JPH07505478A - 可変面積式流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称 可変面積式流量計 背景技術 本発明は可変面積式流体流量計に使用するための電磁検出システムに関する。さ らに詳細には、本発明は、垂直なパイプの内部の流体流によって変位可能な磁石 によって作られる磁界の位置を検出することにより、流体の流速を測定するため の装置に関する。

従来技術では、可変面積式流体流量計は２つの部分から成るが、その一方はパイ プの内部にあって、磁石の物理的変位を生じるための部分であり、もう一方はパ イプの外部にあって、磁石によって発生された磁界を検′出し、基準位置からの 磁石の距離を測定するための部分である。

従来技術の装置は通常、中央の円形オリフィスを有する水平なオリフィス板を備 えた垂直なパイプを備えている。円錐状プラグがパイプの内部に配置され、この プラグは、プラグを垂直方向に案内するための垂直なピンを有する。ピンはパイ プに取り付けられた２つのリングを貫いて滑動し、パイプ内のプラグの運動を垂 直方向に制限する。プラグはパイプ内で上下に自由に滑動する。流体の流れがな いときは、円錐状プラグは中央オリフィス内に静止している。流体の流れがある と、円錐状プラグとオリフィスの間の開口面積が、プラグにかかる重力が、流体 の流れによって誘起される力と等しくなるのに十分な大きさになるまで、プラグ は上方に滑動する。

円錐状プラグは、パイプの外側に延在する磁界を発生する棒磁石を含む。パイプ を越えて延在する磁界は、種々の技術によって検出される。

ある検出技術では、第２の棒磁石をパイプの外側に配置する。第２の磁石は、そ の磁極が円錐状プラグ内の磁石の磁極と反対になるようにして、円錐状プラグの 近くに配置される。

第２の棒磁石は旋回可能に装着され、円錐状プラグの運動が第２の磁石を回転さ せる。第２の棒磁石の回転は可変抵抗器等の手段で検出される。円錐状プラグの 内部の棒磁石の変位は第２の棒磁石の回転から計算される。この技術は面倒であ るばかりでなく、電気部品よりも信頼性が低い機械部品を余分に必要とする。

もう１つの従来技術の検知技術では、多数の固体電気抵抗素子を外部磁界中に配 置する。これらの素子の抵抗は磁界の関数として変化する。この抵抗を測定する ことにより、円錐状プラグの変位を計算することができる。これらの抵抗素子は 相当量の電力を必要とし、この電力は、円錐状プラグの位置を決定するための計 算を実行するのに必要とされる電力に加えられる。

したがって、可動部品を必要とせず、かつ電力消費が低い検知装置が、この技術 分野で必要とされている。

発明の要約 本発明は、外部磁気コイルおよびフィードバック技術を使って、可変面積式流体 流量計における変位可能磁石の位置を検出する。本発明は、パイプ内の円錐状プ ラグによって担持された変位可能磁石を備える。パイプの外側の装置は２つの磁 気コアから構成されるが、その一方は変位可能磁石の基準位置（パイプ内に流体 の流れがないときの磁石の位置）よりも下に配置され、他方は基準位置よりも上 に配置される。２本のコイル、すなわち、検知コイルおよび補償コイルが各コア に巻かれている。各コイルでは、検知コイルに検知電流を生じさせるような交番 極性の電圧パルスで検知コイルが駆動される。検知コイルの電流は、検知電流を 基準値と比較する電流検出回路によって測定される。電流が基準値を超えた時点 で（すなわち、磁気飽和が起きたとき）、検知コイルに印加される電圧パルスは ゼロにリセットされる。外部磁界が存在すると、磁気コアの飽和点が移動させら れる。このため、正パルスの幅が負パルスの幅と異なってくる。

検知コイル内における変位可能磁石からの磁界を補償するために、補償コイルに 電流が印加されるフィードバック・ループ内で、電圧パルスが使用される。補償 電流の大きさは変位可能磁石の変位に比例する。変位可能磁石の位置は両コアか らの出力を使って検出される。

磁石の位置は、磁気コアによって発生される出力電圧の比から計算される。各コ アに関する出力電圧は、円錐状プラグ内の棒磁石の磁界強度と棒磁石の変位の関 数との積である。

２つの出力電圧の比は磁界強度を相殺させ、棒磁石の磁界強度から独立した信号 を発生する。

図面の簡単な説明 図１は本発明の第１実施例のブロック図である。

図２は、磁気コアの一方の関連検出回路を示すブロック図である。

図３は、図２に示された回路で発生される信号間の関係を示すタイミング図であ る。

図４Ａは、外部磁界がない場合に、駆動回路によって供給されるパルス電圧信号 と、検知コイルを流れる電流を示す波形図である。

図４Ｂは、外部磁界がある場合の図４Ａの信号を示す波形図である。

図５はＢ−Ｈ曲線のグラフである。

図６は棒磁石の変位と電圧との関係を示すグラフである。

図７は、外部磁石の位置と関連した、磁気コアの位置における外部磁石の磁界強 度のグラフである。

図８は、外部磁石の位置に関連した、２つの磁気コアの各々の位置における外部 磁石の磁界強度のグラフである。

好ましい実施例の詳細な説明 図１は本発明による流体流量計１０を示す。流量計１０は垂直管１２を備える。

管１２には、中央円形オリフィス１４が設けられる。管１２は円錐状プラグ１６ および垂直ビン１８を含む。プラグ１６は、磁界２２を発生するための棒磁石２ ０を含む。磁界２２は管１２の外部にまで延在する。高透磁率磁性材料から成る 上方磁気コア２４および下方磁気コア２６は管１２から等距離のところに配置さ れている。コア２４および２６の巻線は検出回路２８および３０に接続されてい る。検出回路２８および３０はマイクロプロセッサ回路３６に接続されている。

マイクロプロセッサ回路３６は２つのＡ／Ｄ　（アナログ・ディジタル）変換器 ３８．４０、およびマイクロプロセッサ４１から構成される。マイクロプロセッ サ４１はＥＰＲＯＭ４２に接続される。マイクロプロセッサ回路３６は表示装置 ４４、高流量警報端末４６および低流量警報端末４８に接続される。マイクロプ ロセッサ回路３６はまたＤ／Ａ　（ディジタル・アナログ）変換器５２に接続さ れ、Ｄ／Ａ変換器５２はさらに４−４−２Ｏ電流ループ５４に接続される。Ｄ／ Ａ変換器５２に供給されるマイクロプロセッサ回路からの出力は流量を表わす。

４−４−２Ｏ電流ループ５４は、流量に関係した端末５６に出力を発生する。

図１に示すように、流体の流れは垂直管１２を通るようにすることができ、プラ グ１６は流体の流れに応答してビン１８を上下に自由に滑動させる。管１２の中 に流体の流れがないときは、プラグ１６はオリフィス１４内に静止してオリフィ ス１４を閉塞し、棒磁石２０のための基準点を提供する。

、流体の流れがある場合は、流体の流れにより誘起された力と重力が平衡するま で、プラグ１６が垂直ワイヤ１８に沿って上昇する。流体の流れに応答してプラ グ１６が上昇または下降するとき、プラグ１６に含まれる磁石２０もまた上昇、 下降する。棒磁石２０により発生された磁界２２の強さは、したがって磁気コア ２４および２６の位置に関係している。磁気コア２４および２６の位置における 磁界２２の強さは、検出回路２８および３０によって検出される。検出回路２８ は図２に示されており、その動作については後で説明される。

検出回路３０の動作も同様である。

磁気コア２４に接続された検出回路２８の出力Ｖ。Ｕ、１、および磁気コア２６ に接続された同等の検出回路３０の出力Ｖ　はマイクロプロセッサ回路３６に供 給される。ｖｏＵＴ１ＵＴ２ はＡ／Ｄ変換器３８に供給され、ｖｏＵＴ２はＡ／Ｄ変換器４０　・に供給され る。Ａ／Ｄ変換器３８は出力Ｖ。Ｕ工、のディジタル表示を発生し、Ａ／Ｄ変換 器４０は出力■。ＵＴ２のディジタル表示を発生する。マイクロプロセッサ回路 ３６のマイクロプロセッサは出力Ｖ　およびＶ。ＵＴ２を処理し、磁石２０によ ＵＴＩ って発生される磁界の強さに依存しない、磁石２０の変位に比例する中間計算値 を発生する。

マイクロプロセッサ回路３６は、磁石２０の可能な幾つかの位置を含むテーブル を備え、各位置毎に対応する流体流速が含まれている。マイクロプロセッサ回路 ３６はこのテーブルを使用して磁石２０の位置を補間する。さらに、このテ−プ ルを使って流量を補間することもできる。マイクロプロセッサ回路３６は直接の 流量出力５０を発生する。マイクロプロセッサ回路３６はまた高流量警報端末４ ６および低流量警報端末４８を適宜活動化すると共に、流量表示装置４４をも駆 動する。流量出力５０は、Ｄ／Ａ変換器５２に供給され、変換器５２は、流量出 力５０のアナログ表示であるアナログ信号を出力５３上に発生する。アナログ信 号５３は４−４−２Ｏ電流ループ５４に供給される。電流ループ５４は、流量情 報を他の装置に提供する出力を端子５６上に発生する。

図２は、磁気コア２４および検出回路２８に関連するコイルおよび関連回路を示 すブロック図である。磁気コア２６および検出回路３０に関連するコイルおよび 回路も同じである。

図２によると、磁気コア２４には検知コイル５８と補償コイル６０が巻かれてい る。検知コイル５８は駆動回路６２に接続されている。駆動回路６２は電流検知 回路６４およびタイミング回路６６に接続されている。タイミング回路６６はオ シレータ６５によって駆動される。電流検知回路６４はタイミング回路６６に接 続されている。タイミング回路６６はまた、積分器６８およびスイッチ７０にも 接続されている。

スイッチ７０は補償コイル６０の第１の端に接続されている。

補償コイル６０の第２の端は負荷７１、サンプル・ホールド回路７２、および電 圧出力Ｖ。Ｕ、１を発生するコンデンサ７４に接続されている。負荷７１、スイ ッチ７２およびコンデンサ７４は、出力ｖｏＵＴ１を有するサンプル・ホールド 回路を形成する。ＶＯＵＴＩ出力は、図１に示されるＡ／Ｄ変換器３８に接続さ れる。検出回路３０は、検出回路２８と同様な構成要素および接続から構成され る。

検出回路２８は、検知コイル５８を流れる電流の変化を利用することによって動 作する。磁気コア２４が飽和点に到達したとき、電流の急速な増大が引き起こさ れる。ドライバ６２によって検知コイル５８に供給される電圧パルスと、検知コ イル５８を流れる電流の間の関係が図４Ａに示されている。磁界２２の存在が磁 気コア２４の飽和点を時間的に移動させ、検知コイル５８での急速な電流増大の 時点を変化させる。検出回路２８はこれらの変化を利用して、コア２４の位置に おける磁界２２の強さに比例する出力Ｖ。０，１を発生する。

図３は図２の検出回路２８のタイミング・ダイヤグラムである。波形８０は、ド ライバ６２を介してタイミング回路６６により、検知コイル５８に印加される正 および負の電圧ミング回路６６に供給されるリセット・パルスを示す。波形８２ 上のパルスは、検知コイル５８を流れる電流が予定のレベルに達したときに発生 される。波形８２上のパルスにより、タイミング回路６６は波形８０上のパルス をリセットする。

波形８４は、タイミング回路６６により、スイッチ７０の制御入力に印加される 。タイミング回路６６は波形８６をサンプル・ホールド・スイッチ７２に印加す る。

検知コイル５８はドライバ６２により、正および負の交番電圧パルスで駆動され る。タイミング回路６６はドライバ６２からのパルスのタイミングを制御する（ 図３の波形８２参照）。これらのパルスは検知コイル５８に電流を誘起し、この 電流は電流検知回路６４によって検出される。回路６４は、コイル５８を流れる 電流を基準電流と比較する。検知コイル５８の電流が基準電流に達した時点で、 電流検知回路６４はリセット信号をタイミング回路６６に送る。リセット信号に より、検知コイル５８に送られた波形８０の電圧パルスを、タイミング回路がリ セットする。

磁気コア２４が飽和する時点は、磁界２２の存在とその強さのために変化する。

垂直管１２内での磁石２０の上昇および下降により、磁石２０と磁気コア２４の 間の距離が変化するに従い、磁気コア２４の位置における磁界２２の強さが変化 する。磁界２２のこのような変化は、磁気コア２４が飽和する時点の変化を引き 起こす。コア２４に印加された磁界２２が存在することにより、コイル５８に印 加された電流が磁界２２と同じ方向の磁界をコアに発生するときは、コアの飽和 時期が早くなる。基準点は、他の方向に流れる電流によるよりも、コア２４の飽 和によって助長される方向に流れる電流によって一層早く到達される。このタイ ミングの差は検出された磁界２２の強さが磁気コア２４の位置で変化するのにつ れて変化する。したがって、検知コイル５８の電流は磁気コア２４の飽和点の変 化に伴なって変化する。検知コイル５８を流れる電流が基準を超える時点が変化 するので、電流検知回路６４によって送られるリセット・パルスのタイミングが 変化する。

磁気コア２４の飽和点が磁界２２の存在によ７て変化するので、ドライバ６２に よって検知コイル５８に送られる正パルスの幅は負パルスの幅とは異なる。磁気 コア２４の位置における磁界の強さが変ることによって磁気コアの飽和点が変化 するので、正パルスの幅が負パルスの幅とくい違う量が変化する。図４Ａおよび 図４Ｂは、タイミング回路６６によるリセット・パルスの印加、ならびに検知コ イル５８に印加される電圧および電流のグラフを示す。図４Ａは外部磁界がない ときの動作を示し、図４Ｂは外部磁界があるときの動作を示す。

図５は磁気コア２４と関連したＢ−Ｈ曲線を示す。Ｈはコア２４に巻かれたコイ ルによる磁化の場（強さ）であり、Ｂは磁界（磁場）である。外部磁界（印加さ れた磁界以外の）により、曲線のゼロ点が中心からはずれるので、曲線は対称的 ではない。その結果、コア２４の巻線によって磁化の場Ｈが印加されたとき、コ ア２４の飽和点が変化する。

電流検知回路６４からのリセット信号に基づいて、タイミング回路６６によって 修正された電圧パルスが積分器６８に力を発生する。積分器６８およびスイッチ ７ｏによって発生されるパルス電流の振幅は補償電流を表わす。振幅は、正およ び負パルスの幅の差を積分することによって形成され、こ動作はタイミング回路 ６６によって調整され、タイミング回路６６は、検知コイル５８の検知パルスが 印加される直前に、補償コイル６０の電流を切り換える。このようにして、電力 消費が低減される。

積分器６８によって発生されるパルス電流の振幅は正および負パルスの幅の差を 表わす。積分器６８によって発生されたパルス電流はスイッチ７０を介して送ら れる。スイッチ７０の動作は、積分器６８によって発生される電流のパルス幅を 一定にするように、タイミング回路６６によって制御される。スイッチ７０によ って調整された電流は補償コイル６０に供給される。補償コイル６０のパルス電 流の振幅は抵抗器７１によって検知され、スイッチ７２およびコンデンサ７４よ りなるサンプル・ホールド回路に供給される。標本抽出率は回路６６によって制 御される。サンプル９ホールド・スイッチ７２は出力電圧ｖｏＵＴ１を発生する が、この出力電圧は、磁石２０によって発生された磁界２２の強さに正比例する 。

この出力電圧はコンデンサ７４によって保持される。

出力Ｖ　およびＶ。５，２はそれぞれＡ／Ｄ変換器３８およ０υＴ１ び４０を介してマイクロプロセッサ４２に供給される。マイクロプロセッサ−回 路３６は、磁石２０の位置を表わす中間的な計算値を発生する。図６は、磁石２ ０の変位に対するマイクロプロセッサ回路３６の中間的計算値を示すグラフであ る。

図６から理解できるように、グラフは磁石２０の可能な位置の範囲内で完全に単 調である。

検出回路２８によって発生される出力電圧Ｖ。８，１は磁気コア２４からの磁石 ２０の変位の関数である。図７はｖｏＵＴｌと、磁気コア２４からの磁石２０の 変位との間の関係を示す。図１に示されるように、磁石２０によって発生される 磁界２２内に、２つの検出回路２８および３０に接続された２つの磁気コア２４ および２６がある。これら２つの回路は２つの出力電圧Ｖ　およびＶ　を発生し 、これら出力電圧の各々０ＵＴＩ　０ＵＴ２ は磁石２０の変位の関数である。２つの電圧出力Ｖ。Ｕ、の磁石２０の変位に対 する関係が図８に示されている。

図８を見ると、マイクロプロセッサ回路３６のマイクロプロセッサ４１がどのよ うにして出力Ｖ　およびｖｏＵＴ２を処ｏｕ’ｒｔ 理して、磁石４０の変位の表示を発生するかが明らかになる。

図８に見られるように、■　およびＶ。ＵＴ２はχの関数であＵＴＬ す、ここでχは磁石２０の変位である。詳細には以下の通りＶｏＵＴｌ（χ）− Ｍ＊ｆ　（Ｚ＋Δχ）ＶｏＵＴ２（χ）−Ｍ＊ｆ（ｚ−Δχ）但し、Δχはコア が中央基準点のオリフィス１４から移動させられる距離であり、Ｍは磁石２０の 磁界の強さである。磁石２０の位置は次のアルゴリズムを使って計算される。

式２： ％式％ 出力Ｖ　およびＶ。［ＩＴ２について行なわれる計算の場合、ＵＴＩ 磁石２０の磁界強度Ｍは因数として消去されるので、マイクロプロセッサ回路３ ６の中間的計算値は磁石２０の変位のみの関数であることが、上記各式から理解 されるであろう。

好ましい実施例に関連付けて本発明を説明したが、発明の精神および範囲から逸 脱することなく、形式および細部において変更が可能であることを当業者は認識 するであろう。例えば、本発明は、小形の磁石を含む差圧膜の変位を検出するた め使用することができる。

時間 ■コイル電圧 時間 −一一◆時間 中間的針）Ｅｌｔｌ （１！圧） ｌ０ＵＴ１ 国際調査報告　。Ｍ／ＩＫ　０１／ｎ’ｌ１１７

Claims (21)

【特許請求の範囲】
1. １．流路内に装着されて、流路を通る流体の流れに応答する変位可能磁石と、 上記変位可能磁石の近傍にあり、上記変位可能磁石によって発生される磁界を検 出する検知手段と、上記検知手段における上記変位可能磁石の磁界を補償し、上 記変位可能磁石の変位に関係した出力を発生する手段とから成る、流路を通る流 体の流れを測定するための流量計。
2. ２．上記検知手段および補償手段がフィードバック・ループを形成する請求項１ 記載の流量計。
3. ３．上記変位可能磁石の変位に関係した出力を、流体の流れを表わす信号に変換 する手段を備えた請求項１記載の流量計。
4. ４．上記流体の流れを表わす信号を２線電流ループを介して伝送するための手段 を備えた請求項３記載の流量計。
5. ５．上記検知手段は、 磁気コアと、 上記磁気コアに巻かれた検知コイルと、正および負の電圧パルスを上記検知コイ ルに印加する手段と、 上記検知コイルを流れる電流を検知する手段と、上記検知コイルを流れる電流が 予定のレベルに達したとき、上記正および負の電圧パルスを印加する手段をリセ ットする手段とをさらに含む請求項１記載の流量計。
6. ６．上記補償手段が、 補償コイルと、 上記正および負の電圧パルスの幅に関係した電流を上記補償コイルに供給する手 段とを含む請求項５記載の流量計。
7. ７．上記補償コイルが上記検知コイルと同じ磁気コアに巻かれている請求項６記 載の流量計。
8. ８．上記補償コイルに電流を供給する手段が、上記検知コイルに印加される正お よび負の電圧パルス間の差を積分する積分器を含む請求項７記載の流量計。
9. ９．上記変位可能磁石の近傍にあり、上記変位可能磁石によって発生される磁界 を検出する第２の検知手段と、上記検知手段における上記変位可能磁石の磁界を 補償し、上記変位可能磁石の変位に関係した第２の出力を発生する第２の手段と 、 上記変位可能磁石の変位を決定し、変位に関係した上記出力および変位に関係し た上記第２の出力に基づいて、上記変位可能磁石の磁界変化の影響を打ち消す手 段とをさらに含む請求項１記載の流量計。
10. １０．変位可能磁石に隣接する検知コイルと、上記変位可能磁石および上記検知 コイルに隣接する補償コイルと、 上記検知コイルに電流を流すための手段と、上記補償コイルに補償電流を流すた めの補償手段と、補償電流が磁気コアの位置に比例するように、上記補償手段を 制御する制御手段とから成る、可変面積式流量計における変位可能磁石の位置検 出装置。
11. １１．上記補償手段は、補償電流に基づいて、上記磁気コアの変位に比例する出 力を発生する請求項１０記載の装置。
12. １２．上記検知コイル、補償コイル、上記検知コイルに電流を流すための手段、 補償手段、および上記制御手段がフィードバック・ループを形成する請求項１１ 記載の装置。
13. １３．上記変位可能磁石の位置に関係した出力を、流体の流れを表わす信号に変 換する手段を含む請求項１１記載の装置。
14. １４．上記検知コイルを流れる電流を検知する手段を含む請求項１０記載の装置 。
15. １５．上記制御手段は、 正および負の電圧パルスを上記検知コイルに印加する手段と、 上記検知コイルに流れる電流を検知する手段と、上記検知コイルを流れる電流が 予定レベルに達したとき、上記正および負の電圧パルスを印加する手段をリセッ トする手段と、 上記正および負の電圧パルスを積分する手段と、積分された正および負の電圧パ ルスを上記補償コイルに印加する手段とを含む請求項１１記載の装置。
16. １６．補償電流を表わす信号を、２線通信ループを介して伝送する手段を含む請 求項１０記載の装置。
17. １７．上記磁石の近傍にあり、磁石によって発生される磁界を検出する検知手段 と、 上記検知手段における上記磁石の磁界を補償し、上記磁石の磁界を補償するため に必要とされる補償量に基づいて、上記磁石の位置に関係した出力を発生する手 段とから成る、磁石の位置検出装置。
18. １８．上記補償手段は上記検知手段に近接した補償コイルを含む請求項１７記載 の装置。
19. １９．上記検知手段は上記磁石に近接した検知コイルを含む請求項１７記載の装 置。
20. ２０．上記出力に基づいて、２線通信ループを介して上記磁石の位置を伝送する 手段を含む請求項１７記載の装置。
21. ２１．上記磁石は流体の流れに応答して移動可能であり、上記補償手段の出力は 流体の流れを表わす請求項１７記載の装置。