JP2020118476A

JP2020118476A - 風速測定方法および風速計

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Publication number: JP2020118476A
Application number: JP2019007560A
Authority: JP
Inventors: 透大川; Toru Okawa; 大器天野; Daiki Amano; 沙織関山; Saori Sekiyama
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2019-01-21
Filing date: 2019-01-21
Publication date: 2020-08-06

Abstract

【課題】メンテナンス性や小型化の観点で有利であり、屋内、屋外を含む様々な環境で適切に風速を測定できる風速測定方法および風速計を提供する。【解決手段】端部が固定された支持部が有する風受け部が風を受けることにより、前記支持部が有する変位部が変位するステップと、前記変位部に取り付けられる加速度センサが、前記変位部の変位に伴い生じる加速度を検出するステップと、前記加速度センサが検出した加速度から、前記風受け部が受けた風の風速を算出するステップと、を有する風速測定方法。【選択図】図１

Description

本発明は、屋外や施設内などにおける風速を測定する風速測定方法および風速計に関する。

建築物の屋上や農場などの屋外や、ビニールハウスや建物内などの屋内における風速を測定する風速計が、様々な目的で用いられている。たとえば、気象情報の一つとして屋外での風速を測定する場合や、空調機により発生する気流を把握するために屋内での風速を測定する場合がある。

従来、風速計としては、回転軸の周りに風杯や風車が取り付けられており、風の力により回転軸が回転する風杯・風車型風速計や、ヒーター素子と測温素子とを用いて風速を測定する風速計（特許文献１参照）が知られている。しかしながら、風杯・風車型風速計は、風を受けて回転する回転軸を有するため、部品点数が多くなる傾向があり、小型化やメンテナンス性の点で課題を有する。また、回転軸が適切に動くように管理する必要があるため、回転軸の潤滑材によるコンタミネーションの問題が生じる場合がある。この潤滑剤によるコンタミネーションの問題は特に農業分野において、農地での利用にあたり種苗生育の安全性確保の観点から問題となりうる。潤滑剤がコンタミネーションとして農業用水に混在してしまうことで農作物の安全性に影響を及ぼす恐れが生じうるためである。一方、ヒーター素子と測温素子とを用いる風速計では、素子周辺への水分の流入などによる影響により測定値にばらつきが生じる可能性があり、使用可能な条件が限定されるなどの課題がある。

特開２０１６−１１８５１１号公報

本発明は、メンテナンス性や小型化の観点で有利であり、屋内、屋外を含む様々な環境で適切に風速を測定できる風速測定方法および風速計を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の風速測定方法は、
端部が固定された支持部が有する風受け部が風を受けることにより、前記支持部が有する変位部が変位するステップと、
前記変位部に取り付けられる加速度センサが、前記変位部の変位に伴い生じる加速度を検出するステップと、
前記加速度センサが検出した加速度から、前記風受け部が受けた風の風速を算出するステップと、
を有する。

本発明に係る風速測定方法は、変位部の変位に伴い生じる加速度を加速度センサで検出し、加速度センサが検出した加速度から風速を算出するため、回転軸を備える必要がなく、構造が単純な装置で測定を行うことができる。そのため、測定装置の小型化の観点で有利であり、回転軸の潤滑剤などによるコンタミネーションも防止できる。また、加速度センサが防水されていれば、雨天時の屋外などのように測定装置が水分に曝される環境でも、適切に風速を測定することができる。

また、たとえば、前記加速度センサが検出した加速度と、前記風受け部が受けた風の風速との相関関数を定めるステップをさらに有してもよく
前記風受け部が受けた風の風速を算出するステップでは、前記相関関数を用いてもよい。

加速度と風速の相関関数を定めることにより、設置状態や加速度センサの個体差による測定ばらつきを抑制し、より精度の高い風速の測定を行うことができる。

また、たとえば、本発明に係る風速測定方法では、前記加速度センサが検出した加速度または加速度から算出した風速に関する情報を送信部が送信するステップと、
前記送信部が送信した情報を受信部が受信するステップと、を有してもよい。

送信部と受信部との間で情報を送受信する測定方法では、支持部および加速度センサの設置が容易であるため、このような風速測定方法によれば、様々な場所の風速を測定できる。また、受信部が複数の送信部からの情報を受け取ることも可能であり、測定箇所を増やすことも容易である。

また、本発明に係る風速計は、風を受ける風受け部と、設置端部と、前記風受け部が風を受けることにより変位する変位部と、を有する支持部と、
前記変位部に取り付けられ前記変位部の変位に伴い生じる加速度を検出する加速度センサと、
前記加速度センサが検出した加速度から、前記風受け部が受けた風の風速を算出する演算部と、を有する。

本発明に係る風速計は、変位部の変位に伴い生じる加速度を加速度センサで検出し、加速度センサが検出した加速度から風速を算出するため、回転軸を備える必要がなく、構造がシンプルである。そのため、小型化の観点で有利であり、回転軸の潤滑剤などによるコンタミネーションも防止できる。また、加速度センサが防水されていれば、雨天時の屋外などのように風速計が水分に曝される環境でも、適切に風速を測定することができる。

また、たとえば、前記加速度センサは、第１方向と、前記第１方向に直交する第２方向の加速度を検出してもよい。

２軸以上の加速度センサを用いることにより、風向と風速を測定することが可能である。

また、前記支持部は、前記設置端部と前記変位部を接続しており、前記風受け部が風を受けることにより前記変位部が前記設置端部に対して傾くように接続する接続部を有してもよい。

このような接続部を有することにより、加速度センサが取り付けられた変位部が風により適切に変位し、加速度センサが風速に応じた加速度を検出できる。

また、前記支持部は、前記設置端部と前記変位部を接続しており、前記風受け部が風を受けることにより少なくとも一部が弾性変形する接続部を有してもよい。

接続部の弾性変形を利用して変位部を変位させるため、このような風速計は、風杯・風車型風速計のように軸受けなどの摺動部分が必要なく、耐久性が良好である。また、このような風速計は、部品点数も抑制でき、潤滑剤によるコンタミネーションも防止でき、また、気象によって発生しうる測定系への水分の付着を考慮することなく利用可能であるため、農業用途においても安全性を確保できる。

図１は、本発明の実施形態に係る風速計を示す概念図である。図２は、図１に示す風速計における風速計本体部を示す斜視図である。図３は、図１に示す風速計における計測モジュールの機能ブロック図である。図４は、図１に示す風速計における受信側端末の機能ブロック図である。図５は、図１に示す風速計による風速の測定方法の一例を示すフローチャートである。図６は、図１に示す風速計における加速度センサの計測結果の一例を示すグラフである。図７は、図１に示す風速計による風速の測定方法における相関関数の算出ステップの一例を示すグラフである。

以下、本発明を、図面に示す実施形態に基づき説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る風速計１０を示す概念図である。風速計１０は、風速の測定箇所に設置する風速計本体部１２と、風速計本体部１２から離れた場所に置かれる受信側端末４０とを有する。

風速計本体部１２は送信部３６（図３参照）を有しており、受信側端末４０は受信部４３（図４参照）を有している。図１に示すように、風速計本体部１２と受信側端末４０とは、送信部３６と受信部４３とを用いて無線通信することにより、互いに情報を送受信する。したがって、風速計１０は、風速計本体部１２が設置される測定箇所から離れた場所において、風速の計測結果を確認したり、風速の計測結果を保存したりすることが可能である。

図２は、風速計本体部１２を示す斜視図である。風速計本体部１２は、支持部２０と、加速度センサ３４を含む計測モジュール３０とを有する。支持部２０の端部には、風速計本体部１２を設置・固定するための設置端部２６が備えられる。設置端部２６は、測定箇所において、風速計本体部１２の風受け部２４に風が当たるように固定されればよく、たとえば、野外の地面や、設備の床面、壁面、天井面など、任意の場所に固定することができる。

支持部２０は、設置端部２６の他に、接続部２８と、風受け部２４と、変位部２２とを有する。接続部２８は、風速計本体部１２の中央部に伸びる棒状の形状を有しており、加速度センサ３４を含む計測モジュール３０が取り付けられる変位部２２と、設置端部２６とを接続している。

支持部２０は複数（実施形態では４枚）の風受け部２４を有しており、それぞれの風受け部２４は、接続部２８から放射状に設けられている。風受け部２４は、効率的に風を受けることができるように、薄板形状を有している。ただし、風受け部２４の形状は、支持部２０が風を受ける効率を上げることができる形状であれば、どのような形状であってもかまわない。

４枚の風受け部２４は、接続部２８に固定されている。４枚の風受け部２４は、様々な方向からの風を受けられるように、接続部２８を中心として等間隔に設けられている。風受け部２４は、設置端部２６から離間するように接続部２８に固定されており、設置端部２６と比較して変位部２２の近くに備えられる。

変位部２２は、接続部２８における設置端部２６とは反対側の端部に設けている。変位部２２は、図１に示すように、風受け部２４が風を受けることにより変位する。すなわち、風受け部２４が風を受けることにより、棒状の接続部２８の少なくとも一部が弾性変形し、変位部２２が設置端部２６に対して傾くことにより、変位部２２は、図２に示す無風状態のおける位置から変位する。なお、風受け部２４と接続部２８とは一体であってもよく、別体であってもよい。また、風受け部２４の一部が接続部２８および変位部２２となっていてもよく、計測モジュール３０が風受け部２４に取り付けられていてもよい。

接続部２８の材質は特に限定されないが、風受け部２４が風を受けて弾性的にたわむことができ、かつ、風によって強い変形力を受けても塑性変形しにくい樹脂や、炭素繊維強化プラスチック、金属などが好ましい。風受け部２４の材質も特に限定されないが、比較的軽量で塑性変形しにくい樹脂や、炭素繊維強化プラスチック、金属などが好ましい。

図１および図２に示すように、加速度センサ３４を含む計測モジュール３０は、変位部２２に取り付けられており、加速度センサ３４は、変位部２２の変位に伴い生じる加速度を検出する。図３は、計測モジュール３０の構成を示す機能ブロック図である。

計測モジュール３０は、送信側電源部３２、加速度センサ３４、送信部３６および送信側記憶部３８などを有する。計測モジュール３０の各部分は、防水性のハウジングに収納されていることが好ましい。送信側電源部３２は、加速度センサ３４や送信部３６などに電力を供給する。送信側電源部３２は、全固体電池、二次電池などの電池や、これらの電池または交流電源などの電力を供給するための電源ユニット等を有する。

加速度センサ３４は、図１および図２に示すように、計測モジュール３０が取り付けられる変位部２２の変位に伴い生じる加速度を検出する。加速度センサ３４は、単軸のものであってもよく、２軸、３軸など多軸のものであってもよい。実施形態の加速度センサ３４は、図２に示す無風状態で鉛直方向に伸びる接続部２８に直交する第１方向と、鉛直方向および第１方向に直交する第２方向の加速度を検出する。２軸、３軸またはこれ以上の多軸の加速度センサ３４を用いることにより、風向が変化するような条件でも風速を適切に計測できるとともに、検出すされた加速度の方向から、風向を検出することができる。加速度センサ３４としては、たとえば、静電容量型や、ピエゾ抵抗型などが挙げられるが、特に限定されない。

図３に示す送信部３６は、加速度センサ３４が検出した加速度に関する情報を、図１に示す受信側端末４０へ送信する。送信部３６は、モデムやアンテナ等で構成される。送信部３６は、たとえば無線ＬＡＮなどの通信方式を採用することができるが、送信部３６と受信部４３との通信方式は特に限定されない。

送信側記憶部３８は、不揮発性メモリ等で構成され、加速度センサ３４の個体情報や、加速度センサ３４が検出した加速度と風受け部２４が受けた風の風速との相関関数などを記憶する。送信部３６は、送信側記憶部３８が記憶する情報を読み出し、受信側端末４０へ送信することができる。

図４は、図１に示す受信側端末４０の構成を表す機能ブロック図である。受信側端末４０は、受信側電源部４２、受信部４３、演算部４４、受信側記憶部４５、表示部４６、入力部４８などを有する。受信側電源部４２は、受信側端末４０の各部に電力を供給する。受信側電源部４２は、全固体電池、二次電池などの電池や、これらの電池または交流電源などの電力を供給するための電源ユニット等を有する。

図４に示す受信部４３は、図３に示す計測モジュール３０の送信部３６が送信した情報を受信する。受信部４３は、送信部３６と同様にモデムやアンテナ等で構成される。演算部４４は、図２に示す風速計本体部１２の加速度センサ３４（図３参照）で検出され、送信部３６および受信部４３によって送受信された加速度から、演算部４４の風受け部２４が受けた風の速度を算出する。演算部４４は、マイクロプロセッサ等で構成される。

また、演算部４４は、加速度センサ３４が検出した加速度と、風受け部２４が受けた風の風速との相関関数を定めるための演算を行うことができる。この場合、演算部４４は、加速度から風速を算出する際に、予め定めておいた加速度と風速の相関関数を用いることができる。

図４に示す受信側記憶部４５は、不揮発性メモリ等で構成され、演算部４４によって算出された風速を記憶する。また、受信側記憶部４５は、演算部４４が定めた相関関数や、受信部４３が送信部３６から受信した加速度に関する情報などを記憶することができる。演算部４４は、受信側記憶部４５が記憶する情報を読み出して演算に用いたり、演算結果を受信側記憶部４５に記憶させたりすることができる。

図４に示す表示部４６は、液晶表示パネルなどで構成され、演算部４４による風速などの演算結果を表示する。また、図４に示す入力部４８は、キーボードやタッチパネルなどで構成され、操作者が風速計１０を操作する際における信号の入力に用いられる。風速計１０の操作者は、表示部４６により風速計１０による風速の測定結果を確認することができ、また、入力部４８を用いて、計測モジュール３０のＯＮ・ＯＦＦの切り替えや、測定条件の設定変更などを行うことができる。

図５は、図１〜図４に示す風速計１０による風速の測定方法の一例を示すフローチャートである。図５に示すステップＳ００１では、受信側端末４０の演算部４４が、加速度から風速を求めるために使用する相関関数を決定する。受信端末の演算部４４は、受信側記憶部４５に記憶されている相関関数を読み出したり、送信側記憶部３８に記憶されている相関関数を送受信して取得することにより、相関関数を決定することができる。

また、受信側端末４０の演算部４４が、加速度から風速を求めるために使用する相関関数を定める他の方法として、風速計１０以外から風速を取得できる風を、風速計本体部１２の風受け部２４に当てて、相関関数を定める方法がある。この場合、所定の風速の風を発生させる送風機の風を風速計本体部１２の風受け部２４に当てるか、または、別の風速計で風受け部２４に当てる風の風速を計測しながら、加速度センサ３４により加速度を検出する。加速度センサ３４で検出された加速度は、送信部３６により受信側端末４０に送られて加速度検出時の風速と照合され、演算部４４により相関関数が定められる。

図６は、相関関数を定める際に加速度センサ３４で検出された、加速度の計測情報の一例を示すグラフである。横軸が第１方向Ｘの加速度を、縦軸が第２方向Ｙの加速度を示している。図６に示すような加速度の情報から、演算部４４は、第１方向Ｘの加速度と第２方向Ｙの加速度のベクトル和を算出し、算出した加速度のベクトル和の大きさを、別途取得された風速の情報と対応させることにより、加速度と風速の相関関数を定める。

図７は、ステップＳ００１において、図６に示す加速度の情報を用いて、演算部４４が算出した相関関数５０の一例を示している。図７に示す相関関数５０は、加速度センサ３４で検出された加速度（第１および第２方向のベクトル和の大きさ）ｙと風速ｘとの関係を表す１次関数である。ただし、ステップＳ００１で定められる相関関数５０としては１次関数に限定されず、他の関数であってもかまわない。

図５に示すステップＳ００２では、図１に示すように、設置端部２６が固定された支持部２０が有する風受け部２４が風を受けることにより、支持部２０の接続部２８がたわんで、支持部２０の変位部２２が変位する。これにより、ステップＳ００２では、変位部２２に取り付けられる計測モジュール３０に含まれる加速度センサ３４（図３参照）が、変位部２２の変位に伴い生じる加速度を検出する。

図５に示すステップＳ００３では、図３に示す加速度センサ３４が検出した加速度に関する情報を、送信部３６が受信側端末４０（図１および図４参照）に送信する。さらに、図５に示すステップＳ００４では、送信部３６が送信した加速度に関する情報を、受信側端末４０の受信部４３が受信する。

図５に示すステップＳ００５では、図４に示す受信側端末４０の演算部４４が、加速度センサ３４が検出した加速度から、風速計本体部１２の風受け部２４が受けた風の風速を算出する。この際、演算部４４は、ステップＳ００１で定めた相関関数５０（図７参照）を用いて、加速度センサ３４が検出した加速度から、風受け部２４が受けた風の風速を算出する。

以上のように、風速計１０および風速計１０による風速の測定方法では、変位部２２の変位に伴い生じる加速度を加速度センサ３４で検出し、加速度センサ３４が検出した加速度から風速を算出する。そのため、風速計１０は回転軸を備える必要がなく構造が単純であるうえに、回転軸の摩耗による発塵や回転軸の潤滑剤の飛散などによるコンタミネーションを防止できる。そのため、風速計１０は、農場、園芸ハウスおよび植物工場のような農業用途において汚染物質の発生防止に対する厳しい要請がある場所でも、好適に用いることができる。また、風速計１０は、構造がシンプルであるため、メンテナンス性や小型化の観点で有利である。

また、加速度センサ３４を含む計測部が防水ハウジングに収納されていれば、雨天時の屋外などのように風速計本体部１２に水分が付着する環境でも、精度よく風速を測定することができる。

また、風速計１０では、加速度と風速の相関関数５０を定めることにより、風速計本体部１２の設置状態や加速度センサ３４の個体差による測定ばらつきを抑制し、より精度の高い風速の測定を行うことができる。

上述した実施形態に係る風速計１０およびこれを用いた風速の計測方法は一例にすぎず、本発明は他の多くの実施形態や変形例を含むことは言うまでもない。たとえば、図１〜図４に示す風速計１０では、風速の算出を受信側端末４０で行っているが、これとは異なり、風速計本体部１２に備えられる計測モジュール３０が、加速度から風速を算出する演算部４４を有していてもよい。このような変形例に係る風速計では、風速計本体部１２の送信部３６は、計測モジュールにおいて加速度から算出した風速に関する情報を、受信側端末４０の受信部４３へ送信することができる。

また、本発明に係る風速計は、風速計本体部１２と受信側端末４０との間で通信するもののみに限定されず、風速計本体部と受信側端末とが有線接続されているものや、風速計本体部１２単独で風速の算出およびデータ保存まで行えるものも、本発明の一態様に含まれる。

また、本発明に係る風速計には、複数の風速計本体部１２を有しており、複数の風速計本体部１２から情報を、１台または複数の受信側端末４０で受信するものも含まれる。また、風速計本体部は、加速度センサ３４のほかに、温度センサやＧＰＳ受信機を備えていてもよい。このような風速計本体部を有する風速計は、風速に加えて、測定箇所の温度や位置情報を受信側端末４０で認識することができる。

１０… 風速計
１２… 風速計本体部
２０… 支持部
２２… 変位部
２４… 風受け部
２６… 設置端部
２８… 接続部
３０… 計測モジュール
３２… 送信側電源部
３４… 加速度センサ
３６… 送信部
３８… 送信側記憶部
４０… 受信側端末
４２… 受信側電源部
４３… 受信部
４４… 演算部
４５… 受信側記憶部
４６… 表示部
４８… 入力部
Ｘ… 第１方向
Ｙ… 第２方向
５０… 相関関数

Claims

端部が固定された支持部が有する風受け部が風を受けることにより、前記支持部が有する変位部が変位するステップと、
前記変位部に取り付けられる加速度センサが、前記変位部の変位に伴い生じる加速度を検出するステップと、
前記加速度センサが検出した加速度から、前記風受け部が受けた風の風速を算出するステップと、
を有する風速測定方法。
前記加速度センサが検出した加速度と、前記風受け部が受けた風の風速との相関関数を定めるステップをさらに有し、
前記風受け部が受けた風の風速を算出するステップでは、前記相関関数を用いることを特徴とする請求項１に記載の風速測定方法。
前記加速度センサが検出した加速度または加速度から算出した風速に関する情報を送信部が送信するステップと、
前記送信部が送信した情報を受信部が受信するステップと、を有する請求項１または請求項２に記載の風速測定方法。
風を受ける風受け部と、設置端部と、前記風受け部が風を受けることにより変位する変位部と、を有する支持部と、
前記変位部に取り付けられ前記変位部の変位に伴い生じる加速度を検出する加速度センサと、
前記加速度センサが検出した加速度から、前記風受け部が受けた風の風速を算出する演算部と、を有する風速計。
前記加速度センサは、第１方向と、前記第１方向に直交する第２方向の加速度を検出することを特徴とする請求項４に記載の風速計。
前記支持部は、前記設置端部と前記変位部を接続しており、前記風受け部が風を受けることにより前記変位部が前記設置端部に対して傾くように接続する接続部を有する請求項４または請求項５に記載の風速計。
前記支持部は、前記設置端部と前記変位部を接続しており、前記風受け部が風を受けることにより少なくとも一部が弾性変形する接続部を有する請求項４から請求項６までのいずれかに記載の風速計。