement in an Alternating Field）に記載されており、この特許文献を参照により引用し、その開示内容全体を本明細書の一部とする。有効信号は、有利には、幾つかの半波について平均化される。

変形実施形態では、評価ユニット１０２は、測定信号の干渉成分を求める手段３０２を更に含む。このようにするため、干渉成分を周期的正弦波信号としてモデル化するのが良い。干渉成分の周波数及び位相関係が既知である場合、上述したように、その干渉成分を測定信号から直接求めることができる。

評価ユニットは、干渉成分が除去された信号に基づいて液体の流れ、特に流速又は流量を求める手段３０４を更に含む。このようにするため、干渉成分が除去された信号に例えば電極に対する電気化学ポテンシャルによって生じた追加の干渉影響を考慮に入れるため又はこれを補償するために追加の信号処理を施すのが良い。このようにするため、例えば、有効信号の正の振幅と負の振幅を互いに比較するのが良い。

図３は、図１と関連して説明した液体ポンプ１００の上半部の略図であり、液体ライン１０７、回転可能に設けられた磁石１０４及び電極対１０３については、ここでは説明を繰り返されないので図１と関連した説明を参照されたい。

図２の記載では、電極対の電極相互間の接続線は、図面の平面に垂直に位置している。図３の記載は、回転可能に設けられた磁石１０４を包囲している磁界の磁力線１１１，１１２，１１３，１１４を追加的に示している。この図に示されている磁力線は、磁石１０４の磁極を結ぶ線が図面の平面内において水平方向に延びる回転可能な磁石１０４の位置に対応している。

図３は、磁力線が電極対１０３の付近で液体管路１０７内の流れの方向に対してほぼ直角に位置していることを示している。加うるに、電極対１０３の電極を結ぶ想像線が液体管路１０７内の流れの方向と更に磁石１０４の磁界の磁力線の両方にほぼ垂直に延びていることが理解できる。

図４は、開示する教示に従って流量計を備えた液体ポンプの別の実施形態を示している。液体ポンプ１９０の上の部分は、図１と関連して説明したポンプ１００の構成に本質的に一致している。同一の参照符号は、液体ポンプの同一又は対応の要素を示しており、これについては、ここでは説明を繰り返さないので図１と関連した説明を参照されたい。図１と関連して説明した構成との本質的な違いは、磁気継手半部１９２を形成する永久磁石が回転磁石１０４に結合される回転磁界を発生させるために液体ポンプ１９０内に設けられていることにある。永久磁石１９２及び磁石１０４は、かくして、磁気継手の第１の半部及び第２の半部を形成する。磁気継手の駆動は、概略的に図示されている電気モータ１９１によって達成される。

図５は、図１と関連して説明した流量計及び液体ポンプ１００の分解組立て図である。液体ポンプは、上側ポンプ半部５１１を有し、図１に示されている液体管路１０７は、この上側ポンプ半部５１１内に形成されている。動作中、回転可能な磁石１０４を収容するチャンバが下側ポンプ半部５１０内に形成されている。上側ポンプ半部５１１と下側ポンプ半部５１０は、動作中、封止リング５１２によって互いに対して封止される。加うるに、上側ポンプ半部５１１の底側部に取り付けられた電極対１０３の電極から測定電圧を取り出す接続部５０３，５０４が示されている。参照符号５０５は、液体管路１０７内の流れの方向を示しており、この流れ方向は、好ましくは、電極対１０３の電極を結ぶ想像線に本質的に垂直である。

Claims (11)

1. 液体運搬管路（１０７）内の液体の流量を測定する電磁流量計であって、前記液体運搬管路（１０７）中に磁界（１１１，１１２，１１３，１１４）を発生させる磁石（１０４）と、測定された電圧に基づいて前記液体流量を求めるために前記液体が前記液体運搬管路（１０７）を通って流れているときに電圧を引き出す電極対（１０３）とを有し、前記磁石（１０４）は、交番磁界を発生させるよう軸線回りに回転可能であり、
   前記電極対の電極相互間の電圧を測定する電圧計と、測定された電圧に基づいて前記液体運搬管路内の前記液体流量を求める評価ユニット（１０２）とを有し、
   前記測定電圧の干渉成分の位相関係を求める手段（３０１）と、前記測定電圧に基づいて、前記干渉成分が除去された信号を求める手段（３０３）と、前記干渉成分が除去された前記信号に基づいて前記液体流量を求める手段（３０４）とを有し、
   前記位相関係（１０５）を求める前記手段は、前記回転可能な磁石の回転角度を求める手段から成る、
   ことを特徴とする電磁流量計。
2. 前記回転可能な磁石（１０４）は、永久磁石である、
   請求項１記載の電磁流量計。
3. 前記回転可能な磁石は、磁化可能なコイルを有する、
   請求項１記載の電磁流量計。
4. 回転角度を求める前記手段（１０５）は、ホールセンサから成る、
   請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電磁流量計。
5. 前記回転角度を求める前記手段は、光学回転角度センサから成る、
   請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電磁流量計。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電磁流量計と前記液体運搬管路内で液体を循環させる液体ポンプの組み合わせ（１００，１９０）であって、前記ポンプは、前記回転可能な磁石（１０４）又は前記回転可能な磁化可能コイルに連結されたポンプロータ（１２０）を有する、
   請求項１ないし５のいずれか１項に記載の電磁流量計と液体ポンプの組み合わせ（１００，１９０）。
7. 前記液体ポンプは、インペラ式ポンプであり、前記ポンプロータ（１２０）は、前記インペラ式ポンプのインペラである、
   請求項６に記載の電磁流量計と液体ポンプの組み合わせ（１００，１９０）。
8. 前記液体ポンプは、蠕動ポンプであり、前記ポンプロータは、前記蠕動ポンプのポンプヘッドである、
   請求項６に記載の電磁流量計と液体ポンプの組み合わせ。
9. 前記液体ポンプを駆動する電気モータを有し、前記電気モータは、回転磁界を発生させるステータ（１０６，２０３）及び前記回転磁界内に位置する回転可能なロータを有し、前記ロータは、前記回転可能な磁石（１０４）から成る、
   請求項６ないし８のいずれか１項に記載の電磁流量計と液体ポンプの組み合わせ（１００）。
10. 前記電気モータは、同期電動機である、
    請求項９に記載の電磁流量計と液体ポンプの組み合わせ（１００）。
11. 前記ポンプロータに連結された磁気継手の第１の磁気継手半部（１０４）を有し、前記磁気継手は、前記第１の磁気継手半部（１０４）を駆動装置（１９１）に連結されている前記磁気継手の第２の磁気継手半部（１９２）に結合しており、その結果、前記駆動装置（１９１）は、前記磁気継手を介して前記液体ポンプを駆動することができ、前記第１の磁気継手半部は、前記回転可能な磁石（１０４）から成る、
    請求項６ないし８のいずれか１項に記載の電磁流量計と液体ポンプの組み合わせ（１９０）。

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