JPH07139980A - 電磁流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】測定流体の粘性係数が変わり、流速分布が異な
っても流量計測誤差の小さい電磁流量計を提供する。 【構成】導電性を有する測定流体２の流れ方向に直角に
配置される一対の電極３と、測定流体２の流れ方向と電
極３の電極軸方向との双方に直角方向に磁界Ｈを発生す
る励磁コイル4a(4b)およびコア5a(5b)と、励磁コイル4a
(4b)で発生した磁気回路の帰路を形成しコア5a(5b)とは
空隙を介して配備されるケース９と、を備え、磁界Ｈ中
を測定流体２が流れることにより電極３間に発生する起
電力から流量を測定する電磁流量計において、励磁コイ
ル4a(4b)と測定管１との間にこの測定管１に沿って円弧
状に湾曲した強磁性体板6a(6b)をコア5a(5b)と当接して
配備する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、導電性の流体が磁界内
を通過するとき、その速さに比例した電圧を誘起するフ
ァラデーの法則を利用した電磁流量計に係り、特に、高
粘性流体の流量測定に適した電磁流量計の構造に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】電磁流量計は、測定管内に絞り機構など
のように測定流体の流れを阻害する機構を有することな
く、従って、流体のエネルギー損失（圧力損失）を生ず
ることなく流量を計測することができる特徴を有する。
また、測定流体は導電性を有する部材であれば、小口径
から大口径までの測定管内の流体の測量を高精度で測定
することができ、工業用計測制御の分野などで広く使用
されている。

【０００３】次に、従来より実施されている電磁流量計
の構成、並びにその動作原理を図４により説明する。図
４において、１は導電性を有する測定流体２が通過する
非磁性体よりなる測定管であり、この測定管１は測定流
体２が直接接する内面をライニング1Aで被覆し、測定管
１とその内部を流れる測定流体２とを絶縁する。測定流
体２の流れ方向と直角な軸方向に一対の電極３が測定管
１上に対向配備され、また、測定流体２の流れ方向と電
極３の電極軸方向との双方に直角方向に磁界Ｈを発生す
るようにコア5a(5b)を有する励磁コイル4a(4b)が測定管
１を介して対向配備されている。図示例ではコア5aで発
生した磁束は、第１の空隙部に相当する測定管１の内部
（磁気的には透磁率μが１）を透過し、磁界Ｈを形成し
て、コア5bを経由し、磁気回路の帰路に相当する（透磁
率μが高い）ケース９の内部を通り、コア5aに戻る。

【０００４】かかる構成の電磁流量計は、測定管１内で
測定流体２の流れと測定管１に形成された磁界Ｈに基づ
きファラデーの法則で発生する起電力Ｅを測定管１から
絶縁して、電極３で検出し、増幅器８で増幅・信号処理
を行い、測定流体２の流量を計測する。電極３で検出さ
れる起電力Ｅは、測定流体２の平均速度Ｖmeanと、測定
管１の内径Ｄと、測定管１に加えられる磁界の強さＨ
と、に比例する。測定管１に加えられる磁界Ｈは、測定
管１の外側に対向配置されたコア5a(5b)を有する励磁コ
イル4a(4b)に励磁回路７からの励磁電流を印加すること
により発生させる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の電磁流量計にお
いては、一対の励磁コイルで励磁されコアを介して測定
管内に形成される磁界は、測定管の管壁部において必ず
しも電極の方向と直交する方向にならずに局部的に傾斜
し、また磁力線の間隔も不均等となり、測定管内の磁界
分布が不均一となる。また測定管内を流れる流体につい
ても、測定管の前後に所定の直管長を有する管路を設け
たり、あるいは整流板を設けるなどにより一般的に軸対
称流れにすることはできるが、流体の粘性により乱流流
体或いは層流流体となって、測定管内の流速分布も一様
にならない。従って、このような磁界分布および流速分
布が測定管内の場所によって異なる場合は、マックスウ
エルの方程式に基づいて検討せねばならない。このとき
の起電力Ｅは、測定管１内の任意の点におけるローレン
ツ力（流速ベクトルｖ）×（磁界ベクトルＢ）のベクト
ル積と、起電力Ｅへの寄与度を表す重み関数ベクトルＷ
と、のスカラー積の体積積分で表される。この事柄は、
一般的に、測定管内の流速分布が異なると、起電力Ｅの
値は変化し、電磁流量計の出力は流速分布の影響を受け
ることになる。

【０００６】本発明は上記の点にかんがみてなされたも
のであり、その目的は前記した課題を解決して、測定流
体の粘性係数が変わり、流速分布が異なっても流量計測
誤差の小さい電磁流量計を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本願請求項１による発明においては、導電性を有す
る測定流体と直接接する内面を被覆・絶縁するライニン
グが設けられた測定管と、測定流体の流れの方向に垂直
に配置された一対の電極と、測定流体の流れ方向と電極
の電極軸方向との双方に直角の方向に磁界を発生する一
対の励磁コイルおよびコアと、コアと空隙を介して設け
られ、励磁コイルで発生した磁気回路の帰路を形成する
ケースと、を備え、磁界中を測定流体が流れることによ
り電極間に発生する起電力から流量を測定する電磁流量
計において、励磁コイルと測定管との間に、コアと当接
し、測定管に沿って円弧状に湾曲した一対の強磁性体板
を備けるものとする。

【０００８】また、本願請求項２による発明において
は、強磁性体板がなす開き角度は 100度から 160度の範
囲にあるものとする。

【０００９】

【作用】上記構成により、励磁コイルと測定管との間に
この測定管に沿って円弧状に湾曲した強磁性体がコアと
当接して配備されることにより、励磁コイルによって発
生された起磁力は、コアおよび強磁性体板を介して低磁
気損失で測定管に沿って円弧状に導きだされる。この起
磁力によって形成される磁界は、一方のコアおよび強磁
性体板から、第１の空隙部に相当し、磁気的には透磁率
μが１である測定管１の内部を透過し、磁界Ｈを形成
し、他方のコアおよび強磁性体板を経由して、磁気回路
の帰路に相当する透磁率μが高いケース９の内部を通
り、一方のコアに戻る。このとき、コアとケースとの間
に第２の空隙部が設けられているため、コアとケース間
の磁気抵抗が高くなる。

【００１０】第１の空隙部に相当する測定管１の内部を
透過する磁界は起磁力を磁気抵抗で割り算したものであ
り、この磁気抵抗はコアおよび強磁性体板で形成された
空隙寸法に反比例する。従って、測定管に沿って円弧状
に湾曲した強磁性体板をコアと当接して配備しただけで
は、コアから離れた強磁性体板端部では空隙寸法が小さ
いので磁界が強くなる。しかし、コアとケースとの間の
第２の空隙部に基づく磁気抵抗により、強磁性体板端部
とケース間に磁気ポテンシャルが発生し、磁束の一部が
強磁性体板端部からケースにバイパスし、第１の空隙部
である測定管１の内部では、実用上支障のない程度に測
定管および電極軸に垂直な方向に均一な磁場が形成され
る。

【００１１】また、このときの円弧状に湾曲した強磁性
体板がなす開き角度は測定管の口径によって異なるが、
100度から 160度の範囲にあるときが、最も垂直で均一
な磁場を構成することができる。電磁流量計の特性とし
て、平行で均一な磁束密度を有する磁場内を、この磁場
と垂直方向に測定流体を流し、このときの測定流体は測
定管軸に対して軸対称流とする。このような磁場と測定
流体のとき、この軸流および磁場に対して垂直に配置さ
れた電極によって検出される起電力は、測定流体の流速
分布に関係なく、平均流速ｖと、磁場の強さＨと、測定
管の内径寸法Ｄとの積に比例することが下記の参考文献
によって証明されている。

【００１２】参考文献： J.A.Shercliff：The theory o
f Electomagnetic Flow-Measurement,Cambridge at the
University press,(1962)。 従って、できるだけ平行で均一な磁場を形成し、代表的
な軸対称流である乱流流体および層流流体に対して計測
誤差の小さい電磁流量計は、一般的な軸対称流体に対し
ても計測誤差が小さくすることができ、測定流体の粘性
係数の影響の少ない電磁流量計を得ることができる。

【００１３】

【実施例】図１は本発明の一実施例としての電磁流量計
の要部構成図、図２は本発明の一実施例における磁界分
布をシミュレーションした磁界分布図、図３は測定管内
の流速分布図であり、図３の(A) に層流流体の流速分布
図を、図３の(B) に乱流流体の流速分布図を示し、図４
に対応する同一部材には同じ符号が付してある。

【００１４】図１において、１は導電性を有する測定流
体２が通過する非磁性体よりなる測定管であり、この測
定管１は測定流体２が直接接する内面をライニング1Aで
被覆し、測定管１とその内部を流れる測定流体２とを絶
縁する。測定流体２が流れる方向は、紙面に垂直なｚ軸
方向であり、この測定流体２が流れる方向と直角な横軸
方向（ｘ軸）に一対の電極３が測定管１上に対向配備さ
れている。また、測定流体２の流れ方向と電極３の電極
軸方向との双方に直角な縦軸方向（ｙ軸）に磁界Ｈが発
生するように、コア5a(5b)を有する励磁コイル4a(4b)が
測定管１を介して対向配備され、励磁コイル4a(4b)と測
定管１との間に、この測定管１に沿って円弧状に湾曲し
た強磁性体板6a(6b)がコア5a(5b)と当接して配備されて
いる。また、コア5a(5b)と磁気回路の帰路を形成するケ
ース９との間には第２の空隙部10a(10b)が介在する。

【００１５】かかる構成で、励磁コイル4a(4b)によって
発生された起磁力は、コア5a(5b)および強磁性体板6a(6
b)を介して低磁気損失で測定管に沿って円弧状に導きだ
される。この起磁力によって形成される磁界Ｈは、一方
のコア5aおよび強磁性体板6aから第１の空隙部に相当す
る測定管１の内部（磁気的には透磁率μが１）を透過
し、強磁性体板6bおよび他方のコア5bを経由して、磁気
回路の帰路としての（透磁率μが高い）ケース９の内部
を通り、一方のコア5aに戻る。このとき、コア5a(5b)と
ケース９との間に第２の空隙部10a(10b)が設けられてい
るため、コア5a(5b)とケース９との間の磁気抵抗が高く
なる。

【００１６】第１の空隙部に相当する測定管１の内部を
透過する磁界Ｈは、起磁力を磁気抵抗で割り算したもの
であり、この磁気抵抗は、コア5a(5b)および強磁性体板
6a(6b)で形成された空隙寸法に反比例する。従って、測
定管１に沿って円弧状に湾曲した強磁性体板6a(6b)をコ
ア5a(5b)と当接して配備しただけでは、コア5a(5b)から
離れた強磁性体板6a(6b)の端部において空隙寸法、即ち
強磁性体板6aと6bとの間の距離が小さいので、磁界が強
くなる。しかし、コア5a(5b)とケース９との間の第２の
空隙部10a(10b)に基づく磁気抵抗により、強磁性体板6a
(6b)の端部とケース９との間に磁気ポテンシャルが発生
し、磁束の一部が強磁性体板6a(6b)の端部からケース９
にバイパスすることにより、第１の空隙部である測定管
１の内部の磁界Ｈは、少なくとも測定管１内において、
実用上支障のない程度に、測定管１および電極３の軸に
垂直な方向に均一な磁場を形成することができる。

【００１７】また、このときの円弧状に湾曲した強磁性
体板がなす開き角度θは、測定管の口径によって異なる
が、試作研究の結果、 100度から 160度の範囲にあると
きが最も垂直で均一な磁場を構成することができること
が判明した。次に、図２により、比較的小口径で、開き
角度θを 100度前後の円弧状に湾曲した強磁性体板6a(6
b)を有する一実施例について磁界分布のシミュレーショ
ン結果を示す。図２でシミュレーション結果が図示され
ている範囲は、図１の電磁流量計の軸流中心からこの第
１象限に相当する部分であるが磁束の流れを説明するた
めに、点線で第４象限に相当する部分を加筆した。図２
において、１番外側の太い半円弧状部分が透磁性を有す
る部材で構成された電磁流量計のケース９（図示例で
は、磁束の流れを説明するため、9a,9b とする）であ
り、ｙ軸上に同じく透磁性を有する部材で構成されたコ
ア5a(5b)がケース9a(9b)と第２の空隙部10a(10b)を介し
て配備され、また、コア5a(5b)の空隙部10a(10b)と反対
側には測定管１に沿って円弧状に湾曲した強磁性体板6a
(6b)がこのコア5a(5b)に当接されている。測定管１の内
面は測定流体と測定管１との間の電気的絶縁を行うライ
ニング1Aが被覆され、このライニング1Aの内部を測定流
体２が紙面の垂直方向に流れる。

【００１８】コア5a、5bは励磁コイル4a,4b で励磁さ
れ、逆極性の起磁力が発生する。コア5aで発生したこの
起磁力は、コア5aと強磁性体板6aとを低損失で磁束が通
り（磁束が集中して通過するのでこの部分が黒く見え
る）、第１の空隙部としての流量測定部である測定管１
内においてｙ軸と平行な均一な磁束分布をした磁界を形
成し、この磁束は第４象限に点線で図示されたコア5bと
強磁性体板6bに入る。更にこの磁束はコア5bを経由し、
第２の空隙部10b 、ケース9b,9a を経由し、第２の空隙
部10a を通ってコア5aに戻る。磁界分布のシミュレーシ
ョンは、有限要素法で、透磁性を有する部材はμ＝250
で演算した。このシミュレーション結果では、測定流体
が流れるライニング1Aの内部においては、著しく磁界の
方向の垂直性と均一性が確保されていることが分かる。
なお、コア5aから離れた強磁性体板6aの端部では、磁束
の1 部がケース9aおよび強磁性体板6bの端部へ磁束がバ
イパスし、この結果、測定管１の内部で、上述のｙ軸と
平行な均一な磁束分布をした磁界Ｈを形成できることが
わかる。

【００１９】次に、測定管１内の流速分布を説明する。
測定管１内の流速分布は、流体の粘性に大きく影響を受
ける。図３は測定管内の代表的な流速分布を図示したも
のであり、図３の(A) は層流流体の流速分布図を、図３
の(B) は乱流流体の流速分布図を示す。一般的に層流お
よび乱流流体はレイノルズ数ｎで区分され、レイノルズ
数ｎが2300以下では層流流体を、レイノルズ数ｎが5000
以上では乱流流体を形成し、レイノルズ数ｎが2300〜50
00の間は中間の状態（遷移領域）が形成される。

【００２０】層流流体は、流速分布が管中央部で最大に
なり、管壁部に行くに従って小さくなる放物線状の分布
を有し、この理論式は(1) 式となる。

【００２１】

【数１】

【００２２】また、乱流流体は、流速分布が管中央部で
ほぼ一定になり、管壁付近で小さくなる分布を有し、こ
の理論式は(2) 式となる。

【００２３】

【数２】

【００２４】ここで、レイノルズ数ｎは(3) 式で、動粘
度νは(4) 式で表される。

【００２５】

【数３】

【００２６】

【数４】

【００２７】先に、作用の項で述べたように、平行で均
一な磁束密度を有する磁場内を、この磁場と垂直方向に
測定管軸に対して軸対称流となるように測定流体を流
す。このような磁場と測定流体のとき、この軸流および
磁場に対して垂直に配置された電極によって検出される
起電力は、測定流体の流速分布に関係なく、平均流速ｖ
と、磁場の強さＨと、測定管の内径寸法Ｄとの積に比例
することが証明されている。本発明のように、測定管１
内に平行で均一な磁束密度を有する磁場を形成すること
により、従来の技術による電磁流量計で層流流体と乱流
流体とでの測定誤差が6.47％あったものが、本発明の電
磁流量計で層流流体と乱流流体とでの測定誤差が0.68％
となり、極めて粘性係数の影響の小さい、流速分布の影
響の少ない電磁流量計を提供することができる。

【００２８】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、測定
管と励磁コイルとの間に強磁性体をコアに当接して配備
することにより、著しく平行で均一な磁束密度を有する
磁場を測定管内に形成することができ、この結果、軸対
称流となる測定流体を流したとき、例えば、層流流体と
乱流流体での計測誤差が6.47％から0.68％に軽減するこ
とができ、極めて測定精度のよい電磁流量計が得られる
という効果が奏される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例における電磁流量計の要部構
成図

【図２】本発明の一実施例における磁界分布をシミュレ
ーションした磁界分布図

【図３】測定管内の流速分布図、図３の(A) は層流流体
の流速分布図、図３の(B) は乱流流体の流速分布図

【図４】従来技術による電磁流量計の要部構成図

【符号の説明】

１ 測定管 1A ライニング ２ 測定流体 ３ 電極 4a,4b 励磁コイル 5a,5b コア 6a,6b 強磁性体板 ７ 励磁回路 ８ 増幅器 ９,9a,9b ケース 10a,10b 空隙部 Ｈ 磁界

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】導電性を有する測定流体と直接接する内面
   を被覆・絶縁するライニングが設けられた測定管と、 前記測定流体の流れの方向に垂直に配置された一対の電
   極と、 前記測定流体の流れ方向と前記電極の電極軸方向との双
   方に直角の方向に磁界を発生する一対の励磁コイルおよ
   びコアと、 前記コアと空隙を介して設けられ、前記励磁コイルで発
   生した磁気回路の帰路を形成するケースと、を備え、 前記磁界中を測定流体が流れることにより電極間に発生
   する起電力から流量を測定する電磁流量計において、 前記励磁コイルと前記測定管との間に、前記コアと当接
   し前記測定管に沿って円弧状に湾曲した一対の強磁性体
   板を備えた、 ことを特徴とする電磁流量計。
2. 【請求項２】請求項１に記載の電磁流量計において、強
   磁性体板がなす開き角度は 100度から 160度の範囲にあ
   る、ことを特徴とする電磁流量計。