JPH0626900A - 面積式流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】浮子の位置を電気信号として取り出す構造が簡
単で、製造コストを低減でき、それでいて測定精度、信
頼性の高い面積式流量計を提供する。 【構成】垂直な流路管内２１に、被測定流体よりも比重
の大なるもので構成した浮子２２を上下動可能に設け、
浮子２２の移動に伴って流路管内の流路面積が変わるよ
うな構造とし、流体が流路内を下から上に流れる際の流
量を浮子の位置によって測定する面積式流量計におい
て、浮子の移動方向に着磁され、浮子の移動方向に平行
な軸に関してほぼ軸対称な磁力線を生じるマグネット２
３を浮子２２もしくは浮子との共動部に具備せしめ、流
路管の外部に複数個の磁力センサＡ、Ｂを前記マグネッ
トの対称軸に垂直な平面上で、しかも対称軸からほぼ等
距離の位置に設け、この磁力センサの感磁面と前記対称
軸のなす角を少なくとも２個の磁力センサについては互
いに異なる角度とし、これらの磁力センサによって検出
される磁束密度信号から磁力センサを設けた平面とマグ
ネットとの上下方向の相対位置を求めることにより流量
が求められるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は流路管内に備えられた浮
子の位置によって被測定流体の流量を測定する面積式流
量計に関する。

【０００２】

【従来の技術】垂直に置かれた管状の流路内に、被測定
流体よりも比重が大なるもので構成された移動子、すな
わち浮子を上下方向へ可動に設け、浮子が上昇するにつ
れて流路の断面積が増加するような構造とし、流路の下
方から上方に流体を流して浮子の位置から流量を求める
流量計は面積式流量計と呼ばれ、広く実用に供せられて
いる。

【０００３】これらは構造的に図８と図９の二方式に大
別され、図８のものは上に開いたテーパー状の流路管１
内に浮子２があり、図９のものはストレートな流路管３
内にリング状の絞り部４があり、浮子５はテーパー状に
構成してある。両方式とも流量が増加するにつれて浮子
が上昇し、浮子の高さによって流量を測定する。

【０００４】流路管が透光性のものでない場合、流路管
の外部より浮子の高さを知る手段が必要となり、また流
量を電気信号として出力するためには、浮子の高さを電
気信号に変換する手段が要求される。浮子の高さを電気
信号に変換する従来の手段は、浮子の上下移動量を磁気
的な結合によって流路管外のメカニズムに連結されたト
ランスデューサにより電気信号に変換する間接的な方法
が一般的である。

【０００５】図１０、図１１はその代表的な例で、図１
０はテーパー流路管１内の浮子取付軸６の上端、すなわ
ち流路管の上端に設けたリードパイプ７内に臨でいる上
端にマグネット８を設け、このマグネットの上下の動き
に磁気結合で追従して回転するアーム９を流路管外に設
け、アーム９の回転角によって流量を把握する構成のも
のであり、図１１は浮子５内にマグネット１０を設け、
このマグネットが作る磁力線１１の向きに追従して回転
する回転子１２の回転角に変換する構成のものである。

【０００６】一方、アームや回転子などのメカニズムは
用いず、浮子の高さを直接電気信号として取り出す手段
のものも何種類か考案されている。その例を挙げると、
図１２はテーパー流路管１の上部リードパイプ７の外側
にコイル１３を巻き、浮子軸６におけるリードパイプ内
上端の磁性体１４を可動コアとして差動トランスを構成
したものである。

【０００７】図１３はストレート流路管３の外側方に多
数の磁気感応スイッチ１５を流路管と平行に配設し、各
スイッチを、上下動する浮子５内のマグネット１６によ
り開閉し、閉成されたスイッチの位置をスキャンニング
によって検出することにより浮子の高さを求める構成の
ものである。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】図１０、１１の構成の
ものでは、浮子の高さをアームまたは回転子の軸の角変
位として目視できる長所はあるが、浮子の高さを電気信
号として得るためには、アームまたは回転子の軸に角変
位を電気信号に変換するトランスデューサを設ける必要
があり、その構造は複雑となる。またアームや回転子が
マグネット同士の吸引力によって浮子の動きに追従する
構成であるため、浮子が上下に動く際に吸引力による摩
擦力が浮子に作用し、浮子の高さと流量の関係の再現性
を劣化させるという問題がある。また、図１２の構成の
ものは流路管のリードパイプの径ごとにコイルの径が異
なり、生産性が悪いこと、また流体の種類や温度によっ
て実質的な透磁率が変化し、高精度を得るには複雑な補
正が必要となるなどの欠点があり、図１３の構成のもの
では高い分解能を得るのに多数の磁気感応スイッチが必
要となり、実装が難しく、コストも高いことなどが欠点
として挙げられる。

【０００９】本発明は従来の構成のものの前述した欠点
が除去され、浮子の位置を電気信号として取り出す構造
が簡単で、製造コストを低減でき、それでいて測定精
度、信頼性の高い面積式流量計を提供できるようにし
た。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の面積式流量計
は、垂直な流路管内に、被測定流体よりも比重の大なる
もので構成した浮子を上下動可能に設け、浮子の移動に
伴って流路管内の流路面積が変わるような構造とし、流
体が流路内を下から上に流れる際の流量を浮子の位置に
よって測定する面積式流量計において、浮子の移動方向
に着磁され、浮子の移動方向に平行な軸に関してほぼ軸
対称な磁力線を生じるマグネットを浮子もしくは浮子と
の共動部に具備せしめ、流路管の外部に複数個の磁力セ
ンサを前記マグネットの対称軸に垂直な平面上で、しか
も対称軸からほぼ等距離の位置に設け、この磁力センサ
の感磁面と前記対称軸のなす角を少なくとも２個の磁力
センサについては互いに異なる角度とし、これらの磁力
センサによって検出される磁束密度信号から磁力センサ
を設けた平面とマグネットとの上下方向の相対位置を求
めることにより流量が求められるようにしてある。

【００１１】

【実施例】以下、本発明を図１〜図７に基づいて詳述す
る。図１〜３は本発明の原理を示す。図１において、浮
子２２または浮子とともに流量に応じて流路管２１内で
上下方向に変位する部位に、上下方向に着磁されたマグ
ネット２３を設ける。このマグネットは移動方向に平行
な軸Ｌに対して軸対称な形状を有し、かつ磁束密度がこ
の対称軸Ｌに関して軸対称の分布を有するものとする。

【００１２】すなわち、図１のように上記対称軸と直交
する平面２４上にあって、対称軸から等しい距離にある
円周２５上の点においては、磁力線２６に直角な面にお
ける磁束密度Ｅ、磁力線と対称軸のなす角、すなわち磁
力線の接線角φがどの点においても等しくなる。

【００１３】また、一方向にのみ着磁されたマグネット
の磁力線の幾何学的形状は、マグネットの磁力が多少増
減してもほとんど変化しないことから、図１の円周２５
上の点の磁力線の接線角φは、温度変化などによってマ
グネットの磁力が多少変化しても常にほぼ一定に保た
れ、接線角φは図１の平面とマグネットの上下方向の相
対位置ｈによって定まる。

【００１４】すなわち、図１を側面から見ると図２のよ
うになり、円周の半径ｒを一定にして相対位置ｈを変化
させると、磁力線の接線角φは図３のようにｈに対応し
て変化することになる。この条件は浮子の中心軸とマグ
ネットの対称軸を一致させておけば、浮子が中心軸まわ
りに回転しても変化しない。

【００１５】本発明の要旨とするところは、上記のマグ
ネットの物理的性質を利用し、磁力線の接線角φを求め
ることによって、マグネットすなわち浮子の位置を検出
し、浮子の高さを求めて流量を測定できるようにしたこ
とにある。

【００１６】以下に本発明の実施例を詳述する。非磁性
材料よりなる流路管の外側に、図１の円周が位置するよ
うに半径ｒを選び、この円周上に特性の揃った２個の磁
力センサを設ける。ここで磁力センサと呼ぶのは、感磁
面を有し、感磁面における磁束密度に対応した電気出力
が得られるセンサ素子を意味し、既存の代表的なものと
してホール素子、磁気抵抗素子があり、ここではホール
素子を使用する場合の例について説明する。

【００１７】図５のように、一方のホール素子Ａは感磁
面をマグネットの対称軸と垂直に、もう一方のホール素
子Ｂは感磁面をマグネットの対称軸と平行になるように
設け、それぞれに信号変換回路を設けて、これらの出力
Ａ_O、Ｂ_O がホール素子の感磁面における磁束密度に比例
し、かつ等しい利得Ｋを有するようにする。すなわち、
素子Ａ、素子Ｂの感磁面における磁束密度をＥ_A 、Ｅ_B
とすると、 Ａ_O ＝Ｋ・Ｅ_A 、Ｂ_O ＝Ｋ・Ｅ_B が成り立つものとする。

【００１８】円周上の点における磁力線と対称軸のなす
角φ、磁力線に垂直な面における磁束密度Ｅは、前述の
ように円周上のすべての点で一定であるから、出力Ａ
_O 、Ｂ_O はホール素子の感磁面と磁力線のなす角によっ
て定まり、 Ａ_O ＝Ｋ・Ｅ_A ＝Ｋ・Ｅｃｏｓφ Ｂ_O ＝Ｋ・Ｅ_B ＝Ｋ・Ｅｓｉｎφ 但し、Ｋ：定数 で表すことができる。

【００１９】したがって上式から磁束密度Ｅ、定数Ｋを
消去すると、 Ｂ_O ／Ａ_O ＝ｔａｎφ ・・・・・・・・（１） φ＝ｔａｎ^-1（Ｂ_O ／Ａ_O ） ・・・・（２） となり、磁束密度Ｅの如何によらず、磁力線の角度φが
２つのセンサの信号Ａ_O、Ｂ_O から求められ、前述のよう
にマグネットとセンサを設けた平面との相対位置ｈが求
められる。

【００２０】図２から明らかなように、流量計に応用す
る際にはｈは数ｃｍ変化するので、センサ設置点の磁束
密度Ｅは高さｈによって大きく増減する。したがって本
発明のように磁束密度が大きく変化しても、磁力線の角
度φが精度よく求められる方法でないと実用には供し得
ない。

【００２１】なお、φまたはｔａｎφとマグネットの位
置ｈの関係は、マグネットの仕様とセンサ設置位置（半
径ｒ）によってきまるので、あらかじめ計算または実験
を行うことにより既知である。したがって流量計に用い
る場合、センサからの信号出力Ａ_O 、Ｂ_O を得て、前記
（１）または（２）式の演算を行えばφが求められ、マ
グネットの位置ｈが求められる。

【００２２】以上の信号処理や演算はアナログ〜ディジ
タル変換器とマイクロプロセッサを使用すれば容易に実
行可能であり、磁力センサからの信号に対してリニアラ
イズ処理を行うことも容易であるから、磁力センサ自身
の信号出力は必ずしも磁束密度に対して比例関係にある
必要はない。

【００２３】また、通常の面積流量計では浮子の高さと
流量の関係は一般に非直線性であり、流体の仕様によっ
ても異なるので、マグネットの位置ｈから流量を求める
際にも複雑な演算を要するが、これらの演算も共通のマ
イクロプロセッサでの処理が可能で、コスト面できわめ
て有利である。

【００２４】上記した実施例のほかに、本発明は次のよ
うな実施態様においても有効である。

【００２５】(1) マグネットの位置 マグネットは浮子と一体になって上下すればよいので、
図６のように流路管内になくてもよく、また図７のよう
に浮子の中心軸から偏心した位置にあっても支障なく、
要は浮子と共動する部位に設ければよい。

【００２６】(2) 磁力センサの角度 実施例では、マグネットの対称軸に平行なセンサと垂直
なセンサを用いているが、２個のセンサの感磁面の対称
軸に対する角度が互いに等しくないならば、原理的に磁
力線の角度φをもとめることができる（平行と垂直でな
くてもよい）。

【００２７】(3) 磁力センサの数 最低２個必要であるが、それ以上でも差支えない。特
に、図４のように対称軸に関して位置、角度が軸対称な
センサを２組（合計４個）用い、各軸対称ペアＡ₁ 、Ａ
₂ およびＢ₁ 、Ｂ₂ の平均出力を求めてＡ_O、Ｂ_O とす
ると、マグネットが水平方向に移動することによってセ
ンサ設置点の磁力線の角度に差が生じた場合も、誤差要
因が互いに打ち消し合って高い精度が維持できるという
利点がある。また、１個のセンサの出力が小さい場合、
対称軸と感磁面のなす角が等しい複数個のセンサを設
け、これらの出力の和をとることにより、検出感度を高
めることも可能である。

【００２８】(4) 磁力センサの位置 磁力センサ２個の場合、理想的には同一場所が最適であ
り、一般に寸法の小さいセンサを近接させて設置するこ
とが望ましい。ただし、マグネットの水平方向の移動量
がマグネットと磁力センサ間の距離に比べて小さいなら
ば、図１の円周上のどこにあってもよい。

【００２９】(5) 流路管の材質 流路管は非磁性材製であれば材質の如何を問わない。ま
た、流体が高温または低温の場合、流路管の外周に断熱
構造体を設け、その外側にセンサを置くこともできる。

【００３０】

【発明の効果】上述した本発明の流量計は次のような効
果を奏し得る。 (a) センサは汎用の磁力センサ（ホール素子など）を最
小限２個用いれば事が足り、コスト的に有利である。 (b) センサが小さく場所をとらないので、流量計全体を
小型にできる。 (c) 浮子にマグネットによる吸引力が作用しないので、
吸引力によって生じる摩擦力もなく、精度の点で優れて
いる。 (d) 温度変化、経年変化などによりマグネットの磁力が
変化しても流量計の精度に影響しない。 (e) 流路管とセンサの間に断熱構造を設けることができ
るので、適用できる流体温度の範囲が広い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の基本原理図。

【図２】磁束分布図。

【図３】マグネットの位置と磁力線の接線角との関係を
示す図。

【図４】本発明の基本態様図。

【図５】本発明の第１実施例図。

【図６】本発明の第２実施例図。

【図７】本発明の第３実施例図。

【図８】テーパー管を使用した面積式流量計の原理図。

【図９】ストレート管を使用した面積式流量計の原理
図。

【図１０】テーパー管で、浮子の位置をマグネットカッ
プリングで捉えるようにした従来のものの一例図。

【図１１】ストレート管で、浮子の位置をマグネットカ
ップリングで捉えるようにした従来のものの一例図。

【図１２】浮子の位置をトランスデューサにより捉える
ようした従来のものを示す図。

【図１３】浮子の位置をスキャニング手段により捉える
ようにした従来のものを示す図。

【符号の説明】

２１ 流路管 ２２ 浮子 ２３ マグネット ２４ 平面 ２５ 円周 ２６ 磁力線 Ｌ 対称軸

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】垂直な流路管内に、被測定流体よりも比重
   の大なるもので構成した浮子を上下動可能に設け、浮子
   の移動に伴って流路管内の流路面積が変わるような構造
   とし、流体が流路内を下から上に流れる際の流量を浮子
   の位置によって測定する面積式流量計において、浮子の
   移動方向に着磁され、浮子の移動方向に平行な軸に関し
   てほぼ軸対称な磁力線を生じるマグネットを浮子もしく
   は浮子との共動部位に設け、流路管の外部に複数個の磁
   力センサを前記マグネットの対称軸に垂直な平面上で、
   しかも対称軸からほぼ等距離の位置に設け、この磁力セ
   ンサの感磁面と前記対称軸のなす角を少なくとも２個の
   磁力センサについては互いに異なる角度とし、これらの
   磁力センサによって検出される磁束密度信号から前記磁
   力センサを設けた平面とマグネットとの上下方向の相対
   位置を求めることにより流量が求められるようにした面
   積式流量計。