JPH0257980A - 測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、電磁波と超音波を用い、特に広い範囲の気温
と風速のいずれか一方、若しくは気温と風速の両方を測
定する測定装置に関する。

従来の技術 グラウンド、広い畑、ホールなどでは、その広い範囲の
気温と風速を測定する必要があり、特に両方を同時に測
定する必要がある場合が多い。例えば、陸揚競技を行な
うグラウンドでは、トラック全体の気温や風速を測定す
る必要があり、畑では、霜が降りるか否かを判断するた
めに気温と風速が非常に重要となる。また、ホールでは
、暖冷房を管理するためにホール内部の送風状態を示す
気温と風速のデータが要求される。このような目的のた
め、従来、気温の測定の場合には、水銀温度計やサーミ
スタ温度計、風速の測定の場合には、小型ロビンソン風
速計などを用い、測定したい多数個所でそれぞれ気温と
風速を測定していた（参考文献二片岡、柴田、高橋、山
崎　共編　「センサーハンドブック」　培風館）。

発明が解決しようとする課題 しかし、上述した従来の気温と風速の測定方式では、広
い範囲の気温や風速を測定するには、多数の温度計や風
速計を設置するか、少数の温度計や風速計を多数箇所に
移動して各場所で測定するが、広い面積では複数箇所の
測定値によりかなシ広い範囲の分布を推定しなければな
らず、広い面積の全面データを得ることができなかった
。また、気温と風速を広範囲測定するためには、多数の
温度計と風速計のデータをケーブルなどで信号として集
めて分析するため、大きな設備が必要であった。

本発明は、上記のような従来の課題を解決するもので、
広範囲の気温と風速の一方、若しくは両方を簡単に、か
つ確実に測定する仁とができるようにした測定装置を提
供することを目的とするものである。

課題を解決するための手段 本発明は、上記目的を達成するため、空中の様々な方向
に周波数の異なる超音波を送波する可変周波数超音波送
波装置と、空中の様々な方向に電磁波を送波する電磁波
送波装置および上記超音波により散乱された散乱電磁波
を受波する電磁波受波装置と、上記送波した電磁波と受
波した散乱電磁波の周波数偏差を測定する周波数偏差測
定装置と、この周波数偏差と超音波の周波数より気温と
風速の少なくともいずれか一方を算出する換算装置とを
備えたものである。

作　　　　用 本発明は、上記構成により次のような作用を有する。

可変周波数超音波送波装置より、空中に超音波を送波す
ると共に、電磁波送波装置より空中に電磁波を送波する
と、この電磁波の一部は超音波により散乱される。超音
波は音速と風速の和の速度で移動しているため、上記散
乱電磁波は一般にドツプラーシフトを生じ、送波した電
磁波に対して周波数の偏移を伴っている。この散乱電磁
波を電波装置により受波し、周波数偏差測定装置により
、周波数偏差を測定する。この周波数偏差と超音波の周
波数より換算装置で算出する。すなわち、周波数偏差量
は電磁波の速度および超音波の音速と超音波の伝播方向
の風速の和により決まるが、電磁波の速度は一定である
ので、周波数偏差量より音速と風速の和を求めることが
できる。また、超音波により最も電磁波の散乱される条
件は、超音波の波長の２倍が電磁波の波長となる時で、
この時の超音波の周波数と電磁波の波、長より音速を単
独に求めることができるので、この音速を上記電磁波の
速度および超音波の音速と超音波の伝播方向の風速の和
より引くことにより風速を求めることができる。また、
上記音速は一般に気温と一定の関係が成立するため、こ
の音速より気温を測定することができる。そして、上記
の超音波および電磁波を空中の様々な方向に向けて送波
して上記の測定を行うことにより広い範囲の気温と風速
のいずれか一方、若しくは両方を測定することができる
。

実施例 以下、図面を参照しながら本発明の実施例について説明
する。

まず、本発明の第１の実施例について説明する。

第１図は本発明の第１の実施例における測定装置を示す
構成図である。第１図において、１は発振器、２はサー
キュレータ、３はアンテナであシ、これら発振器１とサ
ーキュレータ２とアンテナ３により電磁波送波装置が構
成されている。４は増幅器であり、上記アンテナ３とサ
ーキュレータ２と増幅器４によりミ磁波受波装置が構成
されている。５は周波数偏差を測定するスペクトラムア
ナライザ、６は測定−された周波数偏差と超音波の周波
数により気温と風速を算出する気温・風速換算装置であ
る。７はＲＦパルス発生器、８は超音波発生器である。

上記アンテナ３と超音波発生器８は実線と点線で示すよ
うに首振シ可能に構成されている。９は電磁波、１０は
超音波束、１１は散乱電磁波である。

上記の構成において、以下、その動作について説明する
。

発振器１で周波数ｆの安定な発振を行ない、アンテナ３
より空中に電磁波９を送波する。一方、ＲＦパルス発生
器７で高周波のパルスを発生させ、これに基づき、超音
波発生器８で超音波束１０として、上述の電磁波９と同
方向に送波する。電磁波９は超音波束１０により散乱（
反射）され、散乱電磁波１１となってアンテナ３により
受波され、サーキュレータ２により増幅器４に送られ、
ここで増幅されてスペクトラムアナライザ５により送波
した電磁波９の周波数偏差△ｆを測定する。ここで、超
音波１０の音速をＶｓとし、超音波１０の伝播方向の風
速をＶｗとすると、超音波１０は和の速度Ｖｓ　＋　Ｖ
Ｗで遠ざかるため、ドツプラー効果より上記周波数偏差
△ｆは次の（１）式で与えられる。

△ｔ　＝ｔ　−ｔｔ　＝２（ｖＳ　＋Ｖｗ）　、、、、
、、、、、、、、、、、（、＋ただし、Ｃは電磁波の速
度である。

例えば、電磁波９の周波数ｆを３０ＧＨｚ、超音波１０
の音速Ｖｓを３４０ｍ／ｓ、電磁波９の速度Ｃを３Ｘ１
０８ｍ／ｓ、超音波１０の伝播方向の風速を−３０ｍ／
　８〜＋　３０　ｍ／　ｓとすると、周波数偏差△ｆは
上記（１）式よ、９６２ＫＨ２〜７４ＫＨｚとなり、こ
の周波数偏差を十分にスペクトラムアナライザ５などで
測定することができる。

次に超音波束１０による電磁波９の散乱（反射）につい
て検討する。電磁波９が超音波束１０により散乱される
のは超音波束１０によって空気の誘電率ε（χ）が空間
的に変化するためである。すなわち、超音波の圧力△Ｐ
（χ）に対する誘電率の変化分を△ε（χ）とすると、
との△ε（χ）は次ツ（２）式で与えられる。

△ε（χ）＝α△Ｐ（χ）・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・（２）ただし、αは比例
係数である。

上記誘電率の変化分△ε（χ）と電磁波９の波動性より
電磁波９の超音波束１０による反射率Ｒは次の（３）式
で与えられる。

λｅ　χ Ｒαｆ△ε（χ）ｅ’　　　　　ｄχ　・・・・・・・
・・・・・・・・（３）ここで、積分は超音波の波束１
０が存在する距離χの領域で行なう。また、λｅは電磁
波の波長である。

上記（２）、（３）式より電磁波９の反射率Ｒは△Ｐ（
χ）で表わされ、次の（４１式となる。

４π Ｒαａｆ△Ｐ（χ）ｅ′λ０′ｄχ・・・・・・・・・
・・・・・・（４）この（４）式は超音波束１０の圧力
変化△Ｐ（χ）の波長の２倍が電磁波９の波長λｅと等
しい時に電磁波９の反射率Ｒが大きくなることを示して
いる。

すなわち、超音波１００波長λＳの２倍が電磁波９の波
長と等しいことが超音波束１０による電磁波９の散乱条
件となる。これより、超音波の周波数をｆｓとすると次
の（５１式が成立する。

２立＝２λＳ＝λｅ＝− ｆｓ　　　　　　　　　　　　　ｆ −’、Ｖｓ　＝旦国 ｆ したがって、周波数可変な超音波送波装置として、ＲＦ
パルス発生器７の周波数を変化させ、超音波束１０の周
波数を変化させて最も強く電磁波９が散乱され、散乱電
磁波１１となって最も強く受波される超音波束１０の周
波数ｆｓを求めることにより上記（５）式を用いて音速
Ｖｓを決定することができる。すなわち、超音波束１０
の周波数を変化させ、散乱電磁波９が最も強ぐ受波され
る超音波束１０の周波数をｆｓとする。上記（１）式に
よりドツプラー周波数Δｆより音速Ｖａと風速Ｖｗの和
が次の（１１′式で求められるので、風速Ｖｗは次の（
６）式で与えられる。

Ｖｓ　＋　’Ｖｗ　−’ｌ！−！二 ｆ （１）′ Ｖｗ　＝　Ｖｓ　＋　Ｖｗ　−Ｖｓ　＝ｍ　−＝工Ｌ２
ｆ　　　　　　２ｆ 以上のように、風速は周波数偏差△ｆと最も電磁波が散
乱される超音波の周波数ｆｓより上記（６１式を用いて
求めることができる。

次に気温は超音波束１０の音速Ｖｓの温度依存性より求
めることができる。すなわち、超音波束１０の音速Ｖｓ
は絶対温度で測定した気温Ｔから次の（７）式で与えら
れる。

Ｖｓ＝２０．０６７［「（ｒｎ／５） Ｖｓ　　　　２ Ｔ＝（２ｏ、。６７）〔°Ｋ〕・・・・・・・・・・・
・・・・（７）上記（６）、（７）式より電磁波９の最
も散乱される超音波１０の周波数ｆｓより気温Ｔは次の
（８）式で与えられる。

Ｔ　＝　（−コ１−）　　・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・（８１４０，１３４ｆ 具体的には気温２０°Ｃ（２９３，２°Ｋ）として、電
磁波９の周波数ｆを３０ＧＨ２、電磁波９の速度３Ｘ１
０ｍ／ｓとすると、超音波１０の周波数ｆ。

は上記（８）式よ、！ｌ）　６８．７２ＫＨｚとなり、
気温−２０°Ｃ〜＋５００Ｃの範囲でも超音波１０の周
波数ｆ、は６３．８６ＫＨｚ　〜７２．１５ＫＨｚであ
シ、十分に通常の圧電振動子を用いた超音波発生器８な
どで周波数を可変できる範囲である。

広い範囲の様々な場所の気温と風速を測定するには、第
１図におけるアンテナ３と超音波発生器８を上記のよう
に実線と点線で示すように首振り可能に構成し、超音波
束１０と電磁波９を様々な方向に送波できるようにすれ
ばよい。また、距離方向の分解能を得るため、超音波束
１０が測定したい場所を通過する期間だけ、発振器１を
発振させ、この場所での散乱電磁波１１の周波数ｆ′を
測定することにより、任意の距離の場所の気温と風速が
測定可能となる。なお、当然ながら、電磁波９を連続し
て送り、受信する散乱電磁波１１の信号を必要な部分だ
けスイッチングで抜出して測定しても同様に距離の分解
能が得られる。そして、上記（８）式や（６）式で与え
られる気温Ｔや風速Ｖｗは気温・風速換算装置６で周波
数偏差△ｆや超音波周波数ｆｓを用いて換算する。

本実施例では、超音波束１０の周波数ｆ９を１０ＫＨ２
〜ＩＭＨｚと想定すると、電磁波９の周波数ｆは４ＧＨ
ｚ　〜４００ＧＨｚ程度となる。

次に本発明の第２の実施例について説明する。

第２図は本発明の第２の実施例における測定装置を示す
構成図である。

上記第１の実施例においては、風速は超音波束１０が伝
播する方向の風速しか測定できなかった。

−船釣に風速は風向Ｏと風速の絶体値Ｖｗｏを持つベク
トルである。そこで、本実施例では、風の方向Ｏと風速
の絶体値Ｖ　Ｗ　Ｏを測定するようにしたものであり、
上記第１の実施例と同様の測定装置を２組備えたもので
ある。第２図において、３ａは第１のアンテナ、８ａは
第１の超音波発生器、３ｂは第２のアンテナ、８ｂは第
２の超音波発生器であり、その他の構成については図示
省略しである。第２図においては、Ａ地点の風向０と風
速の絶体値Ｖｗｏを求めるように２組の測定装置を配置
している。

上記の構成において、以下、その動作について説明する
。

第１のアンテナ３ａと第１の超音波発生器８ａ等を用い
、Ａ地点における角度０１方向の風速Ｖｗ１を上記第１
の実施例と同様に求める。次に第２のアンテナ３ｂと第
２の超音波発生器８ｂ等を用い、Ａ地点における角度０
２方向の風速Ｖｗ２を上記第１の実施例と同様に求める
。

第３図は真の風向Ｏと風速の絶対値Ｖｗｏと測定した方
向ｏ１．ｏ２の風速Ｖｗ１とＶ　ｗ　２の関係をベクト
ルで示したものである。これより次の（９１式が成立つ
。

この（９）式を風速の絶対値Ｖｗｏと風向Ｏについて解
くことによって真の風向Ｏと風速の絶対値Ｖｗ。

は次の（テ）式により求められる。

このように、風向Ｏと風速の絶対値Ｖｗｏを持つ風のベ
クトルは、上記第１の実施例における測定装置を２組使
用し、三角測量的に角度をつけて２方向から風速を測定
することにより上記（ｔ］）式より求めることができる
。

なお、本実施例のように２組の測定装置を使用すること
なく、上記第１の実施例に示す１組の測定装置を移動さ
せて異なる２箇所より測定しても良い。

上記各実施例においては、気温と風速を同時に測定する
場合について説明したが、気温と風速のいずれか一方の
みを測定するようにしても良い。

発明の効果 以上述べたように発明によれば、可変周波数超音波送波
装置より空中の様々な方向に超音波を送波し、電磁波送
波装置により空中の様々な方向に電磁波を送波し、超音
波により散乱された散乱電磁波受波装置により受波し、
送波した電磁波と受波した散乱電磁波の周波数偏差を周
波数偏差測定装置により測定し、この周波数偏差と超音
波周波数を用いて換算装置により気温と風速のいずれか
一方、若しくは両方を求めるようにしているので、広い
範囲の気温と風速のいずれか一方、若しくは両方を簡単
に、かつ確実に求めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例における測定装置を示す
構成図、第２図は本発明の第２の実施例における測定装
置を示す構成図、第３図は第２の実施例における動作説
明用の風の速度ベクトル図である。 １・・・発振器、３，３ａ、３ｂ・・・アンテナ、４・
・・増幅器、５・・・スペクトラムアナライザ（周波数
偏差測定装置）、６・・・気温・風速換算装置、７・・
・ＲＦパルス発生器、８．８ａ、８ｂ・・・超音波発生
器、９・・・電磁波、１０・・・超音波束、１１・・・
散乱電磁波。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 空中の様々な方向に周波数の異なる超音波を送波する可
   変周波数超音波送波装置と、空中の様々な方向に電磁波
   を送波する電磁波送波装置および上記超音波により散乱
   された散乱電磁波を受波する電磁波受波装置と、上記送
   波した電磁波を受波した散乱電磁波の周波数偏差を測定
   する周波数偏差測定装置と、この周波数偏差と超音波の
   周波数より気温と風速の少なくともいずれか一方を算出
   する換算装置とを備えた測定装置。