JP3832185B2 - 三次元風向計測装置用風向算定方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、一部分を支持部材に結合されるとともに内部に熱源を設けられた球体と、その球体の表面上に分散配置された複数の表面温度センサとを具える三次元風向計測装置に用いて好適な風向算定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば自動車部品に要求される耐熱品質等を評価する際には、エンジンルーム内の熱源となるエンジン等の近傍の狭小な空間にて、低風速域での風速や風向を計測する必要がある場合があり、かかる計測を行う三次元風向風速計測装置としては、本願出願人が先に特開２０００−１９１９５号公報にて開示したものが知られている。
【０００３】
この三次元風向風速計測装置は、球体内部に熱源を設け、この球体の表面付近の気流の状態により球体表面から気体への熱伝達係数が変化することに着目し、球体の表面温度を所定の位置間隔で計測することにより風向を算出するもので、具体的には、内部に熱源としてのヒータを設けられた小さな球体と、その球体の表面上に分散配置された１６個の、各々熱電対からなる温度センサとを具え、それらの温度センサで測定した表面温度の平均値から風速を求めるとともに、それらの温度センサで測定した表面温度を、球体の中心を通る水平面と交差する位置の表面温度については経度方向の角度を変数とする水平面用の関数に代入し、球体の中心を通る垂直面と交差する位置の表面温度については緯度方向の角度を変数とする垂直面用の関数に代入して、それらの関数の極値から球体に向かう気流の水平方位（経度方向）および仰角あるいは俯角（緯度方向）をそれぞれ求め、三次元での風向を算定している。
【０００４】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
しかしながら、上記装置は多数の温度センサを具えることから、配線数が多数になって組み立て作業が煩雑になるという不都合があった、また上記装置は、実際には、球体の一部分、通常は下部に結合されてその球体を支持する支持部材を具える必要があることから、その支持部材に結合された球体下部には温度センサを設けることができず、たとえ温度センサを設けたとしても支持部材による気流の乱れで正確な温度測定ができないため、支持部材の近辺の方向からの気流について緯度方向を正確に算定するのが困難であるという不都合があった。
【０００５】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
この発明は、上記課題を有利に解決した風向算定方法を提供することを目的とするものであり、この発明の三次元風向計測装置用風向算定方法は、一部分を支持部材に結合されるとともに内部に熱源を設けられた球体と、前記球体の表面上の、その球体の中心点と前記支持部材への結合部分とを通る中心軸線にその球体の中心点を通って直交する平面と交差する位置に互いに等間隔に配置されてその球体の表面温度を測定する少なくとも三個の側部温度センサと、前記球体の表面上の、前記支持部材への結合部分と反対の側で前記中心軸線と交差する位置に配置されてその球体の表面温度を測定する一個の端部温度センサとを具える三次元風向計測装置に用いられる風向算定方法において、少なくとも前記側部温度センサの全てでそれぞれ測定した表面温度の平均値から前記端部温度センサで測定した表面温度を引いた温度差に基づき風向の仰角を算定することを特徴としている。
【０００６】
例えば、球体の下部に支持部材が結合されていて上記中心軸線が上下方向へ延在している場合に、球体の中心点を通る水平面内（水平方位）で風向が変化すると、球体表面上の、その水平面と交差する位置に互いに等間隔に配置された少なくとも三個の側部温度センサの測定温度が変化する。その際、球体表面のうちで気流に対し正面（風上）に向いている僅かな部分では気流の淀みで温度が高くなるがその部分の周囲では気流が球体に沿って層流となって流れて熱伝達効率が最も高くなるので風上に向いている部分付近の領域は全体として表面温度が最も低くなる。また球体表面のうちで風下に向いている部分付近の領域は気流が乱流となって熱伝達効率が最も低くなるので表面温度が最も高くなる。そして気流に対し側方に向いている部分付近の領域は気流が球体に概ね沿って層流となって流れるので、表面温度がそれら最も低い温度と最も高い温度の中間の温度となる。従って、少なくとも三個の側部温度センサで測定した表面温度を、経度方向の角度を変数とする上記表面温度の変化の関数に代入することで、その関数の極小値から球体に向かう気流の水平方位（経度方向）を求めることができる。
【０００７】
一方、全ての側部温度センサの測定温度の平均値、あるいはそれら側部温度センサと、上記中心軸線と交差する上端位置の一個の端部温度センサとの測定温度の平均値は、球体の中心点を通る水平面内で風向（水平方位）が変化しても変化しない。しかしながら球体の中心点を通る垂直面内で風向（仰角あるいは俯角）が変化すると、上端位置の一個の端部温度センサ付近の領域は、気流が変化して表面温度も変化し、その表面温度は、気流の向きがその端部温度センサに近づく程低くなる。従って、全ての側部温度センサでそれぞれ測定した表面温度の平均値あるいはそれら全ての側部温度センサと端部温度センサとの測定温度の平均値から、その端部温度センサで測定した表面温度を引いて温度差を求めることで、その温度差から球体に向かう気流の仰角あるいは俯角（緯度方向）を求めることができる。
【０００８】
それゆえこの発明の方法によれば、従来よりも少ない数の温度センサで風向を求めることができるので、風向計測装置をより簡易に組み立て得るものとすることができ、しかも支持部材に結合された部分付近に温度センサを設けなくても、支持部材の近辺の方向からの気流についても緯度方向を正確に算定することができる。なお、上記の説明では球体の下部に支持部材が結合されている場合を想定したが、球体の何れの部分に支持部材が結合されていても同様にして風向を三次元的に求めることができる。
【０００９】
ところで本願発明者の研究では、風速が大きくなるにつれて、全ての温度センサの平均温度と上記温度差とが共に減少する傾向があることが判明している。これは、風速が大きくなると風下に向いている部分付近の領域でも熱伝達効率が高まるためであると推定される。そこでこの発明の方法では、より好ましくは、前記側部温度センサの全てと前記端部温度センサとでそれぞれ測定した表面温度の平均値から風速を求め、その風速に基づいて前記風向の仰角の算定値を補正する。
【００１０】
このように風速に基づいて算定値を補正すれば、より高精度に風向を算定することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明の実施の形態を実施例によって、図面に基づき詳細に説明する。ここに、図１（ａ）はこの発明の風向算定方法の一実施例を適用した三次元風向風速計測装置を示す斜視図、図１（ｂ）はその風向風速計測装置の（ａ）中のＡ−Ａ線に沿う横断面図、図１（ｃ）はその風向風速計測装置の（ａ）中のＢ−Ｂ線に沿う縦断面図、図２はその風向風速計測装置の表面温度の、Ｘ軸線およびＹ軸線を含む横断面に沿う変化状態を三種類の風速L1, L2, L3について示す特性線図である。
【００１２】
ここにおける三次元風向風速計測装置は、図１に示すように、球体１と、その球体１の下部に結合されてその球体１を支持する支持部材としての支柱２とを具えており、その球体１は、中心部に熱源としての電気ヒータ３を設けられ、その電気ヒータ３が、熱伝導率が比較的大きいアルミニウム製の球殻４で覆われ、その球殻４が、熱伝導率が比較的小さいポリイミド製の薄膜５で覆われた構造とされている。なお、このように熱伝導率が大きいアルミニウム製の球殻４を覆うことで、電気ヒータ３の熱を球体表面に効率良く伝えることができ、またその球殻４を熱伝導率が小さいポリイミド製の薄膜５で覆うことで、球体１の風上側と風下側とに温度差を生じ易くすることができる。
【００１３】
また、ここにおける三次元風向風速計測装置は、これも図１に示すように、上記薄膜５の表面に貼り着けられた、各々熱電対からなる四個の側部温度センサ6a〜6dおよび一個の端部温度センサ７を具えており、その四個の側部温度センサ6a〜6dは、球体１の中心点Ｐと支柱２への球体１の結合部分である下部とを通ってここでは上下方向に延在する中心軸線Ｚにその中心点Ｐを通って直交するとともに互いに直交するＸ軸線およびＹ軸線と、薄膜５の表面との四箇所の交点の位置にそれぞれ配置され、それにより四個の側部温度センサ6a〜6dは、上記中心軸線Ｚに球体１の中心点Ｐを通って直交するＸ−Ｙ平面（水平面）と薄膜５の表面とが交差する位置に互いに90°ずつ離間して等間隔に横向きに位置している。
【００１４】
そして上記一つの端部温度センサ７は、上記中心軸線Ｚと薄膜５の表面との交点の位置であって支柱２と反対側の位置に配置され、それにより端部温度センサ７は、薄膜５の上端に上向きに位置している。
【００１５】
かかる風向風速計測装置を用いて風向を三次元的に計測するに際し、この実施例の方法では、四個の側部温度センサ6a〜6dで測定した球体１の表面温度を、経度方向の角度αを変数とする表面温度ｔの変化の関数（ｔ＝ａα⁴ ＋ｂα³ ＋ｃα² ＋ｄα＋ｅというような四次の近似式：但しａ〜ｅは実験で求めた定数）に代入することで、その関数の極小値の位置から、球体１に向かう気流の水平方位（経度方向）αを算出する。
【００１６】
すなわち、球体１の表面のうちで気流に対し正面（風上）に向いている僅かな部分では気流の淀みで温度が高くなるがその部分の周囲では気流が球体に沿って層流となって流れて熱伝達効率が最も高くなるので風上に向いている部分付近の領域は全体として表面温度が最も低くなる。また球体１の表面のうちで風下に向いている部分付近の領域は気流が乱流となって熱伝達効率が最も低くなるので表面温度が最も高くなる。そして球体１の表面のうちで気流に対し側方に向いている部分付近の領域は気流が球体１に概ね沿って層流となって流れるので、表面温度がそれら最も低い温度と最も高い温度の中間の温度となる。それゆえ経度方向の角度αの変化に対する表面温度の変化は、四次あるいは五次の近似式で近似することができ、実際上は図２に示す如き四次の近似式で必要にして充分な精度に近似することができる。
【００１７】
一方、この実施例の方法では、全ての側部温度センサ6a, 6b, 6c, 6dでそれぞれ測定した球体１の横の部分の表面温度d1, d2, d3, d4と、端部温度センサ７とで測定した球体１の上の部分の表面温度d5との平均値から、その端部温度センサ７で測定した球体１の上の部分の表面温度d5を引いて温度差td（td＝（d1＋d2＋d3＋d4＋d5）／５）−d5）を算出することにより、あらかじめ、各種風速での、球体１の真上からの気流の場合（仰角０°の場合）の上記温度差tds と球体１の真上からの気流の場合（仰角90°の場合）の上記温度差tdt とを求め、さらに規準とする風速でのそれらの差DS（DS＝tdt −tds ）を求めておき、風向計測の際の上記温度差tdと上記90°分の差DSと後述するTSとに基づき、次式の比例配分式により仰角あるいは俯角（緯度方向）βを求める。
【００１８】
【数１】
β＝｛（d1＋d2＋d3＋d4＋d5）／５）−d5｝×90／（DS×TS）・・・(1)
【００１９】
すなわち、側部温度センサ6a, 6b, 6c, 6dでそれぞれ測定した球体１の横の部分の表面温度d1, d2, d3, d4と、端部温度センサ７とで測定した球体１の上の部分の表面温度d5との平均値は、球体１の中心点Ｐを通る水平面内で風向（水平方位）αが変化しても変化しないが、球体１の中心点Ｐを通る垂直面内で風向（仰角あるいは俯角）βが変化すると、球体１の上端位置の端部温度センサ７付近の領域で気流が変化して表面温度ｔも変化し、その表面温度ｔは、気流の向きがその端部温度センサ７に近づく程低くなる。それゆえあらかじめ球体１に対する真横からの気流の場合と真上からの気流の場合のそれぞれについて上記温度差tdを計測しておけば、風向計測時の上記温度差tdから比例配分で垂直面内での風向βを求めることができる。
【００２０】
ここにTSは、風速補正係数で、具体的には各種風速での上記差tdt −tds を上記規準とする風速での差DSで割ったもの（TS＝（tdt −tds ）／DS）であり、この風速補正係数TSを上記のように規準とする風速での差DSに掛けることで、風速の変化による温度差の変化を補正することができる。なお、DS×TSはtdt −tdsに等しいので、全ての温度センサの平均温度（d1＋d2＋d3＋d4＋d5）／５と風速との関係をあらかじめ求めておき、風向計測時には、前記関係とその時の上記平均温度とからその風向計測時の風速を求め、各種風速についてあらかじめ求めておいたtdt −tds の値のうちその風速でのtdt −tds の値を上記DS×TSとして用いれば良い。
【００２１】
なお、βが正の値の場合は、表面温度の平均値よりも球体１の上の部分の表面温度d5が低いことから球体１の上の部分が風上に近いのでβは仰角を表していることになり、βが負の値の場合は、表面温度の平均値よりも球体１の上の部分の表面温度d5が高いことから球体１の下の部分が風上に近いのでβは俯角を表していることになる。
【００２２】
以下の表１は、上記風向風速計測装置を用いて、風速１，２，３，４m/s のそれぞれの場合について表面温度を実測し、仰角０°の温度差tds と、仰角90°の温度差tdt と、それらの差tdt −tds と、風速補正係数TSと、規準とする風速での差DSと風速補正係数TSとの積とを求めたものであり、例えば風速１m/s の場合には、表面温度は、風上側で82℃、左右側方でそれぞれ85℃、風下側で88℃であった。よって、表１の風速１m/s の欄に示す如く、例えば図１（ａ）の右方から矢印W1で示すように横向きに気流が流れている場合、風上側の側部温度センサ6cの表面温度が82℃、風下側の側部温度センサ6aの表面温度が88℃、流れの側方の二つの側部温度センサ6b, 6dおよび端部温度センサ７の表面温度が85℃となり、（d1＋d2＋d3＋d4＋d5）／５）−d5は０℃となる。また、例えば図１（ａ）の上方から矢印W2で示すように下向きに気流が流れている場合、風上側の端部温度センサ７の表面温度が82℃、流れの側方の四つの側部温度センサ6a〜6dの表面温度が85℃となり、（d1＋d2＋d3＋d4＋d5）／５）−d5は2.4 ℃となる。従って、例えば風向計測時に求めた（d1＋d2＋d3＋d4＋d5）／５）−d5が1.2 ℃で、DS×TSが2.4 ℃の場合には、(1) 式から仰角β＝45°となる。
【００２３】
【表１】

【００２４】
かくしてこの実施例の方法によれば、従来よりも少ない五個の温度センサで風向を三次元的に求めることができるので、風向計測装置をより簡易に組み立て得るものとすることができ、しかも支柱２に結合された部分付近に温度センサを設けなくても、支柱２の近辺の方向からの気流についても緯度方向を正確に算定することができる。さらには、温度センサおよびその配線数を少なくできることから、装置全体をより極小化でき、より狭小な空間に配置することができるという効果もある。
【００２５】
以上、図示例に基づき説明したが、この発明は上述の例に限定されるものでなく、例えば、上記実施例では比例配分で仰角あるいは俯角βを求めたが、より詳細に各種仰角での温度差tdのデータをあらかじめ求めておいて、風向計測時の温度差tdをそのデータに当てはめることにより仰角あるいは俯角βをより高精度に求めるようにしても良い。また上記実施例では全ての温度センサで計測した表面温度から平均温度を求めているが、端部温度センサを加えず側部温度センサで計測した表面温度のみから平均温度を求めるようにしても良い。そして上記実施例では側部温度センサを四個具えたが、三個あるいは五個以上としても良い。さらに球体への支持部材の結合位置も、上記実施例では球体の下部としたがこれに限定されず適宜変更することができ、球体の具体的構成も、適宜変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 （ａ）は、この発明の風向算定方法の一実施例を適用した三次元風向風速計測装置を示す斜視図、（ｂ）は、その風向風速計測装置の（ａ）中のＡ−Ａ線に沿う横断面図、（ｃ）は、その風向風速計測装置の（ａ）中のＢ−Ｂ線に沿う縦断面図である。
【図２】 上記風向風速計測装置の表面温度の、Ｘ軸線およびＹ軸線を含む横断面に沿う変化状態を三種類の風速L1, L2, L3について示す特性線図である。
【符号の説明】
１ 球体
２ 支柱
３ 電気ヒータ
４ 球殻
５ 薄膜
6a, 6b, 6c, 6d 側部温度センサ
７ 端部温度センサ

Claims (2)

1. 一部分を支持部材に結合されるとともに内部に熱源を設けられた球体と、前記球体の表面上の、その球体の中心点と前記支持部材への結合部分とを通る中心軸線にその球体の中心点を通って直交する平面と交差する位置に互いに等間隔に配置されてその球体の表面温度を測定する少なくとも三個の側部温度センサと、前記球体の表面上の、前記支持部材への結合部分と反対の側で前記中心軸線と交差する位置に配置されてその球体の表面温度を測定する一個の端部温度センサとを具える三次元風向計測装置に用いられる風向算定方法において、
   少なくとも前記側部温度センサの全てでそれぞれ測定した表面温度の平均値から前記端部温度センサで測定した表面温度を引いた温度差に基づき風向の仰角を算定することを特徴とする、三次元風向計測装置用風向算定方法。
2. 前記側部温度センサの全てと前記端部温度センサとでそれぞれ測定した表面温度の平均値から風速を求め、その風速に基づいて前記風向の仰角の算定値を補正することを特徴とする、請求項１記載の三次元風向計測装置用風向算定方法。

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