(57)【要約】流体（１０８）の流量を測定するための電磁変換器（１０９）が電極（１０２）及び交番磁界（１０７）を有し、電極（１０２）は５Ｈｚ未満の周波数において炭素又は耐食性金属の合金を含む電極よりも低い雑音エネルギーを有する。電極（１０２）の雑音特性は、約１Ｈｚの磁界周波数において炭素又は耐食性金属の合金の雑音特性よりも低い。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の流量を測定するための電磁変換器であって、前記変換器は電極及び交番磁界を有し、電極は５Ｈｚ未満の周波数において炭素又は耐食性金属の合金を含む電極よりも低い雑音エネルギーを有する、電磁変換器。
【請求項２】
流体の流量を測定するための電磁変換器であって、前記変換器は電極及び交番磁界を有し、電極は約１Ｈｚの磁界周波数において炭素又は耐食性金属の合金を含む電極の雑音特性よりも低い雑音特性を有する、電磁変換器。
【請求項３】
前記電極は、ガルヴァーニ電流がその前記流体との境界面を横切って流れるように構成される、請求項１又は請求項２に記載の電磁変換器。
【請求項４】
前記電極は、前記ガルヴァーニ電流がイオンによって運ばれるように構成される、請求項３に記載の電磁変換器。
【請求項５】
前記電極は、金属と、前記金属と前記流体との間に介在する前記金属のイオン化合物とを含み、それによって電荷交換を助ける、請求項４に記載の電磁変換器。
【請求項６】
前記イオン化合物は、流量を測定すべき前記流体中に微溶性である、請求項５に記載の電磁変換器。
【請求項７】
前記金属は銀である、請求項５又は６に記載の電磁変換器。
【請求項８】
前記イオン化合物はハロゲン化銀塩である、請求項７に記載の電磁変換器。
【請求項９】
前記ハロゲン化銀塩は塩化銀又はフッ化銀である、請求項８に記載の電磁変換器。
【請求項１０】
前記電極は、電気化学的に付着された金属塩の層を含む、請求項５から９のいずれか一項に記載の電磁変換器。
【請求項１１】
前記電極は焼結された金属塩の層を含む、請求項５から９のいずれか一項に記載の電磁変換器。
【請求項１２】
前記金属塩の層の厚さは、前記電極のインピーダンスが最小値であるようになっている、請求項１０又は１１に記載の電磁変換器。
【請求項１３】
前記電極の表面は、その活性面積を増大させるように粗面化される、前記請求項のいずれかに記載の電磁変換器。
【請求項１４】
前記金属塩の層は一部が還元される、請求項１３に記載の電磁変換器。
【請求項１５】
前記電磁変換器の１対の電極が、前記２つの電極間のオフセット電位を最小化するように均衡される、前記請求項のいずれかに記載の電磁変換器。
【請求項１６】
前記交番磁界を生成する手段を備え、前記手段は残留磁気を発揮する、前記請求項のいずれに記載の電磁変換器。
【請求項１７】
前記請求項のいずれかに記載の電磁変換器を組み込む流量計。
【請求項１８】
前記流量計は電池から電力供給を受ける、請求項１７に記載の流量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電磁流量変換器に関し、特に、電磁水流量計に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の公共設備の水量計では、機械的な流量変換器（典型的には容積式又は単射／多射型ジェット・タービン）が、この変換器の反復サイクル数を測定する記録器機構に結合されている。この機構はしばしば機械的な積算計である。これを遠隔測定器に必要な電子機器と接続することは、この積算計がデジタル計数器を有するソリッドステート型記録器によって置き換えられているときでも、面倒でありかつ経費がかさむ恐れがある。
【０００３】
同様にソリッドステート型の流量変換器を使用すると、このような接続問題が軽減する。このような流量変換器はよく知られており、それは図１の断面図に例示されている種類の電磁流量変換器である。
【０００４】
流管１０１が、この管１０１の直径を隔てて配置された１対の電極１０２を備える電磁変換器１０９を組み込み、それぞれの電極１０２の一方の表面の少なくとも一部が管中の流体１０８と直に接触する。磁極部品１０３は、管１０１の垂直な直径を隔てて配置され、かつ磁気回路１０４によって接続されている。当業ではよく知られているように、磁界１０７はバルク媒体（水の場合にはイオン）によって移動する荷電化学種に対して力を与え、この荷電化学種を磁界とバルク流体の運動方向との両方に対して直交する方向に移動させる。反対に荷電した化学種の相互変位によって移動方向に沿って電界が生じ、それは所与のイオンに対する静電力が磁力によって均衡されるまで増大する。磁力は内在的にバルク媒体の流速に依存するので、反対の電界（又は電位差）の測定が流量を算定する適宜な手段となり、他方では時間に関して積分することによって管を通過した総量を計算することができる。このような測定を実現するために電極信号を処理する回路が当業でよく知られており、従って本明細書ではこれ以上詳しく説明しない。
【０００５】
よく知られているように、静的な場の測定の様々な制約を克服するために、印加磁界を交番させることが有利であり得る。このような１つの制約は流体中の電位差を測定するのに利用される電極の性質によって課せられる。理想的な電極は流体に対して完璧な電気接続を形成し、固液境界面間にはいずれの方向にも電荷の交換に対するエネルギー障壁が存在しない。このようなことは実際のシステムではほとんど観察されず、電位差が境界面間に存在する可能性が遙かに高い。このような電位差はしばしば不十分に画定され、それは周波数に逆比例する雑音スペクトル（１／ｆ）を示すように時間と共に不規則に変動する。従って、静的な場（ＤＣ）の測定が大きな瞬時誤差を蒙ることになる。
【０００６】
印加磁界を既知の周波数ｆ0で交番させると、この問題の一部が克服される。即ち、図２に示すように、それによって、望ましい電気信号２１０が、電極雑音スペクトル２０２の特徴的な周波数よりもかなり高くなるように選択される周波数ｆ0でも存在することになる。電気信号の振幅の測定が実質的に誤差のない流量を示す。
【０００７】
交番磁界を印加する他の理由は、典型的な電極の小信号電気インピーダンス（それらの電極間に接続された測定回路によって感知される）も周波数の増大と共に低下することである。従って、この測定回路は、実質的な誤差を生じることなく信号源からより多くの電流を引き出すことが許容され得る。主要な利点は、より簡素で、より安価な測定回路の設計を採用できることである。
【０００８】
電極の周波数依存挙動を理解するためには、固液境界面３０１にしばしば応用される、コンデンサ３０３と並列接続されている抵抗器３０２から成る図３の単純な電気的モデルを検討することが有益である。固体３０４と液体３０５との間における電荷化学種の直接交換は、抵抗器３０２を通過する流れによって示され、他方ではコンデンサ３０３が、この境界面を実際に横切ることなく、その近傍に蓄積する電荷化学種の傾向を表す。実質的に１Ｈｚを超える周波数では、コンデンサ３０３は、一般に固液境界面を通過する小信号電流が流れるためのより容易な経路となる。
【０００９】
図１の装置では、交番磁界が、磁気回路１０４の一部に巻き付けられ、かつ適切な交番電流波形が供給されるコイル１０５によって実現されている。さらには、電力消費を削減するために、磁界の状態を変更する必要があるときにコイルを励磁するだけで済むように、残留磁気を発揮する１つ又は複数の要素１０６を磁気回路１０４に設けることが知られている。
【００１０】
本発明は、電磁流量変換器の電力消費をさらに一層削減することを目的として有する。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
従って、本発明は電極及び交番磁界を有する電磁流量変換器にあり、そこでは電極が５Ｈｚ未満の周波数において炭素又は耐食性金属の合金を含む電極よりも低い雑音エネルギーを有する。
【００１２】
本発明は、低い周波数において水量計で通常使用される電極よりも低い雑音エネルギーを有する電極を使用することによって、同じ信号対雑音比に関して交番磁界の周波数が低減可能であり、それが次に変換器の電力消費を低減するという認識に基づく。
【００１３】
対照的に、知られている電磁流量変換器の電極は、それらが腐食効果に耐性があるように選択され、その結果、ステンレス鋼又はハステロイのような耐食性金属の合金から作製される。このような知られた変換器では、境界面間の電気化学的電位の画定が不十分であり、より長い時間間隔、即ち、秒単位の時間間隔にわたって大きな変動を許す。しかし、知られている変換器は１Ｈｚよりも遙かに大きな磁界周波数で動作するので、これによって問題が発生することはなかった。従って、換言すれば、本発明はまた、電極及び交番磁界を有する電磁流量変換器にあり、そこでは電極が約１Ｈｚの磁界周波数において耐食性金属の合金を含む電極の雑音特性よりも低い雑音特性を有する。
【００１４】
有利なことに、この電極は、ガルヴァーニ電流が流量を有する流体との境界面を横切って流れるように構成されている。ガルヴァーニ電流は、固液境界面を通過する電荷化学種の移動又は交換によって生じる。それは、知られている電磁流量計において液体とセンサ電極との間を流れ、かつ相境界を実際に横切らないで境界面の両側に蓄積又は分散する電荷の対向する薄層の結果として流れる変位電流とは異なる。ガルヴァーニ電流構成は、電極の電気インピーダンス及び雑音特性を大幅に向上させる。
【００１５】
電極は、ガルヴァーニ電流がイオンによって運ばれるように構成されることが好ましい。銀イオンは、固体銀が長い時間にわたって水中で安定性があり、かつそれほど顕著に腐食しないので特に有利である。しかも、それは無毒性であり、安全食品添加物（Ｅ１７４）である。銀はまた、電気化学的系列が銅に近く、水流管中の望ましくない電気腐食の恐れを低下させる。それは殺菌性でもあり、電極の中又は付近における厄介な生物膜の滞留及び形成を防止する助けとなる。
【００１６】
好ましい一実施形態では、電極は、金属と、この金属と流量を有する流体との間に介在する当該金属の塩とを含み、それによってガルヴァーニ電流の基礎となる導体と流体との間の電荷交換を助ける。塩又はイオン化合物は、測定すべき流量を有する流体中に微溶性であることが好ましく、従って電極に貯留される。この金属が銀である場合には、そのイオン化合物はハロゲン化銀塩であり得る。しかも流体が水である場合には、このようなハロゲン化銀塩は水道水の中に最も普通に存在するイオン（塩化物、フッ化物）によって有利に形成される。ハロゲン化銀は、金属と接触して安定的な電気化学的半電池を形成する。
【００１７】
電極は、例えば、陽極処理によって金属表面上に電気化学的に付着された金属塩の層を含むことができる。別法として、それは、金属表面上に焼結された金属塩層を含むことができる。この層の厚さは電極のインピーダンスに影響することになる。即ち、それが厚すぎれば、それは電気回路全体に過剰な直列インピーダンスを追加し、他方でそれが薄すぎれば、必要な電気化学的反応を維持するには密度が不十分となる。したがって、層の厚さは、電極のインピーダンスが最小であるように、例えば、経験的に、このような両極端の中間にあるように選択されることが好ましい。
【００１８】
雑音及び電気的特性のさらなる向上は、電極活性面積を増大させるように粗面化された金属表面を有する電極によって実現可能である。これは金属塩の一部を再び金属に還元することによって適宜に実現可能であり、それは非均一で粗目の金属の再生を典型的にもたらす。
【００１９】
電磁流量変換器の１対の電極が、これらの２つの間のオフセット電位を最小にするように均衡されることが好ましい。それぞれの電極は、別体の電気化学的半電池として作用し、液体に対して対応する電位差を有する。電極が同じでなければ、２つの半電池電位間の差が電極端子間に存在することになり、これは後続の増幅回路に問題（例えば、飽和）を引き起こす恐れがある。
【００２０】
以上の本発明の低電力の利点は、上で論じた残留磁気を発揮する手段によって磁界が生成されるときに実現される電力消費の削減によってさらに高まる。本発明はまた、電磁変換器の低電力消費によって電池電力（図１の１１０で示す）の使用も可能になり、かつそれがもたらす組付け易さにおける利点を実現するような電磁変換器を組み込む流量計を包含する。
【００２１】
本発明は例示として添付の図面に図示されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図４は、本発明の第１の実施形態である電極を示し、この電極は金属要素４０１（例えば、ワイヤ、プレート、又は基部の導体を完全に覆う薄膜）を含み、この金属要素は流量を測定すべき液体４０３に微溶性である、同じ金属のイオン化合物４０２によって被覆されている。
【００２３】
図示の例では、この金属４０１は銀であり、付随する化合物４０２は塩化銀である。図５は、固体の銀電極４０１と水和された塩化銀層４０２との間の相境界を横切る銀イオンによって、流体４０３と金属４０１との間における完全に可逆性のガルヴァニック電荷交換を例示する。境界面間の電位はネルンストの式によって定義されるが、この式自体はＡｇＣｌの表面密度及びＣｌイオンの液中密度に依存する。これらの量は一定ではないが、通常はそれらが交番磁界の周期よりも遙かに大きな時間尺度で変動するように想定可能である。本発明によれば、このような変動の時間尺度は、制御されたイオン交換機構を保有しない電極表面に関するよりもかなり長い。従って、雑音エネルギーが低減されるので、より低い周波数における動作が助長される。図１１は、従来の鋼電極又は炭素電極（曲線Ａ及びＢ）と比較した、塩化銀を含む電極に関する周波数ｆに伴う雑音Ｎの変動を示す（曲線Ｃ）。基線がＤで示されている。
【００２４】
イオン化合物層４０２は、金属表面が液中に通常に存在する化学種と自然に反応することによって形成され得る。例えば、銀電極は、塩素処理された給水源中の処理剤（又は残留物）と反応するものと想定されており、最終的には塩化銀を生成する。
【００２５】
図６は、自然に十分反応しない場合に、イオン化合物の量を増大させる方法を実施するための装置を例示する。測定電極６０１及び６０２に加えて、流体６０３と接触するように第３の電極６０４が設けられる。電極６０４は、６０１及び６０２と同じ物質から作製される必要はない（例えば、黒鉛又は鋼でも十分である）。制御電子機器６０５によって算定された間隔で、実質的な電位が電極６０４と測定電極６０１及び６０２との間に印加される。上述の塩化銀システムでは、測定電極６０１及び６０２は共に、電極６０４に対して、その近傍の負に帯電したイオン化学種と電極６０１及び６０２中のある一定量の銀を反応させるのに十分な正の電位に保持されることになる。このイオン化学種は塩化物であることが好ましく、このような反応に好都合であるように電極間に印加される電位を選択することができる。
【００２６】
上記処理の間隔及び継続時間は幾つかの方法で算定可能である。最も単純な実施では、この処置に適用される間隔は据え付け前に決定されている。別法として、この間隔は測定ユニット６０６によって検出される電気信号の特性に従って計算可能である。例えば、電極からの信号の不規則変動の増大（即ち、雑音の増大）は、まず間違いなくイオン化合物の欠乏によって電極インピーダンスが上昇していることを知らせるものである。これを利用して被覆を回復する処置のサイクルの開始合図にすることができよう。別法として、電極被覆の状態は、ユニット４０６によって行われるアクティブ・インピーダンスの測定を利用して算定可能である。
【００２７】
図７は、上記方法を用いて作製された電極を示すが、それは塩化銀の薄膜７０２を電気化学的に被覆した銀の平坦部分７０１を含む。その平坦部分の表面は、乱流並びにそれに対応する測定雑音及び不確実さを低減するように、流動する液体７０３に直接的に接触して、好ましくは流管の壁と面一で位置決めされているので、この表面は液中の粒子よって時間経過と共に摩耗されやすく、それによって活性電極表面を維持するのを助ける。
【００２８】
図８の８０１及び８０２でそれぞれ示すように、金属基板の電極上に焼結した酸化銀を使用することによって、より大きな表面積が、塩化銀のより多くの持続的な貯蔵層と共に得られる。図示のように、電極８０２は、一体構造、即ち、ワイヤ又はプレートの単一の固体部品である。しかし、焼結構造も可能である。顆粒の形態にある金属銀も焼結塩化銀層８０１の中に含み得るが、銀顆粒の比率は実質的な数が相互に電気接触するように選択される。このような銀と塩化銀顆粒との混合物は、銀棒又は銀板のような第３の一体構造の金属要素上に形成可能である。
【００２９】
図９は、本発明に係る他のより堅牢な電極構造であるが、それは時間的な安定性も増し、消耗され難い上に異物混入又は流動作用からの妨害を受け難い。一体構造の銀板９０１が、塩化銀及び／又は銀の顆粒、粉体、又は焼結品であり得る塩化銀の介在貯蔵層９０３によって、フリット９０２のような保護透水性要素の背後に後退して配置されている。
【００３０】
図１０は図７及び８の合成を示し、塩化銀の焼結顆粒１００１が固体銀要素１００３内部の中心凹所１００２の中に配置されている。この焼結部分は良好な条件下で最も安定した電極となるが、他方では露出した銀（１００４の塩化銀によって示されている）は、透水性要素がより閉塞されやすい厳しい条件、例えば、汚れた水に対処するのにより適切である。
【００３１】
金属を覆って形成された塩化銀層が厚すぎると、それは電気回路全体に過剰な直列インピーダンスを追加することが理解されよう。それが薄すぎれば、その密度は必要な電気化学的反応を維持するのに不十分である。塩化物の最適量は、電極の製造時又は爾後の動作時に、安定した電解液中で電極の電気インピーダンスを監視することによって算定可能である。インピーダンスがその実現可能な最低点になるまで陰極処理又は陽極処理を行うべきである。
【００３２】
実際には、インピーダンスが測定される構成要素はコンデンサ、抵抗、又はこれら２つの組合せであり得る。それは、電極の端子と同じ電解液中に液浸された、もう１つの流量計電極であり得る第２の電極の端子との間で測定可能である。別法として、２つの電極は、これらの間の小信号インピーダンスを測定するために小さな差分交番電位が印加できるような方式で（例えば、電極端子をインダクタと一緒に接続することによって）処理時に同じ平均電位に維持され得る。
【００３３】
２つの電極間のオフセット電位を確実に最小にするように、それらを均衡させることも重要である。それぞれの電極は別体の電気化学的な半電池として作用し、液体に対して対応する電位差を有する。電極が同じでなければ、これらの２つの半電池電位間の差が電極端子間に存在することになり、これは後続の増幅回路に問題（例えば、飽和）を引き起こす恐れがある。
【００３４】
この目的のためには、電極が共通の電気化学的な半電池電位に達するまで、それらを処理することができる。これは、本明細書のいずれかで説明したように陽極処理、陰極処理、化学薬剤又は光に対する暴露の１つ若しくは複数を含み得るが、電極の半電池電位は一定の標準半電池に対して、又は同時処理されていない第２の電極に対して測定される。別法として、この処理は、ある一定時間の間、２つ以上の同様の電極端子を相互に接続し、他方でこれらの電極を共通の導体電解液中に液浸することを含み得る。このような電極処理は、初期の製造時ばかりでなく、完成機器の動作寿命の間にもホスト電子機器によって実施可能である。
【００３５】
電極の雑音及び電気的特徴は、その活性表面を増大させ、それによってその境界面インピーダンスを低減させることによって改善可能である。これは知られた機械的及び電気化学的な粗面化技法によって実現可能である。さらには、上に説明した陽極処理において電流の流れを逆転することによって、ＡｇＣｌを金属Ａｇに再び変換することが可能であり、金属の再生は、金属表面から成長する、ＡｇＣｌ間における金属Ａｇ形態の樹枝状結晶として生じる。これも銀電極の活性表面積を増大させる効果を有し、金属銀の一体構造及び焼結構造でも共に応用可能であり、そこで顆粒間に樹枝状結晶を再生するのに利用することができる。
【００３６】
表面積を増大させる工程は、上に述べた塩化銀の形成工程と交互に実施可能である。それは、他の知られた低減方法、例えば、水素ガス中で加熱するか又は光に暴露することを利用して同様に実施可能である。
【００３７】
本発明は例として説明されており、したがって本発明の範囲から逸脱することなく多様な変更が行われ得ることが理解されるべきである。特に、本発明は銀又はそのイオン化合物若しくは塩、即ち、塩化銀に限定されるものではない。金および白銀でも適切な結果が得られる。本発明は水以外の液体にも応用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】電磁流量変換器を装備する流管を示す断面図である。
【図２】電極からの信号の振幅／周波数特性を例示する図である。
【図３】固液境界面の単純な電気的モデルを示す図である。
【図４】本発明の第１の実施形態の電極を示す図である。
【図５】流体と金属との間における完全に可逆性の、ガルヴァニック電荷交換を例示する図である。
【図６】本発明の電極を形成できる配置を例示する図である。
【図７】図６の配置を使用して調製された電極を示す図である。
【図８】本発明に係る第２の電極構成を示す図である。
【図９】本発明に係る第３の電極構成を示す図である。
【図１０】本発明に係る第４の電極構成を示す図である。
【図１１】様々な電極物質に関する、周波数に対する雑音強度を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2006522932.tif 000012
【図１１】
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【手続補正書】
【提出日】平成17年2月11日(2005.2.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の流量を測定するための電磁変換器（１０９）であって、前記変換器は電極（１０２）及び交番磁界（１０７）を有し、電極は５Ｈｚ未満の周波数において炭素又は耐食性金属の合金を含む電極よりも低い雑音エネルギーを有し、かつ金属（４０１）と、前記金属と前記流体（４０３）との間に介在するように配置された前記金属の塩の層（４０２）とを含み、前記層は電気化学的に付着又は焼結される、電磁変換器。
【請求項２】
流体の流量を測定するための電磁変換器（１０９）であって、前記変換器は電極（１０２）及び交番磁界（１０７）を有し、電極は約１Ｈｚの磁界周波数において炭素又は耐食性金属の合金を含む電極の雑音特性よりも低い雑音特性を有し、かつ金属（４０１）と、前記金属と前記流体との間に介在するように配置された前記金属の塩の層（４０２）とを含み、前記層は電気化学的に付着又は焼結される、電磁変換器。
【請求項３】
流体の流量を測定するための電磁変換器（１０９）であって、前記変換器は電極（１０２）及び交番磁界（１０７）を有し、電極は５Ｈｚ未満の周波数において炭素又は耐食性金属の合金を含む電極よりも低い雑音エネルギーを有し、かつ金属（４０１）と、前記金属と前記流体との間に介在するように配置された前記金属の塩の層（４０２）とを含み、前記層は一部が再び金属に還元される、電磁変換器。
【請求項４】
流体の流量を測定するための電磁変換器（１０９）であって、前記変換器は電極（１０２）及び交番磁界（１０７）を有し、電極は約１Ｈｚの磁界周波数において炭素又は耐食性金属の合金を含む電極の雑音特性よりも低い雑音特性を有し、かつ金属（４０１）と、前記金属と前記流体との間に介在するように配置された前記金属の塩の層（４０２）とを含み、前記層は一部が再び金属に還元される、電磁変換器。
【請求項５】
前記塩の層（４０２）は、流量を測定すべき前記流体（４０３）中に微溶性である、前記請求項のいずれかに記載の電磁変換器。
【請求項６】
前記金属（４０１）は銀である、請求項５に記載の電磁変換器。
【請求項７】
前記塩の層（４０２）はハロゲン化銀塩を含む、請求項６に記載の電磁変換器。
【請求項８】
前記ハロゲン化銀塩は塩化銀又はフッ化銀である、請求項７に記載の電磁変換器。
【請求項９】
前記層（４０２）は電気化学的に付着される、請求項３から８のいずれか一項に記載の電磁変換器。
【請求項１０】
前記層（４０２）は焼結される、請求項３から８のいずれか一項に記載の電磁変換器。
【請求項１１】
前記層（４０２）の厚さは、前記電極のインピーダンスが最小値であるようになっている、前記請求項のいずれかに記載の電磁変換器。
【請求項１２】
前記電極の表面は、その活性面積を増大させるように粗面化される、前記請求項に従属するとき請求項１、２、及び５から１１のいずれか一項に記載の電磁変換器。
【請求項１３】
前記層（４０２）は一部が再び金属に還元される、請求項１２に記載の電磁変換器。
【請求項１４】
前記電磁変換器の１対の電極（１０２）が、前記２つの電極間のオフセット電位を最小化するように均衡される、前記請求項のいずれかに記載の電磁変換器。
【請求項１５】
前記交番磁界（１０７）を生成する手段（１０３、１０４、１０５）を備え、前記手段は残留磁気を発揮する、前記請求項のいずれに記載の電磁変換器。
【請求項１６】
前記請求項のいずれかに記載の電磁変換器を組み込む流量計。
【請求項１７】
前記流量計は電池（１１０）から電力供給を受ける、請求項１６に記載の流量計。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電磁流量変換器に関し、特に、電磁水流量計に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の公共設備の水量計では、機械的な流量変換器（典型的には容積式又は単射／多射型ジェット・タービン）が、この変換器の反復サイクル数を測定する記録器機構に結合されている。この機構はしばしば機械的な積算計である。これを遠隔測定器に必要な電子機器と接続することは、この積算計がデジタル計数器を有するソリッドステート型記録器によって置き換えられているときでも、面倒でありかつ経費がかさむ恐れがある。
【０００３】
同様にソリッドステート型の流量変換器を使用すると、このような接続問題が軽減する。このような流量変換器は、よく知られている種類の電磁流量変換器である。即ち、ＧＢ１３０３７３０Ａは、電極が透水性の絶縁材料によって囲繞された細長い銅含有の導体ワイヤを含む変換器を開示する。ＳＵ８００６５０Ｂは、酸素を回復させる触媒物質から作製され、測定電極を取り囲みかつ酸素の回復に関して定常電位の物質から作製されたアノードと直に接続された格子電極から成るガルバニック対（galvanic pair）の形態にある保護システムを使用することによって電極が覆われている流量計を開示する。ＵＳ３２９９７０３は、流れ導管の内壁中に形成された凹所の中に電極が配置され、この凹所の中で電極と液体との間に湿潤剤が配置されている流量計を請求する。ＪＰ５４１１６９６０Ａは、電極表面を清浄に維持するように１対の電極に正電位が供給される流量計を開示する。
【０００４】
このような流量変換器が、図１の断面図にも例示されている。流管１０１が、この管１０１の直径を隔てて配置された１対の電極１０２を備える電磁変換器１０９を組み込み、それぞれの電極１０２の一方の表面の少なくとも一部が管中の流体１０８と直に接触している。磁極部品１０３は、管１０１の垂直な直径を隔てて配置され、かつ磁気回路１０４によって接続されている。当業ではよく知られているように、磁界１０７はバルク媒体（水の場合にはイオン）によって移動する荷電化学種に対して力を与え、この荷電化学種を磁界とバルク流体の運動方向との両方に対して直交する方向に移動させる。反対に荷電した化学種の相互変位によって移動方向に沿って電界が生じ、それは所与のイオンに対する静電力が磁力によって均衡されるまで増大する。磁力は内在的にバルク媒体の流速に依存するので、反対の電界（又は電位差）の測定が流量を算定する適宜な手段となり、他方では時間に関して積分することによって管を通過した総量を計算することができる。このような測定を実現するために電極信号を処理する回路が当業でよく知られており、従って本明細書ではこれ以上詳しく説明しない。
【０００５】
よく知られているように、静的な場の測定の様々な制約を克服するために、印加磁界を交番させることが有利であり得る。このような１つの制約は流体中の電位差を測定するのに利用される電極の性質によって課せられる。理想的な電極は流体に対して完璧な電気接続を形成し、固液境界面間にはいずれの方向にも電荷の交換に対するエネルギー障壁が存在しない。このようなことは実際のシステムではほとんど観察されず、電位差が境界面間に存在する可能性が遙かに高い。このような電位差はしばしば不十分に画定され、それは周波数に逆比例する雑音スペクトル（１／ｆ）を示すように時間と共に不規則に変動する。従って、静的な場（ＤＣ）の測定が大きな瞬時誤差を蒙ることになる。
【０００６】
印加磁界を既知の周波数ｆ0で交番させると、この問題の一部が克服される。即ち、図２に示すように、それによって、望ましい電気信号２１０が、電極雑音スペクトル２０２の特徴的な周波数よりもかなり高くなるように選択される周波数ｆ0でも存在することになる。電気信号の振幅の測定値が実質的に誤差のない流量を示す。
【０００７】
交番磁界を印加する他の理由は、典型的な電極の小信号電気インピーダンス（それらの電極間に接続された測定回路によって感知される）も周波数の増大と共に低下することである。従って、この測定回路は、実質的な誤差を生じることなく信号源からより多くの電流を引き出すことが可能になり得る。主要な利点は、より簡素で、より安価な測定回路の設計を採用できることである。
【０００８】
電極の周波数依存挙動を理解するためには、固液境界面３０１にしばしば応用される、コンデンサ３０３と並列接続されている抵抗器３０２から成る図３の単純な電気的モデルを検討することが有益である。固体３０４と液体３０５との間における電荷化学種の直接交換は、抵抗器３０２を通過する流れによって示され、他方ではコンデンサ３０３が、この境界面を実際に横切ることなく、その近傍に蓄積する電荷化学種の傾向を表す。実質的に１Ｈｚを超える周波数では、コンデンサ３０３は、一般に固液境界面を通過する小信号電流が流れるより容易な経路となる。
【０００９】
図１の装置では、交番磁界が、磁気回路１０４の一部に巻き付けられ、かつ適切な交番電流波形が供給されるコイル１０５によって実現されている。さらには、電力消費を削減するために、磁界の状態を変更する必要があるときにコイルを励磁するだけで済むように、残留磁気を発揮する１つ又は複数の要素１０６を磁気回路１０４に設けることが知られている。
【００１０】
本発明は、電磁流量変換器の電力消費をさらに一層削減することを目的として有する。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
従って、本発明は電極及び交番磁界を有する電磁流量変換器にあり、そこでは電極が、５Ｈｚ未満の周波数において炭素又は耐食性金属の合金を含む電極よりも低い雑音エネルギーを有し、かつ金属と、この金属と流体との間に介在するように配置された当該金属の塩の層とを含み、この層は電気化学的に付着されるか又は焼結される。
【００１２】
本発明は、低い周波数において水量計で通常使用される電極よりも低い雑音エネルギーを有する電極を使用することによって、同じ信号対雑音比に関して交番磁界の周波数が低減可能であり、それが次に変換器の電力消費を低減するという認識に基づく。
【００１３】
対照的に、知られている電磁流量変換器の電極は、それらが腐食効果に耐性があるように選択され、その結果、ステンレス鋼又はハステロイのような耐食性金属の合金から作製される。このような知られた変換器では、境界面間の電気化学的電位の画定が不十分であり、より長い時間間隔、即ち、秒単位の時間間隔にわたって大きな変動を許す。しかし、知られている変換器は１Ｈｚよりも遙かに大きな磁界周波数で動作するので、これによって問題が発生することはなかった。従って、換言すれば、本発明はまた、電極及び交番磁界を有する電磁流量変換器にあり、そこでは電極が約１Ｈｚの磁界周波数において耐食性金属の合金を含む電極の雑音特性よりも低い雑音特性を有し、かつ金属と、この金属と流体の間に介在するように配置された当該金属の塩の層とを含み、この層は電気化学的に付着されるか又は焼結される。
【００１４】
本発明に係る電極は、ガルヴァーニ電流が流量を有する流体との境界面を横切って流れるように構成されている。ガルヴァーニ電流は、固液境界面を通過する電荷化学種の移動又は交換によって生じる。それは、知られている電磁流量計において液体とセンサ電極との間を流れ、かつ相境界を実際に横切らないで境界面の両側に蓄積又は分散する電荷の対向する薄層の結果として流れる変位電流とは異なる。ガルヴァーニ電流構成は、電極の電気インピーダンス及び雑音特性を大幅に向上させる。
【００１５】
しかも本発明に係る電極は、ガルヴァーニ電流がイオンによって運ばれるように構成される。銀イオンは、固体銀が長い時間にわたって水中で安定性があり、かつそれほど顕著に腐食しないので特に有利である。しかも、それは無毒性であり、安全食品添加物（Ｅ１７４）である。銀はまた、電気化学的系列が銅に近く、水流管中の望ましくない電気腐食の恐れを低下させる。それは殺菌性でもあり、電極の中又は付近における厄介な生物膜の滞留及び形成を防止する助けとなる。
【００１６】
さらには、金属と、この金属と流量を有する流体との間に介在する当該金属の塩との配置は、ガルヴァーニ電流の基礎となる導体と流体との間の荷電交換を助ける。塩又はイオン化合物は、測定すべき流量を有する流体中に微溶性であることが好ましく、従って電極に貯留される。この金属が銀である場合には、そのイオン化合物はハロゲン化銀塩であり得る。しかも流体が水である場合には、このようなハロゲン化銀塩は水道水の中に最も普通に存在するイオン（塩化物、フッ化物）によって有利に形成される。ハロゲン化銀は、金属と接触して安定的な電気化学的半電池を形成する。
【００１７】
本発明によれば、金属塩の層は、例えば、陽極処理によって金属表面上に電気化学的に付着されるか、又は金属表面上に焼結された金属塩の層を含む。この層の厚さは電極のインピーダンスに影響することになる。即ち、それが厚すぎれば、それは電気回路全体に過剰な直列インピーダンスを追加し、他方でそれが薄すぎれば、必要な電気化学的反応を維持するには密度が不十分となる。したがって、層の厚さは、電極のインピーダンスが最小であるように、例えば、経験的に、このような両極端の中間にあるように選択されることが好ましい。
【００１８】
雑音及び電気的特性のさらなる向上は、電極活性面積を増大させるように粗面化された金属表面を有する電極によって実現可能である。これは金属塩の一部を再び金属に還元することによって適宜に実現可能であり、それは非均一で粗目の金属の再生を典型的にもたらす。従って、本発明の第２の態様は、流体の流量を測定するための電磁変換器にあり、この変換器は電極及び交番磁界を有し、そこでは電極が、５Ｈｚ未満の周波数において炭素又は耐食性金属の合金を含む電極よりも低い雑音エネルギーを有し、かつ金属と、この金属と流体との間に介在するように配置された当該金属の塩の層とを含み、この層は一部が再び金属に還元される。換言すれば、本発明の第２の態様は、流体の流量を測定するための電磁変換器にあり、この変換器は電極及び交番磁界を有し、そこでは電極が、約１Ｈｚの磁界周波数において炭素又は耐食性金属の合金を含む電極の雑音特性よりも低い雑音特性を有し、かつ金属と、この金属と流体との間に介在するように配置された当該金属の塩の層とを含み、この層は一部が再び金属に還元される。
【００１９】
電磁流量変換器の１対の電極が、これらの２つの間のオフセット電位を最小にするように均衡されることが好ましい。それぞれの電極は、別体の電気化学的半電池として作用し、液体に対して対応する電位差を有する。電極が同じでなければ、２つの半電池電位間の差が電極端子間に存在することになり、これは後続の増幅回路に問題（例えば、飽和）を引き起こす恐れがある。
【００２０】
以上の本発明の低電力の利点は、上で論じた残留磁気を発揮する手段によって磁界が生成されるときに実現される電力消費の削減によってさらに高まる。本発明はまた、電磁変換器の低電力消費によって電池電力（図１の１１０で示す）の使用も可能になり、かつそれがもたらす組付け易さにおける利点を実現するような電磁変換器を組み込む流量計を包含する。
【００２１】
本発明は例示として添付の図面に図示されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図４は、本発明の第１の実施形態である電極を示し、この電極は金属要素４０１（例えば、ワイヤ、プレート、又は基部の導体を完全に覆う薄膜）を含み、この金属要素は流量を測定すべき液体４０３に微溶性である、同じ金属のイオン化合物４０２によって被覆されている。
【００２３】
図示の例では、この金属４０１は銀であり、付随する化合物４０２は塩化銀である。図５は、固体の銀電極４０１と水和された塩化銀層４０２との間の相境界を横切る銀イオンによって、流体４０３と金属４０１との間における完全に可逆性のガルヴァニック電荷交換を例示する。境界面間の電位はネルンストの式によって定義されるが、この式自体はＡｇＣｌの表面密度及びＣｌイオンの液中密度に依存する。これらの量は一定ではないが、通常はそれらが交番磁界の周期よりも遙かに大きな時間尺度で変動するように想定可能である。本発明によれば、このような変動の時間尺度は、制御されたイオン交換機構を保有しない電極表面に関するよりもかなり長い。従って、雑音エネルギーが低減されるので、より低い周波数における動作が助長される。図１１は、従来の鋼電極又は炭素電極（曲線Ａ及びＢ）と比較した、塩化銀を含む電極に関する周波数ｆに伴う雑音Ｎの変動を示す（曲線Ｃ）。基線がＤで示されている。
【００２４】
イオン化合物層４０２は、金属表面が液中に通常に存在する化学種と自然に反応することによって形成され得る。例えば、銀電極は、塩素処理された給水源中の処理剤（又は残留物）と反応するものと想定されており、最終的には塩化銀を生成する。
【００２５】
図６は、自然に十分反応しない場合に、イオン化合物の量を増大させる方法を実施するための装置を例示する。測定電極６０１及び６０２に加えて、流体６０３と接触するように第３の電極６０４が設けられる。電極６０４は、６０１及び６０２と同じ物質から作製される必要はない（例えば、黒鉛又は鋼でも十分である）。制御電子機器６０５によって算定された間隔で、実質的な電位が電極６０４と測定電極６０１及び６０２との間に印加される。上述の塩化銀システムでは、測定電極６０１及び６０２は共に、電極６０４に対して、その近傍の負に帯電したイオン化学種と電極６０１及び６０２中のある一定量の銀を反応させるのに十分な正の電位に保持されることになる。このイオン化学種は塩化物であることが好ましく、このような反応に好都合であるように電極間に印加される電位を選択することができる。
【００２６】
上記処理の間隔及び継続時間は幾つかの方法で算定可能である。最も単純な実施では、この処置に適用される間隔は据え付け前に決定されている。別法として、この間隔は測定ユニット６０６によって検出される電気信号の特性に従って計算可能である。例えば、電極からの信号の不規則変動の増大（即ち、雑音の増大）は、まず間違いなくイオン化合物の欠乏によって電極インピーダンスが上昇していることを知らせるものである。これを利用して被覆を回復する処置のサイクルの開始合図にすることができよう。別法として、電極被覆の状態は、ユニット４０６によって行われるアクティブ・インピーダンスの測定を利用して算定可能である。
【００２７】
図７は、上記方法を用いて作製された電極を示すが、それは塩化銀の薄膜７０２を電気化学的に被覆した銀の平坦部分７０１を含む。その平坦部分の表面は、乱流並びにそれに対応する測定雑音及び不確実さを低減するように、流動する液体７０３に直接的に接触して、好ましくは流管の壁と面一で位置決めされているので、この表面は液中の粒子よって時間経過と共に摩耗されやすく、それによって活性電極表面を維持するのを助ける。
【００２８】
図８の８０１及び８０２でそれぞれ示すように、金属基板の電極上に焼結した酸化銀を使用することによって、より大きな表面積が、塩化銀のより多くの持続的な貯蔵層と共に得られる。図示のように、電極８０２は、一体構造、即ち、ワイヤ又はプレートの単一の固体部品である。しかし、焼結構造も可能である。顆粒の形態にある金属銀も焼結塩化銀層８０１の中に含み得るが、銀顆粒の比率は実質的な数が相互に電気接触するように選択される。このような銀と塩化銀顆粒との混合物は、銀棒又は銀板のような第３の一体構造の金属要素上に形成可能である。
【００２９】
図９は、本発明に係る他のより堅牢な電極構造であるが、それは時間的な安定性も増し、消耗され難い上に異物混入又は流動作用からの妨害を受け難い。一体構造の銀板９０１が、塩化銀及び／又は銀の顆粒、粉体、又は焼結品であり得る塩化銀の介在貯蔵層９０３によって、フリット９０２のような保護透水性要素の背後に後退して配置されている。
【００３０】
図１０は図７及び８の合成を示し、塩化銀の焼結顆粒１００１が固体銀要素１００３内部の中心凹所１００２の中に配置されている。この焼結部分は良好な条件下で最も安定した電極となるが、他方では露出した銀（１００４の塩化銀によって示されている）は、透水性要素がより閉塞されやすい厳しい条件、例えば、汚れた水に対処するのにより適切である。
【００３１】
金属を覆って形成された塩化銀層が厚すぎると、それは電気回路全体に過剰な直列インピーダンスを追加することが理解されよう。それが薄すぎれば、その密度は必要な電気化学的反応を維持するのに不十分である。塩化物の最適量は、電極の製造時又は爾後の動作時に、安定した電解液中で電極の電気インピーダンスを監視することによって算定可能である。インピーダンスがその実現可能な最低点になるまで陰極処理又は陽極処理を行うべきである。
【００３２】
実際には、インピーダンスが測定される構成要素はコンデンサ、抵抗、又はこれら２つの組合せであり得る。それは、電極の端子と同じ電解液中に液浸された、もう１つの流量計電極であり得る第２の電極の端子との間で測定可能である。別法として、２つの電極は、これらの間の小信号インピーダンスを測定するために小さな差分交番電位が印加できるような方式で（例えば、電極端子をインダクタと一緒に接続することによって）処理時に同じ平均電位に維持され得る。
【００３３】
２つの電極間のオフセット電位を確実に最小にするように、それらを均衡させることも重要である。それぞれの電極は別体の電気化学的な半電池として作用し、液体に対して対応する電位差を有する。電極が同じでなければ、これらの２つの半電池電位間の差が電極端子間に存在することになり、これは後続の増幅回路に問題（例えば、飽和）を引き起こす恐れがある。
【００３４】
この目的のためには、電極が共通の電気化学的な半電池電位に達するまで、それらを処理することができる。これは、本明細書のいずれかで説明したように陽極処理、陰極処理、化学薬剤又は光に対する暴露の１つ若しくは複数を含み得るが、電極の半電池電位は一定の標準半電池に対して、又は同時処理されていない第２の電極に対して測定される。別法として、この処理は、ある一定時間の間、２つ以上の同様の電極端子を相互に接続し、他方でこれらの電極を共通の導体電解液中に液浸することを含み得る。このような電極処理は、初期の製造時ばかりでなく、完成機器の動作寿命の間にもホスト電子機器によって実施可能である。
【００３５】
電極の雑音及び電気的特徴は、その活性表面を増大させ、それによってその境界面インピーダンスを低減させることによって改善可能である。これは知られた機械的及び電気化学的な粗面化技法によって実現可能である。さらには、上に説明した陽極処理において電流の流れを逆転することによって、ＡｇＣｌを金属Ａｇに再び変換することが可能であり、金属の再生は、金属表面から成長する、ＡｇＣｌ間における金属Ａｇ形態の樹枝状結晶として生じる。これも銀電極の活性表面積を増大させる効果を有し、金属銀の一体構造及び焼結構造でも共に応用可能であり、そこで顆粒間に樹枝状結晶を再生するのに利用することができる。
【００３６】
表面積を増大させる工程は、上に述べた塩化銀の形成工程と交互に実施可能である。それは、他の知られた低減方法、例えば、水素ガス中で加熱するか又は光に暴露することを利用して同様に実施可能である。
【００３７】
本発明は例として説明されており、したがって本発明の範囲から逸脱することなく多様な変更が行われ得ることが理解されるべきである。特に、本発明は銀又はそのイオン化合物若しくは塩、即ち、塩化銀に限定されるものではない。金および白銀でも適切な結果が得られる。本発明は水以外の液体にも応用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】電磁流量変換器を装備する流管を示す断面図である。
【図２】電極からの信号の振幅／周波数特性を例示する図である。
【図３】固液境界面の単純な電気的モデルを示す図である。
【図４】本発明の第１の実施形態の電極を示す図である。
【図５】流体と金属との間における完全に可逆性の、ガルヴァニック電荷交換を例示する図である。
【図６】本発明の電極を形成できる配置を例示する図である。
【図７】図６の配置を使用して調製された電極を示す図である。
【図８】本発明に係る第２の電極構成を示す図である。
【図９】本発明に係る第３の電極構成を示す図である。
【図１０】本発明に係る第４の電極構成を示す図である。
【図１１】様々な電極物質に関する、周波数に対する雑音強度を示すグラフである。
【国際調査報告】
2006522932.tif 000014
2006522932.tif 000015
2006522932.tif 000016