JPS6078353A - 渦電流型流速計 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、渦電流型流速計、特に、液体金属の流速計と
して用いる渦電流型流速計に関するものである。

〔発明の背景〕

高速増殖炉（以下ＦＢＲと称する）の冷却材である液体
金属（ここでは液体ナトリウムを例とする）の流量の計
測には、ナトリウムの電気良導性を利用した電磁流量計
が最も一般的に使われている。

電磁流量計には、コンダクション型とインダクション型
とがあるが、コンダクション型は、流路ダクトに磁界と
′電極とをそれぞれ流れの方向に対して直角の位置に設
けてあシ、流体が磁場内を流動すると流速に比例した起
電圧が７レミングの右手の法則に従って電極間に発生す
る。従って、この起電圧を計測して配管内流量を検知す
ることができる。このコンダクション型電磁流量計は構
造及び原理が簡単であるため、ナ）　リウムループの流
量計として、従来から最も一般的に使われてきた。しか
し、配管以外の流速を計測する場合、例えば、広いプー
ル状液中の局部流速、あるいはＦｆ３Ｒ炉心の燃料集合
体内の流叶計測、いわゆる炉内計装、さらにはタンク型
ＦＢＲ主容器内に挿入される一次系主循環流量計は、計
測する雰囲気が高温ナトリウム液中であるため、コンダ
クション型電磁流量計は、電極および磁極が共にナトリ
ウム液中に設定できないため、構造上成立させることが
困難である。

このような雰囲気中での計測用として考えられたのが、
インダクション型の渦電流型流速計で、配管内流量を計
測するフロー・スルー（ＦＩＯＷＴｈｒｏｕｇｈ）型と
、インダクション型の本来の目的である液中の局所流速
を計測するプローブ（ｐｒｏｂｅ）型とが用いられる。

フロー・スルー型は流路ダクトの外周に励磁コイルと検
出コイルとを設け、コイル中心の管路内の流速を計測す
るのに対して、プローブ型は励磁および検出コイルで構
成されたペンシル型のプローブを液体中に挿入して、プ
ローブの周囲を流動する流速を検出するもので、局所流
速の計測という要求から特にプ（ｆ　−ブの小型化が技
術的課題となっている。

第１図は従来のプローブ型の渦電流型流速計の内部構造
を示すもので、１は純鉄等の良磁性体よりなる鉄心、２
及び３　（３ａ、３ｂ）は鉄心１を同軸にしてスペーサ
４　（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）によって位置決めされ
た励磁コイル及び検出コイル、５はコイルアンセンブリ
−全体を納めであるス・テンレス鋼製のハウジングで、
先端は砲弾型で、流れの乱れを防ぐ構造になっている。

６はスペーサ４ｄの一部を貫通して励磁コイル２及び検
出コイル３ａ、３ｂに接続するリード線、ｌｊ：リード
線６に接続する金属シースケーブル、８はハウジング５
に密封し外部に導かれた金属シースケーブル７に接続し
ている外部端子を示している。

第２図及び第３図は励磁コイル２と検出コイル３ａ、３
ｂの結線方式の二つの異なる方式を示すもので、第２図
は外部結線型で、Ｐは励磁コイル２のリード線、Ｓａ＋
Ｓｂはそれぞれ２個の検出コイル３ａ、３ｂのリード線
で合計６本のリード線を独立に取り出し差信号Ｓをめて
いる。また第３図は内部結線型で、ハウジング内部で２
個の検出コイル３ａ及び３ｂｅ＝Ｓらかじめ結線し、信
号Ｓを検出コイル３ａ及び３ｂの差信号として取シ出し
ている。この型の場合には、コイルの巻き始と巻き方向
とを定め、ホットポイント及びコールドポイントを決め
る。第２図及び第３図中では便宜上ホットポイント側に
・印を付しである。

このように構成されたグローブ型の渦電流型流速計をナ
トリウム液中に直接挿入し、プローブの周囲を流動する
液体Ｑの流速を計測することができる。

第４図は励磁コイル２と検出コイノビ３ａ１３ｂとを第
２図の結線型で結線した渦電流型流速計の信号処理系の
ブロック線図で、第１図及び第２図と同一部分には同一
符号が付しである。この図で、９はプローブ型の渦電流
型流速計のプローブ、１０は励磁コイル２に交流電流を
供給するための発振器、１１は発振器１０からの交流信
号を増幅する定電流増幅器で、一定電流の正弦波が励磁
コイル２に供給される。１２及び１３は２個の検出コイ
ル３ａ及び３ｂがそれぞれ独立に取り出された検出信号
を増幅するプリアンプ、１５はプリアンプ１２及び１３
から出た信号の差信号１４が入力する同期検波器で、同
期検波器１５への同期参照信号１６１−１’励磁信号の
一部から取シ出される。

１８は同期検波された信号をローパスフィルター１７を
通して指示する指示計を示している。

このように構成された渦電流型流速計の動作例を第５図
を用いて説明する。第５図（ａ）には第１図の要部を示
し、第１図と同一部分には同一符号が付しである。第５
図（ｂ）には、横軸に流体Ｑの流れの方向の距離Ｚ１縦
軸に磁束密度Ｂｚ、誘導電圧ｅが第５図（ａ）の励磁コ
イル２、検出コイル３ａ。

３ｂの位置に対応して示しである。そしてＢｚは静止液
体中の磁束密度、Ｂｚｔは流体が流れている場合の磁束
密度、６２ａ１　ｅｚｂは検出コイル３ａ及び３ｂに発
生する誘導電圧、ｅ２ａｆ　＋　ｅｚｂ１は磁束密度が
Ｂｚｔの場合の検出コイル３ａ及び３ｂに発生する誘導
電圧、ｅ−Ｃは液体中に発生する二次渦電流の方向、ｔ
！及びｔ２はコイル部分以外に磁束が漏洩した範囲を示
している。

そして発信器１０から定電流増幅器１１を経て設定され
た交流の励磁電流をプローブ９内の励磁コイル２に供給
すると、励磁コイル２による磁束Φはコイル群（励磁コ
イル２及び検出コイル３ａ。

３ｂ）の中心の鉄心１を通シ、鉄心１の一端部から漏洩
し流体中に放出され、再び鉄心１の他の端部に戻る磁気
回路の閉ループを形成する。従って、液体中には第５図
（ｂ）に示すように磁束密度Ｂｚが発生する。その結果
、流体中には、この磁場を受けて磁束密度Ｂｚの大きさ
に比例した一次渦電流を発生する。流体中に発生する一
次渦電流の方向は励磁コイルの励磁電流と同一方向であ
る。一方、２個の検出コイル３ａ及び３ｂには、磁束密
度ＢＥの一部を受けて、それぞれ誘導電圧ｅ２．及びｅ
ｚｂ　ｋ発生する。励磁コイノ・２に対して検出コイル
３ａ及び３ｂがともに同一方向に巻かれていれば、誘導
電圧ｅ２．に対して誘導電圧ｅ２ｂは１８０度の位相差
で発生する。

い壕、流体の流束が０の静止流体の場合には、磁束分布
は対称であり、上流側の検出フィル３ａと下流側の検出
コイル３ｂとは同一条件になるだめ、その誘導電圧ｅ２
．とｅｚｂの絶対値は等しくなり、その差信号１４電圧
（第４図参照）は０となる。

ところが、流体が流動している場合、例えば第５図（ｂ
）に示す矢印の方向に沿って流動している揚重には、磁
束密度の変化する部分で、磁場のうち直角成分と作用し
て流体中にさらに二次渦電流が発生する。この二次渦′
宅流は上流側と下流側のそれぞれの検出コイル３ａ及び
３ｂの部分で第５図（ｂ）のｅ−Ｃ及びｅ−ｃで示すよ
うに逆方向に発生する。そこで、前述の一次渦電流と互
に逆方向の二次渦電流とが合成されるので、上流側では
加算され下流側では減算されるような不平衡な分布にな
る。したがって、静止液中で対称だった磁束密度Ｂ’ｚ
は上流側に歪んだＢｚｔのような磁束密度分布釦なシ、
上、下流２個の検出コイル３ａ及び３ｂにはそれぞれ異
なった誘起電圧ｅ２ａｆ及びｅ２１＋ｆが発生する。

このようにして検出コイル３ａ及び３ｂに発生したそれ
ぞれの信号ｅＱａｆ及びｅ２５．は第４図に示すように
、それぞれ独立したプリアンプ１２及び１３に入力し、
アイソレーションした後差信号１４のみを抽出し、励磁
信号を参照信号１６とする同期検波器１５に入力する。

同期検波器１５では差信号１４に含まれている励磁信号
と同形波である搬送波を取シ除くため、同期検波して、
流速信号のみを抽出し直流電圧として出力する。指示器
１８はこの直流電圧を検出し、流速値への単位換算を行
って指示する。

この際、同期検波器１５の出力をローパスフィルター１
７を通しているのは同期検波器１５で取シ切れなかった
残留搬送波をさらに減衰させるためである。

この渦電流型流速計では、２個の検出コイルの信号を第
２図の方式で個別にプローブ外に取シ出し信号処理系で
差信号として取シ扱っているが、あらかじめプローブ内
で２個の検出コイルを結線するか、又は２個の検出コイ
ルどうしを逆巻の一部コイルにしてグローブ外部には差
信号として取、り出す第３図の方式を用いる場合にもほ
ぼ同様の信号処理系が用いられる。

このような従来のプローブ型の渦電流型流速計において
は、例えば、励磁用コイル、検出用コイルともに同型の
コイル構造を有する場合には、検出コイルに誘起される
電圧比は励磁コイルの３０〜５０％であシ、さらに流体
の流速によって変化する検出コイルの電圧比は誘起電圧
の２〜３チである。したがって、励磁信号から見た流速
信号は約１チ程度で微少な信号を取ね扱っている。

このため、流速信号の感度を上げるためには、励磁電流
を上げるか、あるいはコイルの巻数を多くすることが考
えられるが、プローブが大型となシ、さらにアンバラン
ス電圧が大きくなり信号のＳ／Ｎ比が低下する。とのア
ンバランス電圧は流速が００−における両検出コイルに
誘起する電圧、すなわち、銹導電圧ｅ３．　ｌ　ｅ２ｂ
の不平衡電圧で理想的にはＯである。このアンバランス
電圧の発生する原因は、両検出コイルの巻数、寸法差、
あるいは、磁場内に存在する鉄心、ハウジング等の電磁
気的アンバランスによるもので、プローブ製作時に個々
の精度は公差内におさえることができるが、第１図に示
すようにプローブは先端部と後部のリード線部との構造
が本質的に異なっていて、磁場内に非対称部が存在する
ため、完全にアンバランス電圧を０にすることはできず
、従来のプローブでは流速信号の２００〜５００％のア
ンバランス電圧が存在することが確認されている。

そして、とのアンバランス電圧を減らす提案がなされて
おり、例えば励磁コイルの位置を機械的に移動して調整
する方法も提案されているが、駆動部のメカニズムが複
雑で、まだ小型のプローブ型にｄ適用できるものはなか
った。

一方、フロー・スルー型は配管外にコイル群が設けられ
るため、コイルからのリード線の引出し等による構造上
の非対称はなくなるので、プローブ型程はアンバランス
電圧は発生しないが、アンバランス電圧の発生、感度不
足の点がプローブ型と同様に欠点となっていた。

〔発明の目的〕

本発明は、これらの欠点を除去し、小型、高感度で、ア
ンバランス電圧が少なくＳｌＮ比の高い渦電流型流速計
を提供することを目的とするものである。

〔発明の概要〕

本発明は、電導性流体場内に挿入される密閉鞘内に、磁
性体の鉄心を軸にして交流電流で励磁される励磁コイル
と、該励磁コイルの両側に前記電導性流体場の方向に前
後して配置され前記電導性流体の速度変化によって生ず
る渦電流変化を検出する２個の検出コイルとを有するコ
イルアンセンブリ−を収納してなる渦電流型流速計にお
いて、前記コイルアッセンブリーの両端に前記鉄心と連
結し前記コイル外径部まで張出した磁極が設けであるこ
とを第一の特徴とし、電導性流体が流れる磁性体よシ゛
カる管体の外周に該管体を軸にして交流電流で励磁され
る励磁コイルと該励磁コイルの両側に配置され前記電導
性流体の速度変化によって生ずる渦電流変化を検出する
２個の検出コイルとを有するコイルアッセンブリーを配
設してなる渦電流を流速計において、前記コイルアッセ
ンブリーの両端に前記管体と連結し、前記検出コイルの
外径部まで張出した磁極が設けであること全第二の特徴
とするものである。

本発明は、渦電流型流速計、特にプローブ型の渦電流型
流速計のアンバランス電圧の大きさが、プローブ端部の
電磁気的な非対称性によって生ずることに着目し、非対
称性部分への漏洩磁束成分を減少させる手段として、検
出コイル両端部に磁心の透磁率よシ高い透磁率を有する
磁極、例えば、高透磁率特性を有する磁気材料からなる
磁極をコイルの外径部分まで張出すように設けることに
よって、アンバランス電゛圧を減少させ、かつ流速に直
角な成分の半径方向磁界を増大させ、高感度化を可能と
しだものでおる。

〔発明の実施例〕

第６図は一実施例のプローブ型の渦電流型流速計の内部
構造を示すもので、第１図と同一部分には同一符号が付
しである。この図の１９及び２０は鉄心１′の両端部に
接続して設けられている磁極分水しており、この磁極１
９及び２０は鉄心１に用いた磁性材に比べさらに透磁率
の高い材料、例えば、純鉄に比べ約２０〜１００倍の透
磁率を有スルスーパーマロイ、ミューメタル等の高透磁
率材が用いられ、コイル外径まで張シ出したフランジ状
になっている。

すなわち、この渦電流型流速計は中心に純鉄等の良磁性
体の鉄心１を設け、これと同軸に励磁コイル２とこの励
磁コイル２の両側に位置して検出コイル３ａ及び３ｂが
設けられ、検出コイル３ａと励磁コイル２との間及び検
出コイル３ｂと励磁コイル２との間にはセラミック材等
の非磁性材よりなるスペーサ４ａ及び４ｂが設けられ、
検出コイル３ａ及び３ｂの外側端には前述のような磁極
１９及び２０が設けられている。各コイル２゜３ａ、３
ｂからのリード線６は下流側の磁極２゜の一部を貫通し
金属シースケーブル７に接続されて外部に導かれる。コ
イルの結線は第２図又は第３図と同じである。

このように構成されたコイルアンセンブリ〜を先端が砲
弾型の内径約１０φのＳＵＳ製ハウジング５内に納め、
ハウジング５内部には不活性でしかも熱伝導性のすぐれ
たヘリウムガス等を封入してちる。このヘリウムガスは
内部の細径のコイル線材、リード線材、鉄心材および絶
縁物の劣化を防ぎ、さらにヘリウムガスの熱伝導性を利
用して内部の温度分布の均一化をはかつている。

ハウジング５の後方から各コイル２，３ａ。

３ｂのリード線６を金属シースケーブルで取シ出し、第
４図に示した流速信号処理系に接続される。

この実施例の動作を第７図を用いて説明する。

第７図（ａ）は第６図の要部を示し、第６図と同一部分
には同一符号が付しである。第７図（ｂ）は第５図（ｂ
）に対応するもので、横軸、縦軸、その他のすべてを第
５図（ｂ）と同様に示しであるが第５図（ｂ）と区別す
るために第７図（ｂ）においては各符号に′　（ダッシ
ュ）を付しである。

このように構成されている実施例では、励磁コイル２に
よって発生した磁束は、鉄心１の軸方向に広がるが、こ
の際、鉄心１の両端に設けた磁極１９及び２０の冒透磁
特性のため、磁束のは嬉７図（ａ）の矢印で示す如く鉄
心１から磁極１９又は２０に沿って放射方向に流れるた
め、磁極１９及び２０から軸方向への漏洩磁束は極端に
少なくなる。

す々わち、半径方向の磁束Φがその分だけ増大し、さら
に磁極１９及び２０の形状がコイル外径まで張り出した
フランジ型になっているので、両磁極１９．２０間の磁
気回路パスが短くなり、半径方向の磁束が第７図の（ｂ
）で示すように増大することになる。したがって、コイ
ル以外の非対称部分への漏洩磁束が減少しり、　／及び
ｔ２′領域が小さくなる。また、その分だけ増大した磁
束Φが半径方向から流体中に放出されることになシ、そ
の磁束分布は第７図（ｂ）に示すようにＡＩ’及び７２
’領域の磁束分布勾配がシャープになる。

検出コイル３ａ及び３ｂで検出される流速信号の発生原
理は既に述べた通シであるが、その起電圧の大きさは、 ことに　Ｃｏ　：比例定数 ｅφｆ：検出コイルへの誘導起電圧 ΔＢｚｔ／ΔＺ：単位長さ当りの半径方向の磁束密度 ■ｚ：流体速度 ｒ：半径方向の流速場 で表わされる。この式かられかるように、１Ｂｚｆ／Δ
Ｚの絶対値が大きい程、大きな誘起電圧ｅφ、を得るこ
とができる。換言すれば、ｔｌ’及びｔ２′領域の磁束
分布勾配がシャープな程、渦電流型流速計の高感度化の
達成が可能となる。

啓らに、この実施例では軸方向の漏洩磁束成分が少なく
なるため、構造上の非対称性からくるアンバランス電圧
が少なくなシ、流速信号に対するＳ／Ｎ比が向上し、胃
精度で小型の渦電流型流速計を提供することが可能とな
る。

第８図及び第９図はそれぞれ異表る他の実施例の要部を
示すもので第６図の鉄心１と磁極１９及び２０のみを示
し励磁コイル２及び検出コイル３ａ、３ｂはその設置場
所のみを示しである。第６図では鉄心１の両端に高透磁
率材からなるフランジ状の磁（ｉ１９及び２０を設け、
その間にコイル群を納めるようになっているが、第８図
では、鉄心１０両端部に高透磁率材からなるリング状の
磁極１９Ａ及び２０Ａをはめ込んだものであシ、これも
第６図の場合と同様に高透磁率材の磁極１９Ａ及び２０
Ａを゛コイル外径まで張り出しだ構造となっているので
、軸方向の漏洩磁界は少なく、高感度の渦電流型流速計
を得ることができる。また、第９図では、鉄心１と磁極
１９Ｂ及び２０Ｂを一体構造にしたもので、この場合に
は、例えば純鉄等の鉄心材で構成すると、高透磁率材に
比べ低透磁率材であるため、第６図及び第８図に示す高
透磁率材を用いた場合に比べて軸方向の漏洩磁束は多く
なるが、従来型に比べ磁場のパスが４≧なるため、アン
バランス電圧は少なく、感度が向上する効果は得られる
。なお、この場合全体を高透磁率材で構成すれば、最も
効果的ではあるが、鉄心部分の透磁率が流体の透磁率（
ナトリウムの透磁率＝１）に比べ十分高ければ、所期の
効果は十分発揮することができるので、コスト、製作。

組立性を考慮した場合には、第６図又は第８図の場合が
実用的と考える。

第１０図は他の実施例としてフロー・スルー型の渦電流
型流速計の要部の断面を示すもので、この図で、２１は
内部を電導性流体が流れる磁性体よ）なる流路ダクト、
２２は流路ダクト２１の外周に設けられている励磁コイ
ル、２３ａ及び２３ｂは流路ダクト２１の外周の励磁コ
イル２２の両側に設けられている検出コイル、２４ａ及
び２４ｂは励磁コイル２２と検出コイル２３ａ及び２３
ｂとの間に設けられているスペーサ、２５及び２６は励
磁コイル２２及び検出コイル２３ａ、２３ｂよシなるコ
イルアッセンブリーの両端部に設けられている高透磁率
材よりなり検出コイルの外径部分まで延長する磁極を示
している。なお、フロー・スルー型では、流路ダクト内
の流体中に有効な磁束が得られるように、流路ダクト外
壁部には鉄心を設けず、もしも鉄心を設ける場合には流
路ダクト環状流路になるような中心部に鉄心を設ける。

この実施グ」では″、前述の実施例の場合と同様に、磁
り２５及び２６部から流路ダクト２１内流体の半径方向
の磁束密度が増加するため、検出コイル２３ａ及び２３
ｂに感応する流速信号の感度は著しく向上し、また、ア
ンバランス電圧も小さくなる。

以上の如く、実施例の渦電流型流速計は、コイル以外の
軸方向への漏洩磁束成分が少なくなる反面、流体の半径
方向への磁束密度が大きくなるため、流速信号の感度が
上り、アンバランス成分が減する。従って、Ｓ／Ｎ比が
著しく向上し、高精度で小型化を可能とする。

〔発明の効果〕

本発明は、小型、高感度で、アンバランス電圧が少なく
、Ｓ／Ｎ比の高い渦電流型流速計を提供可能とするもの
で、産業上の効果の犬なるものである。

【図面の簡単な説明】

々Ｓ１図は従来のプローブ型の渦電流型流速計の要部断
面図、第２図及び第３図は第２図の要部のそれぞれ異な
る結線図、！７！４図は嬉１図のプローブ型の渦電流型
流速計の信号処理系を示すブロック線図、第５図は同じ
くプローブ特性を示す説明図、第６図は本発明の渦電流
型流速計の一実施例（プローブｉｎの・要部断面図、嬉
７図は同じくプローブ特性を示す説明図、第８図及び第
９図は同じくそれぞれ異なる他の実施例の要部の断面図
、第１０図は同じく他の実施例（フロー・スノト一城）
の要部断面図である。 １、・、鉄心、２・０．励磁コイル、３（３ａ、３ｂ）
・・・検出コイル、４（４ａ、４ｂ戸・・スパく−サ、
５・・・ハウジング、６・・・リード線、７・・・金属
シースケーブル、８・・・外部端子、１９’、２０・・
・磁極、２１・・・り゛クト、２２・・・励磁コイル、
２３ａ、２３＋）・・・検出コイル、２４ａ、２４ｂ−
２ペーサ、２５゜２６・・・磁極。 代理人　弁理士　長崎博男 （ほか１名） 第　７　口 第　２　虐 第　３　日 第　４　図 ２ 第　５　口 第　６　麿 第　７　口 １　．３に ＼ご２６゜ 第　８　口 ２、３Ｑ、　３ｆｆ 第　ｑ　図 ２、３ｃｔ、　３．ｊ と 第　１０　凶

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、電導性流体場内に挿入される密閉鞘内に、磁性体の
   鉄心を軸にして交流電流で励磁される励磁コイルと該励
   磁コイルの両側に前記電導性流体場の方向に前後して配
   置され前記電導性流体の速度変化によって生ずる渦電流
   変化を検出する２個の検出コイルとを有するコイルアッ
   センブリーを収納してなる渦電流型流速計において、前
   記コイルアンセンブリ−の両端に前記鉄心と連結し前記
   コイル外径部まで張出した磁極が設けであることを特徴
   とする渦電流型流速計。 ２　前記磁極が、前記鉄心の透磁率よシ高い透磁率を有
   する磁極である特許請求の範囲第１項記載の渦電流型流
   速計。 ３、　前記磁極が、フランジ状で前記鉄心の両端部に配
   設ぢれている特許請求の範囲第１項又は第２項記載の渦
   電流型流速計。 ４、前記磁極が、リング状で前記鉄心の両端部に嵌着さ
   れている特許請求の範囲第１項又は第２項記載の渦電流
   型流速計。 ５、　前記磁極が、前記鉄心と一体に構成されている特
   許請求の範囲第１項又は第２項記載の渦電流型流速計。 ６、電導性流体が流れる磁性体よシなる管体の外周に該
   管体を軸にして交流電流で励磁される励磁コイルと該励
   磁コイルの両側に配置され前記電導性流体の速度変化に
   よって生ずる渦電流変化を検出する２個の検出コイルと
   を有するコイルアッセンブリーを配設してなる渦電流型
   流速計において、前記コイルアッセンブリーの両端に前
   記管体と連結し、前記検出コイルの外径部まで張出した
   磁極が設けであることを特徴とする渦電流型流速計。 ７、　前記磁極が、前記鉄心の透磁率よシ高い透磁率を
   有する磁極である特許請求の範囲第５項記載の渦電流型
   流速計。