JP3616836B2 - Wind speed measuring method and apparatus - Google Patents

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Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、定温度に発熱されたサーミスタが風の流れから受ける影響を検知して、気体の速度を測る風速測定方法及び装置に関し、特に微風速領域の測定方法及び装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、熱線式風速計に代わって、検知素子にサーミスタを使用したサーミスタ式風速計が利用されるようになってきた。これは、熱線式に比べサーミスタ式のほうが小型で点状の発熱体であるので気流を乱さず、指向性も少ないため正確な測定ができ、特に微風速の領域においては、その効果が顕著なためである。
【0003】
しかしながら、このようなサーミスタ式風速計もサーミスタを発熱させて使用するため、定温度回路からの出力は熱線式風速計におけるブリッジからの出力と同様、図5の曲線で示すように「出力電圧は風速の1/4乗に比例する」というKINGの式にほぼ従うような非直線性の大きな特性となる。
【0004】
このような特性をデジタル表示するためにはリニアライザーが必要であり、リニアライズ方法としては、一般的に折れ線近似方式やROM内のルックアップ・テーブルからデータを逐次アクセスするテーブル・ルックアップ方式が使用されるが、非直線性の強い特性に対しては、特に、アクセスされたデータをそのまま直接後段の表示器等に送る直接テーブル・ルックアップ方式による数値変換を行なったほうが経済的である。
【0005】
直接テーブル・ルックアップ方式によるリニアライズ方法は、図6に示したように、風速検知用サーミスタ11が接続された定温度回路12の出力電圧がA/D変換器15に入力され、前記A/D変換器15からバイナリー出力された値はROM16のROMアドレス値として入力される。図5に表したように、ROM16では出力電圧aに対応するROMアドレスがアクセスされると、該当するROMデータがルックアップ・テーブルから基準特性上の風速値b’として表示器17へ出力される。このときルックアップ・テーブルには、あらかじめサーミスタの自己加熱による自己対流の影響を除去した風速特性値が入力されている。(図5線分aq’→q’b’)
このようなリニアライズ方法による測定値変換方式は、回路構成が簡単で高速で変換できるという利点を有する。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の方法によると次のような問題があった。
従来の図6に示した回路による測定方法は、出力電圧をROMアドレスとして、それに対応する図5の破線で示されたような自己加熱による自己対流成分を除去した電圧−風速特性上の風速値が、ROMのルックアップ・テーブルに記憶されている。このため、定温度回路からの出力電圧が1/4乗特性のように非直線性の強い特性の場合には、出力電圧が大きい領域では出力電圧の変化に対する風速の変化は非常に大きくなり、これをROMのルックアップ・テーブルに当てはめると、ROMの1アドレス変化に対して得られるROMデータの値はいくつかの風速値を含んだ誤差の大きな値となってしまう。一方、出力電圧が小さい領域では出力電圧の変化に対する風速の変化は非常に小さくなり、これをROMのルックアップ・テーブルに当てはめると、ROMの1アドレス変化に対して得られるROMデータの値は出力電圧の変化に対応できず同じ風速値となってしまう。このように、どちらの領域においても精度が落ちてしまうという欠点があった。さらに、前記傾きの大きな領域に対しての不連続現象を防ぐために風速値を細かく得ようとすると、A/D変換器の分解能を大幅に上げ出力電圧を細かく設定する必要があり、それによってルックアップ・テーブルが増大し、ROMは大きなメモリ容量を必要として、急激に経済性を失ってしまう。
【0007】
また、微風速領域の測定においては、自己加熱による自己対流の影響を除去しなければならないが、これは、サーミスタのマウント状態を考慮した複雑な熱伝導のシミュレーション計算を行なうことによって、図5の破線で示すような特性を得なければならず、複雑さと精度の点で容易ではない。
【0008】
この理由は次のとおりである。
図5において任意の出力電圧aは、同図実線で示される自己対流を含んだ実測特性(以下、実測特性と称する)上では点pに該当し、破線で示される自己対流を除去した特性(以下、除去特性と称する)上では点q’に該当する。ここで、該実測特性上の点pも同特性を有する出力電圧aに対する点pも、該除去特性に対して線分pq’,風速差として線分bb’を共有している。しかし、これは風速という物理量であり、電気回路のバイアスのように「比較」という差分操作によって直接キャンセルすることはできない。したがって、出力電圧aから風速を求めるには複雑なシミュレーション計算によって図5の破線で示した該除去特性上の点q’から風速値b’が求められなければならない。
【0009】
本発明はこのような従来の欠点を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、複雑なシミュレーション計算をすることなく、自己対流分を含んだままの特性を使いながらおのずからその成分が除かれ、且つリニアライズも同時に行なわれることによって、高い精度を有するサーミスタ風速測定方法及び装置を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
前記目的を解決するべく本発明による風速測定方法及び装置は、風の流れによって変化する自己加熱された風速検知用サーミスタからの出力電圧と、CPUからROMのルックアップ・テーブルに対するアドレス・スキャンによってアクセスされるROMデータのD/A変換された電圧とが、比較器により比較され前記各電圧が一致したときを測定点とするものであって、
定温度回路による風速検知用サーミスタの自己加熱温度が負性抵抗領域の最低温度近傍に設定され、
前記定温度回路と前記比較器との間には、サンプル&ホールド回路が接続され、前記ルックアップ・テーブルには、風速値がROMアドレスとされ、サーミスタの自己加熱による自己対流の影響を含んだままの基準電圧が前記ROMアドレスのデータとして記憶され、
前記ルックアップ・テーブルへのアドレス・スキャンが全アドレスに対して行なわれ、且つその時間帯は前記定温度回路からの出力がホールドされ、
前記比較器からCPUのインターフェイスを介して入力された一致信号によって、当該ROMアドレスが全アドレス・スキャン直後にCPUのアキュームレータを介してデジタルの風速値として出力される手段を有することを特徴とするものである。
【0011】
【作用】
上記構成による本発明の風速測定方法及び装置は、必要な桁数の風速値をROMアドレスとし、風速値に対応する実測電圧をROMデータとしている(図5線分bp→pa)ので、サーミスタが風の流れに対して示す固有な実測特性が基準とされれば、未知の風速入力も同じ特性上にあり、自己対流成分はおのずから除去され、複雑なシミュレーション計算は不要となる。
【0012】
この理由は次のとおりである。
図5において、任意の風速bは同図実線で示される該実測特性上では点pに該当し、破線で示される該除去特性上では点qに該当する。ここで、該実測特性上の点pも同特性を有する風速入力bに対する点pも、該除去特性に対して線分pq,電圧差として線分acを共有している。しかし、これは電圧という物理量であり、電気回路のバイアスに該当し「比較」という差分操作によって直接キャンセルされるのは自明である。したがって、風速入力から電圧を求めるには複雑なシミュレーション計算によって図5の破線で示した該除去特性上の点qから風速値bを求めなくても、該実測特性上でも自己対流はおのずから除去される。
【0013】
また、ROMのアドレス・スキャンは実測特性上を動くので、同特性の未知の風速入力との比較一致動作はおのずからリニアライズ動作となる。さらに、風速値を表すROMアドレスをスキャンするので、特性の傾きが大きい領域では、風速値が不連続になることはなく、特性の傾きが小さい領域では、その分解能はD/A変換器とアナログ比較器による分解能まで上げられるため、風速値を表すROMアドレスが重複することはほとんどない。このように従来の欠点を全て解決できる測定方法及び装置を提供することができる。
【0014】
【実施例】
以下、図面を参照して本発明を更に詳しく説明する。図4は、本発明の一実施例を示すサーミスタ風速センサ・プローブの斜視図である。同図において、絶縁ベース21に直立するステンレスの支柱22,22’,23,23’に熔接された2本の特性の揃った小型サーミスタのうち、符号1は自己加熱された風速検知用サーミスタであり、符号8は自己加熱されない温度検知用サーミスタである。
【0015】
これらのサーミスタ1,8は寸法がφ0.9mm×1.2mmのアキシャルリード・タイプであり、R(25℃)=5.46kΩ,B定数(0/100℃)=3390Kである。風速検知用サーミスタ1は支柱22,22’間を長いリード線で接続され、温度検知用サーミスタ8は気流を乱さないように風速検知用サーミスタ1よりも離して、しかもやや風下に、支柱23,23’間を短いリード線で接続され設置される。
【0016】
図3(a)に示すように、風速検知用サーミスタ1は、オペアンプとトランジスタからなる定温度回路2に接続される。ここでオペアンプはOP−07,トランジスタは2SC794,R=1.5kΩ,R=46.92kΩ,R=39Ω,Vcc=12Vである。
【0017】
この回路の動作は、風の流れによって変化する風速検知用サーミスタ1の抵抗値の変化分に相当する電圧差がオペアンプとトランジスタを介してサーミスタ1と抵抗R〜Rからなる抵抗ブリッジに偏差電力としてフィードバックがかかり、風速検知用サーミスタ1の自己加熱量を変え抵抗値を常に一定に保つので定温度動作となり、出力Vout はサーミスタ1にかかる前記フィードバック電力の変化を電圧の変化として取り出すものである。
【0018】
このような動作と回路定数によって風速検知用サーミスタ1の動作温度は、図3(b)に示すように風速検知用サーミスタ1の電圧−電流特性において、負性抵抗領域の最低温度近傍である70℃に設定される。この温度は、自己対流の影響を極力少なく保ちながら、電圧−電流特性に交差する定温度動作線上での風速感度が最大となるように選定されたものである。
【0019】
次に、図1を用いて本発明の風速測定方法を説明する。同図において、図3(a)のように構成された、風速検知用サーミスタ1と定温度回路2からの出力は、サンプル&ホールド回路3に入力される。
【0020】
一方、マイクロコンピュータ6(TMP47P400VN,東芝社製4ビットCMOS)は、8ビットのワンタイムP−ROMを内蔵している。このROMには0〜2.00m/sの風速に対応する400番地幅のROMアドレスが、オフセット・アドレスが加算された状態で割り当てられ、8ビット幅のROMのデータエリアには、図5の実線で示される自己対流を含んだ実測特性に従い、風速に対応する基準電圧が2バイトに跨がって12ビットのデータ長で記憶されている。以下この風速に関するROMのルックアップ・テーブルを風速マップエリアと称する。
【0021】
マイクロコンピュータ6のCPU(中央処理装置)は前記ROM内に予め記憶されているプログラムに従い、風速値に対応する風速マップエリアのアドレスを順次スキャンしていき、その都度基準電圧のデジタル値をアキュームレータを介して12ビット幅の出力端子IOからD/A変換器5に出力していく。このとき、マイクロコンピュータ6のCPUのアキュームレータは4ビットであるため、ROMデータは3回に分けてIOに送られ、12ビットの風速値データが形成される。
【0022】
D/A変換器5の出力は比較器4に入力され、前記サンプル&ホールド回路3の出力と比較される。未知の風速電圧とROM内の基準電圧が一致したとき、比較器4からは一致信号が出力され、マイクロコンピュータ6の入力端子IOに入力される。CPUはその信号に基づき、その時の2番地分のROMアドレスの先頭番地を風速値として一時レジスタまたはRAMに格納しておき、前記風速マップエリアの全アドレスがスキャンされた直後にその値をアキュームレータでオフセット・アドレスを除き、1/2の操作を施してから出力端子IOより3桁のLCD表示器7に送る。
【0023】
ここで、CPUが風速マップエリアのアドレスをスキャンしている間に、定温度回路2からの出力が変化しては正確な測定ができないので、図2(a)に示すように、前記風速マップエリアの全アドレスがスキャンされ、且つその時間帯は、前記定温度回路2からの出力が、サンプル&ホールド回路3にてサンプル&ホールドされるようプログラムされており、その制御信号は出力端子IOより出力される。
【0024】
図2(a)の測定値は比較的低速で動作された例であり、1アクセス時間が0.7msの場合、1測定サイクル200回,400バイト分のアクセスでは、最少280msのサンプル&ホールド時間が必要であるが、実際には、前後に1アクセス時間分の余裕をもって281.4msとされた。そして、最後に付加された1アクセス時間中に、風速値としてのROMアドレスがレジスタまたはRAMからアキュームレータで上記の操作を施されて出力端子IOに送られる。
一般的に、前記比較器4からの一致信号が出力されるまでの間だけ入力がサンプル&ホールドされ、微風速では測定時間が短く、強風速では測定時間が長くなるような測定方法が考えられるが、本発明では、測定時間を上記のように一定にし、後段のデータ処理が容易に行なわれるように構成されている。
【0025】
ここで、本実施例による測定精度を風洞試験によって測定した結果を図2(b)に示した。風速測定範囲は0〜2.00m/s,気温は25℃とした。これによれば、微風速領域においても誤差はフルスケールの±0.5%(±1digit)程度であり、市販の風速計ではほとんど見受けられない精度を実現できた。
【0026】
このように高精度で安定な測定が実現できたのは、自己対流の影響をおのずから除去されることによって、リニアライズが正確に行なわれたためである。この点を確認するために、図4に示す風速センサ・プローブを無風状態でどのような方向に向けても、表示器のゼロ点ドリフトは±0.5%(±1digit)以内であった。この結果は、センサ・プローブの非対称性による熱放散の違いから生じる自己対流の変動がほとんど除去されていることを表している。
【0027】
また、従来例として図6に示した直接テーブル・ルックアップ方式によるリニアライズ方法では、0〜2.00m/sの測定に対し、10倍に分解能を上げ2000バイトのデータをROMに記憶させておかなければ、風速値の不連続や重複を目立たない程度まで減少させることができないのに対して、本実施例では、わずか400バイトのアドレスが遊びなく12ビットのデータ長に対応しているので、十分な分解能を有しており、使用するメモリ容量は極めてわずかでありながら、前記のような風速値の不連続や重複はない。
【0028】
さらに従来の方法では、複雑なシミュレーション計算によって、ROMには自己対流成分が除去されたデータが記憶されているが、本実施例では、自己対流成分を含んだ実測データが記憶されていればよいので、複雑なシミュレーション計算をする必要がなくなった。
【0029】
上述の結果から、本実施例による風速測定方法は、自己対流成分を含んだままの特性を基準としながら、その成分をおのずから除去して測定され、4ビットという小さなマイクロコンピュータと少ないROM容量で、不連続や重複のない正確な測定が可能であることは明らかである。
【0030】
本発明においてサーミスタは感温素子であり、気温の変化によっても風速の変化と同様に測定値が変わり、誤差を生じる。これを補償する手段として、本実施例では図4に示した温度検知用サーミスタ8が、図1に示したように温度変換回路9に接続される。本実施例における温度依存性はどの風速においても直線状であったので、温度変換回路9は単なる線形増幅器とされ、その出力はD/A変換器5の基準電圧端子Vref に温度依存性に相当する大きさで入力され、温度依存性を補償している。尚、温度を補償する手段は実施例に限定されず、温度検知用サーミスタ8の抵抗に応じて増幅度が変化する増幅器を利用して、定温度回路2の出力を補償する等、種々の手段も考えられる。
【0031】
本発明は上記実施例に限定されない。本実施例では、風速検知用及び温度検知用のサーミスタとしてアキシャルリードのサーミスタを使用したが、ラジアルリードのサーミスタを使用し無指向性としてもよい。また、風速検知用サーミスタの支柱への取り付けは、垂直方向に限らず水平方向でもよい。さらに、マイクロコンピュータとして、ワンタイムP−ROMを内蔵したものを用いたが、マスク−ROMを内蔵したものでもよい。
【0032】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、自己加熱による自己対流の影響を除くための複雑なシミュレーション計算をすることがなく、おのずから自己対流成分を除いた測定結果がリニアライズされた状態で得ることができ、測定風速値の不連続や重複がない正確な測定ができる。また、そのためのROM容量は極めて少なくて済むので、非常に簡単なハードとソフトで微風速領域においても、精度の高い風速測定方法及び装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明における風速測定回路の構成図である。
【図2】本発明の一実施例を示す図で、
(a)はサンプル&ホールド回路の動作図,
(b)は風洞試験測定結果図である。
【図3】本発明の一実施例を示す図で、
(a)は定温度回路の回路図,
(b)は風速検知用サーミスタの電流−電圧特性図である。
【図4】本発明の一実施例を示す図で、一般的なサーミスタ風速センサ・プローブの斜視図である。
【図5】本発明の実施例および従来例で使用される風速検知用サーミスタの風速−電圧特性図である。
【図6】従来例を示す図で、テーブル・ルックアップ方式による風速測定回路の構成図である。
【符号の説明】
1‥‥風速検知用サーミスタ
2‥‥定温度回路
3‥‥サンプル&ホールド回路
4‥‥比較器
5‥‥D/A変換器
6‥‥マイクロコンピュータ
7‥‥表示器
8‥‥温度検知用サーミスタ
9‥‥温度変換回路
[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a wind speed measuring method and apparatus for measuring the velocity of a gas by detecting the influence of a thermistor heated to a constant temperature from a wind flow, and more particularly to a measuring method and apparatus for a micro wind speed region.
[0002]
[Prior art]
In recent years, a thermistor type anemometer using a thermistor as a detection element has been used instead of a hot wire type anemometer. This is because the thermistor type is smaller and more punctate than the hot-wire type, so it does not disturb the airflow and has less directivity, so it can be measured accurately, especially in the area of low wind speed. Because.
[0003]
However, since such a thermistor anemometer also uses the thermistor to generate heat, the output from the constant temperature circuit is similar to the output from the bridge in the hot wire anemometer, as shown by the curve in FIG. This is a non-linear characteristic that substantially follows the KING equation “proportional to the 1/4 power of the wind speed”.
[0004]
In order to digitally display such characteristics, a linearizer is required. As a linearization method, generally, a polygonal line approximation method or a table lookup method for sequentially accessing data from a lookup table in a ROM is used. Although it is used, it is more economical to perform numerical conversion by the direct table look-up method in which accessed data is directly sent to a subsequent display device or the like for characteristics with strong non-linearity.
[0005]
As shown in FIG. 6, the linearization method using the direct table look-up method is such that the output voltage of the constant temperature circuit 12 to which the wind speed detection thermistor 11 is connected is input to the A / D converter 15, and the A / D converter 15 The binary output value from the D converter 15 is input as the ROM address value of the ROM 16. As shown in FIG. 5, when the ROM address corresponding to the output voltage a is accessed in the ROM 16, the corresponding ROM data is output from the lookup table to the display unit 17 as the wind speed value b 'on the reference characteristic. . At this time, the wind speed characteristic value from which the influence of self-convection due to self-heating of the thermistor is removed is input to the lookup table. (Fig. 5 line segment aq '→ q'b')
The measurement value conversion method using such a linearization method has an advantage that the circuit configuration is simple and can be converted at high speed.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional method has the following problems.
The conventional measurement method using the circuit shown in FIG. 6 uses the output voltage as a ROM address and the wind speed value on the voltage-wind speed characteristic from which the self-convection component due to self-heating as shown by the dashed line in FIG. 5 is removed. Are stored in the ROM lookup table. For this reason, when the output voltage from the constant temperature circuit has a strong non-linearity characteristic such as a 1/4 power characteristic, the change in the wind speed with respect to the change in the output voltage becomes very large in the region where the output voltage is large, When this is applied to the ROM lookup table, the ROM data value obtained for one ROM address change becomes a large error value including several wind speed values. On the other hand, in the region where the output voltage is small, the change in the wind speed with respect to the change in the output voltage becomes very small. When this is applied to the ROM look-up table, the value of the ROM data obtained for one ROM address change is output. It cannot respond to the voltage change, and the same wind speed value is obtained. As described above, there is a drawback that the accuracy is lowered in either region. Further, if it is attempted to obtain a fine wind speed value in order to prevent a discontinuous phenomenon in a region having a large slope, it is necessary to greatly increase the resolution of the A / D converter and set the output voltage finely, thereby reducing the look. As the up-table increases, the ROM requires a large memory capacity and suddenly loses economic efficiency.
[0007]
Further, in the measurement of the slight wind speed region, it is necessary to remove the influence of self-convection due to self-heating. This is done by performing a complicated heat conduction simulation calculation considering the mounting state of the thermistor. Characteristics as indicated by the broken line must be obtained, which is not easy in terms of complexity and accuracy.
[0008]
The reason for this is as follows.
In FIG. 5, an arbitrary output voltage a corresponds to a point p on an actual measurement characteristic including self-convection (hereinafter referred to as an actual measurement characteristic) indicated by a solid line in FIG. Hereinafter, it corresponds to the point q ′. Here, the point p on the actually measured characteristic and the point p for the output voltage a having the same characteristic share the line segment pq ′ and the line segment bb ′ as the wind speed difference with respect to the removal characteristic. However, this is a physical quantity called wind speed, and cannot be directly canceled by a differential operation called “comparison” like a bias of an electric circuit. Therefore, in order to obtain the wind speed from the output voltage a, the wind speed value b ′ must be obtained from the point q ′ on the removal characteristic indicated by the broken line in FIG. 5 by complicated simulation calculation.
[0009]
The present invention has been made in order to solve such conventional drawbacks, and the object of the present invention is to use the characteristics including self-convection without using complicated simulation calculation. An object of the present invention is to provide a thermistor wind speed measuring method and apparatus having high accuracy by removing components and performing linearization at the same time.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned object, a method and apparatus for measuring wind speed according to the present invention provides an output voltage from a self-heated thermistor for detecting wind speed, which is changed by wind flow, and an address scan from a CPU to a ROM look-up table. a voltage D / a conversion of the ROM data to be is been made to the measurement points when the respective voltages are compared are matched by the comparator,
The self-heating temperature of the thermistor for wind speed detection by the constant temperature circuit is set near the lowest temperature in the negative resistance region,
A sample and hold circuit is connected between the constant temperature circuit and the comparator. The look-up table includes a wind speed value as a ROM address, and includes the influence of self-convection due to thermistor self-heating. The reference voltage as it is is stored as the data of the ROM address,
An address scan to the lookup table is performed for all addresses, and during that time period, the output from the constant temperature circuit is held,
In accordance with a coincidence signal input from the comparator via the CPU interface, the ROM address is output as a digital wind speed value via the CPU accumulator immediately after all addresses are scanned. It is.
[0011]
[Action]
The wind speed measuring method and apparatus according to the present invention having the above configuration uses the wind speed value of the required number of digits as the ROM address and the actually measured voltage corresponding to the wind speed value as the ROM data (the line segment bp → pa). If the inherent measurement characteristics shown for the wind flow are used as a reference, the unknown wind speed input is also on the same characteristics, the self-convection component is naturally removed, and complicated simulation calculation is unnecessary.
[0012]
The reason for this is as follows.
In FIG. 5, an arbitrary wind speed b corresponds to the point p on the measured characteristic indicated by the solid line and corresponds to the point q on the removal characteristic indicated by the broken line. Here, the point p on the actual measurement characteristic and the point p for the wind speed input b having the same characteristic share the line segment pq and the line segment ac as the voltage difference with respect to the removal characteristic. However, this is a physical quantity called voltage, and it is obvious that it corresponds to the bias of the electric circuit and is directly canceled by the difference operation of “comparison”. Therefore, in order to obtain the voltage from the wind speed input, even if the wind speed value b is not obtained from the point q on the removal characteristic indicated by the broken line in FIG. 5 by complicated simulation calculation, the self-convection is naturally removed even on the actual measurement characteristic. The
[0013]
Further, since the address scan of the ROM moves on the actual measurement characteristic, the comparison and coincidence operation with the unknown wind speed input having the same characteristic is naturally a linearization operation. Further, since the ROM address representing the wind speed value is scanned, the wind speed value does not become discontinuous in the region where the characteristic gradient is large, and the resolution is D / A converter and analog in the region where the characteristic gradient is small. Since the resolution is increased by the comparator, ROM addresses representing wind speed values rarely overlap. Thus, it is possible to provide a measurement method and apparatus that can solve all of the conventional drawbacks.
[0014]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings. FIG. 4 is a perspective view of a thermistor wind speed sensor / probe showing an embodiment of the present invention. In the figure, reference numeral 1 denotes a self-heated thermistor for detecting the wind speed, out of two small thermistors with uniform characteristics welded to stainless steel columns 22, 22 ', 23, 23' standing upright on the insulating base 21. Reference numeral 8 denotes a temperature detection thermistor which is not self-heated.
[0015]
These thermistors 1 and 8 are of axial lead type with a size of φ0.9 mm × 1.2 mm, and R (25 ° C.) = 5.46 kΩ and B constant (0/100 ° C.) = 3390K. The wind speed detection thermistor 1 is connected between the support posts 22 and 22 'by a long lead wire, and the temperature detection thermistor 8 is separated from the wind speed detection thermistor 1 so as not to disturb the air flow, and slightly below the support 23, 23 'is connected with a short lead wire.
[0016]
As shown in FIG. 3A, the wind speed detecting thermistor 1 is connected to a constant temperature circuit 2 including an operational amplifier and a transistor. Here, the operational amplifier is OP-07, the transistor is 2SC794, R 1 = 1.5 kΩ, R 2 = 46.92 kΩ, R 3 = 39Ω, and Vcc = 12V.
[0017]
The operation of this circuit is such that a voltage difference corresponding to a change in resistance value of the wind speed detecting thermistor 1 that changes depending on the flow of wind deviates from a thermistor 1 and resistors R 1 to R 3 via an operational amplifier and a transistor. Feedback is applied as power, the self-heating amount of the thermistor 1 for detecting the wind speed is changed, and the resistance value is kept constant, so that the operation is constant temperature. is there.
[0018]
With such operation and circuit constants, the operating temperature of the wind speed detecting thermistor 1 is close to the minimum temperature in the negative resistance region in the voltage-current characteristics of the wind speed detecting thermistor 1 as shown in FIG. Set to ° C. This temperature is selected so that the wind speed sensitivity on the constant temperature operating line intersecting the voltage-current characteristics is maximized while keeping the influence of self-convection as small as possible.
[0019]
Next, the wind speed measuring method of the present invention will be described with reference to FIG. In the figure, outputs from the wind speed detecting thermistor 1 and the constant temperature circuit 2 configured as shown in FIG. 3A are input to the sample and hold circuit 3.
[0020]
On the other hand, the microcomputer 6 (TMP47P400VN, Toshiba 4-bit CMOS) incorporates an 8-bit one-time P-ROM. A ROM address having a width of 400 corresponding to a wind speed of 0 to 2.00 m / s is assigned to this ROM with an offset address added, and the data area of the 8-bit width ROM is shown in FIG. In accordance with actual measurement characteristics including self-convection indicated by a solid line, a reference voltage corresponding to the wind speed is stored with a data length of 12 bits across 2 bytes. Hereinafter, the ROM lookup table regarding the wind speed is referred to as a wind speed map area.
[0021]
The CPU (central processing unit) of the microcomputer 6 sequentially scans the address of the wind speed map area corresponding to the wind speed value according to the program stored in advance in the ROM, and each time the digital value of the reference voltage is stored in the accumulator. Through the output terminal IO 1 having a 12-bit width to the D / A converter 5. At this time, since the accumulator of the CPU of the microcomputer 6 is 4 bits, the ROM data is sent to the IO 1 in three times, and 12-bit wind speed value data is formed.
[0022]
The output of the D / A converter 5 is input to the comparator 4 and compared with the output of the sample and hold circuit 3. When the unknown wind speed voltage matches the reference voltage in the ROM, a match signal is output from the comparator 4 and input to the input terminal IO 2 of the microcomputer 6. Based on the signal, the CPU stores the first address of the ROM address for two addresses at that time in a temporary register or RAM as a wind speed value, and immediately after all addresses in the wind speed map area are scanned, the value is stored in an accumulator. Excluding the offset address, a half operation is performed, and then sent to the 3-digit LCD display 7 from the output terminal IO 4 .
[0023]
Here, while the CPU scans the address of the wind speed map area, if the output from the constant temperature circuit 2 changes, accurate measurement cannot be performed. Therefore, as shown in FIG. All addresses in the area are scanned, and during that time period, the output from the constant temperature circuit 2 is programmed to be sampled and held by the sample and hold circuit 3, and the control signal is output from the output terminal IO 3. Is output.
[0024]
The measured values in FIG. 2 (a) are examples of operation at a relatively low speed. When one access time is 0.7 ms, a sample and hold time of 280 ms is minimum for one measurement cycle 200 times and 400 bytes of access. However, in practice, it was set to 281.4 ms with a margin for one access time before and after. Then, during one access time added at the end, the ROM address as the wind speed value is subjected to the above operation by the accumulator from the register or RAM and sent to the output terminal IO 4 .
In general, the input is sampled and held only until the coincidence signal is output from the comparator 4, and a measurement method in which the measurement time is short at a low wind speed and the measurement time is long at a strong wind speed is conceivable. However, in the present invention, the measurement time is made constant as described above, and the subsequent data processing is easily performed.
[0025]
Here, the result of measuring the measurement accuracy according to the present example by the wind tunnel test is shown in FIG. The wind speed measurement range was 0 to 2.00 m / s, and the air temperature was 25 ° C. According to this, even in the minute wind speed region, the error is about ± 0.5% (± 1 digit) of the full scale, and an accuracy that is hardly found in a commercial anemometer can be realized.
[0026]
The reason why high-accuracy and stable measurement can be realized in this way is that linearization is performed accurately by removing the influence of self-convection. In order to confirm this point, the zero point drift of the display was within ± 0.5% (± 1 digit) regardless of the direction of the wind speed sensor / probe shown in FIG. This result shows that the self-convection fluctuations resulting from differences in heat dissipation due to sensor probe asymmetry are almost eliminated.
[0027]
Further, in the linearization method using the direct table look-up method shown in FIG. 6 as a conventional example, the resolution is increased 10 times with respect to the measurement of 0 to 2.00 m / s, and 2000 bytes of data is stored in the ROM. Otherwise, discontinuity and duplication of wind speed values cannot be reduced to an inconspicuous level, whereas in this embodiment, only 400 bytes of address correspond to a 12-bit data length without play. Although it has a sufficient resolution and uses a very small memory capacity, there is no discontinuity or overlap of wind speed values as described above.
[0028]
Further, in the conventional method, the data from which the self-convection component is removed is stored in the ROM by complicated simulation calculation. However, in this embodiment, it is only necessary to store the actual measurement data including the self-convection component. So there is no need for complicated simulation calculations.
[0029]
From the above results, the wind speed measuring method according to the present embodiment was measured by removing the components naturally while using the characteristics including the self-convection component as a standard, and with a small microcomputer of 4 bits and a small ROM capacity. Clearly, accurate measurements without discontinuities or overlaps are possible.
[0030]
In the present invention, the thermistor is a temperature-sensitive element, and the measured value changes in the same manner as the change in the wind speed due to a change in the air temperature, causing an error. As means for compensating for this, in this embodiment, the temperature detection thermistor 8 shown in FIG. 4 is connected to the temperature conversion circuit 9 as shown in FIG. Since the temperature dependency in this embodiment is linear at any wind speed, the temperature conversion circuit 9 is a simple linear amplifier, and its output corresponds to the temperature dependency of the reference voltage terminal Vref of the D / A converter 5. The temperature dependence is compensated. The means for compensating the temperature is not limited to the embodiment, and various means such as compensating the output of the constant temperature circuit 2 using an amplifier whose amplification degree changes according to the resistance of the temperature detection thermistor 8. Is also possible.
[0031]
The present invention is not limited to the above embodiments. In this embodiment, an axial lead thermistor is used as the wind speed detecting and temperature detecting thermistor, but a radial lead thermistor may be used to make it non-directional. Moreover, the attachment of the thermistor for detecting the wind speed to the support is not limited to the vertical direction, and may be in the horizontal direction. Further, although a microcomputer incorporating a one-time P-ROM is used, a microcomputer incorporating a mask-ROM may be used.
[0032]
【The invention's effect】
As described in detail above, according to the present invention, the complicated simulation calculation for eliminating the influence of self-convection due to self-heating is not performed, and the measurement result excluding the self-convection component is naturally obtained in a linearized state. It is possible to perform accurate measurement without discontinuity or overlap of measured wind speed values. Further, since the ROM capacity for that purpose is very small, it is possible to realize a highly accurate wind speed measuring method and apparatus even in the micro wind speed region with very simple hardware and software.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a wind speed measuring circuit according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing an embodiment of the present invention.
(A) is an operation diagram of the sample and hold circuit,
(B) is a wind tunnel test measurement result figure.
FIG. 3 is a diagram showing an embodiment of the present invention.
(A) is a circuit diagram of a constant temperature circuit,
(B) is a current-voltage characteristic diagram of a thermistor for detecting wind speed.
FIG. 4 is a perspective view of a general thermistor wind speed sensor / probe according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a wind speed-voltage characteristic diagram of a wind speed detecting thermistor used in the embodiment of the present invention and the conventional example.
FIG. 6 is a diagram showing a conventional example, and is a configuration diagram of a wind speed measuring circuit by a table lookup method.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Thermistor for wind speed detection 2 ... Constant temperature circuit 3 ... Sample & hold circuit 4 ... Comparator 5 ... D / A converter 6 ... Microcomputer 7 ... Display 8 ... Thermistor for temperature detection 9. Temperature converter circuit

Claims (2)

風の流れによって変化する自己加熱された風速検知用サーミスタからの出力電圧と、CPUからROMのルックアップ・テーブルに対するアドレス・スキャンによってアクセスされるROMデータのD/A変換された電圧とが、比較器により比較され、前記各電圧が一致したときを測定点とする風速測定方法であって、定温度回路による風速検知用サーミスタの自己加熱温度が負性抵抗領域の最低温度近傍に設定され、前記定温度回路と前記比較器との間には、サンプル&ホールド回路が接続され、前記ルックアップ・テーブルには、風速値がROMアドレスとされ、サーミスタの自己加熱による自己対流の影響を含んだままの基準電圧が前記ROMアドレスのデータとして記憶され、前記ルックアップ・テーブルへのアドレス・スキャンが全アドレスに対して行なわれ、且つその時間帯は前記定温度回路からの出力がホールドされ、前記比較器からCPUのインターフェイスを介して入力された一致信号によって、当該ROMアドレスが全アドレス・スキャン直後にCPUのアキュームレータを介してデジタルの風速値として出力される手段を有することを特徴とする風速測定方法。The output voltage from the self-heated wind speed detection thermistor that changes depending on the wind flow is compared with the D / A converted voltage of the ROM data accessed by the address scan from the CPU to the ROM lookup table. Is a wind speed measuring method in which each voltage is matched, and the self-heating temperature of the thermistor for detecting the wind speed by a constant temperature circuit is set near the lowest temperature in the negative resistance region, A sample and hold circuit is connected between the constant temperature circuit and the comparator, and the wind speed value is a ROM address in the lookup table, and the influence of self convection due to thermistor self heating is included. Is stored as the data of the ROM address, and the address scan to the lookup table is performed. The output from the constant temperature circuit is held during that time period, and the ROM address is immediately after all addresses are scanned by the coincidence signal input from the comparator through the CPU interface. A wind speed measuring method comprising means for outputting a digital wind speed value via an accumulator of a CPU. 風の流れによって変化する自己加熱された風速検知用サーミスタからの出力電圧と、CPUからROMのルックアップ・テーブルに対するアドレス・スキャンによってアクセスされるROMデータのD/A変換された電圧とが、比較器により比較され、前記各電圧が一致したときを測定点とする風速測定装置であって、定温度回路による風速検知用サーミスタの自己加熱温度が負性抵抗領域の最低温度近傍に設定され、前記定温度回路と前記比較器との間には、サンプル&ホールド回路が接続され、前記ルックアップ・テーブルには、風速値がROMアドレスとされ、サーミスタの自己加熱による自己対流の影響を含んだままの基準電圧が前記ROMアドレスのデータとして記憶され、前記ルックアップ・テーブルへのアドレス・スキャンが全アドレスに対して行なわれ、且つその時間帯は前記定温度回路からの出力がホールドされ、前記比較器からCPUのインターフェイスを介して入力された一致信号によって、当該ROMアドレスが全アドレス・スキャン直後にCPUのアキュームレータを介してデジタルの風速値として出力される手段を有することを特徴とする風速測定装置。The output voltage from the self-heated wind speed detection thermistor that changes depending on the wind flow is compared with the D / A converted voltage of the ROM data accessed by the address scan from the CPU to the ROM lookup table. Is a wind speed measuring device having a measurement point when the respective voltages match, and the self-heating temperature of the thermistor for detecting wind speed by a constant temperature circuit is set near the lowest temperature in the negative resistance region, A sample and hold circuit is connected between the constant temperature circuit and the comparator, and the wind speed value is a ROM address in the lookup table, and the influence of self convection due to thermistor self heating is included. Is stored as the data of the ROM address, and the address scan to the lookup table is performed. The output from the constant temperature circuit is held during that time period, and the ROM address is immediately after all addresses are scanned by the coincidence signal input from the comparator through the CPU interface. A wind speed measuring apparatus comprising means for outputting a digital wind speed value via an accumulator of a CPU.
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