JPH07505948A - 同心状に配置された電磁界を有する流量計 - 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】 同心状に配置された電磁界を有する流量計本発明の分野 導管内の流体流の速度を測定するための電磁流量計が開示され、その流量計にお いて、完全に導管の外部に配置された電磁的な手段は、導管の長手方向の軸線の まわりに同心円状に伸び、導管の壁の内周に隣接する部分では強（、導管の中央 部に隣接する部分では弱い電磁界を発生する。磁界内の導管の内周上に円周方向 の間隔を置いた関係で配置された第１の電極と、磁界の外側で長手方向に間隔を 置いた第２の電極との間の電位差によって、流速の正確な測定を行うことができ る。

従来技術の簡単な説明 電磁流量計は、例えば、ブローディング（Ｂｒｏｄｉｎｇ）の第２，５８３，７ ２４号、デボイスブラック（Ｄｅ　Ｂｏｉｓｂｌａｃ）の第２，６９１，３０３ 号及びハングル（１−１ａｎｄｃｌ）の第４，１３７゜７６６号に付与された先 の特許によって明らかなように特許された先行技術において知られている。

同軸型の流量計は、１９６２年のＪ、Ａ、シャークリフによる「流れの電磁的な 測定理論」で議論されている。シャークリフは、同軸的な電磁的な流量計は、速 度プロフィールに対して全体的に反応しない１つの計量器であることを示してい る。シャークリフは、このような流量計を実施する２つの方法、すなわち、（１ ）電流を発生し、バイブの中央の近くで最も強く、バイブの周縁で最も弱い（す なわち、必要とするものとはちょうど逆の）磁界をつくる中央部材を使用するこ とによって、及び（２）流体（流体は導体金属である）それ自身に電流を通過さ せることによって、中央部でゼロであり、外壁に近い所で強くなる磁界（速度プ ロフィールシフトに反応しない計量器を有するために適当な磁気の形状）を生じ させることによる２つの方法を開示している。

米国特許第４，８０９，５５９号（カサイ）及び３゜５８９．１８６号への特許 は、広角の電極及び／または、整形磁界を使用することによって、横断磁界タイ プのプロフィール効果の変化を最小限にする試みを行っている。

実際には、今日の産業に応用されるすべての流量計は、横断磁界タイプであるが 、軸線方向領域の電磁界の流量計及び半径方向領域の電磁界の流量計の双方の領 域において少量の仕事が行われる。半径方向領域の電磁界の流量計は、前述の特 許第２，６９１，３０３号及び第２，５８３，７２４号に示されており、１９７ ０年６月に発行されたイーストマン等のインスツルメンテーション・テクノロジ ー「同心円の電極を備えた磁気流量計」の中のｐ５２乃至ｐ５４に軸線方向の磁 界の流量計が開示されている。

アレクサンダーコリンによる１９５６年の編集者への手紙「外部磁石のない電磁 流量計」において、移動する液体金属に電流を通過させることによって磁界がつ くられる流量計が示されており、この流量計の検出電極は、円周方向のリング（ またはバイブの壁自身）及び中央電極からなる。電磁界は、移動する液体金属内 を流れる電流によって確立される。コリンは、中央電極に代わるものとして、磁 界の外側の領域に電極を配置することができることを示唆している。このような 構造の詳細は提示されていない。

これらの流量計の各々には大きな欠陥が存在する。

横断磁界タイプの流量計は、移動する水の粒子を正しく軽量せず、このような流 量計は、流れのプロフィールの変化によって精度が変化する。シャークリフ及び コリンによって説明された同軸の流量計は、液体金属、または軸線方向の同心領 域の双方をつくり、中央電極として作用する中央部材を使用することによっての みつくられ、このような磁界は、バイブの中央で強く、バイブの周縁で弱く、そ の反対が望ましい。

本発明の要約 従って、本発明の主な目的は、導管の長手方向の軸線の周りに同心円状に伸びる 磁界を導管内に発生するために導管の外部の磁界形成手段を含む流量計であって 、その磁界はその中心よりも導管の内周に隣接する場所で強くなる流量計を提供 することである。磁界内に配置された第１の電極手段と、第１の電極手段から導 管の長手方向に間隔を置き、磁界の大きな影響を受ける範囲の外側に配置された 第２の基準電極との間の電位差を測定するための信号検出手段が具備されている １本発明の好ましい実施例の特徴によれば、第１と第２の電極手段は、各々が導 管の内周に隣接するように取り付けられ、それによって導管の中央電極を使用し ないですむ、しかしながら、好ましい実施例によれば、基準電極は、正反対に配 置された磁界発生手段の中間の導管の中央に取り付けられている。

本発明のさらに特定の目的によれば、磁界形成手段は、導管の外面に正反対に間 隔を置いた関係で配置され、円周方向に間隔を置いた一対の磁界発生器を含み、 磁界発生器の軸線は、導管に関して同じ方向に円周方向に伸びている。磁界発生 器は、一対の渦巻きコイルか、または、一対のかご形タイプの巻線である。第１ の電極構成は、磁界発生器と導管の中心との間に半径方向にそれぞれ配置された 第１の対の電極と、それぞれが磁界発生器の間の空間に円周方向に配置された第 ２の対の電極とを含む、電極に生成された信号を加算する加算手段及び第１と第 ２の電極との間に接続された流れ表示手段は、流速の正確な測定を可能にする。

本発明の他の目的によれば、第２の対の磁界発生手段は、第１の対の磁気発生手 段の間で円周方向に間隔を置いた関係で配置されており、磁界発生手段の対は、 それぞれ、交互に配置され、導管の長手方向の軸線のまわりに同心円的に伸びて いるほぼ環状の領域を前記導管内に生成する。

本発明の他の実施例によれば、導管の長手方向の軸線に関して同じ方向に同心円 状に伸びている導管内に、半径方向に対向するように伸びている磁界のパイ形扇 形部をつくる磁界発生手段の第１の対に加えて、パイ形の磁界扇形部の側方に隣 接して導管の外周上に遷移領域発生手段が設けられ、それによって、対向する磁 界の間に遷移領域を形成する。

本発明の他の目的によれば、部分的に充填された導管または開放溝の流体流の速 度を測定するために、導管に関して水平方向に正反対に対向する関係で第１の磁 界発生手段が配置されている。

図面の簡単な説明 本発明の他の目的及び利点は添付図面を参照したときに次の説明を検討すること によって明らかになるであろう。

第１図乃至第３図は、横断磁界タイプの先行技術の電磁流量計を示す概略図であ る。

第４図は、磁界を形成するための環状巻線を含む本発明の第１の実施例の斜視図 である。

第５図及び第６図は、第４図の流量計を説明するための概略断面図である。

第７図は、磁界内に配置された電極に現れる信号を加算するための手段を示す詳 細な図面である。

第８図は、第７図の回路の変形例である。

第９図及び第１０図は、中心に取り付けられた基準電極を含む本発明の好ましく ない実施例を示す断面図及び斜視図である。

第１１図及び第１２図は、第４図の流量計の変形例を示し、第１３図及び第１４ 図は、第１１図の装置の動作を示す。

第１５図は、第１１図の流量計を操作するシーケンシャル・スイッチ手段を示す 回路図である。

第１６図は、第１１１１１の実施例の変形例の斜視図である。

第１７図は、本発明の他の実施例を概略的に示す断面図である。

第１８図及び第１９図は、導管内に磁界を発生させるためのかご形の巻線を含む 本発明の他の実施例を示す。

第２０図は、第１８図及び第１９図の装置内の磁界整形巻線を提供する方法を示 す図面である。

第２１図乃至第２３図は、磁界整形手段による磁界の整形を示す図面である。

第２４図及び第２５図は、本発明による、部分的に充填された導管または開放溝 形の流れ測定手段を示す横断及び長手方向の断面図である。

第２６図は、′Ｕ、気的に接続された複数の点電極から形成された弧状？！極の 概略図である。

詳細な説明 特に第１図乃至第３図を参照すると、従来技術において、速度が測定されるべき 水、排水または同様なもののような導体流が流れる導管４を有する電磁流量計２ が提供されることは知られている。

導管４を横断するように伸びている磁界６を確立するために、導管の外面に隣接 して垂直方向に間隔を置いて正反対に対向するように同軸的に配置された一対の コイル８及び１０が備えられている。導管の水平方向の直径にわたり、正反対に 対向するように一対の出力′Ｋｔｐｉ１２及び１４が配置されており、これらの 電極は、導管を通って流れる流体にそれらの隣接端部で接触するために容器内に 収容された対応する開口部を通って伸びている。第２図に示すように、フレミン グの左手の法則に従って、磁束通路６が垂直方向に伸びており、導体流の流れ１ ６が水平方向に伸びており、起電力１６は、電極１２及び１４との間に水平方向 に直角に伸びており、その力は、速度の関数としてメーター１８によって測定さ れる。

第４図及び第６図を参照すると、本発明によれば、一対の環状の巻線２０−２２ が正反対に対向する位置で導管２４の外側に配置されており、環状の巻線の軸線 は、導管に関して同じ方向に円周方向に伸びている。

第５図を参照すると、環状の巻線２０及び２２は、矩形波またはパルスのＤＣ磁 界ドライブのような交番磁界タイプのコイルドライバ２１及び２３によって励磁 されて導管の長手方向の軸線のまわりにほぼ同心円的に伸びる磁束線２６を発生 し、磁界は、はぼパイ形状であり、（導管の内周に巻線が接近していることによ って）導管の内周に隣接する部分は強く、導管の中央部で弱い、従って、第２１ 図に示すように゛、磁束の配分は、導管の中心部でほぼゼロになり、半径に沿っ て距離が増加すると大きくなるように導管の断面にわたって行われる０円周方向 に間隔を置いた４つの電極Ｅ１、　Ｅ２．　Ｅ３及びＥ４は、磁界に関連する第 １の電極を規定し、電極Ｅｌ、Ｅ２は、それぞれ、コイル２０及び２２と、導管 の中心との半径方向の中間に配置されており、電極Ｅ３及びＥ４は、環状の巻線 の間の空間に関連している。承認された電気法則によれば、パイ形状の磁界の磁 束２６及び２８は、導管２４の長手方向の中実軸線のまわりで反対方向に伸びて いる対応するバィ形状の磁界３０．３２と対向している。これらの磁界は、導管 を通って流れる導体流と相互に作用するときに、第６図に示すように半径方向の 外側及び内側に伸びている電圧ベクトルをつくる。第７図に示すように、電極Ｅ １及びＥ３に現れる信号は、演算増幅器３８の正及び負の入力端に送られ、電極 Ｅ２及びＥ４の入力は、演算増幅器３８への正及び負の入力端に供給され、演算 増幅器の出力は、加算器４０に供給される。従って、計量器４２は、加算機４０ の出力端と電極Ｅｌ−Ｅ４に関連して長手方向に間隔を置いた関係で導管２４の 壁の内周に隣接して配置されている基準電極ＥＯとの間に直列に接続されており 、基準電極ＥＯは、環状の巻＆ａ２０及び２２によってつくられた磁界の大きな 影響を受ける範囲の外側にある。このように、計量器４２を読み取ることによっ て、導管２４を通って流れる流体の速度を読み取ることが可能になる。第８図に 示すように、磁界内の４つの′Ｐｒｉ極Ｅｌ乃至Ｅ４及び磁界の外側の基準電極 ＥＯからの人力は、加算器５０への入力として作用する差動増幅器４６．４８へ の入力として組み合わせられる。

本発明の特徴によれば、好ましい構成は、導管の中央部に配置された流れを妨害 する電極を、導管２４の内周に隣接するように配置された流れを妨害しない電極 に置換する。基準または「疑似」電極として示される電極ＥＯは、磁界形成手段 の上流か、参照符号ＥＯによって示されるような磁界形成手段の下流にある。

また、流体流の速度を正確に示すための加算手段に基準電極ＥＯ及びＥＯ’　の 双方を同時に接続することができる。

第５図に示すように、遷移領域６０，６２．６４及び６６は、それぞれ、パイ形 状の磁気領域２６．２８゜３０．３２の側面の間に形成され、その遷移領域は、 磁束の方向が突然変化することによって生成される。

演算または緩衝増幅器３６及び３８、及び４６及び４８は磁界の変化を補償する ために利得修正器でもある。

電圧ベクトルＶｌ及び■２は、半径方向外側に伸び、電圧ベクトル■３及びＶ４ は、半径方向内側に伸びているから、それらは、えれぞれ演算増幅器３６及び３ ８の反対の極性の端子に入力される。

上述したように、導管２４の内周に隣接したく及び磁界形成手段２０及び２２に 隣接した）磁界の領域は導管の中心に隣接した領域よりも強く、それによって、 導管の断面が大きい場合には、多くの磁束が提供され、その結果適当な磁束の配 分が達成される。

第２の好ましくない構成は、磁界内に含まれ、導管の内周に隣接するように取り 付けられた第１の検出電極と、導管の軸線に取り付けられた第２の電極とからな る。（「疑似電極」を示すすべての図面において、この疑似電極は、流れを妨げ る構成を有する構成であっても、基本的には同じ結果を生み出す中央の電極と置 換することができる。このような構成は、くずが堆積しないきれいな流れの流体 においてのみ使用可能である。） 第９図及び第１０図を参照すると５基準電極７０は、磁界発生コイル２０′　と ２２′　との間で直径方向に導管２４′の内部の中央に取り付けられている。

前に述べたように、対向する磁界の扇形部の間の遷移領域６０，６２．６４及び ６６の領域は、重要である。磁界が扇形部の間で方向を変化させるときに、実際 にはすぐには方向が切り替わらないが、磁界の線がほぼ同心円ではなく、さらに 予測可能な同心円−な磁界がある他の大部分の領域と同じ信号を発生しない領域 がある。この遷移領域を補償する１つの方法は、電極の角度の範囲を減少させ、 それによって測定されないパイプの小さい扇状部を残す、別の案として、第１１ 図及び第１２図の実施例において提案したように、磁界形成手段は、巻線の第１ の対と第２の対との間にそれぞれ配置された遷移環状巻線８４，８６．８８及び ９０とともに第１の巻線８４，８６．８８及び９０とともに第１の巻線２０’　 及び２２′に関して円周方向に間隔を置いた環状巻線８０及び８２の第２の対を 含む、環状巻線のすべては、磁気の軸線が流体導管９４に関して同じ方向に円周 方向に伸びるように配置される。第１５図に示すように、遷移環状コイル８４゜ ８６．８８及び９０は、ドライバ手段９１によって一方向に連続的に励磁され、 環状コイル２０′及び２２′の第１の組は、連動単一極性及び複式位置スイッチ Ｓｌ及びＳ２の動作によって環状巻４ａ８０及び８２の第２の組に関して交互に 励磁される。従って、コイル２０′及び２２′が励磁されるときに、磁束のパタ ーン１００及び１０２は、遷移磁束通路１０４，１０６゜１０８及びｌ　１’０ と同じ方向に同心状に伸びる。非励磁とされるコイル８０及び８２に関する磁束 通路１１２及び１１４は、反対方向に同心円状に伸びる（すなわち、第１３図に 示す時計方向）、連動スイツ１チＳ１及びＳ２が他方向に切り替えられるとき、 部分１１２及び１１４の磁束パターンは、遷移領域１０４，１０６．１０８及び １１０と同じ方向（すなわち、反時計方向）に伸びる。非励磁の巻線２０’　及 び２２′に関連する領域１００及び１０２は、反対方向（すなわち、時計方向） に伸びている。第１１に示すように電極Ｅ１’　、　Ｅ２’　、　Ｅ３’　、及 びＥ４’　は、関連する遷移領域内の隣接する縁部で伸びている。連続する電極 は長くなり、導管１２４のわずかに長手方向に電極Ｅｌ’。

Ｅ２’　、　Ｅ３’　、及びＥ４’の交互の対を移動させることによってそれら の隣接する縁部で重複する。

第１１図乃至第１６の実施例は、電圧信号が遷移領域によって影響を受けないで 流れ領域全体の３６０゜全部をカバーする利益を得ることができる。もちろん、 流れパイプのより少ない部分は、全体的にカバーすることなく測定することがで きるが、このような装置の精度は、低減する。

前述した構成において、出力信号は、現在の流れが非対称か、またはもしそうな らばどの扇状部がそうなのかを決定するために信号を分析することなく導管への 瞬間的な全体の流れを表す、もしどの扇状部に非対称部が存在するかを決定しよ うと思うならば、第１７図に示す構成を使用する。この構成において、小さい方 の弧状の扇状部１４０が励磁され、それと関連する電極１４２の３６０°全体が 励磁され、信号が標本化されるまで順に標本化される。これらの標本化された信 号は、次の分析のために電気回路内に記憶される。

このような回路によって、瞬間的な全体の流速を測定することができるだけでな く、各扇状部からの信号を技術的な目的のために分析することができる。

同心円的に配置された磁界をつくるために前に開示した環状の巻線手段に代わる ものとして、第１８図及び第１９図に示すような、かご形タイプの巻線を使用す ることが可能である。従って、かご形巻線１５０及び＋５２は、導管１５４に関 して正反対に対向する関係で配置され、第２の組の巻線１５６及び１５８は、磁 界発生器の第１の対の間の空間内に配置されている。

かご形タイプの２つの組は、上述したように交互に励磁され、それによって導管 内に交互につくられた同心円状の磁界は、第１９図に示すように同じ方向に伸び ている。整形巻線が第２０図に示すように提供され、それによって第２１図及び 第２３図に示すように応答曲線のレベリングを行う、第２０図において、磁界発 生器は、複数のかご形の磁界発生器１５７，１５９であり、これらの発生器１５ ７，１５９は、１つのコイルで生じる磁界よりも磁界が直線化されるような極性 及び相対的な磁界の強度が発生するように間隔を置いている。

前述したように、所望の磁界の形状は、第２１図に示すように磁界がパイプの中 心でゼロに近く、内周部分に向かって大きさが直線的に増加するようなものであ る。このような磁界を達成するために、しばしば、かご形の形状における第２０ 図に示すような補助巻線を使用する必要がある。主巻線からの磁界は、第２２図 に示すような形状をつくるから、補助バッキング巻線の使用は、さらに所望の形 状に近い第２３図の形状をつくる。外周に沿って巻数を変化させて磁界を追加的 に整形することは、電極が、大きく離れた距離で生成される流れ信号より、電極 近くで生成される流れの信号に対して幾分大きな比重を与えるという事実を補償 するために望ましいことであり、このことは当業者によって容易に理解される。

第２４図及び第２５図を参照すると、この装置は、部分的に満たされた導管１６ ０、すなわち開放溝内の流体の流れを測定するために設計されている。この実施 例において、磁界形成環状巻線１６２及び１６４の第１の対は、導管１６０の水 平方向の直径に対向するように正反対の位置に配置されており、巻線は、導管の 外面に隣接している。４つの電極Ｅｌ−Ｅ４は、導管の内面に隣接するように配 置されている。基準すなわち疑似電極ＥＯ及び／またはＥＯ’　が磁界発生手段 １６２及び１６４によってつくられる磁界の上流及び／または下流のいずれかに 備えられており、それによって導管内に中央に電極を設ける二とが避けられる。

第２６図の実施例において、複数の別れた点電極２００が弧状に配置されており 、緩衝増幅器２０２を介して接続され、その増幅器の各々は、調整可能な利得制 御を備えている。

特許法の規定に従って、本発明の好ましい形態及び実施例を図示して説明したが ４前述した装置において種々の変化及び変更が行われることは明らかである。

ニト ヤ県 補正書の写しく翻訳文）提出書（特許法第１８４条の７第１項）平成６年　１月 ＩＮｆ日

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. １．（ａ）流体流を受けるための導管２４と、（ｂ）前記導管の長手方向軸線の まわりに同心円状に伸びており、導管の内周に隣接する部分で強く、導管の中央 部に隣接する部分で弱い磁界を前記導管内につくるために導管の外部に配置され た手段（２０，２２）と、 （ｃ）前記磁界内の前記導管上に配置された第１の電極手段（Ｅ１，Ｅ２）と、 （ｄ）前記磁界によってほぼ影響を受けない場所で前記導管上に配置された第２ の電極手段（Ｅ０，７０）であって、前記第１と第２の電極手段は、前記導管の 長手方向に間隔を置いた場所で前記流体に電気的に接触している第２の電極手段 （Ｅ０，７０）と、（ｅ）流体流の速度の関数である信号を発生するために前記 第１と第２の電極との間に接続された信号検出手段（４２）とからなる導管内の 流体流を測定するための電磁流量計。
2. ２．前記磁界化成手段は、前記導管の外側で正反対に対向するように配置され、 円周方向に間隔を置いた巻線手段の少なくとも第１の対を含み、巻線手段の前記 第１の対は、前記導管の円周方向に伸びている磁気軸線を有するように配置され ており、前記磁界生成手段は、さらに前記導管の長手方向の軸線に関して同じ方 向に同心円状に伸びる磁界をつくるために前記巻線手段を電気的に励磁するため の手段を有する請求項１に記載の装置。
3. ３．前記第１の電極手段は、円周方向に間隔を置いて配置された少なくとも４つ の電極を含み、その内の２つの電極は、巻線手段の第１の対と前記導管の中心の 半径方向の中間に配置されており、他の２つの電極（Ｅ３，Ｅ４）は、巻線手段 の前記第１の対の間の空間内に配置されている請求項２に記載の装置。
4. ４．巻線手段の前記第１の対の中間に円周方向に間隔を置いた関係で配置された 巻線手段（８０，８２）の第２の対であって、巻線手段の第２の対の磁束は、巻 線の第１の対と同じ方向に前記導管の円周方向に伸びており、前記他の２つの電 極は、巻線手段の前記第２の対と前記導管の中央の半径方向の中間に配置されて いる第２の対と、前記巻線手段の前記第１と第２の対を交互に励磁するための手 段とを有する請求項３に記載の装置。
5. ５．巻線手段の前記第１の対と第２の対との間に円周方向にそれぞれ配置された 円周方向に間隔を置いた遷移巻線手段（８４，８６，８８，９０）と、前記巻線 手段を連続的に励磁するための励磁手段（９１）とを含む請求項４に記載の装置 。
6. ６．前記４つの電極Ｅ１′，Ｅ２′，Ｅ３′，Ｅ４　　′の各々は、それが関連 する巻線手段を越えた各端部で伸びるように導管の周縁方向に伸びる所定の大き さを有する請求項５に記載の装置。
7. ７．前記電極の交互に配置された対（Ｅ１′′，Ｅ２′′；Ｅ３′′，Ｅ４′′ ）は、前記導管に関して長手方向に間隔を置いており、前記電極の円周方向の寸 法は、連続する電極の隣接端部が重複するような寸法である請求項６に記載の装 置。
8. ８．前記巻線手段の各々は、それぞれ対応する電極（１４２）に関連する複数の 扇状部（１４０）を含む請求項５に記載の装置。
9. ９．前記第１の巻線手段は、その磁界が導管の円周方向に伸びる一対の環状巻線 （２０，２２）を有する請求項２に記載の装置。
10. １０．前記磁界生成手段は、前記導管の外側で正反対に対向するような関係に配 置され、円周方向に間隔を置いたかご形の巻線（１５０，１５２）の少なくとも 第１の対と、前記導管の長手方向の軸線に関して同じ方向に同心円状に伸びる一 対の磁界をつくるために前記かご形巻線を電気的に励磁するための手段を有する 請求項２に記載の装置。
11. １１．前記導管（１６０）は、通常ほぼ平行であり、前記第１の対の巻線手段は 、前記専管と正反対の位置で水平方向に間隔を置いており、それによって部分的 に充填した導管及び開放溝内の流体流の速度を測定することが可能になる請求項 ２に記載の装置。
12. １２．前記第２の電極手段は、前記導管内の中央に取り付けられた少なくとも１ つの電極（７０）を有する請求項１に記載の装置。
13. １３．前記第１の電極手段は、少なくとも１つのほぼ弧状の電極を含み．その電 極による発生磁界の軸線は導管の長手方向の中心に隣接している請求項１に記載 の装置。
14. １４．前記弧状の電極は、弧形状に配置された複数の電極部分（２００）と、前 記部分を電気的に接続する手段とを有する請求項１３に記載の装置。
15. １５．前記接続手段は、複数の緩衝増幅器を含む請求項１４に記載の装置。
16. １６．前記緩衝増幅器の内少なくともいくつかの増幅器は、可変利得調整手段を 含む請求項１５に記載の装置。
17. １７．前記磁界のうち少なくとも１つの磁界を成形するために整形巻線手段（１ ５９）を含む請求項１０に記載の装置。