JP2011089842A - 風向風速計測装置および風向風速計測システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、室内各所の風向および風速を、簡単な装置構成で、安価に精度良く計測可能な風向風速計測装置および風向風速計測システムを提供することを目的とする。
【解決手段】本発明にかかる風向風速計測装置は、所定の回転軸と、回転軸を中心として回転する回転体と、回転体の表面に回転軸に垂直な方向に向けて開口した圧力孔と、圧力孔から導入される風の圧力を検出する圧力検出器と、回転軸を介して回転体を回転させる駆動部と、駆動部を制御する駆動制御部と、圧力検出器の出力信号から風の圧力を演算する圧力演算部と、圧力演算部の演算結果と回転体の回転角度から、回転体が設置された場所の風向を演算する風向演算部と、回転体の近傍に設置された風速検出器と、風速検出器の出力信号から、回転体が設置された場所の風速を演算する風速演算部と、を備えたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、主に室内の風向および風速を計測する風向風速計測装置および風向風速計測システムに関する。

近年、データを格納するサーバーを集中的に配置したサーバールームや、サーバーのほかにルータなどの情報通信機器を備えてデータ通信を可能としたデータセンターの利用が増加している。

このようなサーバールームやデータセンターでは、大量の電子機器から多くの熱が発生するため、空調設備により室内の除熱が行われている。しかし、局所的には、熱だまりなどの温度が高い場所が生じる場合がある。局所的に温度が高い場所が生じると電子機器の過熱などにつながり、電子機器に悪影響を及ぼす。このため、局所的に温度が高い場所の発生の有無を確認することが重要である。

局所的に温度が高い場所の発生の有無は、室内の各所におけるエンタルピーを求めて、熱の出入りが適切になされているかを評価することにより確認できる。室内各所のエンタルピーを求めるためには、その場所の温度とともに、風向および風速の情報が必要となる。

室内の風速の計測には、熱線式や超音波式の風速計がよく用いられている。熱線式風速計と超音波式風速計はともに、微風域を含めて測定範囲が広く、応答性が良い点で優れる。しかし、熱線式風速計は、計測できるのは風速のみであり、単体では風向を計測できない。

また、超音波式風速計は、超音波の送信部と受信部の間の伝搬時間差を利用して風速を計測するため、送信部と受信部の間の空間に温度や圧力の不均一な場所があると、超音波の伝搬速度の変化やレンズ効果による超音波の散乱が生じることにより、計測誤差が発生しうる。このため、超音波式風速計は、サーバールームやデータセンターなどの空間的な温度変化が大きい領域での風速の計測には不適である。

そこで、風向および風速を計測可能とするために、圧力センサを用いる装置がある。例えば、特許文献１には、６面体の各面に設けられた圧力センサに加わる圧力を計算することにより、風向と風速を算出する風向風速測定装置が開示されている。これにより、任意の方向の風向および風速を測定可能としている。

また、特許文献２には、風圧を計測する圧力センサを互いに隣接させてリング状に配設して最大風圧を検出することにより、風向および風速を計測する圧力センサ式風向風速計が開示されている。これにより、機械的可動部を必要とせずに、風向および風速を的確に計測できるとしている。

特開平９−８９９１９号公報 特開平１１−３８０３３号公報

しかし、特許文献１や特許文献２では風向の計測に圧力センサを複数用いているため、装置が複雑になる。また、室内各所においては、風速が高々１０ｃｍ／秒〜２０ｃｍ／秒であり、風の圧力が小さいため、一般に圧力の検出精度が低い。このため、特許文献１や特許文献２の技術により風速を圧力から求める場合は、風速を精度良く求めることができない。圧力の検出精度を高めるためには、微小な圧力変化を精度良く検出するための圧力センサや分解能の高いＡ／Ｄコンバータが必要なため、装置が高価になる。

本発明は、上記の課題に鑑み、室内各所の風向および風速を、簡単な装置構成で、安価に精度良く計測可能な風向風速計測装置および風向風速計測システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明にかかる風向風速計測装置の代表的な構成は、所定の回転軸と、回転軸を中心として回転する回転体と、回転体の表面に回転軸に垂直な方向に向けて開口した圧力孔と、圧力孔から導入される風の圧力を検出する圧力検出器と、回転軸を介して回転体を回転させる駆動部と、駆動部を制御する駆動制御部と、圧力検出器の出力信号から風の圧力を演算する圧力演算部と、圧力演算部の演算結果と回転体の回転角度から、回転体が設置された場所の風向を演算する風向演算部と、回転体の近傍に設置された風速検出器と、風速検出器の出力信号から、回転体が設置された場所の風速を演算する風速演算部と、を備えたことを特徴とする。

かかる構成によれば、計測された風の圧力と回転体の回転角度から、回転軸に垂直な平面における風向を求めるとともに、回転体設置場所の風速を求めることにより、簡単な装置構成で、安価に精度良く、風向風速計測装置が設置された場所の風向および風速を計測することができる。

上記の風向演算部は、圧力演算部の演算結果と回転体の回転角度との関係を求め、風の圧力が最大のときの回転体の回転角度を回転体が設置された場所の風向と判断するとよい。これにより、風向演算が簡単になり、精度良く容易に風向を判断することができる。

上記の風速検出器は、回転軸に垂直な二平面を有し、その二平面に挟まれた空間内に風速を検出する風速検出部を備えているとよい。かかる構成によれば、計測対象の風が回転軸に平行な速度成分を有する場合でも、回転軸に垂直な平面における風速のみを検出することができるため、回転軸に垂直な平面における風向および風速を精度良く求めることができる。

上記の駆動部は、ステッピングモータであるとよい。ステッピングモータを用いることにより、簡単な回路構成で、回転体の位置決めを正確に行うことができるため、風向を精度良く求めることができる。

本発明にかかる風向風速計測システムの代表的な構成は、上記のいずれか１つに記載の風向風速計測装置を、それぞれの回転軸が互いに直交するように２つ備え、それぞれの風向風速計測装置の風向演算部および風速演算部から得られた風向および風速から、２つの風向風速計測装置が設置された場所における風の３次元速度ベクトルを求める速度演算部を備えたことを特徴とする。

かかる構成によれば、互いに直交する３軸上の風向および風速をベクトル合成することにより、簡単な装置構成で、安価に精度良く、風向風速計測装置が設置された場所における風の３次元速度ベクトルを計測することができる。

本発明によれば、室内各所の風向および風速を、簡単な装置構成で、安価に精度良く計測可能となる。

本発明の実施形態における風向風速計測装置の全体構成を示す概略図である。 風速検出器の外形図である。 回転角度と風の圧力との関係を説明する図である。 風向計測の流れを示したフロー図である。 風の３次元速度ベクトルの計測を説明する図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明にかかる風向風速計測装置および風向風速計測システムの好適な実施形態について詳細に説明する。なお、かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易にするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、本発明の実施形態における風向風速計測装置の全体構成を示す概略図である。風向風速計測装置１は、計測部１０と、風向風速演算部２０と、表示部４０とを含んで構成される。計測部１０は、回転体１１と、所定の回転軸１２と、圧力孔１３と、圧力検出器１４と、駆動部１５と、駆動制御部１６と、風速検出器１８とを含んで構成される。

回転体１１は、所定の回転軸１２を中心として回転する。Ｑは回転軸１２と底面の円の交点を示す。白抜き矢印は回転体１１の回転方向を示している。回転体１１の形状は、図１に示すように、略円柱である。このように、回転体１１の回転に伴い、回転軸１２に垂直な平面上の風の圧力を同じ条件で検出するために、回転体１１の形状は回転軸１２に垂直な断面が円であることが好ましい。従って、回転体１１の他の形状として、例えば球でもよい。球の場合、圧力孔１３から導入される風の圧力を同じ条件で検出するために、圧力孔１３の開口部は球の赤道上に設けられるとよい。

回転体１１は、風の流れを妨げて風向の計測に影響を与えることがないように、小型であることが好ましく、例えば、図１に示す円柱の形状の場合、回転軸１２に垂直な断面の円の直径は約３ｃｍであるとよい。また、回転体１１は、自らの回転により風を生成して風向の計測に影響を与えることがないように、所定の回転速度以下で回転することが好ましく、回転体１１の回転速度は、例えば、５秒／回転であるとよい。

圧力孔１３は、回転体１１の表面に回転軸１２に垂直な方向に向けて開口している。圧力孔１３の開口部の形状は、図１に示すように、略円が望ましい。例えば、開口部の形状を四角形とすると、開口部の角で損失が発生するため、圧力検出の正確性や応答性を損なう結果となりうる。

圧力検出器１４は、圧力孔１３から導入される風の圧力を検出する。圧力検出器１４は、風の圧力による隔膜の変形を静電容量の変化やひずみゲージで検出するものを用いることができる。

駆動部１５は、回転軸１２を介して回転体１１を回転させる。駆動部１５として、ステッピングモータが好適に用いられる。駆動制御部１６は、駆動部１５を制御する。駆動部１５にステッピングモータを用いることにより、駆動制御部１６からの制御信号に応じて、回転体１１の位置決めを正確に行うことができる。従って、簡単な回路構成で、風の圧力の計測精度を高めることができる。

風速検出器１８は、回転体１１の近傍に設置され、風速を検出する。風速検出器１８として、例えば、熱線式風速計が用いられる。熱線式風速計は、その検出部である電熱線に電流を流し、その電熱線における発熱と風による冷却とが平衡したときの温度から風速を求める風速計である。風速が変化すると、電熱線の抵抗値が変化することを利用したものであり、室内の風速検出に適する。なお、風速検出器１８は、風速のスカラー量を計測するだけのため、無指向性でよい。

風向風速演算部２０は、圧力演算部２１と、風向演算部２２と、風速演算部２３とを含んで構成される。風向風速演算部２０内の各演算部２１、２２、２３と駆動制御部１６は、中央演算処理装置（ＣＰＵ：Central Processing Unit）を含む半導体集積回路により実現される。圧力演算部２１は、圧力検出器１４の出力信号から風の圧力を演算する。

風向演算部２２は、圧力演算部２１の演算結果と回転体１１の回転角度から、回転体１１が設置された場所の風向を演算する。演算方法は図３を参照して後述する。風向は、回転体１１の回転角度θを利用して表される。回転体１１の回転角度θは、例えば、回転軸１２にエンコーダを設けることにより計測することができる。また、駆動部１５にステッピングモータを用いる場合は、ステッピングモータに与えられたパルス信号の数から回転角度θを計測することができる。

風速演算部２３は、風速検出器１８の出力信号から、回転体１１が設置された場所の風速を演算する。具体的には、風の流れにより生じた温度変化による風速検出器１８の抵抗値の変化を演算する。この抵抗値の変化から、回転体１１の近傍の風速が求められる。

表示部４０は、風向風速演算部２０に接続され、風向演算部２２や風速演算部２３の演算結果が表示される。圧力演算部２１の演算結果を表示してもよい。表示部４０として、例えば、液晶表示装置を用いることができる。

上述の風向風速計測装置１を室内の風向風速の計測対象箇所に設置することにより、計測された風の圧力と回転体１１の回転角度から、回転軸１２に垂直な平面における風向を求めるとともに、回転体１１設置場所の近傍の風速を求めることにより、簡単な装置構成で、安価に精度良く、室内における風向風速計測装置１が設置された場所の風向および風速を計測することができる。

図２は、風速検出器の外形図である。図２（ａ）は風速検出器の正面図であり、図２（ｂ）は風速検出器を頂部から見た図である。風速検出器１８は、回転軸１２に垂直な二平面に挟まれた空間内に風速を検出する風速検出部１９を備えているとよい。すなわち、例えば、図２に示すように、回転軸１２に垂直な円状の底面を有する二つの半球状の部材に挟まれた空間の中央に風速検出部１９が設置されている。回転軸１２に垂直な二平面を構成する部材は、図２に示すような半球状でなく、例えば、薄い板状などでもよい。ただし、風速検出器１８近傍の風の流れを可能な限り妨げない形状とすることが好ましい。風速検出部１９は、例えば、球状で無指向性のセンサを用いることができる。

かかる構成によれば、風速検出器１８近傍を流れる風のうち、回転軸１２に平行な速度成分は、二つの半球状の部材に挟まれた空間内への進入を妨げられるため、風速検出部１９にて検出される風速は、回転軸１２に垂直な平面における速度成分のみとなる。従って、計測対象の風が回転軸１２に平行な速度成分を有する場合でも、回転軸１２に垂直な平面における風速のみを検出することができる。このため、図２の構成の風速検出器１８を風向風速計測装置１に用いることにより、回転軸１２に垂直な平面における風向および風速を精度良く求めることができる。

図３は、回転角度と風の圧力との関係を説明する図である。図３（ａ）は、回転軸に垂直な平面上で回転体が回転する様子を表した図である。図３（ａ）において、実線の矢印は、回転軸１２に垂直な平面上に投影された風の流れのベクトル成分であり、本例では、回転軸１２に垂直な平面上での風の成分の向きは、北から南であることを表している。風の向きは、計測中は一定であるとする。白抜き矢印は、回転体１１が回転軸１２を中心として回転する回転方向を示す。

風向を回転体１１の回転角度θで表すこととし、風向計測の基準となる方向、すなわち基準となる回転角度θをθ＝０°とする。図３においては、θ＝０°をｘ軸の方向としている。圧力孔１３から導入され、圧力検出器１４により検出される風の圧力Ｐは、回転角度θ＝０°から次第に増加し、圧力孔１３が北に向いたとき、すなわち、θ＝９０°で最大（Ｐ＝Ｐｍａｘ）となる。風の圧力Ｐは、その後、次第に小さくなり、θ＝１８０°、すなわち、圧力孔１３が西を向き、風の流れの方向と垂直になったときに、検出されなくなる（Ｐ＝０）。回転体１１がさらに回転し、圧力孔１３が東を向く角度（θ＝０°）を超えると、風の圧力Ｐは再び検出され始める。

上記の回転体１１の回転角度θと風の圧力Ｐの関係は、図３（ｂ）のように求められる。図３（ｂ）の曲線は、風の主流成分についての計測結果である。実際には、計測される風の流れには変動成分があり、この変動成分が曲線上に重畳するが、室内の風においては変動成分は小さいため無視しうる。従って、計測値から変動成分を取り除き、図３（ｂ）のように、風の主流成分のみを求めればよい。

圧力孔１３が風の流れの方向に向いたとき、検出される圧力は最大値を示すため、図３（ｂ）のθとＰの関係から、風の圧力が最大（Ｐ＝Ｐｍａｘ）のときの回転角度θが風向と判断できる。図３の場合は、風向は、θ＝９０°の方向と判断できる。このように、風の圧力が最大のときの回転体１１の回転角度を回転体１１が設置された場所の風向と判断することにより、風向演算が簡単になり、精度良く容易に風向を求めることができる。また、回転体１１は連続的に回転するため、θとＰの関係も連続して得られる。従って、圧力が最大のときのθを精度良く決定することができる。

なお、θとＰの関係を表す曲線から風向を判断する方法は、上述した方法に限られず、例えば、圧力Ｐに所定の閾値を定めておいて、その閾値を超える頻度が高い回転体１１の回転角度θを風向と判断したり、計測値を移動平均処理して平滑化した後に風向を判断してもよい。

続いて、上述した風向風速計測装置１を用いた風向計測の流れについて説明する。図４は、風向計測の流れを示したフロー図である。まず、回転体１１の回転角度θを、計測の基準となる方向であり、かつ計測の開始位置であるθ＝０°に設定する（Ｓ０１）。具体的には、駆動制御部１６に内蔵された記憶部に設定された基準となる回転角度（θ＝０°）が、ＣＰＵにより呼び出され、その回転角度θに応じた駆動信号が駆動部１５に与えられる。その駆動信号を受けて、駆動部１５が回転体１１を駆動して、回転体１１の回転角度をθ＝０°に設定する。なお、計測の基準となる方向は任意に決定すればよい。

次に、ステップＳ０１で設定された回転角度における圧力を検出する。圧力検出の具体的方法は前述した通りである。圧力検出後、回転体１１の回転角度θを変更する（Ｓ０３）。すなわち、圧力演算部２１からの圧力信号が風向演算部２２に伝送され、所定の回転角度における圧力検出が終了したことをＣＰＵが判定する。そして、その圧力検出終了信号が駆動制御部１６に伝送され、回転体１１を所定の角度Δθだけ回転させる駆動信号が駆動制御部１６から駆動部１５に出力される。このとき、駆動部１５にステッピングモータが用いられる場合は、駆動信号としてパルス信号をステッピングモータに与えることにより、θが変更される。

そして、回転体１１の回転角度θが計測の終了位置であるθ＝３６０°か否かを判定する（Ｓ０４）。具体的には、回転角度θの情報が駆動制御部１６に伝送され、駆動制御部１６の記憶部に設定されたθ＝３６０°と一致するか否かがＣＰＵにより判定される。θ＝３６０°でない場合（Ｓ０４のＮ）、ステップＳ０２に戻り、計測を継続する。なお、計測の終了位置は任意に決定すればよい。

θ＝３６０°の場合（Ｓ０４のＹ）、回転体１１の回転角度θと風の圧力Ｐの関係を表す曲線が作成され（Ｓ０５）、風向が求められる（Ｓ０６）。曲線の作成方法および風向の求め方は、前述の通りである。計測結果が表示されて計測は終了する（Ｓ０７）。計測結果は表示部４０に表示される。

図５は、風の３次元速度ベクトルの計測を説明する図である。風向風速計測システム２は、２つの風向風速計測装置１と、速度演算部３０と、表示部４０とを含んで構成される。２つの風向風速計測装置１は、それぞれの回転軸１２が互いに直交するように配置されている。図５では、２つの風向風速計測装置１の回転軸１２が、それぞれ、ｙ軸およびｚ軸に平行になるように設置された場合を例として示している。

それぞれの風向風速計測装置１は、回転軸１２に垂直な平面上での風の成分の向きを検出し、風向演算部２２での演算により、回転角度θと風の圧力Ｐの関係から、その平面上での風向を求める。また、それぞれの風向風速計測装置１は、風速演算部２３での演算により、その風向風速計測装置１が設置された場所における風速の大きさを求める。

速度演算部３０は、それぞれの風向風速計測装置１の風向演算部２２および風速演算部２３から得られた風向および風速をベクトル合成することにより、２つの風向風速計測装置１が設置された場所における風の３次元速度ベクトルを求める。これにより、簡単な装置構成で、安価に精度良く、風向風速計測システム２が設置された場所における風の３次元速度ベクトルを計測することができる。

例えば、ｉ、ｊ、ｋをそれぞれ、ｘ、ｙ、ｚ軸上の単位ベクトルとして、風向風速計測システム２が設置された場所における風の３次元速度ベクトルｖが、ｖ＝ａｉ＋ｂｊ＋ｃｋで表されるとする。このとき、ｙ軸に平行な回転軸１２を有する風向風速計測装置１において計測される風向および風速から、その場所での風の２次元速度ベクトルｖｙは、ｖｙ＝ａｉ＋ｃｋと求められる。同様に、ｚ軸に平行な回転軸１２を有する風向風速計測装置１において計測される風の２次元速度ベクトルｖｚは、ｖｚ＝ａｉ＋ｂｊと求められる。これにより、ａ，ｂ，ｃが求められるため、風の３次元速度ベクトルｖを求めることができる。

なお、実際には、計測されたｖｙのａの値と、ｖｚのａの値が異なる場合が考えられる。このような場合は、例えば、どちらかのａの値をｖのａの値と等しいと仮定し、もう一方のａの値を、ｖのａの値と等しいと仮定したａの値により補正すればよい。また、ｘ軸に平行な回転軸１２を有する風向風速計測装置１をさらに設置し、かかる風向風速計測装置１により計測される風の２次元速度ベクトルｖｘ＝ｂｊ＋ｃｋを求めることにより、ｖｙおよびｖｚにより求めた風の３次元速度ベクトルｖを検証することができる。

また、風速検出器１８および風速演算部２３は一つとし、かかる一つの風速検出器１８および風速演算部２３により、風向風速計測システム２が設置された場所の風速を計測することにしてもよい。

上記説明した如く、本実施形態にかかる風向風速計測装置１においては、所定の回転軸１２を中心として回転体１１を回転させ、回転体１１の回転角度θと、圧力検出器１４により検出した風の圧力Ｐとの関係から風向を求める一方、風速検出器１８から風速を求めることにより、簡単な装置構成で、安価に精度良く、風向風速計測装置１が設置された場所の風向および風速を計測することができる。また、風向風速計測装置１を２つ、それぞれの回転軸１２が互いに直交するように配置して、それぞれの風向風速計測装置１から得られた風向および風速をベクトル合成することにより、簡単な装置構成で、安価に精度良く、風向風速計測システム２が設置された場所における風の３次元速度ベクトルを計測することができる。

本発明は，主に室内の風向および風速を計測する風向風速計測装置および風向風速計測システムに利用することができる。

１ …風向風速計測装置
２ …風向風速計測システム
１０ …計測部
１１ …回転体
１２ …回転軸
１３ …圧力孔
１４ …圧力検出器
１５ …駆動部
１６ …駆動制御部
１８ …風速検出器
１９ …風速検出部
２０ …風向風速演算部
２１ …圧力演算部
２２ …風向演算部
２３ …風速演算部
３０ …速度演算部
４０ …表示部

Claims (5)

1. 所定の回転軸と、
   前記回転軸を中心として回転する回転体と、
   前記回転体の表面に前記回転軸に垂直な方向に向けて開口した圧力孔と、
   前記圧力孔から導入される風の圧力を検出する圧力検出器と、
   前記回転軸を介して前記回転体を回転させる駆動部と、
   前記駆動部を制御する駆動制御部と、
   前記圧力検出器の出力信号から前記風の圧力を演算する圧力演算部と、
   前記圧力演算部の演算結果と前記回転体の回転角度から、前記回転体が設置された場所の風向を演算する風向演算部と、
   前記回転体の近傍に設置された風速検出器と、
   前記風速検出器の出力信号から、前記回転体が設置された場所の風速を演算する風速演算部と、
   を備えたことを特徴とする風向風速計測装置。
2. 前記風向演算部は、前記圧力演算部の演算結果と前記回転体の回転角度との関係を求め、前記風の圧力が最大のときの前記回転体の回転角度を前記回転体が設置された場所の風向と判断することを特徴とする請求項１に記載の風向風速計測装置。
3. 前記風速検出器は、前記回転軸に垂直な二平面を有し、該二平面に挟まれた空間内に風速を検出する風速検出部を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の風向風速計測装置。
4. 前記駆動部は、ステッピングモータであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の風向風速計測装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の風向風速計測装置を、それぞれの前記回転軸が互いに直交するように２つ備え、それぞれの当該風向風速計測装置の前記風向演算部および前記風速演算部から得られた風向および風速から、当該２つの風向風速計測装置が設置された場所における風の３次元速度ベクトルを求める速度演算部を備えたことを特徴とする風向風速計測システム。

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