JPH06180242A - センサつき面積式流量計および流量計測方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 面積式流量計において、流量の記録制御、遠
隔測定などに用いるためのセンサに関し、不透明な流体
に対しても使用可能なものを提供する。 【構成】 フロートとして上下方向に着磁された永久磁
石またはこれを封入したものを用いると共に、複数の磁
気抵抗素子をテーパ管と平行して並べる。また磁気抵抗
素子として磁界を記憶するものを用い、各磁気抵抗素子
の磁界の方向の記憶状態を弁別して一定電圧か電圧ゼロ
のいずれかを出力せしめ、これを加算して流量を計測す
る。 【効果】 温度誤差が無く、工業計器に要求されるアナ
ログ信号が容易に得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は面積式流量計において、
流量の記録制御、遠隔測定などに用いるためのセンサに
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】面積式流量計は目盛を設けたテーパ管を
垂直に保持し、流れによりフロートを浮遊させることに
より計測するものであって、流れの状態を目視しつつ直
接的に流量を知ることができるため流量計として広く使
用されている。ところで流量のレコーダへの記録、自動
制御、遠隔測定などの目的で流量を電気信号として出力
したいことが多々あるが、面積式流量計においては決定
的なものがないのが現状である。

【０００３】光がフロートを遮ることによって検出する
方式はよく知られており、単一の受光素子を用いてサー
ボ機構でフロートに追従させるものと、多数の受光素子
を並べてフロートの位置を検出するものとがある。この
方式は精度が優れているが透明な流体にしか適用できな
いという欠点がある。したがってガス体の流量計の場合
は良いが、液体の場合一番需要の多い水の流量計におい
ても水あかが多少テーパ管内に付着しただけでも動体が
不確実になるという問題がある。

【０００４】不透明な流体にも適用されるものとしては
差動変圧器を使用したものが知られており、これはフロ
ートに棒を連結して流量計の外部に設けた差動変圧器の
鉄心に結合するものである。しかしこの方式は構造が複
雑であり、また差動変圧器の動作反力もあり小流量では
誤差が大きいという問題もある。

【０００５】このためさらに種々のセンサが提案されて
おり実用化もされている。たとえば特開昭６２−９５４
２５号公報にはフロートに強磁性体を用い、励磁コイル
と検出コイルの対をテーパ管に沿って複数個並べたもの
が開示されている。これは各励磁コイルに矩形波の励磁
電流を流して検出コイルに発生した電圧の波形からどの
検出コイルの位置にフロートがあるかを知るものであ
る。

【０００６】また本発明者は先に特開平３−１８８３２
４号公報に記載の流量計を発明した。これはテーパ管の
両端に互いに逆方向の磁場を生ずる励磁コイルを設けて
交流電流を流し、テーパ管に巻いた検出コイルに誘起さ
れた電圧の位相を検出するものである。すなわちフロー
トにアルミニウムなどの電導体を用いれば渦電流を生ず
るのでこの部分の磁場に位相の遅れが生ずる。ところが
励磁コイルからの距離によって磁場自体が異なるので、
検出コイルに発生する電圧の位相もフロートの位置に従
って変化するのでこれを検知するものである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記の特
開昭６２−９５４２５号公報の技術では励磁コイルの対
をテーパ管に沿って並べるだけでなく、さらにその外側
には強磁性体の外筒を設ける必要があるため装置が大が
かりとなる。またコイルは多数密接して並べることが困
難なため測定精度にも限界があった。

【０００８】一方特開平３−１８８３２４号公報の方法
は全流量範囲にわたって連続的な出力が得られ、流量の
微少な変化も検知できるが温度誤差がやや大きく精度を
上げるには温度の影響を補償したりする必要がある。こ
のためより簡易な装置で温度誤差なく不透明流体の流量
測定ができる装置が望まれている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は前記課題を解決
するものであって、垂直に置かれたテーパ管中にフロー
トを浮遊させてその位置により流量を計測する面積式流
量計において、前記フロートとして上下方向に着磁され
た永久磁石またはこれを封入したものを用いると共に、
複数の磁気抵抗素子を前記テーパ管と平行して並べたこ
とを特徴とするセンサつき面積式流量計である。

【００１０】またここにおいて磁気抵抗素子の磁気に対
して最大感度を有する互いに直角な２つの方向がそれぞ
れテーパ管の軸と４５度になるように磁気抵抗素子を並
べたこと、磁気抵抗素子として磁界を記憶し、前と別方
向の磁界が加えられるまでその記憶状態を保持するもの
を用いること、磁気抵抗素子の磁気に対して最大感度を
有する互いに直角な２つの方向がそれぞれテーパ管の軸
と４５度をなす位置を基準として、これから回転するこ
とによりフロート位置検出の動作すき間を調整すること
も特徴とする。またさらに各磁気抵抗素子の磁界の方向
の記憶状態を弁別して一定電圧か電圧ゼロのいずれかを
出力せしめ、前記出力した電圧の加算値により流量を計
測することを特徴とする上記のセンサつき面積式流量計
による流量計測方法である。

【００１１】

【作用】本発明のセンサつき面積式流量計においては、
フロートとして上下方向に着磁された永久磁石またはこ
れをプラスチック等に封入したものを用いる。そしてこ
れによる磁場を複数の磁気抵抗素子をテーパ管と平行し
て並べることにより検出する。

【００１２】磁気センサとしては先に述べた特開昭６２
−９５４２５号公報の装置で採用されているコイル形磁
気センサの他に固体磁気センサがある。固体磁気センサ
の素子として入手可能なものにはホール素子と磁気抵抗
素子があるが、一般的な磁場検出の手段としては多くの
場合ホール素子が用いられている。これは本来的に極性
の判別機能があることが大きな理由と考えられる。一方
磁気抵抗素子は金属や半導体の電気抵抗が磁場によって
変化するという単純な原理を利用しているため磁極の極
性の判別機能は本来的にはない。

【００１３】ここにおいて本発明においては磁気抵抗素
子を使用することにしたが、これは磁気抵抗素子はホー
ル素子に比べて弱磁界での感度が高く特に本発明の装置
に好適なことを見出したこと、また互いに近接して設け
ても相互干渉により誤動作するという問題がなく、極性
の判別機能がないことは本発明において使用方法を工夫
したことにより欠点とならないことによるものである。
磁気抵抗素子は素子の材料として半導体を使用するもの
と強磁性体を使用するものとがある。半導体の場合は磁
場の印加により電気抵抗が増加するが、強磁性体の場合
は減少するなど電気抵抗変化の機構が異なり、これに伴
い特性上も相違点がある。本発明の目的には低磁場での
感度が良いこと、また後に詳述するように強磁性体の磁
気ヒステリシスにより記憶動作が可能なことなどから強
磁性体を使用したものが特に適している。

【００１４】図２は磁気抵抗素子の内部の抵抗体を示し
た図で、このように同じ特性の抵抗体１０Ａ、１０Ｂを
磁束の検出方向Ｘ、Ｙが９０度異なるように配置してあ
る。すなわち強磁性体の磁気抵抗素子の場合、電流の方
向と磁場の方向とが同じとき感度を有するから、Ｘ方向
の磁場は１０Ａの抵抗体で、Ｙ方向の磁場は１０Ｂの抵
抗体で検出される。これは温度補償のためであり、２つ
の抵抗体に直列に電流を流したときの分圧比で磁場を測
定することにより、温度の影響を相殺することができ
る。したがって１方向の磁場を測定する場合でもこのよ
うに２方向に感度を有するものを使用し、一方の素子は
温度補償用のダミーとして使用することになる。

【００１５】図３はこのときの回路の例で１０Ａ、１０
Ｂが磁気抵抗素子１の抵抗体であり、１１Ａ、１１Ｂは
外部に設けた抵抗器である。このようにブリッジ回路を
形成して端子１２、１３間に電流を流し、磁場がないと
きには端子１４、１５間の出力がゼロになるようにして
おく。これにより抵抗体１０Ａ、１０Ｂのいずれかの電
気抵抗を変化させるような磁界が加われば端子１４、１
５間に電圧が現れることになる。なお磁気抵抗素子の中
には図３の１０Ａ、１０Ｂ、１１Ａ、１１Ｂの抵抗がす
べて内部素子として入っているものもあり、この場合１
０Ａ、１１Ｂと１０Ｂ、１１Ａがそれぞれ同一方向の磁
界を検出するようになっている。本発明においてはこの
ようなものも使用できる。

【００１６】図１は本発明のセンサつき面積式流量計の
原理を示す図で、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅはセン
サである磁気抵抗素子で、この図では一部のみを示して
いる。また２は流量計のテーパ管であり、３はフロート
で中に磁石４が封入されている。本発明においては磁気
抵抗素子が先にも述べたように２方向に感度を有するこ
とを利用して、フロート位置の確実な検出を行なう。す
なわち図１に示したように磁気抵抗素子の磁気に対して
最大感度を有する互いに直角な２つの方向Ｘ、Ｙがそれ
ぞれテーパ管２の軸と４５度になるように磁気抵抗素子
１Ａ〜１Ｅを配置する。磁気抵抗素子は数ｍｍ角の立方
体ないし直方体にプラスチックモールドされた形状のも
のが一般的であるが、この外形の一つの面のそれぞれの
対角線方向に最大磁気感度を有するものがある。図１は
このような磁気抵抗素子を使用した場合で、隣接する素
子とほぼ密接して重ね合わせるように並べることができ
る。もちろん外形の２辺と平行な方向にそれぞれ最大感
度を有するものも使用可能で、工作にやや手間はかかる
が個々の磁気抵抗素子を図１の位置から紙面内で４５度
回転した状態で並べて取りつければよい。

【００１７】このように、センサとして磁気抵抗素子を
並べることによりフロートの永久磁石の近傍にあるセン
サにおいては電気抵抗が変化しこれを検知することによ
りフロートの位置がわかる。すなわち図１においてフロ
ートの永久磁石４による磁界はＦで示すように発生する
から１Ｂの磁気抵抗素子ではＸ方向の磁場を検知し（極
性は判別しないので向きは関係ない）、１Ｄの磁気抵抗
素子ではＹ方向の磁場を検知した状態にある。その間の
１Ｃの磁気抵抗素子はＸ方向とＹ方向の磁界がほぼ同強
度であるので中立状態にある。一方磁気抵抗素子１Ｂか
ら１Ａの素子の方に離れると磁界Ｘの方向からやや外
れ、Ｙ方向が少し増え、さらに遠ざかった素子ではこの
傾向がさらに大きくなるが、磁界そのものが弱くなり、
Ｘ方向とＹ方向の検知の状態が反転することはない。反
対の１Ｅの素子やそれよりさらに遠ざかった素子につい
ても同様である。

【００１８】フロートがどの位置にあるかの検出手段と
してはたとえば素子の出力を順次チェックして何番号の
素子の出力に変化が現われるか検出すればよい。この方
法を自動的に行なうにはマイクロコンピュータなどを使
用してディジタルで信号処理をすればよい。また簡便な
表示機能としてはたとえばセンサの数だけランプや発光
ダイオードを並べ、出力があるセンサのところだけ点灯
させることもできる。工業計器の場合アナログの表示、
記録が要求されることが多いので前記のディジタル信号
をＤ−Ａ変換することになる。

【００１９】さらに直接アナログ信号を得るのに好適な
方法として磁気抵抗素子に磁界の方向を記憶するものを
用いるとよい。これは素子として残留磁束密度の大きい
強磁性体薄膜を使用し、磁気抵抗効果により磁化を残留
せしめて記憶させるものである。したがってある方向の
磁界を記憶させてセンサからある出力を持続させ、次に
別な方向の磁界をこれを打ち消すような強さで加えれば
前の記憶状態はもとに戻りセンサからの出力は別の状態
になる。

【００２０】このように磁界の方向を記憶する磁気抵抗
素子をセンサとして用いることにより、たとえば図１に
おいてフロートが下から上へ上がっていったときにはそ
れより下の各センサにおいてはＹ方向の磁場が記憶さ
れ、逆にフロートが上から下へ戻ってきたときにはＹ方
向の磁場の記憶が消されてＸ方向の磁場が記憶される。
この場合フロートが下から上へ移動したときと、これと
逆方向に移動したときで磁石の長さに対応して動作する
位置に多少のずれを生ずることになるが、ある程度動作
すき間があった方がフロートのわずかな上下でチャタリ
ングを起こさず好ましい。

【００２１】もっとも動作すき間については磁気抵抗素
子の最大感度を有する方向Ｘ、Ｙをテーパ管の軸と４５
度の位置から回転してずらすことにより、狭まる方向に
調節可能であることが実験的に確認されている。したが
ってもし動作すき間を小さくする要求があればそれに応
じた設計をすることは可能である。

【００２２】このようにしてたとえばＹ方向の磁化を検
出した状態で高レベルの出力、Ｘ方向の磁化を検知した
状態で低レベルの出力が各磁気抵抗素子の回路から出る
ようにしておけばディジタル回路によりどのセンサの位
置にフロートがあるか表示することが可能になる。また
上記高レベルの状態で一定の電圧Ｖ、低レベルの状態で
出力電圧がゼロになるようにしておき、各磁気抵抗素子
からの上記出力を加算回路に入力すれば、下からｎ個目
のセンサの位置にフロートがあればｎ×Ｖの出力が得ら
れる。したがってＤ−Ａ変換回路を用いることなしに直
接アナログ出力を得ることができ、回路が簡単になり装
置の信頼性からも好ましい。

【００２３】フロートの位置の記憶にあたっては上記の
ような磁気抵抗素子自体に記憶機能があるものを用いる
他に、各磁気抵抗素子ごとにフリップフロップ回路など
を設け記憶させることも可能である。本発明における各
磁気抵抗素子の磁界の方向の記憶においては、このよう
ないわば素子の外部に付加された記憶機能による記憶も
排除するものではない。しかしながら磁気抵抗素子自体
に記憶機能があるものを用いる方法は素子が通電されて
いないときでも記憶動作がなされるので優れている。す
なわち流量計に流体がすでに流されてフロートが浮いて
いた状態で測定器の動作を開始しても正常に動作する
し、流量計の使用中において測定器の電源を断続しても
何ら差し支えない。

【００２４】

【実施例】測定範囲におけるフロートの移動距離が６０
ｍｍの面積式流量計において本発明のセンサを用い流量
を計測した。図１のようにフロートの内部には長さ１０
ｍｍの永久磁石を封入し、またテーパ管に沿って３２個
の磁気抵抗素子を測定範囲にわたって並べて取りつけ
た。磁気抵抗素子は磁界の方向を記憶する機能を有する
ものであり、４個の抵抗体が図３に示したようにブリッ
ジに接続されている。そして０．０２Ｔ位の磁場で磁気
飽和する特性を有している。

【００２５】図４は流量計測のための回路を示す図であ
ってセンサの数等を省略してある。２０Ａ〜２０Ｈはセ
ンサすなわち磁気抵抗素子であって電源入力端子は省略
されている。各センサからの出力はコンパレータ２１Ａ
〜２１Ｈに入り、センサから出力がＹ方向の磁界を検出
した状態にあるときは一定の電圧の出力し、Ｘ方向の磁
界を検出した状態にあるときには出力がゼロになるよう
にしている。

【００２６】これの出力は演算増幅器２３Ａ、２３Ｂに
入り加算される。２２Ａ〜２２Ｈおよび２４Ａ、２４Ｂ
は演算抵抗である。図４では演算増幅器を２３Ａ、２３
Ｂの２個用いているが、全数たとえば３２個のセンサか
らの出力を１個の演算増幅器により加算すると直線性が
悪くなるからである。本実施例においては３２個のセン
サからの出力を８個ずつに分けて４個の演算増幅器に入
力している。さらに同様にしてこれら各演算増幅器２３
Ａ、２３Ｂの出力は演算増幅器２５により加算され、最
終的に１つの出力とされる。

【００２７】これによりフロートの位置より下側にある
センサの数に比例した出力が得られることになる。工業
計器の入出力は一般に直流４ｍＡから２０ｍＡまでの間
をフルスケールとする信号が用いられるから、演算増幅
器２４からの電圧出力をさらに電流出力変換回路で変換
すればよい。このようにして３２個のセンサを用いた本
実施例において、フロートの位置と出力電流との関係は
良好な直線性が得られ、温度誤差も事実上なく優れた特
性の流量信号発生装置が得られた。

【００２８】

【発明の効果】本発明においては面積式流量計のフロー
トに永久磁石を用い、これの磁場を磁気抵抗素子により
検出するが、磁気抵抗素子は低磁場の検出感度が良好
で、小さな素子を密接して並べても相互干渉なく、また
２方向の磁場を検出する機能を利用するとフロート位置
の確実な検出ができ好適である。また素子自体に温度誤
差の補償回路があるので温度誤差の問題がない。

【００２９】また磁気抵抗素子に磁場を記憶してこれに
応じた出力を出し続けるものを用いると、フロートの位
置を境にしてたとえばこれより下側にある全部のセンサ
からは出力電圧を出し、上側のセンサからはゼロ出力と
することができ、全部のセンサからの出力を加算するこ
とによりフロート位置を直接アナログ出力として得るこ
ともできる。したがって比較的簡単な回路で工業計器と
して一般に必要とされるアナログ信号を得ることがで
き、センサの磁気抵抗素子自体も量産品で比較的安価で
あることとあいまって低コストで高精度の流量信号発生
装置を得ることができ、工業上の利益は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のセンサつき面積式流量計の主要部を示
す図

【図２】磁気抵抗素子の構成を示す図

【図３】磁気抵抗素子の回路を示す図

【図４】本発明の流量計測方法の例を示す回路図

【符号の説明】

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ 磁気抵抗素子 ２ テーパ管 ３ フロート ４ 磁石 １０Ａ、１０Ｂ 磁気抵抗体

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 垂直に置かれたテーパ管中にフロートを
   浮遊させてその位置により流量を計測する面積式流量計
   において、前記フロートとして上下方向に着磁された永
   久磁石またはこれを封入したものを用いると共に、複数
   の磁気抵抗素子を前記テーパ管と平行して並べたことを
   特徴とするセンサつき面積式流量計。
2. 【請求項２】 磁気抵抗素子の磁気に対して最大感度を
   有する互いに直角な２つの方向がそれぞれテーパ管の軸
   と４５度になるように磁気抵抗素子を並べたことを特徴
   とする請求項１記載のセンサつき面積式流量計。
3. 【請求項３】 磁気抵抗素子として磁界を記憶し、前と
   別方向の磁界が加えられるまでその記憶状態を保持する
   ものを用いることを特徴とする請求項１または２記載の
   センサつき面積式流量計。
4. 【請求項４】 磁気抵抗素子の磁気に対して最大感度を
   有する互いに直角な２つの方向がそれぞれテーパ管の軸
   と４５度をなす位置を基準として、これから回転するこ
   とによりフロート位置検出の動作すき間を調整すること
   を特徴とする請求項３記載のセンサつき面積式流量計。
5. 【請求項５】 各磁気抵抗素子の磁界の方向の記憶状態
   を弁別して一定電圧か電圧ゼロのいずれかを出力せし
   め、前記出力した電圧の加算値により流量を計測するこ
   とを特徴とする請求項１ないし４記載のセンサつき面積
   式流量計による流量計測方法。