JP5541576B2 - 風向風速計および風向風速装置 - Google Patents

Description

本発明は、空気の流れを乱さずに風向と風速とを測定可能な風向風速計および風向風速装置に関する。

大気汚染測定などでは、局所的な大気の流れを測定する目的で、空気の風向と風速とを測定する風向風速計が用いられている。例えば、風杯と呼ばれる半球殻又は円錐殻の羽を回転可能に有した風杯型やプロペラ型の羽を回転可能に有したプロペラ型の風向風速計が知られている。

また、上記のような羽の回転を利用したもの以外には、例えば特許文献１には、両開口端を通じて外気に連通する測定風路を内部に有する風路管と、測定風路に配置された温度依存型抵抗素子から成る風速センサと、一方が風速センサを通過する風の後流内に位置する態様で測定風路内に風速センサを挟んで配置された二つの温度センサとから成る風向風速計が提案されている。

特開２００３−７５４６１号公報

上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
すなわち、上記従来の回転可能な羽を利用した風向風速計では、寒冷地などで羽の回転軸が凍結するおそれがあり、雪や氷を取り除く点検作業が必要になり、メンテナンスに手間がかかるという不都合がある。
また、上記特許文献１に記載の技術では、センサを風路内に設置しているため、センサ自身が障害物となって空気の流れを乱してしまい、正確な風向および風速を測定することが困難であるという問題があった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、凍結による測定不能状態がなく、空気の流れを乱さずに、正確に風向と風速とを測定することができる風向風速計および風向風速装置を提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明の風向風速計は、気体が内部を流通する風路管と、赤外線を放射する放射面を前記風路管の内周面に面一に配して設けられ入力電圧に応じて抵抗加熱により赤外線の放射量を制御可能な熱源部と、前記放射面からの赤外線を検出する検出面を前記放射面に対向状態にかつ前記風路管の内周面に面一に配して設けられた非接触温度センサ部と、を備え、前記非接触温度センサ部が、前記検出面の直下に少なくとも２つが前記風路管の延在方向に並んでいる複数の感熱素子を備えていることを特徴とする。

この風向風速計では、非接触温度センサ部が、検出面の直下に少なくとも２つが風路管の延在方向に並んでいる複数の感熱素子を備えているので、熱源部への入力電圧値と複数の感熱素子で得られた放射面の温度分布とから風向および風速を測定することができる。
なお、熱源部への入力電圧と加熱温度との関係を予め求めておき、この関係から熱源温度および温度分布を算出する。特に、少なくとも２つの感熱素子が風路管の延在方向に並んでいるので、風路管の延在方向における放射面の温度分布を、検出面を介して得ることができる。さらに、風速に対応した熱源温度の変化の関係も予め求めておく。
このように、風路管内に流れる気体によって熱源部が冷却されて放射面の温度分布が変化するが、非接触温度センサ部が熱源部の放射面の温度分布を常にセンシングすることで、熱源部への入力電圧値と放射面の温度分布のセンシング結果とから風向および風速を測定することができる。
また、この風向風速計では、熱源部および非接触温度センサ部が風路管の内周面にそれぞれ放射面と検出面とを面一にして設置され、風路に設置されないため、風路管内の空気の流れを乱さずに正確に風向および風速を測定できると共に、凍結による測定不能状態となることがない。

また、本発明の風向風速計は、前記非接触温度センサ部が、前記検出面に設けられた赤外線反射膜と、該赤外線反射膜の直下に設けられた基準感熱素子と、前記赤外線反射膜の周囲に設置され前記検出面に設けられた複数の赤外線吸収膜と、これら赤外線吸収膜の直下に設けられた複数の温度分布用感熱素子と、を備えていることを特徴とする。
この風向風速計では、非接触温度センサ部が、検出面の赤外線反射膜の直下に設けられた基準感熱素子と、赤外線反射膜の周囲に設置され検出面の赤外線吸収膜の直下に設けられた複数の温度分布用感熱素子と、を備えているので、熱源部への入力電圧値と基準感熱素子および温度分布用感熱素子で得られた放射面の温度分布とから風向および風速を測定することができる。
すなわち、基準感熱素子では、赤外線反射膜が検出面に設けられているので、熱源部の放射面からの赤外線を反射した状態で基準温度を測定し、複数の温度分布用感熱素子では、赤外線吸収膜が検出面に設けられているので、対向する放射面の各部から放射された赤外線を吸収して対向する各部の温度を測定する。そして、これら各部の温度と基準温度とのそれぞれの差分を元にして、放射面の温度分布を正確に算出することができる。

また、本発明の風向風速計は、前記温度分布用感熱素子および前記赤外線吸収膜が、前記基準感熱素子を中心とした周方向を均等に分割した領域にそれぞれ設置されていることを特徴とする。
すなわち、この風向風速計では、温度分布用感熱素子および赤外線吸収膜が、基準感熱素子を中心とした周方向を均等に分割した領域にそれぞれ設置されているので、分割した複数領域における放射面の詳細な温度分布を測定することができ、より正確な風向および風速を測定可能である。

本発明の風向風速装置は、上記本発明の風向風速計を２つ備え、２つの前記風路管が、互いに延在方向を直交させて設置されていることを特徴とする。
すなわち、この風向風速装置では、２つの風路管が、互いに延在方向を直交させて設置されているので、直交する２方向の各測定結果を組み合わせることにより２次元での風向および風速を測定することができる。

本発明の風向風速装置は、上記本発明の風向風速計を３つ備え、３つの前記風路管が、互いに延在方向を直交させて設置されていることを特徴とする。
すなわち、この風向風速装置では、３つの風路管が、互いに延在方向を直交させて設置されているので、直交する３方向の各測定結果を組み合わせることにより３次元での風向および風速を測定することができる。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る風向風速計および風向風速装置によれば、非接触温度センサ部が、検出面の直下に少なくとも２つが風路管の延在方向に並んでいる複数の感熱素子を備えているので、風路管内の空気の流れを乱さずに正確に風向および風速を測定できると共に、凍結による測定不能状態となることがない。
したがって、高精度な風向および風速の測定が可能で、寒冷地などでも雪や氷を取り除くメンテナンスの手間を省くことができる。

本発明に係る風向風速計の一実施形態を示す簡略的な断面図である。 本実施形態において、非接触温度センサ部を示す平面図である。 本実施形態において、基準感熱素子とこれに隣接する温度分布用感熱素子とだけを示す要部の斜視図である。 本実施形態において、基準感熱素子とこれに隣接する温度分布用感熱素子とだけを示す要部の断面図である。 本発明に係る風向風速装置の一実施形態において、２次元での測定を行う場合（ａ）および３次元での測定を行う場合（ｂ）の風向風速装置を示す斜視図である。

以下、本発明に係る風向風速計および風向風速装置の一実施形態を、図１から図５を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能又は認識容易な大きさとするために縮尺を適宜変更している。

本実施形態の風向風速計１は、図１から図４に示すように、大気（気体）が内部を流通する筒状の風路管２と、赤外線を放射する放射面３ａを風路管２の内周面に面一に配して設けられ入力電圧に応じて抵抗加熱により赤外線の放射量を制御可能な熱源部３と、放射面３ａからの赤外線を検出する検出面４ａを放射面３ａに対向状態にかつ風路管２の内周面に面一に配して設けられた非接触温度センサ部４と、熱源部３へ電圧を印加して赤外線の放射量を制御すると共に非接触温度センサ部４に接続され検出した赤外線の量から風向および風速を算出する制御部Ｃと、を備えている。

なお、上記熱源部３および非接触温度センサ部４は、それぞれ風路管２に形成された取り付け孔に隙間無く固定されている。また、制御部Ｃは、風路管２から離間して配された制御盤等に設置されている。
上記熱源部３は、例えば入力電圧に応じて流れる電流で生じるジュール熱によって赤外線を放射するセラミックスヒータなどが採用される。

上記非接触温度センサ部４は、放射面３ａに対向した上記検出面４ａの直下に少なくとも２つが風路管２の延在方向に並んでいる複数の感熱素子を備えている。すなわち、非接触温度センサ部４は、図２から図４に示すように、上記検出面４ａに設けられた赤外線反射膜５と、該赤外線反射膜５の直下に設けられた基準感熱素子６Ａと、赤外線反射膜５の周囲に設置され上記検出面４ａに設けられた複数の赤外線吸収膜７と、これら赤外線吸収膜７の直下に設けられた複数の温度分布用感熱素子６Ｂと、を備えている。
本実施形態では、温度分布用感熱素子６Ｂが、基準感熱素子６Ａを中心とした周方向を均等に８分割した領域にそれぞれ設置されており、全部で８つ配されている。

この非接触温度センサ部４は、絶縁性フィルム９と、該絶縁性フィルム９の一方の面（下面）に互いに離間させて設けられた上記基準感熱素子６Ａ及び８つの温度分布用感熱素子６Ｂと、絶縁性フィルム９の一方の面に銅箔等でパターン形成され基準感熱素子６Ａに接続された導電性の第１の配線膜１０Ａ及び温度分布用感熱素子６Ｂに接続された導電性の第２の配線膜１０Ｂと、基準感熱素子６Ａに対向して絶縁性フィルム９の他方の面（上面）に設けられた上記赤外線反射膜５と、各温度分布用感熱素子６Ｂに対向して絶縁性フィルム９の他方の面（上面）に設けられた８つの上記赤外線吸収膜７と、を備えている。

なお、絶縁性フィルム９の一方の面に固定されて該絶縁性フィルム９を支持すると共に基準感熱素子６Ａと各温度分布用感熱素子６Ｂとを収納する筐体を設けても構わない。
上記赤外線吸収膜７は、絶縁性フィルム９を介して各温度分布用感熱素子６Ｂの直上に配されていると共に、上記赤外線反射膜５は、絶縁性フィルム９を介して基準感熱素子６Ａの直上に配されている。上記絶縁性フィルム９は、赤外線透過性フィルムで形成されている。なお、本実施形態では、絶縁性フィルム９がポリイミド樹脂シートで形成されている。

上記基準感熱素子６Ａ及び温度分布用感熱素子６Ｂは、両端部に端子電極６ａが形成されたチップサーミスタ（サーミスタ素子）である。このサーミスタとしては、ＮＴＣ型、ＰＴＣ型、ＣＴＲ型等のサーミスタがあるが、本実施形態では、基準感熱素子６Ａ及び温度分布用感熱素子６Ｂとして、例えばＮＴＣ型サーミスタを採用している。このサーミスタは、Ｍｎ−Ｃｏ−Ｃｕ系材料、Ｍｎ−Ｃｏ−Ｆｅ系材料等のサーミスタ材料で形成されている。なお、これら基準感熱素子６Ａ及び温度分布用感熱素子６Ｂは、各端子電極６ａを配線膜１０Ａ，１０Ｂ上に接合させて絶縁性フィルム９に実装されている。

上記赤外線吸収膜７は、絶縁性フィルム９よりも高い赤外線吸収率を有する材料で形成され、例えば、カーボンブラック等の赤外線吸収材料を含むフィルムや赤外線吸収性ガラス膜（二酸化珪素を７１％含有するホーケー酸ガラス膜など）で形成されている。すなわち、この赤外線吸収膜７によって測定対象物からの輻射による赤外線を吸収する。そして、赤外線を吸収し発熱した赤外線吸収膜７から絶縁性フィルム９を介した熱伝導によって、直下の温度分布用感熱素子６Ｂの温度が変化するようになっている。この赤外線吸収膜７は、温度分布用感熱素子６Ｂよりも大きなサイズでこれを覆うように形成されている。

上記赤外線反射膜５は、絶縁性フィルム９よりも高い赤外線放射率を有する材料で形成され、例えば、鏡面のアルミニウム蒸着膜やアルミニウム箔等で形成されている。この赤外線反射膜５は、基準感熱素子６Ａよりも大きなサイズでこれを覆うように形成されている。

上記制御部Ｃは、予め求めた熱源部３への入力電圧と加熱温度との関係と、風速に対応した熱源温度の変化の関係と、が記憶されていると共に、これらの関係と基準感熱素子６Ａで検出した基準温度と各温度分布用感熱素子６Ｂで検出した放射面３ａの各部温度とから熱源温度（加熱温度）および温度分布を算出する機能を有している。すなわち、基準感熱素子６Ａと各温度分布用感熱素子６Ｂとで検出された赤外線の差分（出力の差分）を演算処理し、基準感熱素子６Ａをリファレンスとして各温度分布用感熱素子６Ｂで検出された温度を算出して、熱源温度および放射面３ａの温度分布を測定する機能を有している。さらに、制御部Ｃは、測定した熱源温度および放射面３ａの温度分布に基づいて、記憶されている上記各関係から風向および風速を求めるように設定されている。

このように本実施形態の風向風速計１は、非接触温度センサ部４が、検出面４ａの直下に少なくとも２つが風路管２の延在方向に並んでいる複数の感熱素子を備えているので、熱源部３への入力電圧値と複数の感熱素子で得られた放射面３ａの温度分布とから風向および風速を測定することができる。すなわち、風路管２内に流れる空気によって熱源部３が冷却されて放射面３ａの温度分布が変化するが、非接触温度センサ部４が熱源部３の放射面３ａの温度分布を常にセンシングすることで、熱源部３への入力電圧値と放射面３ａの温度分布のセンシング結果とから風向および風速を測定することができる。

特に、非接触温度センサ部４が、検出面４ａの赤外線反射膜５の直下に設けられた基準感熱素子６Ａと、該基準感熱素子６Ａの周囲に設置され検出面４ａの赤外線吸収膜７の直下に設けられた複数の温度分布用感熱素子６Ｂと、を備えているので、熱源部３への入力電圧値と基準感熱素子６Ａおよび温度分布用感熱素子６Ｂで得られた放射面の温度分布とから風向および風速を測定することができる。

すなわち、基準感熱素子６Ａでは、赤外線反射膜５が検出面４ａに設けられているので、熱源部３の放射面３ａからの赤外線を反射した状態で基準温度を測定し、複数の温度分布用感熱素子６Ｂでは、赤外線吸収膜７が検出面４ａに設けられているので、対向する放射面３ａの各部から放射された赤外線を吸収して対向する各部の温度を測定する。そして、これら各部の温度と基準温度とのそれぞれの差分を元にして、放射面３ａの温度分布を正確に算出することができる。

また、温度分布用感熱素子６Ｂおよび赤外線吸収膜７が、基準感熱素子６Ａを中心とした周方向を均等に８分割した領域にそれぞれ設置されているので、分割した８領域における放射面３ａの詳細な温度分布を測定することができ、より正確な風向および風速を測定可能である。
さらに、この風向風速計１では、熱源部３および非接触温度センサ部４が風路管２の内周面にそれぞれ放射面３ａと検出面４ａとを面一にして設置され、風路に設置されないため、風路管２内の空気の流れを乱さずに正確に風向および風速を測定できると共に、凍結による測定不能状態となることがない。

次に、本実施形態の風向風速計１を用いた風向風速装置１０，２０について、図５を参照して以下に説明する。

この風向風速装置１０は、図５の（ａ）に示すように、上記風向風速計１を２つ備え、２つの風路管２が、互いに延在方向を直交させて設置されている。すなわち、２つの風路管２は、軸方向が互いに直交する方向（図中のｘ方向とｙ方向）に向けて固定されている。
このように本実施形態の風向風速装置１０では、２つの風路管２が、互いに延在方向を直交させて設置されているので、直交する２方向の各測定結果を組み合わせることにより２次元での風向および風速を測定することができる。

また、本実施形態の他の例である風向風速装置２０は、図５の（ｂ）に示すように、上記風向風速計１を３つ備え、３つの風路管２が、互いに延在方向を直交させて設置されている。すなわち、３つの風路管２は、軸方向が互いに直交する方向（図中のｘ方向とｙ方向とｚ方向）に向けて固定されている。
このように本実施形態の風向風速装置２０では、３つの風路管２が、互いに延在方向を直交させて設置されているので、直交する３方向の各測定結果を組み合わせることにより３次元での風向および風速を測定することができる。

なお、本発明の技術範囲は上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

例えば、上記実施形態では、チップサーミスタの感熱素子を採用しているが、薄膜サーミスタで形成された感熱素子を採用しても構わない。
なお、感熱素子としては、上述したように薄膜サーミスタやチップサーミスタが用いられるが、サーミスタ以外に焦電素子等も採用可能である。
また、短尺の風路管を用いて本発明の風向風速計を作製し、この風路管の両端に気体が流通する管路をそれぞれ接続して風路を形成しても構わない。なお、この場合、管の接続部分は、気体の流れを妨げないように滑らかに接続する必要がある。

１…風向風速計、２…風路管、３…熱源部、３ａ…熱源部の放射面、４…非接触温度センサ部、４ａ…非接触温度センサ部の検出面、５…赤外線反射膜、６Ａ…基準感熱素子、６Ｂ…温度分布用感熱素子、７…赤外線吸収膜、１０，２０…風向風速装置、Ｃ…制御部

Claims (4)

1. 気体が内部を流通する風路管と、
   赤外線を放射する放射面を前記風路管の内周面に面一に配して設けられ入力電圧に応じて抵抗加熱により赤外線の放射量を制御可能な熱源部と、
   前記放射面からの赤外線を検出する検出面を前記放射面に対向状態にかつ前記風路管の内周面に面一に配して設けられた非接触温度センサ部と、を備え、
   前記非接触温度センサ部が、前記検出面の直下に少なくとも２つが前記風路管の延在方向に並んでいる複数の感熱素子を備え、
   前記非接触温度センサ部が、前記検出面に設けられた赤外線反射膜と、該赤外線反射膜の直下に設けられた基準感熱素子と、
   前記赤外線反射膜の周囲に設置され前記検出面に設けられた少なくとも１つの赤外線吸収膜と、前記赤外線吸収膜の直下に設けられた少なくとも１つの温度分布用感熱素子と、を備えていることを特徴とする風向風速計。
2. 請求項１に記載の風向風速計において、
   前記温度分布用感熱素子および前記赤外線吸収膜が、前記基準感熱素子を中心とした周方向を均等に分割した領域にそれぞれ設置されていることを特徴とする風向風速計。
3. 請求項１又は２に記載の風向風速計を２つ備え、
   ２つの前記風路管が、互いに延在方向を直交させて設置されていることを特徴とする風向風速装置。
4. 請求項１又は２に記載の風向風速計を３つ備え、
   ３つの前記風路管が、互いに延在方向を直交させて設置されていることを特徴とする風向風速装置。

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