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JP3175261B2 - 電磁流量計 - Google Patents

電磁流量計

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JP3175261B2
JP3175261B2 JP01978792A JP1978792A JP3175261B2 JP 3175261 B2 JP3175261 B2 JP 3175261B2 JP 01978792 A JP01978792 A JP 01978792A JP 1978792 A JP1978792 A JP 1978792A JP 3175261 B2 JP3175261 B2 JP 3175261B2
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shield
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tube
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雅嗣 荒井
顕臣 河野
雄二 吉富
裕 櫻居
民雄 石原
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Hitachi Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、耐熱サイクル性、密封
性及び耐食性に優れた電磁流量性に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】電磁流量計は、測定管の内側を流動する
被測定流体を導体としてとらえ、この被測定流体に磁界
を与えることにより電圧を発生させ、この電圧を電極で
検出して流体の流量を測定するものであり、測定部が流
体に接する接液形と流体に接しない非接液形がある。
【０００３】従来、この種の電磁流量計に用いる測定管
としてステンレス銅などの金属で製作されたものが用い
られていたが、近年耐食性，耐熱性に優れたセラミック
ス材料で形成したものが主流となっている。
【０００４】このようなセラミックス製測定管を用いた
非接液形電磁流量計の電極構造として図６に示すように
測定管の外周面に非磁性金属からなる測定電極を真空蒸
着法によりメタライズして形成する米国特許4539853 号
公報に開示のものがある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】前記従来技術の電磁流
量計の電極構造においては、真空蒸着法を用いて金属を
メタライズし測定電極及びシールド電極を形成してい
る。
【０００６】この方法により形成した金属膜はセラミッ
クスとの界面接着強度が弱いため、測定管に熱の繰返し
が作用した場合、界面で徐々に両者の剥離が進行する。
このため、測定精度が低下したり、変動するという問題
点がある。
【０００７】本発明の目的は、電極を形成する金属膜と
セラミックスとの海面接着強度を熱の繰返しが作用して
も海面剥離が発生しない強度まで高め、安定した性能を
持つ電磁流量計を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的は、中空円筒形
状のセラミックスにて形成された測定管表面に複数の環
状シールド電極を配置してなり、前記複数の環状シール
ド電極同士は互いに絶縁し、前記各シールド電極の内周
面に測定電極を対向配置し、前記測定電極と対向するシ
ールド電極との間も絶縁してなる電極流量計において、
前記測定電極及びシールド電極は前記測定管側にチタ
ン、このチタンの上に銅−銀合金を配置するとともに、
このチタンと銅−銀合金は所定時間加熱されることによ
り達成される。
【０００９】
【００１０】
【００１１】
【００１２】
【００１３】
【００１４】
【００１５】
【００１６】
【００１７】
【００１８】
【００１９】
【００２０】
【００２１】
【００２２】
【００２３】
【００２４】
【００２５】
【００２６】
【００２７】
【００２８】
【００２９】
【００３０】
【作用】本発明によればチタンを少なくとも１％以上含
有した銅−銀合金、あるいはこのチタン量に相当するも
のを予め真空蒸着等によりセラミックス製測定管外表面
に薄膜として設け、この外側に銅−銀合金層を設け、こ
れをこれら金属組成の融点以上に加熱して溶融させるこ
とによりセラミックスとチタンが反応しアルミナ等酸化
物系セラミックスではＴｉＯ2 が、窒化物系セラミック
スではＴｉＮが生成してセラミックスと銅−銀合金の電
極膜とを強固に結合させる。上記のセラミックスとチタ
ンの反応は界面反応であり、加熱状態においてセラミッ
クスとチタンとが接触している界面で、セラミックスの
成分とチタンとが反応し反応生成物を形成するものであ
る。又、この反応の中には拡散反応，化学反応等も含ま
れ、上記のチタン入り銅−銀合金とセラミックスとはこ
れらの反応により強固に結合している。
【００３１】又、セラミックスを成形あるいは予備焼結
した状態で前記金属層を設けた後、焼結しても同様に作
用させることができる。更に、上記作用はチタンを含有
した銅−銀合金に限定されず、セラミックスと接する面
がアルミニウム−シリコン系合金でこの外側にこれより
融点の高いアルミニウム又はアルミニウム合金を配置し
ても得ることができる。即ち、アルミニウム−シリコン
系合金層のみ溶融させることにより酸化物系セラミック
スでは亜酸化アルミニウムが、窒化物系セラミックスで
はＡｌＮが生成して強固に電極膜が形成できる。
【００３２】セラミックスがアルミナの場合、焼結状態
及び未焼結状態の測定管表面にモリブデン−マンガン合
金層を配置して、金属層を加熱・溶融させてもアルミナ
と金属層とが反応して両者を強固に結合できる。
【００３３】本発明によれば、温度の異なる流体が流動
するプラントにおいて流体の流量を測定する電磁流量計
に流体の温度差に起因して生ずる熱応力が負荷しても、
電磁流量計を構成する測定管と電極との密着強度が高い
ため剥離が発生せず安定した測定精度による流量測定が
できる。
【００３４】
【実施例】
（実施例１）以下、本発明の第１の実施例を図１，２，
３を用いて説明する。
【００３５】図１は本実施例の電磁流量計の斜視図、図
２は電磁流量計中央部の断面図を示す。本実施例の電磁
流量計は内部に被測定流体が流動する測定管１と前記流
体に磁界を与える励磁コイル２と磁界内を通る流体の両
端に発生する起電力を検知する一対の測定電極３と測定
電極の起電力測定に悪影響を及ぼす他の磁界をシールド
するシールド電極４及び測定電極３とは絶縁され、且つ
測定電極を覆う様にシールド電磁と接続したシールドカ
バー８と、これらを収納するケース５、及び測定電極３
で検知した信号を変換器７へ伝える端子を納めた端子箱
６を備えるものである。
【００３６】図３に測定管１の外周面に設けた測定電極
３とシールド電極４を示す。測定管１として内径５０m
m，外径６０mm，管長１００mmで両端のフランジ部外径
が６５mmの焼結したアルミナセラミックスを用いた。電
極部の形成方法は、まず前記測定管外周面の軸方向の略
中央を中心として軸方向に３０mm、円周方向に２０mmの
範囲が測定電極３となる様に、又、シールド電極４は測
定電極３の周囲に２mmの間隔を設け、軸方向はフランジ
付根部までとなる様にアルミナ測定管１の外周面上をマ
スキングした。なお、一対のシールド電極４の境界部に
も幅２mmのマスキングを行なった。本実施例で用いたシ
ールド電極は、矩形状の環状シールド電極であるが、シ
ールド電極はその形状を問わず、電極が環状に形成され
ていればよい。この後、７０ｗｔ％Ａｇ−２８ｗｔ％Ｃ
ｕ−２ｗｔ％Ｔｉよりなる粉末合金をバインダーでペー
スト状にし刷毛にて厚さ約０.２mm となる様に塗布した
後、１０~2Ｐａの真空中で加熱し８５０℃に１０分間保
持して真空中で冷却した。この様にして得られた測定管
１の電極厚さは全面均一ではなく４０〜100μｍとなっ
た。このようにして製作した測定管１を図１に示した電
磁流量計に組込んで流量測定精度を調べた結果、流速１
ｍ／sec の水道水における測定スパン及びゼロ点の変動
は電源電圧がＡＣ８５〜１２０Ｖに変動しても各々０.
０４％と０.０７ ％と小さく、又電源周波数の影響は５
０Ｈｚ又は６０Ｈｚに対して±３Ｈｚ変動しても各々
０.０２％ と０.０８％ と小さく良好な測定精度が得ら
れた。次に本電磁流量計を圧力０.５ＭＰａ の蒸気と水
道水を交互に流す装置に組込み１６０℃と２０℃の急熱
急冷の熱サイクル試験を２０００回実施した結果、上記
測定精度の低下は認められず、又電極の剥離及び測定管
の割れも全く認められなかった。
【００３７】本実施例では測定管１の材質としてアルミ
ナを用いたが、これに限定されず、ジルコニア，窒化硅
素，炭化硅素，サイアロンにおいても同様の結果が得ら
れた。
【００３８】一方、本実施例において７０ｗｔ％Ａｇ−
Ｃｕ合金中のＴｉ量を０.３，０.５，１.０，２.０及び
５.０ｗｔ％ に変化させて測定電極３及びシールド電極
４を形成し上記と同じ精度測定及び急熱急冷熱サイクル
試験を実施した。その結果、初期の測定精度に差異は認
められなかったが、熱サイクル回数４５０回で０.５％
Ｔｉのものが局部的に測定電極３と測定管１との接合界
面で剥離が発生して測定値が変動し精度不良を起した
が、他のものは２０００回の温度繰返しにおいても全く
異常は認められなかった。このことからＡｇ−Ｃｕ合金
中のＴｉ量は1.0％以上が必要であり、上限については
測定電極３に信号線を半田等により接合したり、或いは
シールドカバー８をシールド電極４と半田接合するに当
り、半田接合不良が発生しない１０％以下が望ましい。
【００３９】（実施例２）測定管１として実施例１と同
一寸法で材質を窒化硅素とし、測定管外周面のうちフラ
ンジ部を除いた全面に高周波スパッタ法によりＴｉを厚
さ２μｍ蒸着した。この後、７０ｗｔ％Ａｇ−２０ｗｔ
％Ｃｕよりなる粉末合金にバインダーを加えてペースト
状にしてスクリーン印刷法により厚さ０.５mm に均一に
塗布した後、大気圧アルゴンガス雰囲気中で８５０℃，
１０分間の加熱を行ない冷却した。この後、実施例１と
同じ電極寸法となる様に電極部３，４をレジストにより
マスキングした後１５％塩化第二鉄水溶液をスプレー状
に吹きつけてエッチングして測定電極３及びシールド電
極４を形成した。この後、実施例１と同様の精度測定及
び急熱急冷熱サイクル試験を実施した結果、測定精度は
実施例１に比較して各々０.０１〜０.０２％程度低下し
た。
【００４０】一方、熱サイクル試験は実施例１と同様に
行ったが、２０００回の繰返し後も剥離等の異常は認め
られなかった。
【００４１】本実施例においては測定管１の材質として
窒化硅素を用いたが、これに限定されることなく、アル
ミナ，ジリコニア，炭化硅素及びサイアロンにおいても
同様の効果が得られた。
【００４２】（実施例３）本実施例では、測定管外径と
電極膜厚さを変化させた場合の電極膜接合部の密着性を
検討した結果を示す。
【００４３】測定管１の材質としてサイアロンを用い、
形状はフランジ部なしの単純円筒とし、外径は表１に示
す７種類、管の肉厚は全て５mm一定で長さも１５０mm一
定とした。
【００４４】
【表１】
【００４５】この測定管外表面に幅２mmの間隔をあけて
一対のシールド電極４を形成した。電極は実施例１のＡ
ｇ−Ｃｕ−Ｔｉ合金を用い、かつ実施例２で示したスク
リーン印刷法を用いて形成した。このとき電極厚さは表
１に示す数値を目標とし実際に得られた平均厚さは目標
値に対して１０μｍ以下では±１.５μｍ ，１０，５０
μｍでは±３μｍ，１００μｍ以上では±１５μｍであ
った。これら測定管１の外径及び電極膜厚さの異なった
試験片を実施例１で示したものと同様の急熱急冷熱サイ
クル試験を最高２０００回実施し、電極膜の剥離状況を
観察した。その結果を図４に示す。
【００４６】図４は熱サイクル回数が５００〜１０００
回までは、２５０回毎に、１０００〜２０００回までは
２００回毎に測定管の電極膜を顕微鏡で観察し、剥離が
発生していた時点の繰返し数を表示したものである。し
たがって剥離が発生しない繰返し数は、図４の表示の１
つ前の観察回数となる。
【００４７】又、測定管外径が１００mm以下では剥離発
生データが１点のみのため、剥離限界線は１５０〜２５
０mmの結果から推定して、１点鎖線で表示した。
【００４８】測定管外径が３０mm〜１００mmのものは電
極膜厚さ７００μｍのものにおいて前記幅２mmの間隔部
を形成している電極膜端部で接合界面近傍のサイアロン
が電極膜に附着した状態で剥離が発生した。しかし、電
極膜が５００μｍ以下ではこれらの剥離は全く認められ
ない。一方、外径が１５０mm以上になると電極膜厚さが
７００μｍは勿論のこと、５００μｍにおいても剥離が
発生した。この剥離は、セラミックスと電極膜材料との
熱膨張量差に起因し熱サイクルにより発生する繰返し熱
応力により生じ、外径が大きくなる程、又電極膜厚さが
大きい程顕著に発生する。
【００４９】図４の試験結果より測定管外径が１００mm
以下での限界電極膜厚さは５００μｍ以下，１００mm以
上２５０mm迄は３００μｍ以下が剥離の生じない膜厚さ
となる。
【００５０】なお本実施例ではサイアロンを用いたが、
アルミナ，ジルコニア，窒化硅素，炭化硅素においても
同様の結果が得られた。
【００５１】なお、電極膜厚さ５μｍの場合、膜厚さが
薄いために、電極範囲中、一部膜が形成されない部分が
発生するため、最少膜厚さは１０μｍ以上が望ましい。
【００５２】（実施例４）本実施例では、実施例１と同
一形状，寸法でセラミックスの材質がジルコニアからな
り、測定電極３及びシールド電極４とも実施例１と同形
状の測定管を用いた。これら電極膜３，４を形成する材
料として３層の厚さ０.１６mm のアルミニウムブレージ
ング材を用いた。このアルミブレージング材は両表層が
Ａｌ−１０％Ｓｉ−２％Ｍｇ合金で厚さ１６μｍから成
り、芯材がこれより高融点のＡｌ−Ｍｎ合金より成るシ
ート状からなる。このアルミブレージング材を実施例１
と同一の電極膜形状に加工して測定管１の外周面に配置
する。この外側に２分割した黒鉛製加圧治具を配置する
が、この分割合せ面はシールド電極４間の隙間と一致す
る様にする。この状態で２ＭＰａの加圧力が接合面に作
用する様に加圧して真空加熱装置内に配置し１０~2Ｐａ
の真空中で、表層のＡｌ−１０％Ｓi−２％Ｍg合金層の
みが溶融する温度である６００℃に１５分間加熱保持し
て冷却した。この後、図１に示す電磁流量計にするに当
って測定電極１とリード線及びシールド電極４とシール
ドケース８との半田接合がＡｌ面では困難であるため、
前記方法で形成した電極膜の少なくとも半田接合する部
分に半田接合が容易な金属としてＮｉメッキして半田接
合し電磁流量計とした。この流量計を実施例１と同様の
精度測定及び急熱急冷熱サイクル試験を行なった。その
結果、測定精度は実施例１と同等で熱サイクル試験２０
００回においても全く異常は認められなかった。
【００５３】本実施例ではセラミックスとしてジルコニ
アを用いたが、測定管の材質としてはこれに限定され
ず、アルミナ，窒化硅素，炭化硅素及びサイアロンにお
いても同様の結果が得られる。又、測定管１の外周全面
を前記方法により形成し、この後１０％フッ酸水でエッ
チングして電極膜３及びシールド電極膜４を形成しても
同様の効果が得られる。
【００５４】（実施例５）実施例１と同一形状，寸法で
セラミックス材質も実施例１と同じアルミナからなる測
定管を用い、測定電極及びシールド電極に相当する部分
に、８０ｗｔ％モリブデン−２０ｗｔ％マンガンからな
る混合粉末にバインダーを加えてペースト状にして、ス
クリーン印刷により厚さ２００μｍで塗布した。つぎ
に、水素雰囲気中で１５００℃の温度に４時間保持後冷
却して電極を形成した。
【００５５】この後、半田接合を容易にするために電極
部全域にＮｉメッキを行ないケース，シールドカバー等
を配置して電磁流量計とした。この電磁流量計を用い実
施例１と同様に精度測定及び急熱急冷熱サイクル試験を
行った。その結果、実施例１と同等の測定精度が得ら
れ、２０００回の熱サイクル試験においても電極部の剥
離は認められなかった。
【００５６】本実施例では測定電極３，シールド電極４
とも同一処理で電極膜を形成したが、測定電極３のみを
上記方法で形成し、シールド電極４は所定の下地処理を
行った後、厚さ２０μｍのＮｉメッキ膜として形成して
電磁流量計とし、上記と同様の試験を行った結果、上記
結果との差異は認められなかった。
【００５７】更に、本実施例で用いたアルミナに換えて
ジルコニアで測定管を形成しても同じ結果を得ることが
できた。
【００５８】（実施例６）図５に実施例２で作成した電
磁流量計１０を設置した食品プラント中への組込みの実
施例を示す。本プラントは食品槽１３内の食品を送るポ
ンプ９と食品の流動量を検出する電磁流量計１０とバル
ブ１１及び配管系を殺菌するボイラ１２で構成されてい
る。本実施例の電磁流量計１０には室温の食品流体と圧
力４ＭＰａの蒸気が交互に流入する。この様なプラント
で長時間使用しても測定精度の低下は全く認められず、
電極膜３，４の剥離及び測定管１の割れも認められず、
高精度に安定して流量を計測することが出来た。
【００５９】本実施例では食品プラントの例を示した
が、これに限定されず、上下水道及び化学プラントにお
いても同様の効果が得られた。
【００６０】
【発明の効果】本発明によれば各種材質のセラミックス
測定管の外周面に測定電極及びシールド電極を強固に設
けることが出来るため、良好な測定精度が得られ、かつ
急熱，急冷熱サイクルに対して電極膜の剥離や測定管の
割れが発生しないため、精度低下のない安定した電磁流
量計が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の電磁流量計の一部断面斜
視図である。
【図２】本発明の第１実施例の電磁流量計の断面図であ
る。
【図３】本発明の第１実施例の測定管の側面図である。
【図４】本発明の第３実施例に係る電極接合部の密着性
検討結果を表わす図である。
【図５】本発明の第６実施例の食品プラント配管系統図
である。
【図６】従来技術の測定管の側面図である。
【符号の説明】
１…測定管、２…励磁コイル、３…測定電極、４…シー
ルド電極、５…ケース、６…端子箱、７…変換器、８…
シールドカバー。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉富 雄二 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社 日立製作所 機械研究所内 (72)発明者 櫻居 裕 茨城県勝田市市毛882番地 株式会社 日立製作所 計測器事業部内 (72)発明者 石原 民雄 茨城県勝田市市毛882番地 株式会社 日立製作所 計測器事業部内 (56)参考文献 特開 昭58−196419（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−136485（ＪＰ，Ａ) 実公 昭63−1215（ＪＰ，Ｙ２) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01F 1/58

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】中空円筒形状のセラミックスにて形成され
    た測定管表面に複数の環状シールド電極を配置してな
    り、前記複数の環状シールド電極同士は互いに絶縁し、
    前記各シールド電極の内周面に測定電極を対向配置し、
    前記測定電極と対向するシールド電極との間も絶縁して
    なる電磁流量計において、前記測定電極及びシールド電
    極は前記測定管側にチタン、このチタンの上に銅−銀合
    金を配置するとともに、このチタンと銅−銀合金は所定
    時間加熱されたものであることを特徴とする電磁流量
    計。
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