JP7160429B1 - 日射計 - Google Patents

Abstract

外部環境が変化する中でも、簡易な構成によって露や霜の発生を抑えつつ継続的に安定して正確な日射量の測定が可能である日射計を提供すること。日射計１０は、開口部１０１２１を有し、熱伝導性を有する筐体１０１と、開口部１０１２１に設けられ、光透過性を有するドーム２０１と、筐体１０１及びドーム２０１によって形成される内部空間に設けられ、ドーム２０１を通じて入射する日射光の強度を計測するセンサ部４０１と、内部空間を介して開口部１０１２１の反対側である、筐体１０１の一部に熱伝導可能に設けられる発熱素子５０１と、を備える。

Description

本発明は、日射量を測定する日射計に関する。

日射光の強度（日射量）を測定する計測器として、太陽の放射光を所定の検出器で検出し、日照・日射に関する気象量を測定するものが知られている。中でも、全天日射計（以降、日射計と記載）とよばれる装置が広く使用されている。例えば、特許文献１に記載された日射計は、検出器に熱式センサを使用している。

このような日射計では、外部環境によっては、ドームに露や霜が付着し、ドームを透過する放射光の量が増減する。特許文献１に記載の日射計は、ドームに発生する露や霜の発生を抑制するために、発熱部材をドームの少なくとも一部に熱的に接触させ、ドームを加熱するように構成されている。また、特許文献２には、日射計内部の空気を加熱し、加熱された空気を換気装置によって二重構造のドームに循環させ、ドームに発生する露や霜の発生を抑制する日射計が記載されている。

欧州特許出願公開第３８７５９２８号明細書 国際公開第２０１６／１４０５６６号

ここで、特許文献１に記載の日射計では、発熱部材をドームと熱的に接触させているために、発熱部材の熱は、局所的な熱伝導によりドームに供給されるにすぎない。このとき、例えば、外部環境によって筐体の温度が低下すると、発熱部材からの熱が筐体に逃げ、ドームに対して熱を継続的に安定して供給することが難しくなる。その結果、露や霜の発生が十分に抑制されないおそれがあった。

一方、特許文献２に記載されたような日射計では、換気装置という可動部を有するために耐久性に劣り、可動部が駆動電力を必要とするためエネルギーを消費し、発熱部材以外も発熱をするという問題も生じていた。

そこで、本発明は、外部環境が変化する中でも、簡易な構成によって露や霜の発生を抑えつつ継続的に安定して正確な日射量の測定が可能である日射計を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る日射計は、開口部を有し、熱伝導性を有する筐体と、開口部に設けられ、光透過性を有するドームと、筐体及びドームによって形成される内部空間に設けられ、ドームを通じて入射する日射光の強度を計測するセンサ部と、内部空間を介して開口部の反対側である、筐体の一部に熱伝導可能に設けられる発熱部材と、を備える。

この態様によれば、発熱部材は、筐体において、ドームが設けられる開口部の反対側に設けられている。発熱部材が発生する熱は、まず熱伝導性を有する筐体に伝導して筐体全体を加熱する。さらに加熱された筐体の熱は、筐体の開口部に設けられたドームに伝播する。さらに、筐体からの輻射熱は、ドームの周囲の空気を加熱する。これによりドーム及びドームの周囲の空気が温まり、露や霜の発生が抑制される。本態様による日射計では、加熱部材により、熱容量の大きな筐体全体が加熱されるため、外部環境が変化しても筐体全体の温度が変化し難く、継続的に安定してドームが加熱される。

本発明によれば、外部環境が変化する中でも、簡易な構成によって露や霜の発生を抑えつつ継続的に安定して正確な日射量の測定が可能である日射計を提供することができる。

本実施形態に係る日射計の断面図である。 本実施形態に係る日射計の回路構成の概要を説明する図である。 本実施形態に係る日射計による積算日射量の計測結果を説明する図である。 本実施形態の変形例に係る日射計の断面図である。

添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、各図において、同一の符号を付したものは、同一又は同様の構成を有する。なお、以下の説明において、図面の上側を「上」、下側を「下」、左側を「左」、右側を「右」という。

図１には、本実施形態に係る日射計１０の断面図が示される。日射計１０は、例えば全天日射計であり、日射計１０から見て半球状の範囲からの放射光に対して、その日射量を測定する装置である。日射計１０は、例えば、筐体１０１、ドーム２０１、拡散部材３０１、センサ部４０１、及び発熱素子５０１を備える。

筐体１０１は、胴部１０１１、天井部１０１２、底部１０１３、及び脚部１０１４１，１０１４２，１０１４３を有する。筐体１０１、特に、胴部１０１１、天井部１０１２、底部１０１３は、所定以上の強度を有する材料、及び所定以上の熱伝導度を有する熱伝導性のある材料で構成することが好ましく、例えばアルミニウム、真鍮、又は合金鉄等の金属材料で構成することが好ましい。

胴部１０１１は、例えば、円筒状の形状を有し、上側の端部において天井部１０１２と接続され、下側の端部において底部１０１３と接続される。

天井部１０１２は、例えば、円錐台状の形状を有し、開口部１０１２１を有する。開口部１０１２１は、天井部１０１２の上部に設けられる。開口部１０１２１は天井部１０１２の上面から下面まで貫通する。開口部１０１２１は、上面の近傍において段付きになっており、段付き部分にドーム接着面１０１２２を有する。

底部１０１３は、例えば、平板状の形状を有し、胴部１０１１の下側の端部と接続する。底部１０１３は、日射計１０の基部としての機能を有する。

脚部１０１４１，１０１４２，１０１４３は、底部１０１３に設けられる。日射計１０は、脚部１０１４１，１０１４２，１０１４３を介して設置面（不図示）に設置される。

ドーム２０１は、例えば、半球状の形状を有し、開口部１０１２１に設けられる。ドーム２０１は、その周縁部がドーム接着面１０１２２に接着されることで、筐体１０１に取り付けられる。ドーム２０１の形状は、必ずしも完全な半球でなくともよく、天空の全方向の範囲からの光を採り入れることができる形状であればよい。ドーム２０１は、例えば、ガラス等の光透過性を有する材料で構成することができる。

胴部１０１１の内側の側面、底部１０１３の上面、及びドーム２０１の内側の面によって、筐体１０１に内部空間Ｓが形成される。

拡散部材３０１は、入射した光を拡散して透過するように構成されている光学部材である。拡散部材３０１は、後述のセンサ素子４０１１に対向する位置に配置され、ドーム２０１を通る光は拡散部材３０１を拡散透過し、センサ素子４０１１に入射するように構成されている。

センサ部４０１は、センサ素子４０１１及び回路基板４０１２，４０１３を備える。センサ素子４０１１は、筐体１０１の内部空間Ｓにおいて、拡散部材３０１を挟んでドーム２０１に向かい合う位置に設けられる。センサ素子４０１１は、日射の光量に応じた電気エネルギーを出力可能な検出手段であり、例えば、熱式センサである。熱式センサとしては、例えば、熱電対、サーミスタ、ペルチェ素子、サーモパイルが使用できる。センサ素子４０１１が熱電対の場合、センサ素子４０１１は、入射した光（光エネルギー）が熱（熱エネルギー）に変換され、当該熱に応じた電気信号が出力されるように構成されている。

回路基板４０１２，４０１３が、筐体１０１の内部空間Ｓに設けられる。回路基板４０１２，４０１３は、配線（不図示）を介してセンサ素子４０１１及び発熱素子５０１と接続される。回路基板４０１２，４０１３には、日射計１０における信号処理や制御を行うための回路が設けられる。例えば、回路基板４０１２，４０１３に設けられる回路（後述）によって、センサ素子４０１１からの電気信号が処理され、日射量などが算出される。回路基板４０１２，４０１３の回路は外部装置や電源（不図示）に接続されており、日射計１０は、当該回路を介して外部装置と通信したり、電源の供給を受けたりすることができる。なお、回路基板の個数は、図１に示されるような２つである必要はなく、１つであってもよく、より複数であってもよい。

センサ素子４０１１及び回路基板４０１２，４０１３に設けられる回路によって、日射量などを算出するセンサ部４０１として機能可能に構成されている。

発熱素子５０１は、電力消費に応じて発熱する部材（発熱部材）としての回路素子である。発熱素子５０１は、底部１０１３に接するように、内部空間Ｓを介して開口部１０１２１とは反対側に設けられている。なお、内部空間Ｓを介して反対側とは、幾何的に正反対の位置を意味するものではなく、開口部１０１２１と発熱素子５０１とが内部空間Ｓによって離隔されるような筐体１０１の内側の表面領域を含む広い概念である。少なくとも、開口部１０１２１の近傍以外の領域である。例えば、開口部１０１２１を有する天井部１０１２に対向する位置にある底部１０１３の中央部である。発熱素子５０１は、底部１０１３を介して筐体１０１への熱伝導が可能に設けられている。発熱素子５０１は、筐体１０１に熱的に接続されるように、例えば、底部１０１３に対して、ねじ止めされて取り付けられる。また、発熱素子５０１は、放熱シールや、放熱接着剤を用いて、底部１０１３に取り付けられてもよい。発熱素子５０１は、発熱量が相対的に大きく、発熱量を制御可能な回路素子であることが好ましく、例えば、ＭＯＳ－ＦＥＴである。また、発熱素子５０１は、バイポーラトランジスタ、Ｊ－ＦＥＴ、ＩＧＢＴ、ダイオード等の素子であってもよい。

発熱素子５０１は、例えば、センサ部４０１を駆動するための電源と共通の電源に接続される。発熱素子５０１は、電源の供給を受け、発熱素子５０１における電力消費に応じて発熱する。発熱素子５０１が発する熱はまず底部１０１３に伝わる。底部１０１３に伝わった熱は、胴部１０１１に伝わり、天井部１０１２まで伝わる。これにより、筐体１０１の全体が発熱素子５０１によって加熱される。筐体１０１は、天井部１０１２を通じて、ドーム２０１に熱を伝える。これにより、ドーム２０１が加熱される。また、天井部１０１２から放射される輻射熱がドーム２０１周辺の空気を暖める。ドーム２０１及びドーム２０１の周囲の空気が加熱されることで、ドーム２０１の温度及びドーム２０１の周囲の空気の温度が上昇し、ドーム２０１に露や霜が発生することが抑制される。

日射計１０では、筐体１０１の全体を加熱することによって、外部環境の変化、例えば風や雨等に対するドーム２０１の温度の安定性が高くなる。なぜならば筐体１０１はドーム２０１よりサイズが大きく、ドーム２０１より熱容量が十分に大きい。したがって、外部環境による温度低下が、筐体１０１及びドーム２０１のそれぞれにおいて生じる場合、ドーム２０１の温度低下量に対する筐体１０１の温度低下量は小さくなる。よって、筐体１０１からドーム２０１へと熱が継続的に供給され、外部環境の変化に対するドーム２０１の温度の安定性が高くなる。これにより、外部環境が変化する中でも、露や霜の発生を抑えつつ継続的に安定して正確な日射量の測定が可能となる。

発熱素子５０１の加熱制御について、図２を参照して説明する。図２には、発熱素子５０１及び回路基板４０１２，４０１３に設けられる回路を含む、回路６０１の回路図が示される。図２では、一例として、発熱素子５０１をＭＯＳ－ＦＥＴとして説明する。発熱素子５０１は、ゲートが演算アンプ６０１５に接続され、ドレインが電源に接続され、ソースが抵抗素子６０１４を介して接地に接続される。

回路６０１は、発熱素子５０１、制御部６０１１、通信ユニット６０１２、ＤＣ／ＤＣ変換器６０１３、抵抗素子６０１４、演算アンプ６０１５、Ｄ／Ａ変換器６０１６、及びＡ／Ｄ変換器６０１７，６０１８を有する。

制御部６０１１、Ｄ／Ａ変換器６０１６、及びＡ／Ｄ変換器６０１７、６０１８はマイクロコントローラ内の回路として実現される。なお、例えばＤ／Ａ変換器６０１６、及びＡ／Ｄ変換器６０１７，６０１８は、必ずしもマイクロコントローラに設けられる必要はなく、それぞれ独立した素子であってもよい。

制御部６０１１は、マイクロコントローラがメモリに記憶されたソフトウェアプログラムを実行することにより実現される機能的ブロックである。制御部６０１１は、センサ素子４０１１からの信号に基づいて、例えば、日射量を算出することができる。センサ素子４０１１からの信号に基づいて算出された日射量は、例えば日射計１０の外部に接続されたコンピュータによる、ある一日における積算日射量の算出に使用することができる。

また、制御部６０１１のメモリには、日射量算出のための校正値が記憶されている。制御部６０１１は、発熱素子５０１が発熱する第１状態及び発熱部材が発熱しない第２状態のいずれにおいても、共通の校正値を用いて日射量を計測する。これは、日射計１０では発熱素子５０１が、センサ部４０１とは内部空間Ｓを挟んで配置されていることによる利点である。結果として、発熱部材からの熱がセンサ部に供給されにくくなる。よって、日射計による測定の際に発熱時専用の校正値と、発熱時にない時の校正値とを使い分ける必要がなくなり、発熱部材の発熱機能のオン又はオフによらず、同一の校正値を使用することが可能となっている。また、発熱時専用の校正値を用いる場合と異なり、発熱部材の発熱機能を常時オンにする必要がない。また、外部環境の温度や日射計１０で計測した日射量に基づいて、発熱部材の発熱機能を自動的にオン又はオフすることができる。このようにすることで、計測の信頼性を高くすることができる。具体的には、ＩＳＯ９０６０の全天日射計の規格においてクラスＡの精度が保証される正確さを有した計測を行うことができる。

通信ユニット６０１２は、日射計１０と外部装置との通信を行う通信回路である。通信ユニット６０１２には例えば通信ケーブルが接続され、通信ケーブルを介して、外部の装置（例えばデータロガーやパーソナルコンピュータ）と通信を行う。制御部６０１１によって算出された日射量は、通信ユニット６０１２を介して外部の装置に送信される。

ＤＣ／ＤＣ変換器６０１３は、日射計１０に供給される電源の電源電圧（Ｖｉｎ）を、制御部６０１１，通信ユニット６０１２の動作に必要な電圧に変換する。

抵抗素子６０１４は、発熱素子５０１のソースと接地との間に設けられる。

演算アンプ６０１５は、入力が発熱素子５０１と抵抗素子６０１４との間及びＤ／Ａ変換器６０１６の出力に接続され、出力が発熱素子５０１のゲートに接続される。演算アンプ６０１５は、抵抗素子６０１４の発熱素子５０１側の端子電圧及びＤ／Ａ変換器６０１６から供給される電圧に基づいて、発熱素子５０１のゲートに制御電圧Ｖｃｏｎｔを印加する。演算アンプ６０１５は、発熱素子５０１の発熱量が一定となるようにフィードバック制御をしている。

Ｄ／Ａ変換器６０１６は、演算アンプ６０１５の入力と制御部６０１１とを接続するように設けられる。Ｄ／Ａ変換器６０１６は、制御部６０１１からのデジタル信号ＳＧ１をアナログ信号に変換し、変換されたアナログ信号に基づく電圧を演算アンプ６０１５に供給する。

Ａ／Ｄ変換器６０１７は、電源電圧と発熱素子５０１のドレインとの間と制御部６０１１を接続するように設けられる。Ａ／Ｄ変換器６０１７は、例えば、電源電圧Ｖｉｎをアナログ信号として取得し、デジタル信号ＳＧ２に変換して、制御部６０１１に出力する。

Ａ／Ｄ変換器６０１８は、発熱素子５０１と抵抗素子６０１４との間と制御部６０１１を接続するように設けられる。Ａ／Ｄ変換器６０１８は例えば、発熱素子５０１と抵抗素子６０１４との間の電圧をアナログ信号として取得し、デジタル信号ＳＧ３に変換して、制御部６０１１に出力する。

制御部６０１１による、発熱素子５０１の動作の制御について説明する。まず、発熱素子５０１が発熱すべき所定の発熱量に応じて、発熱素子５０１における消費電力Ｐが設定される。消費電力Ｐの値は、例えば、制御部６０１１のメモリに記憶される。制御部６０１１は、発熱素子５０１における動作電圧×電流Ｉ１＝消費電力Ｐとなるように、デジタル信号ＳＧ１を出力する。デジタル信号ＳＧ１は、電源電圧Ｖｉｎに基づくデジタル信号ＳＧ２によって決定される。デジタル信号ＳＧ１に基づいて、発熱素子５０１に供給される制御電圧Ｖｃｏｎｔが制御される。発熱素子５０１は、制御部６０１１の電源（センサ部を駆動する電源）と共通の電源に接続されている。これにより、発熱素子５０１への電源を別途設ける必要がなくなるので、回路の構成が簡素化される。

電流Ｉ１が変動した場合、抵抗素子６０１４における電圧降下量が変動する、つまり、演算アンプ６０１５の抵抗素子６０１４に接続される側の電圧が変動する。この場合、演算アンプ６０１５は、Ｄ／Ａ変換器６０１６からの電圧と、抵抗素子６０１４に接続される側の電圧との差分に応じた制御電圧Ｖｃｏｎｔを出力する。例えば、電流Ｉ１が増加する場合、演算アンプ６０１５は、制御電圧Ｖｃｏｎｔを小さくする。このように、演算アンプ６０１５が制御電圧Ｖｃｏｎｔのフィードバック制御を行うことで、発熱素子５０１の発熱量が一定になるよう電力制御をすることができる。結果として、ドーム２０１への熱の供給が安定して行われる。

また、制御部６０１１は、例えば、デジタル信号ＳＧ３に基づいて、供給電流が所定の電流範囲内にあるか否かを判定してもよい。制御部６０１１は、供給電流が所定の電流範囲内にない場合、発熱素子５０１に、例えば素子が破壊されている等の異常が発生していると判定してもよい。判定結果は通信ユニット６０１２を通じて出力され、日射計１０の管理者に報知されてもよい。このようにすることで、日射計１０の利便性が向上する。

図３を参照して、日射計１０による積算日射量の計測結果を説明する。図３の棒グラフは、各日における積算日射量を示す。点線で囲まれた棒グラフは、発熱素子５０１を有さない日射計によって計測された積算日射量（第１積算日射量）である。実線で囲まれた棒グラフは、日射計１０によって計測された積算日射量（第２積算日射量）である。日射計１０による測定時には、発熱素子５０１は発熱する状態で計測が行われた。図３の白丸は、各日における、積算日射量比である。積算日射量比は、（（第２積算日射量）－（第１積算日射量））／（第１積算日射量）×１００［％］として算出される。積算日射量比は、第１積算日射量と第２積算日射量との差異、すなわち、発熱素子５０１による加熱の有無による測定値の変化を示す。図３に示されるように、日付Ｄ１からＤ９までの各日において、積算日射量比は±０．１％の範囲にある。これは、第１積算日射量と第２積算日射量との差が極めて小さいことを意味しており、日射計１０においても、発熱素子５０１を有さない日射計と同等の計測が可能であることが示される。よって、日射計１０は、露や霜の発生を抑制しつつ、精度よく日射量の測定を行うことができる。

ここで、日射計１０による露抑制効果及び霜抑制効果について説明する。表１は、異なる日付における、天気、結露の有無、降霜の有無という環境条件における、露抑制効果及び霜抑制効果の一例を説明する表である。表１では、日射計１０と発熱素子を有しない対比用の日射計それぞれの露抑制効果及び霜抑制効果が示される。表１に示されるように、日射計１０は、露抑制効果及び霜抑制効果を有する。

図４を参照して本実施形態の変形例に係る日射計１０Ａについて説明する。日射計１０Ａでは、天井部１０１２の内部に、ドーム２０１を囲むように発熱素子７０１が設けられる。発熱素子７０１は、例えば、発熱素子７０１を流れる電流に応じて発熱する抵抗ヒータである。日射計１０Ａのように、発熱素子５０１に加えて、ドーム２０１に接近させて発熱素子７０１を設けてもよい。また、発熱素子７０１は、例えば、胴部１０１１の側面に設けられてもよい。追加の発熱素子７０１を設けることで、筐体１０１及びドーム２０１の温度がより安定するような加熱が可能となる。

以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。実施形態が備える各要素並びにその配置、材料、条件、形状及びサイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、異なる実施形態で示した構成同士を部分的に置換し又は組み合わせることが可能である。

１０，１０Ａ…日射計、１０１…筐体、１０１１…胴部、１０１２…天井部、１０１３…底部、２０１…ドーム、３０１…拡散部材、４０１…センサ部、４０１１…センサ素子、５０１…発熱素子、Ｓ…内部空間

Claims (6)

1. 開口部を有し、熱伝導性を有する筐体と、
   前記開口部に設けられ、光透過性を有するドームと、
   前記筐体及び前記ドームによって形成される内部空間に設けられ、前記ドームを通じて入射する日射光の強度を計測するセンサ部と、
   前記内部空間を介して前記開口部の反対側である、前記筐体の一部に熱伝導可能に設けられる発熱部材と、を備える、日射計。
2. 請求項１に記載の日射計であって、
   前記発熱部材は、前記センサ部を駆動する電源と共通の電源に接続される回路素子である、日射計。
3. 請求項１に記載の日射計であって、
   前記センサ部は、前記日射光の強度の計測に用いられる校正値を記憶し、前記発熱部材が発熱する第１状態及び前記発熱部材が発熱しない第２状態のいずれにおいても、前記校正値を用いて同等の前記日射光の強度を計測する、日射計。
4. 請求項１に記載の日射計であって、
   前記発熱部材は、前記発熱部材に供給される供給電流に応じて所定の発熱量となるように電力制御される、日射計。
5. 請求項４に記載の日射計であって、
   前記供給電流が所定の電流範囲内にない場合、前記発熱部材に異常が発生していると判定する、日射計。
6. 請求項１に記載の日射計であって、
   前記発熱部材は第１発熱部材であり、
   前記筐体は、
   前記開口部が設けられる天井部と、
   前記発熱部材が設けられる底部と、
   前記天井部と前記底部とを接続する胴部と、を有し、
   前記天井部又は前記胴部に設けられる第２発熱部材、をさらに備える、日射計。

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