▶ ドワイヤー、インストゥルメンツ、インコーポレーテッドの特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-06-08
(45)【発行日】2022-06-16
(54)【発明の名称】挿入型電磁流量計に用いられるセンサヘッド
(51)【国際特許分類】
G01F 1/58 20060101AFI20220609BHJP
G01P 5/08 20060101ALI20220609BHJP
【ＦＩ】
G01F1/58 R
G01P5/08 C
【請求項の数】
15
(21)【出願番号】P 2021538721
(86)(22)【出願日】2019-12-31
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2022-03-14
(86)【国際出願番号】 US2019069045
(87)【国際公開番号】W WO2020142477
(87)【国際公開日】2020-07-09
【審査請求日】2021-08-17
(31)【優先権主張番号】16/239,029
(32)【優先日】2019-01-03
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】501322195
【氏名又は名称】ドワイヤー、インストゥルメンツ、インコーポレーテッド
【氏名又は名称原語表記】ＤＷＹＥＲ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳ， ＩＮＣ．
(74)【代理人】
【識別番号】100128347
【弁理士】
【氏名又は名称】西内 盛二
(72)【発明者】
【氏名】モス，ロバート オースティン
(72)【発明者】
【氏名】グアダ，アレハンドロ イグナシオ バエズ
(72)【発明者】
【氏名】マ，シレイ
(72)【発明者】
【氏名】ミュイリ，ジェフ
【審査官】森 雅之
(56)【参考文献】
【文献】特表２０１８－５２５６２６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２００１－５２５０６９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特許第４１１１３８９（ＪＰ，Ｂ２）
【文献】特許第２９１１８９０（ＪＰ，Ｂ２）
【文献】仏国特許発明第１２７９５２９（ＦＲ，Ａ）
【文献】米国特許第４５５４８２８（ＵＳ，Ａ）
【文献】英国特許出願公開第１２４６４５０（ＧＢ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｆ １／５８
Ｇ０１Ｐ ５／０８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
配管中の流量を測定するための機器であって、前記配管側壁を横断することにより、前記配管を流れる導電性流体に位置決めされるように構成されるセンサヘッドを備え、
前記センサヘッドは、
芯部と、
前記芯部を少なくとも部分的に取り囲むコイルであって、励起されることで電磁界を生成可能であるコイルと、
互いに離間する第１電極及び第２電極と、
前記コイル、芯部及び電極を支持する本体と、を備え、
前記本体は、前記導電性流体が流れる少なくとも１つのチャンネルを含み、前記電極は、前記少なくとも１つのチャンネル内に位置決めされ、各チャンネルは、収束構成の対向する側壁によって規定されることを特徴とする機器。
【請求項2】
前記電極は、前記側壁の間の前記少なくとも１つのチャンネルの底壁に位置決めされていることを特徴とする請求項１に記載の機器。
【請求項3】
前記本体は、前記本体の遠位端での横方向に離間する第１翼部と第２翼部との間に位置決めされるセンターフィンを備え、第１チャンネルは、前記第１翼部と前記フィンの第１側との間に規定され、第２チャンネルは、前記第２翼部と前記フィンの第２側との間に規定され、前記第１電極は、前記第１チャンネルに位置決めされ、前記第２電極は、前記第２チャンネルに位置決めされていることを特徴とする請求項１に記載の機器。
【請求項4】
前記第１翼部は、前記第１チャンネルへ向かう内向きの凸面を含み、前記第２翼部は、前記第２チャンネルへ向かう内向きの凸面を含むことを特徴とする請求項３に記載の機器。
【請求項5】
前記フィンの前記第１側及び前記第２側は、前記第１チャンネルと前記第２チャンネルとのそれぞれへ向かう内向きの凸面をそれぞれ含むことを特徴とする請求項４に記載の機器。
【請求項6】
前記芯部は、強磁性であり、前記電極の間を延在し且つ軸方向に前記電極を超えるように延在し、前記芯部は、前記フィンに位置決めされる終端部を備えることを特徴とする請求項３に記載の機器。
【請求項7】
強磁性フレームを更に備え、前記強磁性フレームは、前記コイルの反対側における、前記本体に沿って軸方向に延在する第１脚部及び第２脚部を備え、前記第１脚部及び前記第２脚部は、軸方向に前記電極を超えるように延在し、前記第１脚部は、前記第１翼部に位置決めされる端部を備え、前記第２脚部は、前記第２翼部に位置決めされる端部を備えることを特徴とする請求項３に記載の機器。
【請求項8】
前記脚部の前記端部は、前記チャンネル内の、前記センサヘッドの有効領域における磁界の磁束密度を増加させるように構成されることを特徴とする請求項７に記載の機器。
【請求項9】
前記本体は、細長いものであり、前記配管内の流体の流動方向に垂直であるように前記配管に縦方向に挿入されるように構成され、前記少なくとも１つのチャンネル及び前記電極は、前記本体の遠位端に設置されていることを特徴とする請求項１に記載の機器。
【請求項10】
前記本体は、前記電極を前記配管内の同じ挿入深さに位置決めするように構成され、前記本体は、前記配管内の前記流体の流動方向に垂直な軸線に沿って前記電極を互いに整列されるように構成され、前記本体は、前記少なくとも１つのチャンネルを前記配管内の前記流体の流動方向に平行となるように整列させるように構成されることを特徴とする請求項９に記載の機器。
【請求項11】
前記少なくとも１つのチャンネルの収束される前記側壁は、前記少なくとも１つのチャンネルの断面積を減少させることにより、前記少なくとも１つのチャンネルを流れた前記導電性流体の流速を増加させるように構成されることを特徴とする請求項１に記載の機器。
【請求項12】
前記第１電極は、第１チャンネルに位置決めされ、前記第２電極は、第２チャンネルに位置決めされていることを特徴とする請求項１に記載の機器。
【請求項13】
前記本体は、細長いものであり、円柱状をなし、中心軸線を有し、前記第１チャンネル及び前記第２チャンネルは、前記中心軸線に垂直となるように、互いに平行に円柱状の前記本体の遠位端を横切って延在し、
使用中に、前記中心軸線が前記配管内の前記流体の流動方向に垂直となるように延在し、且つ前記チャンネルが前記配管内の前記流体の流動方向に平行となるように延在することを特徴とする請求項１２に記載の機器。
【請求項14】
前記本体は、前記芯部、コイル、フレーム及び電極上にオーバーモールドされ、
前記芯部、コイル及びフレームは、前記本体がオーバーモールドされる前に、互いに組み立てられたことを特徴とする請求項１に記載の機器。
【請求項15】
前記本体は、前記少なくとも１つのチャンネルに平行に向けられた主軸線を有する非円柱状の流線形部分を含むことを特徴とする請求項１に記載の機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電磁流量計に関する。具体的に、本発明は、挿入型電磁流量計に関する。より具体的に、本発明は、挿入型電磁流量計に用いられるセンサヘッドに関する。
【背景技術】
【0002】
配管内の流体流量を測定するための各種の計量器が存在する。１種の特定のタイプの流量計は、電磁流量計である。電磁流量計は、ファラデーの電磁誘導の法則を用いて水のような導電性流体の流量を測定する。電磁流量計は、１対の電極を採用する。この１対の電極は、配管に垂直な流動方向において互いに離間するように、配管に位置決めされる。コイルが励起されることにより、配管を流れて電極を通った流体において磁界が生成される。
【0003】
電磁流量計は、コイルを励起して磁界を生成させる。流体が配管に充満して流れ始めるとき、磁界力により、流体のマイナス電気を帯びた粒子とプラス電気を帯びた粒子とが磁界を経たときに分離する。このような分離により、センサエレクトロニクス極の間で誘導電圧が発生する。ファラデーの法則に基づくと、当該電圧の大きさは、配管中の平均流速に比例する。したがって、配管断面積を用いてセンサを較正することにより、電極を跨いで誘導された電圧の関数としての流量を測定する。
【0004】
ファラデーの法則を電磁流量計に適用すると、以下の方程式は、得られる。
Ｅ＝ＢＶＬ
ただし、
Ｅは、電極間の電位（電圧）である。
Ｂは、磁束密度である。
Ｖは、測定流体の速度である。
Ｌは、有効長さ、即ち、電極間の距離である。
Ｌが定数であるため、電極を跨いで測定された電位／電圧は、磁束密度及び流体速度に比例する。
Ｅ＝ＢＶＬ
ただし、
Ｅは、電極間の電位（電圧）である。
Ｂは、磁束密度である。
Ｖは、測定流体の速度である。
Ｌは、有効長さ、即ち、電極間の距離である。
Ｌが定数であるため、電極を跨いで測定された電位／電圧は、磁束密度及び流体速度に比例する。
【0005】
実際に、電磁流量計の測定電位（Ｅ）は、非常に弱い低振幅信号である。したがって、電磁流量計で発生された信号対雑音比（「ＳＮＲ」）が低すぎて高正確度の測定を得ることができない恐れがある。上記方程式に基づいて、配管を流れた流体の速度（Ｖ）、磁束密度（Ｂ）をそれぞれ増加し、又は、速度と磁束密度との両者を増加させることにより、所定流体の電位（Ｅ）を改善（即ち、増加）することができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本発明は、挿入型電磁流量計に関し、当該挿入型電磁流量計は、改良されたセンサヘッド設計を採用し、当該設計により、センサエレクトロニクス極の有効領域における流体の流速及び磁束密度を増加させる。この２種の改良は、何れもセンサヘッドの物理的な配置によるものである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
１つの態様によれば、配管中の流量を測定するための機器は、前記配管側壁を横断することにより、前記配管を流れる導電性流体に位置決めされるように構成されるセンサヘッドを備える。前記センサヘッドは、芯部と、前記芯部を少なくとも部分的に取り囲むコイルであって、励起されることで電磁界を生成可能であるコイルと、互いに離間する第１電極及び第２電極と、前記コイル、芯部及び電極を支持する本体と、を備える。前記本体は、前記導電性流体が流れる少なくとも１つのチャンネルを含む。前記電極は、前記少なくとも１つのチャンネル内に位置決めされる。各チャンネルは、収束構成の対向する側壁によって規定される。
【0008】
もう１つの態様によれば、単独で又は任意の他の態様と組み合わせるように、前記電極は、前記側壁の間の前記少なくとも１つのチャンネルの底壁に位置決めされてもよい。
【0009】
もう１つの態様によれば、単独で又は任意の他の態様と組み合わせるように、前記本体は、前記本体の遠位端での横方向に離間する第１翼部と第２翼部との間に位置決めされるセンターフィンを備える。第１チャンネルは、前記第１翼部と前記フィンの第１側との間に規定されてもよい。第２チャンネルは、前記第２翼部と前記フィンの第２側との間に規定されてもよい。前記第１電極は、前記第１チャンネルに位置決めされ、前記第２電極は、前記第２チャンネルに位置決めされてもよい。
【0010】
もう１つの態様によれば、単独で又は任意の他の態様と組み合わせるように、前記第１翼部は、前記第１チャンネルへ向かう内向きの凸面を含み、前記第２翼部は、前記第２チャンネルへ向かう内向きの凸面を含んでもよい。
【0011】
もう１つの態様によれば、単独で又は任意の他の態様と組み合わせるように、前記フィンの前記第１側及び前記第２側は、前記第１チャンネルと前記第２チャンネルとのそれぞれへ向かう内向きの凸面をそれぞれ含んでもよい。
【0012】
もう１つの態様によれば、単独で又は任意の他の態様と組み合わせるように、前記芯部は、強磁性であり、前記電極の間を延在し且つ軸方向に前記電極を超えるように延在し、前記芯部は、前記フィンに位置決めされる終端部を備えてもよい。
【0013】
もう１つの態様によれば、単独で又は任意の他の態様と組み合わせるように、前記センサヘッドは、強磁性フレームを更に備え、前記強磁性フレームは、前記コイルの反対側における、前記本体に沿って軸方向に延在する第１脚部及び第２脚部を備えてもよい。前記第１脚部及び前記第２脚部は、軸方向に前記電極を超えるように延在してもよい。前記第１脚部は、前記第１翼部に位置決めされる端部を備え、前記第２脚部は、前記第２翼部に位置決めされる端部を備えてもよい。
【0014】
もう１つの態様によれば、単独で又は任意の他の態様と組み合わせるように、前記脚部の前記端部は、前記チャンネル内の磁界の磁束密度を増加させるように構成されてもよい。
【0015】
もう１つの態様によれば、単独で又は任意の他の態様と組み合わせるように、前記脚部の前記端部は、前記センサヘッドの有効領域における磁界の磁束密度を増加させるように構成されてもよい。
【0016】
もう１つの態様によれば、単独で又は任意の他の態様と組み合わせるように、前記本体は、細長いものであり、前記配管内の流体の流動方向に垂直であるように前記配管に縦方向に挿入されるように構成されてもよい。前記少なくとも１つのチャンネル及び前記電極は、前記本体の遠位端に設置されてもよい。
【0017】
もう１つの態様によれば、単独で又は任意の他の態様と組み合わせるように、前記本体は、前記電極を前記配管内の同じ挿入深さに位置決めするように構成されてもよい。前記本体は、前記配管内の前記流体の流動方向に垂直な軸線に沿って前記電極を互いに整列されるように構成されてもよい。前記本体は、前記少なくとも１つのチャンネルを前記配管内の前記流体の流動方向に平行となるように整列させるように構成される。
【0018】
もう１つの態様によれば、単独で又は任意の他の態様と組み合わせるように、前記少なくとも１つのチャンネルの収束側壁は、前記少なくとも１つのチャンネルの断面積を減少させることで、前記少なくとも１つのチャンネルを流れた導電性流体の流速を増加させるように構成されてもよい。
【0019】
もう１つの態様によれば、単独で又は任意の他の態様と組み合わせるように、前記第１電極は、第１チャンネルに位置決めされ、前記第２電極は、第２チャンネルに位置決めされてもよい。
【0020】
もう１つの態様によれば、単独で又は任意の他の態様と組み合わせるように、前記本体は、細長いものであり、円柱状をなし、中心軸線を有し、前記第１チャンネル及び前記第２チャンネルは、前記中心軸線に垂直となるように、互いに平行に円柱状の前記本体の遠位端を横切って延在してもよい。
【0021】
もう１つの態様によれば、単独で又は任意の他の態様と組み合わせるように、前記センサヘッドは、使用中に、前記中心軸線が前記配管内の前記流体の流動方向に垂直となるように延在し、且つ前記チャンネルが前記配管内の前記流体の流動方向に平行となるように延在するように構成されてもよい。
【0022】
もう１つの態様によれば、単独で又は任意の他の態様と組み合わせるように、前記本体は、前記芯部、コイル、フレーム及び電極上にオーバーモールドされてもよい。
【0023】
もう１つの態様によれば、単独で又は任意の他の態様と組み合わせるように、前記芯部、コイル及びフレームは、前記本体がオーバーモールドされる前に、互いに組み立てられてもよい。
【0024】
もう１つの態様によれば、単独で又は任意の他の態様と組み合わせるように、前記本体は、前記少なくとも１つのチャンネルに平行に向けられた主軸線を有する非円柱状の流線形部分を含んでもよい。
【0025】
もう１つの態様によれば、単独で又は任意の他の態様と組み合わせるように、配管中の流量を測定するための機器は、配管側壁を横断することにより、前記配管を流れる導電性流体に位置決めされるように構成されるセンサヘッドを備える。前記センサヘッドは、芯部と、前記芯部を少なくとも部分的に取り囲むコイルであって、励起されることで電磁界を生成可能であるコイルと、前記センサヘッドの遠位端において互いに離間する第１電極及び第２電極と、前記コイルの反対側において前記本体に沿って軸方向に延在する第１脚部及び第２脚部を含む強磁性フレームと、を備える。前記第１脚部及び前記第２脚部は、軸方向において前記第１電極及び前記第２電極を超えるように延在する。前記第１電極及び前記第２電極は、前記第１脚部と前記第２脚部との間に位置決めされる。前記第１脚部及び前記第２脚部は、前記第１電極及び前記第２電極付近の磁界の磁束密度を増加させるように構成される。
【0026】
もう１つの態様によれば、単独で又は任意の他の態様と組み合わせるように、前記芯部は、前記第１電極と前記第２電極との間を延在し、且つ軸方向に前記第１電極及び前記第２電極を超えるように延在してもよい。前記芯部は、前記第１電極及び前記第２電極付近の前記磁界の前記磁束密度を更に増加させるように構成されてもよい。
【0027】
もう１つの態様によれば、単独で又は任意の他の態様と組み合わせるように、前記センサヘッドは、本体を更に備え、前記本体は、前記コイル、前記芯部、前記フレーム及び前記電極を支持する。前記本体は、遠位端部を備え、前記遠位端部は、センターフィンと、互いに離間する第１翼部及び第２翼部とを備えてもよい。前記センターフィンは、前記第１電極と前記第２電極との間を延在し、且つ軸方向に前記第１電極及び前記第２電極を超えるように延在し、前記芯部の遠位端は、前記センターフィンに終端される。前記第１翼部及び第２翼部は、軸方向に前記第１電極及び前記第２電極を超えるように延在し、前記フレームの前記第１脚部は、前記第１翼部内に終端され、前記フレームの前記第２脚部は、前記第２翼部内に終端されてもよい。前記第１電極及び前記第２電極は、前記翼部の間に位置決めされてもよい。
【0028】
もう１つの態様によれば、単独で又は任意の他の態様と組み合わせるように、前記本体は、第１チャンネルと、第２チャンネルとを更に備えてもよい。前記第１チャンネルは、上面に前記第１電極が配設される底壁、及び前記第１翼部と前記フィンとで規定される反対側壁を有する。前記第２チャンネルは、上面に前記第２電極が配設される底壁、及び前記第２翼部と前記フィンとで規定される反対側壁を有する。
【0029】
もう１つの態様によれば、単独で又は任意の他の態様と組み合わせるように、前記第１チャンネル及び前記第２チャンネルの前記反対側壁は、収束構成を有してもよい。
【0030】
もう１つの態様によれば、単独で又は任意の他の態様と組み合わせるように、前記本体は、細長いものであり、前記配管内に縦方向に挿入されるように構成されてもよい。前記第１電極及び前記第２電極は、前記配管内の前記流体の流動方向に垂直な軸線に沿って互いに整列してもよい。前記第１チャンネル及び前記第２チャンネルは、前記配管内の前記流体の流動方向に平行に整列してもよい。
【0031】
もう１つの態様によれば、単独で又は任意の他の態様と組み合わせるように、前記第１チャンネル及び前記第２チャンネルの収束される前記側壁は、前記第１チャンネル及び前記第２チャンネルの断面積を減少させることで前記第１チャンネル及び前記第２チャンネルを流れた前記導電性流体の流速を増加させるように構成されてもよい。
【0032】
もう１つの態様によれば、単独で又は任意の他の態様と組み合わせるように、前記本体は、細長いものであり、円柱状をなし、中心軸線を有し、前記第１チャンネル及び前記第２チャンネルは、前記中心軸線に垂直となるように、互いに平行に円柱状の前記本体の遠位端を横切って延在してもよい。
【0033】
もう１つの態様によれば、単独で又は任意の他の態様と組み合わせるように、前記センサヘッドは、前記少なくとも１つのチャンネルに平行に向けられた主軸線を有する非円柱状の流線形部分を含んでもよい。
【図面の簡単な説明】
【0034】
【図1】電磁流量計の取付状態を１種の例示的な構成として例示する側面図である。
【図2】電磁流量計のセンサヘッド部分の斜視図である。
【図3】センサヘッドの前面図である。
【図4】センサヘッドの側面図である。
【図5】センサヘッドの下面図である。
【図6】センサヘッドの幾つかの部品の組み立てを例示する斜視図である。
【図7】センサヘッドの分解図である。
【図9】センサヘッドの一部に対する流体の流動を例示する下面図である。
【図10】一部が取り除かれたセンサヘッドの側面図である。
【図11】センサヘッドの終端部分を取り囲む有効領域の側面図を例示する。
【図12A】制御された状況における異なるセンサヘッドに配設された電極付近の流体の流速を例示するチャートである。
【図12B】制御された状況における異なるセンサヘッドに配設された電極付近の流体の流速を例示するチャートである。
【図13A】制御された状況における異なるセンサヘッドに配設された電極付近の磁束量密度を例示するチャートである。
【図13B】制御された状況における異なるセンサヘッドに配設された電極付近の磁束量密度を例示するチャートである。
【図14A】制御された状況における異なるセンサヘッドに配設された電極で測定された電圧のチャートである。
【図14B】制御された状況における異なるセンサヘッドに配設された電極で測定された電圧のチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0035】
図１を参照すると、本明細書において電磁流量計と呼称される又は流量計と略称される機器１０は、配管１２中の流体１４の流量を測定する。図１は、例示であり、描かれた各種部品の相対的な比率又はサイズは、必ずしも精確的なものや比率通りに描かれるものとは限らない。配管中の流体１４は、通常、図１における「Ａ」とマーキングされる矢印で指示される流動方向において流動する。流量計１０は、挿入型流量計と呼称されることのあるタイプである。この種のタイプの計量器の特徴は、流量計１０がプローブ２０を備えてもよく、当該プローブは、横方向に例えば垂直的に配管壁を通り抜けて配管１２中の流動する流体１４内に挿入される。配管１２は、タップ２２、又はプローブ２０の挿入を許容するとともに流量計１０を配管に支持する他の部品が組み立てられてもよい。１つの例示的な配置では、タップ２２は、プローブの挿入を容易にするとともに液密的な封止を提供する圧縮部品又はＮＰＴ部品であってもよい。別の例示的な配置では、タップ２２は、バルブを含むホットタップ装置であってもよい。当該バルブは、流体１４の配管１２における流動を許容するとともにプローブ２０に挿入される。
【0036】
プローブ２０は、その遠位端においてセンサヘッド５０を支持する。プローブ２０は、配管１２内に挿入されることにより、センサヘッド５０を配管内の所望する位置に位置決めする。流量計１０は、配管１２外部のプローブ２０の近位端に位置決めされるセンサエレクトロニクスサブ手段２４を更に備える。センサエレクトロニクスサブ手段２４は、電子デバイスを備える。当該電子デバイスは、センサヘッド５０に問い合わせることにより、配管１２中の流体流量のレベルを示す信号を取得し、出力（有線及び／又は無線）を生成して、測定された流体流量を示す信号を伝送する。プローブ２０、タップ２２及びセンサエレクトロニクスサブ手段２４の精確なタイプ及び配置は、肝心なものではなく、センサヘッド５０及び本明細書に記載の実施案に適用可能であればよい。
【0037】
【0038】
図２乃至図５を参照すると、センサヘッド５０は、各種のセンサヘッド部品を収容する本体５２を備える。本体５２は、近位端の上端部５４と遠位端の下端部５６とを有する。上端部５４は、プローブ２０の遠位端インターフェースに接続されることでセンサヘッド５０をプローブに固定する。下端部５６は、センサヘッド５０の終端及び流量計１０の終端である。センサヘッド５０の下端部５６において、配管１２を流れた流体は、移動して、センサヘッドで生成された磁界を通ってセンサエレクトロニクス極１１２を跨いで電位を生成する（図５を参照）。
【0039】
図２乃至図５の例示的な配置では、本体５２は、ＰＶＣのような耐食塑性材料によって形成され、以下の図７乃至図９を参照するように、当該材料が内部センサヘッド部品上にオーバーモールドされる。上端部５４において、オーバーモールドされた塑性材料は、リブのような特徴６０を形成可能である。このように、センサヘッド５０をプローブ２０に接続することは、容易になる。下端部５６において、オーバーモールドされた塑性材料は、センターフィン７０及び側翼部８０を形成する。
【0040】
図６乃至図８Ｂは、センサヘッド５０の例示的に配置した内部部品を例示する。図７の分解図において、本体５２は、センサヘッドの分解部品として例示される。当業者であれば理解できるように、本体５２がオーバーモールド部品である場合に、図７に暗示的に示すように、本体を内部センサヘッド部品から「分解」又は他の方式で取り外すことは、不可能である。したがって、図７の分解図は、単に例示の目的である。オーバーモールドの配置について、組み立て及び／又は取り外しが不可能であることは、理解されるべきである。
【0041】
説明のために、本明細書では、センサヘッド５０の中心縦方向軸線５８を参照する。センサヘッド５０は、フレーム９０、芯部１００、コイル１１０及び１対の電極１２０を備える。図６乃至図８Ｂの例示的な配置では、フレーム９０、芯部１００及びコイル１１０は、軸線５８に沿って互いに整列する。フレーム９０、芯部１００、コイル１１０及び電極１２０は、本体５２に収容される。そこで、本体５２は、単独配置（例えば、モールド）された部品であってもよく、他の部品が当該部品に実装される。その代わりに、本体５２は、他の部品にモールド（例えば、オーバーモールド）されてもよい（後述を参照）。
【0042】
例示的な配置では、フレーム９０は、芯部１００及びコイル１１０を支持してもよい。例えば、このような支持が容易になるように、ネジのような締付部材（図示せず）は、延在してフレーム９０内の開口９２を通って芯部１００中の対応する開口１０２に進入して、芯部及びコイル１１０をフレームに固定する。簡素化の目的で、幾つかのセンサヘッド部品を互いに接続するための他の部品、例えば、締付部材、ワッシャー等が示されていない。
【0043】
図８Ａ乃至図８Ｂに示すように、センサヘッド部品は、本体５２のオーバーモールドされる塑性材料を介して互いに接続されてもよい。当該塑性材料は、部品の幾つかの部分を取り囲んで部品の幾つかのキャビティに充填されることで部品を互いに接続してもよい。このような配置で、所望の場合に、幾つかの導電センサヘッド部品の間で電気隔離形態を供給することは、特に有利である。当業者であれば理解できるように、これらの部品は、本明細書に記載のセンサヘッド５０の有利な特徴に一致する及び／又はこれらの有利な特徴の任意方式の互いの接続や他の方式による支持を促進可能である。別の例示として、センサヘッド５０の幾つかの部品は、締付部材のような連結機械を介して組み立てられ、且つ部分的に前述オーバーモールドによって組み立てられてもよい。
【0044】
フレーム９０は、炭素鋼のような高透磁率材料によって構成され、図に逆置きの略Ｕ字状構成を有する。フレーム９０は、一対の離間する脚部９４を備え、この一対の脚部は、軸線５８に平行に延在し、且つ横方向部材９６を介して互いに接続される。各脚部９４は、フラックス収集部９８に終端される。図６乃至図８Ｂに示すように、フラックス収集部９８は、錐形輪郭を有してもよく、且つ脚部９４の他の部分及び軸線５８に対してやや外方へ向かう角度で延在するように構成されてもよい。しかし、フラックス収集部９８は、異なって構成されてもよい。例えば、フラックス収集部９８は、非錐形のもの、及び／又は、脚部９４の他の部分から直線的に且つ角度を成さない方向に沿って延在するものであってもよい。
【0045】
芯部１００は、炭素鋼のような高透磁率材料によって構成され、脚部９４の間に位置決めされ、且つ横方向部材９６に当接して位置決めされる環状肩部１０４を有する。芯部１００は、肩部１０４から軸線５８に沿って延在する細長い円柱状コイル収容部１０６を有する。コイル１１０は、コイル収容部１０６に収容され、且つ肩部１０４に当接するように位置決めされる。芯部１００は、細長い円柱状フラックス収集部１０８を更に備え、当該フラックス収集部は、コイル収容部１０６の遠位端から軸線５８に沿ってコイル１１０を遠く離れて延在する。
【0046】
図６を参照すると、センサヘッド５０は、コイル１１０に電気接続されてコイルから延在してセンサ本体５２を通る電気リード線１１２を備える。センサヘッド５０は、電極１２０に電気的に接続されて電極から延在してセンサ本体５２を通る電気リード線１２２を更に備える。リード線１１２、１２２は、コイル１１０及び電極１２０のそれぞれとセンサエレクトロニクスサブ手段２４の電子デバイスとの電気接続が容易になるように、センサヘッド５０から延在してプローブ２０を通る。
【0047】
センサヘッド５０は、芯部１００のフラックス収集部１０８が軸方向に電極１２０を超えるように延在してフィン７０に終端されるように構成される。センサヘッド５０は、更に、フレームの脚部９４のフラックス収集部９８が軸方向に電極１２０を超えるように延在して対応する翼部８０に終端されるように構成される。図８Ａに示すように、脚部９４のフラックス収集部９８は、軸方向に電極１２０を超えるように延在し、且つ、軸方向に芯部１００のフラックス収集部１０８を超えるように延在する。
【0048】
有利的に、フレーム９０、芯部１００、フィン７０及び翼部８０の配置は、センサヘッド５０の性能の改善に寄与する。より具体的に、これらのセンサヘッド部品の配置は、センサヘッド５０の信号対雑音比（ＳＮＲ）の改善に寄与する。センサヘッド部品は、以下の方式で当該改善を図る。１）電極１２０を経て磁界を通った流体の速度（Ｖ）を向上させ、且つ、２）測定流体が流れたセンサヘッド５０の端部５６で生成された磁界の磁束密度（Ｂ）を増加させる。ファラデーの法則（Ｅ＝ＢＶＬ）を考慮し、これらのＢ及びＶ値を増加させると、必然的且つ有利的に、センサヘッド５０で測定された電位の強度や大きさ（Ｅ）を増加させる。
【0049】
図９を参照すると、フィン７０と翼部８０とにより、電極１２０をその中の対応するチャンネル１３０に位置決めするように規定する。電極１２０は、チャンネル１３０の対応する底壁１３２に位置決めされ、当該底壁は、それらの対応するチャンネルに関連付けられたフィン７０と翼部８０との間を横切る。フィン７０は、略レンズ状の構成を有する。ただし、湾曲表面７２は、互いに離間するように凸出してそれらの対応するチャンネル１３０へ向かう。翼部８０は、それらの対応するチャンネル１３０へ向かう表面８２と、対向する表面７２とを有する。表面７２と８２は、チャンネル１３０内で向かい合って収束して電極１２０での頂点に到着し、その後、互いに離れて発散する。
【0050】
センサヘッド５０の下端５４を流れた流体は、大体図９における矢印で示される。流体の流動方向Ａは、センサヘッド５０の中心軸線５８に垂直である。流体の流動方向Ａは、大体チャンネル１３０に平行である。各チャンネル１３０の少なくとも１つの側壁が曲げており、チャンネルに「平行」するとは、流動方向が縦方向であり、チャンネルを通ってチャンネルの底壁１３２に平行し、且つ、流動方向Ａと軸線５８とに平行する軸線６２に平行することを指す。電極１２０は、軸線５８と軸線６２との両方に垂直な軸線６４に沿って互いに整列する。
【0051】
図８Ｂを参照すると、本体５２が流線形部分６６を有することが分かる。当該流線形部分６６は、断面において非円柱状の構成を有し、当該構成は、センサヘッド５０が流動方向Ａ（図１及び図９を参照）に沿って流線形をなすように選択される。図８Ｂに示された例示的な配置では、流線形部分６６は、楕円形構成を有する。流線形部分６６は、本体５２の上端部５４と下端部５６との間を延在する。流線形部分６６は、楕円形断面の長軸線又は主軸線Ａｍａｊｏｒがチャンネル１３０に平行であることで、使用期間において流動方向Ａ（図１及び図９を参照）に平行となるように構成される。楕円形断面の短軸線Ａｍｉｎｏｒ又はマイナー軸は、長軸線Ａｍａｊｏｒ及びチャンネル１３０に垂直となるように延在する。
【0052】
センサヘッド５０を流れた流体１４は、抗力及び旋回離脱を引き起こす。抗力は、配管中の流体の流動へ影響を与え、且つ旋回離脱は、希望しない効果、例えば、センサヘッド５０及び／又はプローブ２０の発振及び／又は振動を引き起こす可能性がある。これは、旋回離脱がこれらの構造の共振周波数に合致するか近接する周波数を有するときに発生する。有利的に、センサヘッド５０は、流線形部分６６を有し、当該流線形部分６６は、抗力及び旋回離脱の軽減や解消を助ける楕円形構成を有する。このように、流線形部分６６は、センサヘッド５０を流れた流体１４による任意の誘導発振／振動を減少及び／又は解消することができる。本体５２の楕円形部分の形状及び／又はサイズ（例えば、主軸線／マイナー軸線の長さ）は、測定された流量の特性に応じて配置されてもよく、これらの特性は、例えば、流体媒体、予想流速、プローブ２０の長さ等である。実際に、流線形部分６６は、非楕円形を有してもよいが、旋回離脱及びその非必要な影響を引き起こす流線形配置を減少又は解消した。
【0053】
図９を参照すると、これらの矢印で示されるように、チャンネル１３０の収束－発散構成により、チャンネルを流れた流体の速度は、増加する。これは、配管１２を流れてセンサヘッド５０を通過した流体の流速が一定に維持されるが、流体の流れたチャンネル１３０の断面積が減少するからである。流体の流速は、一定に維持され、チャンネル１３０中の断面積が減少する領域における流速は、増加する。フィン７０及び翼部８０の配置により、速度が向上し、センサヘッド５０で測定された電位の強度又は大きさ（Ｅ）の増加に繋がる。
【0054】
図１０を参照すると、センサヘッド５０の電磁部品は、破線で示される非導電性オーバーモールド本体部分５２を有するように示される。電極１２０は、芯部１００のフラックス収集部１０８とフレーム９０のアーム部９４のフラックス収集部９８との間に位置決めされる。コイル１１０は、芯部１００のコイル収容部１０６上に支持され、フレームのアーム部９４がその外面に沿って延在する。
【0055】
したがって、高透磁率の強磁性材料によって構成される芯部１００及びフレーム９０は、コイルで生成された磁束の収集及び案内又は集中に寄与する。フレーム９０のフラックス収集部９８及び芯部１００のフラックス収集部１０８は、軸方向に電極１２０を超えるように延在し、電極を高透磁率材料の間に位置決めするように構成される。したがって、電極１２０及びチャンネル１３０の領域における磁界の磁束密度（Ｂ）は、増加する。そのため、所定の流体速度について、例えば、芯部１００の軸方向が短い及び／又はアーム部９４が短いか存在しないセンサヘッド配置に比べると、電極１２０を跨いで測定された電位は、増加する。
【0056】
センサヘッド５０の性能を評価するときに、焦点は、図１１に示すように、センサヘッドの有効領域１５０に存在する。有効領域１５０は、翼部８０間、翼部とフィン７０の間、及び、センサヘッド５０の端部５６の半径内の空間を含む。有効領域１５０は、流体が流れた領域であり、電極１２０を跨ぐ殆どの電位Ｅに寄与する。有効領域１５０の外部の流体の流動は、電極１２０間の電位Ｅへ殆ど影響を与えない。
【0057】
図１２Ａ乃至図１４Ｂは、図１乃至図１１の例示的な配置に基づいて配置されるセンサヘッド５０の幾つかの性能を例示する。これらの性能を例示するために、例示的な配置（図１２Ａ、図１３Ａと図１４Ａ）に基づいて配置されたセンサヘッド５０を、同じ配置（翼部８０及びフレームのフラックス収集部９８が除去された（図１２Ｂ、図１３Ｂ及び図１４Ｂ）ことを除く）を有するセンサヘッドと比較する。これらの図のそれぞれは、同じ操作条件でのセンサヘッドの有効領域１５０における測定パラメータを例示する。したがって、これらの図における例示の比較は、翼部８０及びフラックス収集部９８の、同じ条件でのセンサヘッド５０の性能への影響を示す。
【0058】
図１２Ａ及び図１２Ｂは、比較により、本発明の翼部８０を含むセンサヘッド５０と翼部を含まないセンサヘッドとによる、有効領域１５０において流動する流体の速度Ｖを例示する。図１２Ａと図１２Ｂにおいて、配管内を流動する流体は、高さが２つのセンサヘッドに対して同じであるように制御される。当該制御された流体速度において、有効領域１５０における局所速度を比較する。図１２Ａに示すように、図１２Ｂのセンサヘッドと比べて、通常、有効領域１５０において、特に電極１２０付近の流体速度の大きさは、より大きい。全ての要素が等しい場合に、電極１２０によって点Ｖ１及びＶ２で測定された図１２Ａのセンサヘッド５０を流れた流体の速度は、図１２Ｂのセンサヘッドによって点Ｖ１及びＶ２で測定された対応する速度よりも大きい。
【0059】
図１２Ａ及び図１２Ｂのセンサヘッドの間の、有効領域１５０における流体の流動を影響する唯一の区別は、図１２Ａのセンサヘッド５０が翼部８０を含むが、図１２Ｂのセンサヘッドが翼部を含まないことにある。したがって、図１２Ａ及び図１２Ｂは、センサヘッド５０の有効領域１５０における流体の流動特性への翼部８０の影響を例示する。当該影響は、積極的である。これは、翼部８０とフィン７０との組み合わせで、流体を加速させる収束－発散チャンネル１３０（図９を参照）が生成されるからである。
【0060】
図１３Ａ及び図１３Ｂは、比較により、コイル１１０が、フラックス収集部９８を含むフレーム９０を有する本発明のセンサヘッド５０と、フラックス収集部を含まないフレームを有するセンサヘッドとについて、有効領域１５０において誘導される磁束密度Ｂを例示する。図１３Ａ及び図１３Ｂにおいて、センサコイルに印加される電流は、高さが２種の配置に対して等しいように制御される。図１３Ａに示すように、図１３Ｂの無線センサヘッドと比べると、通常、有効領域１５０における、特に電極１２０付近の磁束密度Ｂの大きさは、より大きい。
【0061】
電磁という点では、図１３Ａ及び図１３Ｂのセンサヘッドの間の、有効領域１５０における磁束密度Ｂを影響する唯一の区別は、図１３Ａのセンサヘッド５０のフレーム９０がフラックス収集部９８を含むが、図１３Ｂのセンサヘッドのフレームがフラックス収集部を含まないことにある。したがって、図１３Ａ及び図１３Ｂは、コイル１１０が有効領域１５０において誘導された電磁界の磁束密度への高透磁率のフラックス収集部９８の影響を例示する。当該影響は、明らかに積極的である。これは、フラックス収集部９８による磁界の収集、伝達、案内及び／又は集中により、有効領域１５０において、特に電極１２０の領域における磁束密度Ｂの大きさが、図１３Ｂの大きさよりも大きいからである。
【0062】
センサヘッド５０の配置の、その性能への影響は、図１４Ａ及び図１４Ｂに例示される。図１４Ａ及び図１４Ｂは、比較により、センサヘッドの電極の間で測定された電位Ｅの大きさを例示する。図１４Ａのセンサヘッド５０は、図１２Ａ及び図１３Ａのセンサヘッドと同じである。図１４Ｂのセンサヘッドは、図１２Ｂ及び図１３Ｂのセンサヘッドと同じである。図１４Ａ及び図１４Ｂにおいて、配管を流れた流体は、高さが２つのセンサヘッドに対して同じであるように制御される。このような制御された流体速度において、それらの対応する電極の間の電位Ｅを比較する。図１４Ａに示すように、図１４Ｂのセンサヘッドと比べると、電位Ｅの大きさは、より大きい。図１２Ａ乃至図１４Ｂの例示的な配置及びテスト条件において、当該差異は、合計で２０%又はより多くの測定電位Ｅの増加に達することができる。
【0063】
図１４Ａ及び図１４Ｂは、センサヘッドで測定された電位Ｅの大きさへのセンサヘッド５０の特徴の影響を例示する。全ての条件が等しい場合に、例えば、同じ条件における同じ配管中の同じ流体の同じ流速について、測定された電位Ｅは、これらの特徴を含まないが他の点が同じであるセンサヘッドの信号強度よりも優れる。したがって、センサヘッド５０は、改善された信号対雑音比を有し、より精確且つ確実な測定の発生に寄与する。
【0064】
例示的な配置を参照して本発明を記述したが、当業者であれば理解できるように、本発明の精神及び範囲から逸脱しない場合に、本発明に対して各種の変更を行うことができ、均等物によって本発明の要素を置換することも可能である。本発明の精神及び範囲から逸脱しない限り、変更を行うことで本発明を特定の応用に適用可能であることも、当業者に理解されるべきである。したがって、理解できるように、本発明は、本文に記載の如何なる特定の配置や実施案に限定されるべきではない。逆に、本発明は、添付する特許請求の範囲内に収まる任意の配置を含むことができる。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8A】
【図8B】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12A】
【図12B】
【図13A】
【図13B】
【図14A】
【図14B】