JPH03255915A - 流量検出装置 - 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】 ［産業上の利用分野］ この発明は流体の流量を検出する流量検出装置、特に流
量検出精度の向上に関するものである。

［従来の技術］ 流体内に設置された羽根車等の回転数を検知して流体の
流量を検出する方法が従来から使用され、その改良が、
例えば特開昭６０−２２８９２３号公報や特開昭６０−
１３２１４号公報に開示されている。

特開昭６０−２２８９２３号公報に開示された流量検出
装置は、筒状の本体内に設けられた羽根車を、磁性材料
の粒子を分散させた合成樹脂材により一体成形すること
により、羽根車をできるだけ小型化して本体が流体配管
とほぼ同径になるようにしている。そして、流体の流れ
によって生じる羽根車の回転による磁気変化を、羽根車
に近接して本体に固定したホール素子や磁気抵抗素子等
の磁気センサで検知して流量を検出している。

また、特開昭６０−１３２１４号公報に開示された流量
検出装置は、流体を固定翼により旋回流とし、旋回流に
より強磁性体からなる球状の回転体を流れと垂直方向に
回転させて、変化する磁束密度をホール素子等の磁気セ
ンサで検知して流量を検出している。

［発明が解決しようとする課題］ 上記従来のホール素子や磁気抵抗素子等からなる磁気セ
ンサを使用した流量検出装置においては、磁気センサと
磁化した羽根車や回転体との距離が大きくなると、磁気
センサの出力は急激に小さくなるため、磁気センサと羽
根車外周部との距離を、例えば数ｍｍと限定せざるを得
ない。このため、流体の流路面積に対する羽根車の外径
の割合が大きくなり、流体の抵抗が大きくなるという短
所があった。

また、ホール素子等からなる磁気センサの出力電圧は小
さくｍＶのオーダである。このため高精度の測定を行な
うときは高感度の増幅器を必要とするとともに、測定精
度に外部ノイズの影響を受けやすいという短所があった
。

また、特開昭６０−１３２１４号公報にπされたように
、旋回流とした流体により流量を測定すると、測定する
流体を旋回流にすることにより、流体の流れが乱される
とともに、旋回流に本体壁面近くの流れと中心部の流れ
が混在して、正確な測定ができないという短所があった
。

この発明はかかる短所を解決するためになされたちので
あり、流体の抵抗を小さくするとともに、高精度に測定
することができる流量検出装置を得ることを目的とする
ものである。

［課題を解決するための手段］ この発明に係る流量検出装置は、非磁性体で形成された
筒状の本体と、本体内に同軸で設置され、磁気を帯びた
小型の羽根車と、本体の羽根車の外周と相対する位置に
設置され、強磁性体コアに巻き回されたコイルを有する
磁気センサとからなる。

磁気センサは強磁性体コアに巻き回されたコイルと、コ
イルに固定インピーダンスを介して一定周波数、一定電
圧の交流電力を供給する交流電力供給手段と、上記コイ
ルの両端から出力する電圧の正側電圧と負側電圧をそれ
ぞれ検出する直流電圧検出手段と、直流電圧検出手段で
検出した正側電圧と負側電圧の差から磁界の強さを検出
する磁気検出手段とを備えている。

［作用］ この発明においては、筒状の本体内に設置される羽根車
を、本体内径よりはるかに小さな外径で形成することに
より、本体内壁に沿った流体の境界層の影響を受けずに
本体中心の流れにより羽根車を回転させる。

また、この発明における磁気センサは、強磁性体コアに
巻き回されコイルに一定周波数、一定電圧の交流電力を
供給し、このコイルに流れる交流電流により生じる磁界
によってヒステリシス特性を示す強磁性体コアの透磁率
によりコイルのインピーダンスを変化させ、コイルの両
端出力電圧を正負対象の１よば矩形波状に変化させる。

このコイルを羽根車の外周と相対する本体の位置に設置
して、回転する羽根車からの磁束変化により、コイルの
両端出力電圧の正側電圧と負側電圧の電圧値を変化させ
る。この変化する正側電圧と負側電圧をそれぞれ検出し
、検出した正側電圧と負側電圧の差を算出し、羽根車か
らの磁束を電武信号として検出する。これにより、羽根
車の回転数を極めて高感度に検出できる。

また、磁気センサのコイルに直流バイアスを加算したパ
ルス電流を供給することにより、漏洩磁束の測定スパン
を拡大することができる。

また、パルス電流に加算する直流バイアスを磁気検出手
段からの磁気検出信号に応じて可変制御することにより
、磁気センサの動作点を自動的に補償して、測定条件が
変化しても常に良好な測定スパンを確保することができ
る。

［実施例］ 第１図はこの発明の一実施例を示す断面図である１図に
示すように、流量検出装置ｌは円筒状の本体２と、本体
２の中心部に設けられた主軸３に軸受を介して回転自在
に取付けられた羽根車４とを有する。

羽根車４は第２図の側面断面図に示すように２複数の翼
５を有する。翼５の１枚あるいは主軸３を中心にして対
称の位置にある２枚の先端には永久磁石６が固定されて
いる。この羽根車４の外径ｄは本体１の内径りに対して
、例えばｄ＝０．８Ｄ以下とはるかに小さく形成されて
いる。

羽根車４の外周部と相対する本体２には、第３図に示す
磁気センサ７の検出部である棒状の強磁性体コア８に巻
き回されたコイル９が固定されている。

磁気センサ７は第３図のブロック図に示すように、棒状
の強磁性体コア８と、強磁性体コア８に巻き回されたコ
イル９、コイル９に固定インピーダンス１０を介して一
定周波数、一定電圧の交流電力を供給する交流電力供給
手段１１、コイル９の両端に接続された直流電圧検出手
段１２及び磁気検出手段１３とを有する。

直流電圧検出手段１２は正極性検波器と負極性検波器と
を有し、コイル９の出力電圧の正ｇｌｉ電圧と負側電圧
をそれぞれ検出する。磁気検出手段１３は直流電圧検出
手段１２の出力を受けてコイル９の正側電圧と負側電圧
の差を求め、磁束の変動を検出する。

この磁気センサ７で検出した磁束の検出信号が計数手段
１４に送られ、計数され表示手段１５に表示される。

上記のように構成された流量検出袋＠ｌに矢印Ａで示す
ように流体が流れると、流体の流速に比例して羽根車４
が回転する。この羽根車４は本体２の内径りに対しては
るかに小さな外径ｄを有するから、小さな流体抵抗とな
り、流体の流れを乱さずに回転することができる。この
ように、羽根車４が小さく形成されているから、流速が
小さく層流となっているときに、本体２の中心部の流速
で回転することができる。また、流速が大きくて、乱流
になっているときにも、本体２の内壁に沿った流体の境
界層の影響を受けずに本体２中心部の流れにより回転さ
せることができるから、常に最適な流速で羽根車４を回
転することができる。さらに、羽根車４の慣性モーメン
トが小さくなるから、流速の変化に対する応答性を向上
させることかできる。

羽根車４の回転により、羽根車４の翼５に固定された磁
石６が強磁性体コア８に巻き回されたコイル９に対して
接離し、コイル９に作用する磁束密度をパルス状に変動
させる。

このコイル９には、例えば第４図（ａ）の電圧波形図に
示すように一定周波数、一定電圧の交流電圧Ｅが供給さ
れている。このコイル９に外部磁界を加えない状態で交
流電流を流すると、コイル９の磁束により強磁性体コア
８が磁化される。強磁性体コア８の透磁率は一定でなく
、磁界の強さによって変化し、磁化曲線はヒステリシス
特性を示す。

このためコイル９の両端に発生する出力電圧Ｅ、は第４
図（ｂ）に示すように、正負対象のほぼ矩形波状の波形
になる。そして外部磁界が加えられない状態では正側電
圧Ｖ、と負側電圧■２は等しくなる。

この状態でコイル９に、羽根車４の磁石６から外部磁界
が加えられると強磁性体コア８を交差する磁束はコイル
９で発生する磁束と磁石６の磁束の合成磁束となる。こ
のためコイル９の両端に発生する波形は第４図（Ｃ）に
示すように、正側電圧■、と負側電圧Ｖ、に差が生じる
。

そこで、直流電圧検出手段１２でコイル９の正側電圧Ｖ
、と負側電圧Ｖ、をそれぞれ検出し磁気検出手段１３に
送る。磁気検出手段１３は送られた正側電圧■りと負ｍ
電圧Ｖ！の電圧差を演算することにより、パルス状に変
動する磁石６の磁束に比例した磁気検出信号Ｓを得る。

この磁気検出信号Ｓが計数手段１４に送られて単位時間
毎に計数され、羽根車４の回転数を得る。この回転数に
より流量が算出されて表示手段１５に表示される。

この磁気センサ７で磁石６の磁束密度を測定すると、第
５図に示すように、０〜１０ガウスという微小な磁束密
度に対して０〜５００ｍＶという高い出力電圧を得るこ
とができ、従来のホール素子の出力電圧数ｍＶと比べて
非常に高い検出感度で磁束密度を測定することができる
。このため、羽根車４の外径ｄを小さくして、磁石６と
コイル９との距離を大きくしても、回転により変動する
磁石６の磁束密度を高精度に測定することができる。ま
た、磁石６を羽根車４の翼５先端に固定した場合のみな
らず、第６図に示すように磁石６とバランサ１７を羽根
車４の胴部１６に埋め込むようにしてち、羽根車４の回
転により生じる磁束密度の変動を磁気センサ７で検出す
ることができる。

なお、上記実施例は複数の翼５を有する羽根車４に磁石
６を固定した場合について説明したが、第７図に示すよ
うにプロペラ形の羽根車４ａを使用し、プロペラ１８の
先端に磁石６とバランサ１７を固定したり、羽根車４ａ
を磁性材料で形成して磁化させておいても、上記実施例
と同様な作用を奏することができる。

また、羽根車４の回転数の測定の際に温度が変動してコ
イル９の巻線抵抗と強磁性体コア８の透磁率が変化して
も、この変化によるコイル９のインピーダンスは磁化電
流の正負極性とも等しく変化するので相互に補償し合う
から、温度変化によるコイル９の正側電圧と負側電圧の
差にドリフトは発生せず、温度変動の影響なしに精度良
く漏洩磁束を測定することができる。

また強磁性体コア８をコイル９に流す電流で充分飽和す
るまで磁化することにより、コイル９の両端に発生する
出力電圧は一定値にクリップされ、コイル両端の出力電
圧は外部磁界の強弱のみによって正極と負極との振幅及
び位相が変化するようにしたから、交流電力供給手段１
１の出力電圧や固定インピーダンス１０の抵抗値が多少
変化しても検出感度は変化せず、高感度で漏洩磁束を測
定することができる。

なお、上記実施例においては、磁気センサ７のコイル９
に交流電力供給手段１１から、連続した交流電流を供給
する場合について説明したが、交流電力供給手段１１か
らパルス電流を出力し、このパルス電流に直流バイアス
を加算することにより、磁束密度検出の測定スパンを拡
大し、羽根車５の回転数の検出精度をより向上させるこ
とができる。

第８図はコイル９に直流バイアスを加えたパルス電流を
供給する場合の実施例の磁気センサ７を示す。図に示す
ように、交流電力供給手段ｌｌから高周波電圧パルス電
流が加算器２１に供給されるとともに直流電源２２から
直流バイアスが加算器２１に供給される。加算器２１で
は高周波電圧に直流バイアスを加算して合成電圧を発生
し、その合成電圧が電力増幅器２３で増幅され、抵抗か
らなるインピーダンス１０を介してコイル９に供給され
る。

この実施例において、直流電源２２からの直流バイアス
電流の値をＯｍＡ、　５０　ｍＡ、　１００ｍＡ１５０
＋ａＡ　、　２００ｍＡと変化させたときのコイル９の
磁化電流−出力電圧特性を測定した結果を第９図に示す
。

第９図に示すように、コイル９に直流バイアス電流を１
００＋＋＋Ａ供給すると直流バイアスがＯｍＡのときに
比べて線形特性が得られる範囲が磁化電流の０〜４．５
Ａ程度となり約２倍の測定スパンが得られることになる
。このように測定スパンを拡大することができ、磁気の
検出精度を向上することができる。

そして直流バイアス電流をｌｏＯｍＡからさらに多くす
ると測定スパンは変化しないが磁界強度の測定エリアが
シフトするようになる。

また、直流電源２２からの直流バイアス電流を磁気検出
手段１３が出力する検出信号Ｓに応じて可変可能とし、
測定条件が変化しても常に良好な測定スパンを得るよう
にしても良い。

第１Ｏ図は直流バイアス電流を可変する場合の実施例を
示すブロック図である。図に示すように、磁気検出手段
１３の検出信号Ｓをローパスフィルタ２４を介して差動
増幅器２５に送る。差動増幅器２５は検出信号Ｓと基準
電圧発生器２６からの基準電圧とを比較し、その差電圧
を直流電源２２に送る。この差電圧により直流電源２２
は直流バイアス電流を可変して加算器２１に送る。この
ように磁気検出手段１３の検出信号Ｓにより磁気センサ
７の動作点を検出し、基準電圧発生器２６の基準電圧と
の差電圧な差動増幅器２５で求めて直流電源２２からの
直流バイアスを制御することにより、欠陥が無い状態で
の磁気検出手段１３の検出信号Ｓが常にＯＶになるよう
に自動的に補償する。

このように磁気センサ７の測定スパンの中央に動作点を
自動的に補償することにより、測定条件が変化しても常
に良好な測定スパンを確保でき、羽根車の回転数検出性
能をさらに向上させることができる。

［発明の効果］ この発明は以上説明したように、筒状の本体内に設置さ
れる羽根車を、本体内径よりはるかに小さな外径で形成
することにより、本体内壁に沿った流体の境界層の影響
を受けずに本体中心の流れにより羽根車を回転させるよ
うにしたから、流体に対する抵抗を小さくすることがで
きるとともに、慣性モーメントを小さくし流速変化に対
する応答性を向上させることができ、精度よく流量を計
測することができる。

また、磁気センサは、強磁性体コアに巻き回されコイル
に一定周波数、一定電圧の交流電力を供給し、このコイ
ルに流れる交流電流により生じる磁界によってヒステリ
シス特性を示す強磁性体コアの透磁率によりコイルのイ
ンピーダンスを変化させ、コイルの両端出力電圧を正負
対象のほぼ矩形波状に変化させる。このコイルを羽根車
の外周と相対する本体の位置に設置して、回転する羽根
車からの磁束変化により、コイルの両端出力電圧の正側
電圧と負側電圧の電圧値を変化させる。この変化する正
側電圧と負側電圧をそれぞれ検出し、検出した正側電圧
と負側電圧の差を算出し、羽根車からの磁束を電気信号
として検出するようにしたから、羽根車の回転数を極め
て高感度に検出することができる。

また、磁気センサのコイルに直流バイアスを加算したパ
ルス電流を供給することにより、磁束の測定スパンを拡
大することができ、羽根車の回転数の検出精度をより向
上させることができる。

さらに、パルス電流に加算する直流バイアスを磁気検出
手段からの磁気検出信号に応じて可変制御することによ
り、磁気センサの動作点を自動的に補償して、測定条件
が変化しても常に良好な測定スパンを確保することがで
き、流Ｉｔ測測定より安定して行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例を示す正面断面図、第２図は
上記実施例の羽根車を示す正面断面図、第３図は磁気セ
ンサを示すブロック図、第４図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）
は各々磁気センサの動作を示す電圧波形図、第５図は磁
気センサの出力特性図、第６図、第７図は各々他の羽根
車を示し、第６図は正面断面図、第７図は正面図、第８
図は他の実施例を示すブロック図、第９図は第８図に示
した実施例の出力特性図、第１Ｏ図は第３の実施例を示
すブロック図である。 ｌ・・・・流量検出装置、２・・・・本体、４・・・・
羽根車、５・・・→Ｌ６・・・・磁石、７・・・・磁気
センサ、８・・・・強磁性体コア、９・・・・コイル、
１０・・・・固定インピーダンス、１１・・・・交流電
力供給手段、１２・・・・直流電圧検出手段、１３・・
・・磁気検出手段、１４・・・・計数手段、１５・・・
・表示手段、１８・・・・プロペラ、２１・・・・加算
器、２２・・・・直流電源、２５・・・・差動増幅器、
２６・・・・基準電圧発生器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 非磁性体で形成された筒状の本体と、 該本体内に同軸で設置され、磁気を帯びた小型の羽根車
   と、 上記本体の羽根車の外周と相対する位置に設置され、強
   磁性体コアに巻き回されたコイルと、該コイルに固定イ
   ンピーダンスを介して一定周波数、一定電圧の交流電力
   を供給する交流電力供給手段と、 上記コイルの両端から出力する電圧の正側電圧と負側電
   圧をそれぞれ検出する直流電圧検出手段と、 該直流電圧検出手段で検出した正側電圧と負側電圧の差
   から磁界の強さを検出する磁気検出手段と、 を備えたことを特徴とする流量検出装置。