JPH11351925A

JPH11351925A - 電磁流量計用測定管

Info

Publication number: JPH11351925A
Application number: JP15922898A
Authority: JP
Inventors: Shingo Komatsu; 進吾小松
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 1998-06-08
Filing date: 1998-06-08
Publication date: 1999-12-24

Abstract

(57)【要約】【課題】渦電流による影響を低減し、励磁の周波数が
高速であっても励磁電流の立ち上がり、立ち下がりによ
る磁束微分ノイズの影響が少なく、ゼロ点の安定化と耐
ノイズ性の向上を図る。【解決手段】測定管１の外周に管路８を挟んで上下に
平行に対向する二個の平坦面部２０を測定管１の全長に
わたってそれぞれ形成する。これらの平坦面部２０の中
央に励磁コイル２を固定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は導電性流体、特に高
温流体やスラリー流体などの流体の流量を測定する電磁
流量計の測定管に関し、さらに詳しくは丸棒から製作さ
れる比較的小型の測定管に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】測定管内を流れる高温流体やスラリー流
体（固液混相流）などの導電性流体の流量を電気信号に
変換して測定する電磁流量計は、通常測定管を非磁性材
からなるステンレス、セラミックス等で形成し、その内
周に計測する流体に対する耐蝕性、耐摩性、電気的絶縁
性等を向上させるために、ＰＦＡ（パーフルオロアルキ
ルビニルエーテル共重合樹脂）、ＰＴＦＥ（四フッ化エ
チレン樹脂）、ネオプレン等からなるライニングを内張
りしている。測定管のうち特に小口径、例えば口径が２
５ｍｍ程度の測定管をステンレスで製作する場合、４０
〜５０ｍｍのステンレスからなる丸棒を切削加工するこ
とにより筒状体に形成してその中心孔を被測定流体の管
路とし、周面に励磁コイルと電極を取付けるための穴を
形成している。

【０００３】図９および図１０にこのような小口径の測
定管を備えた電磁流量計の従来例を示す。これらの図に
おいて、１はステンレスの丸棒を切削加工することによ
り形成された小口径の測定管で、この測定管１の周面に
はそれぞれ一対からなる励磁コイル２と電極３が取付け
られている。一対の励磁コイル２は、測定管１の外周に
上下に対向するように形成したコイル取付穴５にコア４
を介してそれぞれ配設され、被測定流体６の流れ方向と
直交する磁界を形成する。一対の電極３は、前記測定管
１の周面の軸線方向中央部に左右方向において対向する
ように貫通して形成された電極用穴７にそれぞれ取付け
られることにより前記励磁コイル２による磁界と直交
し、内端が測定管１の管路８内に臨むことにより被測定
流体６との接液面を形成している。また、測定管１の管
路８を形成する内周面には、電気的絶縁性と耐食性をも
たせるためにＰＦＡ、ＰＴＦＥ等からなるライニング９
が内張りされている。なお、１０は一端が電極３に接続
された信号リード線で、この信号リード線１０は９０°
ノイズの発生を防止するために前記測定管１の外周に沿
って測定管１の軸線と直交するように垂直に立ち上げら
れ、図示しない変換器に接続されている。

【０００４】このような構造において、一対の励磁コイ
ル２に通電し、これらを励磁することにより、測定管１
内に被測定流体６の流れ方向と直交する磁界を発生させ
る。磁界が発生すると、電磁誘導により磁界の方向と被
測定流体６の流れの方向の双方に対して直交する方向の
起電力が流速および励磁電流に比例して発生し、この起
電力を一対の電極３によって取出し、信号リード線１０
によって変換器に導き、増幅、演算処理することにより
流体の流量を測定することができる。

【０００５】電磁流量計における励磁コイル２の励磁方
式としては、矩形波励磁方式と、高速矩形波励磁方式の
２方式がある。矩形波励磁方式は、５０〜６０Ｈｚ以下
の低周波数で励磁コイル２を励磁するもので、ゼロ点の
安定性がよく、また低消費電力型であるという特長を有
し、現在主流をなしている。

【０００６】しかしながら、この矩形波励磁方式は、被
測定流体６のスラリー濃度が高い場合、流体ノイズ（ス
ラリーによる電極の機械的損傷、電気化学的腐蝕等によ
って発生するノイズ）が大きく、Ｓ／Ｎ比が低下し出力
が不安定になるという問題があった。このノイズは低周
波数ほどレベルが高い１／ｆノイズ特性をもち、その１
／ｆノイズの周波数領域は励磁周波数と重なるため、矩
形波励磁方式ではノイズを除去できない。

【０００７】高速矩形波励磁方式は、矩形波励磁方式の
もつゼロ点の安定性という長所を生かしながら、従来よ
り高い周波数で励磁コイル２を励磁し、信号をサンプリ
ングする方式である。すなわち、この方式はノイズの１
／ｆ領域から信号周波数を分離するために励磁周波数を
高くしたもので、励磁周波数としてはｆ／ｆ_ex＝６以上
の周波数帯域でホワイトノイズが支配的になるノイズ特
性に着目して設定される（例：１００Ｈｚ〜２００Ｈ
ｚ）。なお、図１１（ａ）、（ｂ）に矩形波励磁方式と
高速矩形波励磁方式の励磁電流を示す。

【０００８】しかしながら、高速矩形波励磁方式は、高
周波励磁を行ったとき、励磁電流の立ち上がり、立ち下
がりによる磁束微分ノイズの影響が大きいため、実際の
磁束は高速に立ち上がらず、定常領域が確保できずにサ
ンプリングできないという問題があって、実際には高速
励磁に限界があった。この磁束微分ノイズは、図１１
（ｃ）に示す電極電圧の立ち上がり、立ち下がりに見ら
れるスパイク性電圧部分Ｂであり、測定誤差となる。そ
して、磁束微分ノイズの発生原因は測定管１やコア４に
発生する渦電流に起因しているものと考えられている。
すなわち、測定管１の場合は金属製であると、図９およ
び図１０に破線で示すように渦電流１５が励磁コイル２
の周囲に発生する。この場合の渦電流損失は、次式で表
される。

【０００９】

【数１】

【００１０】ここで、Ｋは定数、ｆは周波数、Ｂは磁場
の大きさ、ｔは面積、σは比抵抗、ａは測定管の長さ、
ｂは測定管の外径である。

【００１１】このような渦電流１５が発生すると、被測
定流体６中に励磁コイル２による磁界とは逆の磁界が発
生して励磁コイル２による磁界を弱めてしまう。これは
励磁周波数が高ければ高いほど渦電流１５も大きくなる
ので問題をさらに複雑にしていた。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上記したように高速矩
形波励磁方式においては、コア４や測定管１に発生する
渦電流１５に起因して磁束微分ノイズが発生するため、
励磁波形が高速に立ち上がらず、そのため十分に立ち上
がらないうちに極性が切り替わってしまうと信号が正し
く取り出せないという問題があった。

【００１３】そこで、速く励磁が立ち上がるように励磁
コイル２にインナーコアに当たる鍔部４ａを備えたコア
４を設けるなどして効率のよい励磁コイルや測定管を構
成することが必要となる。

【００１４】しかしながら、励磁の周波数が高速なた
め、十分な磁束を得るために強い磁界をかけると、その
分磁束の変化も急峻になるため、測定管１、コア４およ
び鍔部４ａの表面に渦電流１５が発生することが知られ
ている。特に、測定管１には磁束の殆どが通過するた
め、その影響は大きい。

【００１５】そこで、測定管１に発生する渦電流の強度
についてシミュレーションを行った。図１２に渦電流１
５の強度分布を示す。この図から明らかなように、コイ
ル取付穴５が形成されている測定管１の上側と下側の部
分、すなわち２点鎖線１６よりコイル側の肉厚部分Ｍで
励磁コイル２に最も近いコイル取付穴５の周壁部分に大
きな渦電流１５が発生し、コイル取付穴５から遠のくに
したがって弱くなることが判明した。ここで、Ａ1 〜Ａ
10は渦電流１５の強度で、Ａ1 ＞Ａ2 ＞Ａ3 ＞……＞Ａ
10である。

【００１６】そこで、本発明者は測定管１のコイル取付
部の形状を種々変更して実験を行った結果、渦電流１５
が発生する部分Ｍ、特に磁界への影響が大きい渦電流の
強度が大の部分を取り除き測定管１と励磁コイル２の外
周との間に一定以上の隙間を設けるか、または励磁コイ
ル２を取り囲んでいる測定管１の上側と下側の肉厚部分
Ｍ全体を除去した形状にすると、渦電流自体の発生が少
なくなり、磁界への影響を少なくすることができること
を確認した。

【００１７】本発明は上記した従来の問題および実験結
果に基づいてなされたもので、その目的とするところ
は、渦電流による影響を低減し得る構造とすることによ
り励磁の周波数が高速であっても励磁電流の立ち上が
り、立ち下がりによる磁束微分ノイズの影響が少なく、
ゼロ点の安定化および耐ノイズ性の向上を可能にした電
磁流量計用測定管を提供することにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に第１の発明は、丸棒を加工して形成される電磁流量計
の測定管において、前記測定管の外周に管路を挟んで平
行に対向する二個の平坦面部を測定管の全長にわたって
それぞれ形成し、これらの平坦面部を励磁コイルの取付
部としたことを特徴とする。

【００１９】第２の発明は、丸棒を加工して形成される
電磁流量計の測定管において、前記測定管の外周で軸線
方向の中央部に管路を挟んで対向する二個のコイル取付
溝を径方向に形成し、これらのコイル取付溝に励磁コイ
ルをそれぞれ配設し、コイル取付溝の溝幅を励磁コイル
の外径の略１．２倍以上に設定したことを特徴とする。

【００２０】第３の発明は、丸棒を加工して形成される
電磁流量計の測定管において、前記測定管の外周で軸線
方向の中央部に管路を挟んで対向する二個のコイル取付
穴を形成し、これらのコイル取付穴に励磁コイルをそれ
ぞれ配設し、コイル取付穴の穴径を励磁コイルの外径の
略１．２倍以上に設定したことを特徴とする。

【００２１】第４の発明は、上記第１、第２または第３
の発明において、測定管に励磁コイルの位置決め部を設
けたことを特徴とする。

【００２２】第１の発明においては、測定管の外周に励
磁コイルの取付部となる平坦面部を全長にわたって形成
しているので、励磁コイルを取り囲み渦電流の発生原因
となる肉厚部分がない。したがって、渦電流損失を低減
することができ、高周波励磁を行ったとき、励磁電流の
立ち上がり、立ち下がりによる磁束微分ノイズの影響が
少なく、ゼロ点の安定した出力を得ることができる。

【００２３】第２の発明においては、励磁コイルとコイ
ル取付溝との間に一定以上の隙間を設けているので、測
定管の励磁コイルを取り囲む肉厚部分に渦電流が発生し
ても小さい渦電流でしかなく、渦電流損失を低減するこ
とができる。したがって、高周波励磁を行ったとき、励
磁電流の立ち上がり、立ち下がりによる磁束微分ノイズ
の影響が少なく、ゼロ点の安定した出力を得ることがで
きる。

【００２４】第３の発明においては、コイル取付穴の穴
径を励磁コイルの外径の略１．２倍以上に設定している
ので、渦電流の影響を少なくすることができる。図１２
において、渦電流１５の強度Ａ1 〜Ａ10は、コイル取付
穴５の周壁部において最も大きく、コイル取付穴５から
遠のくにしたがって弱くなる。励磁コイル２の外径をＢ
とすると、コイル取付穴５の底面外周部における渦電流
１５の強度はＡ5 である。そこで、コイル取付穴５の周
壁部における渦電流の強度もＡ5 程度以下になるように
斜線部を削除してコイル取付穴５の穴径を大きくする。
このコイル取付穴５の穴径は、励磁コイル２の外径Ｂの
略１．２倍以上が好ましく、励磁コイル２とコイル取付
穴５との間に一定以上の隙間Ｇを設ける。この結果、測
定管１の斜線部が削除された肉厚部分Ｍに渦電流が発生
しても小さい渦電流でしかなく、渦電流損失を低減する
ことができる。したがって、高周波励磁を行ったとき、
励磁電流の立ち上がり、立ち下がりによる磁束微分ノイ
ズの影響が少なく、ゼロ点の安定した出力を得ることが
できる。

【００２５】第４の発明においては、測定管に励磁コイ
ルの位置決め部を設けているので、励磁コイルを所定の
位置に確実に位置決めして固定することができる。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図面に示す実施の
形態に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る電
磁流量計用測定管の第１の実施の形態を示す斜視図、図
２は同測定管の断面図である。なお、図中従来技術の欄
で示した構成部材等と同一のものについては同一符号を
もって示し、その説明を適宜省略する。これらの図にお
いて、測定管１はステンレス等の非磁性材料からなる丸
棒を切削加工することにより形成され、中心に貫通孔か
らなる管路８を有している。この管路８の内周面はライ
ニング９によって内張りされている。

【００２７】また、測定管１の上側と下側の外周面に
は、前記管路８を挟んで平行に対向する平坦面部２０が
測定管１の全長にわたってそれぞれ形成されており、こ
れらの平坦面部２０が励磁コイル２の取付部を形成して
いる。励磁コイル２は、各平坦面部２０の中央に測定管
１および電極３の軸線に対して直交するように固定され
ることにより、通電時に管路８内に被測定流体６の流れ
方向と直交する磁界を発生させる。したがって、励磁コ
イル２は、測定管１内に埋め込まれておらず、全体が測
定管１の上方および下方に露出している。すなわち、本
実施の形態においては、図９および図１０に示したコイ
ル取付穴５の代わりに測定管１の上下面に形成した平坦
面部２０を励磁コイル２の取付部とすることにより、励
磁コイル２を取り囲んでいる肉厚部分をなくし、励磁コ
イル２の周囲に渦電流が発生しないようにしたものであ
る。

【００２８】ここで、前記励磁コイル２を平坦面部２０
の所定位置に位置決めして固定するために平坦面部２０
に位置決め部を設けておくとよい。位置決め部として
は、種々の形状、構造を採用することができるが、図３
〜図５に示すような位置決め構造を採用すると位置決め
のための別部材を一切必要とせず、簡単にかつ正確に位
置決めすることができる。すなわち、図３は平坦面部２
０の中央に凹部２１を形成し、この凹部２１に嵌合する
突起部２２をコア４の一端に一体に延設した例、図４は
平坦面部２０に環状溝２３を形成し、この環状溝２３に
嵌合する環状突起２４をコア４の一方の鍔部４ａに一体
に突設した例を示す。また、図５は平坦面部２０に複数
個の位置決め用突起２５を一体に突設し、この位置決め
用突起２５が嵌合する位置決め用穴２６をコア４の一方
の鍔部４ａに形成した例を示す。

【００２９】このような構造からなる測定管１にあって
は、励磁コイル２の周囲を取り囲み渦電流の発生箇所と
なる、図１０における肉厚部分Ｍを全く備えていないの
で、渦電流損失を低減することができ、磁界への影響を
少なくすることができる。したがって、高周波励磁にお
いて、励磁電流の立ち上がり、立ち下がりによる磁束微
分ノイズの影響が少なく、安定したゼロ点を得ることが
でき、より高い励磁周波数（４００〜５００Ｈｚ）での
励磁を可能にするとともに電磁流量計の耐ノイズ性を向
上させることができる。

【００３０】また、励磁コイル２を取り囲む肉厚部分Ｍ
を備えていないので、測定管１を軽量化することができ
る。さらに、位置決め部２１，２３または２５を測定管
１に設けているので、励磁コイル２を平坦面部２０の所
定位置に高精度に位置決めして固定することができ、取
付作業も容易である。

【００３１】図６は本発明の第２の実施の形態を示す断
面図、図７は測定管の斜視図である。この実施の形態に
おいては、測定管１の上側と下側の外周面で軸線方向の
中央部に、管路８を挟んで平行に対向する二個のコイル
取付溝３０を測定管１の径方向に形成し、これらのコイ
ル取付溝３０に励磁コイル２をそれぞれ配設している。
コイル取付溝３０の溝幅Ｗは、励磁コイル２の外径をＢ
とすると、Ｗ＞１．２Ｂとなるように設定されてい
る。Ｗ＞１．２Ｂに設定すると、図１２に示すように
コイル取付穴５の周壁部における渦電流の強度Ａ5 をコ
イル取付穴５の底面外周部における渦電流１５の強度Ａ
5 と略等しくすることができる。

【００３２】このようにコイル取付溝３０の溝幅Ｗをコ
イル外径Ｂの略１．２倍以上に設定して励磁コイル２と
コイル取付溝３０の溝壁３１との間に十分な隙間Ｇを形
成しておくと、励磁コイル２を励磁したときに測定管１
の励磁コイル２を挟んで測定管１の軸線方向に対向する
肉厚部分Ｍ1 に発生する渦電流１５を著しく小さくする
ことができる。したがって、上記した実施の形態と同様
に渦電流損失が少なく、高周波励磁において励磁電流の
立ち上がり、立ち下がりによる磁束微分ノイズの影響が
少なく、安定したゼロ点を得ることができる。なお、コ
イル取付溝３０の溝幅Ｗが１．２Ｂ以下であると、渦電
流損失が大きくなるため好ましくない。

【００３３】図８は本発明の第３の実施の形態を示す断
面図である。この実施の形態においては、測定管１の上
側と下側の外周面で軸線方向の中央部に、管路８を挟ん
で対向する二個のコイル取付穴５を形成し、これらのコ
イル取付穴５に励磁コイル２をそれぞれ配設し、コイル
取付穴５の穴径Ｘを励磁コイルの外径Ｂの略１．２倍以
上に設定している。

【００３４】このようにコイル取付穴５の穴径Ｘをコイ
ル外径Ｂの略１．２倍以上に設定すると、励磁コイル２
とコイル取付穴５の穴壁との間に十分な隙間Ｇを形成す
ることができるので、上記した第２の実施の形態と同様
に励磁コイル２を励磁したときに測定管１の励磁コイル
２を取り囲んでいる肉厚部分Ｍ2 に発生する渦電流を著
しく小さくすることができる。したがって、渦電流損失
が少なく、高周波励磁において励磁電流の立ち上がり、
立ち下がりによる磁束微分ノイズの影響が少なく、安定
したゼロ点を得ることができる。

【００３５】なお、上記した実施の形態においては、フ
ランジレスタイプの測定管に適用した例を示したが、両
端にフランジを一体的に備えた測定管であってもよい。
その場合、上記した第１の実施の形態においては、フラ
ンジ部分を除く測定管の管本体全長に平坦面部を形成す
ればよい。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る電磁流
量計用測定管によれば、励磁コイルの励磁によって発生
する渦電流を励磁コイルの取付部の形状を変えることに
より小さくするようにしたので、構造が簡単で渦電流損
失を低減することができる。したがって、高周波励磁を
行ったとき、励磁電流の立ち上がり、立ち下がりによる
磁束微分ノイズの影響が少なく、安定したゼロ点を得る
ことができ、より高い励磁周波数（４００〜５００Ｈ
ｚ）での励磁を可能にするとともに電磁流量計の耐ノイ
ズ性を向上させることができ、高速矩形励磁方式の電磁
流量計に用いて好適である。また、本発明によれば、測
定管に位置決め部を設けているので、励磁コイルを所定
の位置に高精度に位置決め固定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る電磁流量計用測定管の第１の実
施の形態を示す斜視図である。

【図２】同測定管の断面図である。

【図３】位置決め部を設けた実施の形態を示す断面図
である。

【図４】位置決め部を設けた他の実施の形態を示す断
面図である。

【図５】位置決め部を設けたさらに他の実施の形態を
示す断面図である。

【図６】本発明の第２の実施の形態を示す断面図であ
る。

【図７】電磁流量計の外観斜視図である。

【図８】本発明の第３の実施の形態を示す断面図であ
る。

【図９】電磁流量計の従来例を示す外観斜視図であ
る。

【図１０】同流量計の断面図である。

【図１１】（ａ）は矩形波励磁方式における励磁電流
の波形、（ｂ）は高速矩形波励磁方式における励磁電流
の波形、（ｃ）は電極電圧の波形、（ｄ）はサンプリン
グ信号のタイミングチャートである。

【図１２】渦電流の強度分布を示す図である。

【符号の説明】

１…測定管、２…励磁コイル、３…電極、４…コア、５
…コイル取付穴、６…被測定流体、７…電極用穴、８…
管路、９…ライニング、１０…信号リード線、１５…渦
電流、２０…平坦面部、２１…凹部、２３…環状溝、２
５…位置決め用突起、３０…コイル取付溝、Ｍ，Ｍ1 ，
Ｍ2 …肉厚部分。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】丸棒を加工して形成される電磁流量計の
測定管において、前記測定管の外周に管路を挟んで平行に対向する二個の
平坦面部を測定管の全長にわたってそれぞれ形成し、こ
れらの平坦面部を励磁コイルの取付部としたことを特徴
とする電磁流量計用測定管。
【請求項２】丸棒を加工して形成される電磁流量計の
測定管において、前記測定管の外周で軸線方向の中央部に管路を挟んで対
向する二個のコイル取付溝を径方向に形成し、これらの
コイル取付溝に励磁コイルをそれぞれ配設し、コイル取
付溝の溝幅を励磁コイルの外径の略１．２倍以上に設定
したことを特徴とする電磁流量計用測定管。
【請求項３】丸棒を加工して形成される電磁流量計の
測定管において、前記測定管の外周で軸線方向の中央部に管路を挟んで対
向する二個のコイル取付穴を形成し、これらのコイル取
付穴に励磁コイルをそれぞれ配設し、コイル取付穴の穴
径を励磁コイルの外径の略１．２倍以上に設定したこと
を特徴とする電磁流量計用測定管。
【請求項４】請求項１，２または３記載の電磁流量計
用測定管において、測定管に励磁コイルの位置決め部を
設けたことを特徴とする電磁流量計用測定管。