JPH05307087A - 超音波風向風速温度測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 風向、風速とともに、周辺温度（気温）をも
同時に測定し、しかも、その測定値が異常であるか否か
も判断できるようにする。 【構成】 超音波送信器Ｔを中心に、少なくとも２方向
の対称な位置に超音波受信器Ｒ1+,Ｒ1-,Ｒ2+,Ｒ2-を置
き、その中のいずれか１組の［超音波送信器Ｔ＋反対方
向に置いた２個の受信器Ｒ1+,Ｒ1-］で検出される超音
波伝播時間ｔ1+,ｔ1-より、まず温度Ｔを算出する。こ
の温度Ｔの値と両伝播時間ｔ1+,ｔ1-のデータから、両
方向の風速ｖ1+,ｖ1-を算出し、これらの絶対値が同じ
で符号が逆であれば装置は正常であると判定し、その値
を風速のその方向の成分とする。少なくとも２方向につ
いてこのように風速を算出することにより、風向と風速
の絶対値（大きさ）を算出する。また、別途温度計を設
けて、その測定値を超音波による測定値と比較すること
によっても、本装置の異常を検出することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、風向風速及び温度を一
度に測定することのできる超音波風向風速温度測定装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】音波の伝播速度が伝播媒体である空気の
動き（風）により変化することを利用した超音波風速計
は従来より知られており、例えば、特公昭４２−１３８
３１号、特開昭５５−１１２５２１号、特開昭５９−６
５２６１号、実開昭５９−２８３８２号等の公報に各種
超音波風速計が開示されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】気象観測の場合等、風
速計或いは風向風速計が使用されるときは、多くは同時
に温度も測定される。この場合、従来は風速計・風向風
速計とは別に温度計を設置し、風向・風速と温度とを別
個に測定していた。しかし、このように別個の測定器を
用いることは全体として装置の構成を複雑化するととも
に、信頼性を下げる。

【０００４】従来の風速計・風向風速計に関するもう一
つの問題点は、例えば演算回路等に異常が生じて誤った
風速値等が算出された場合でも、よほど異常な値が出て
こない限り、算出された値が正しいものか否かを判断す
ることができないということである。

【０００５】さらにもう一つの問題は、直交方向に配置
した２対の超音波送受信器を使用して風向及び風速を測
定する風向風速計では、各対の超音波送信器から同時に
超音波を発生させるとそれらが相互に干渉を生じ、受信
器までの超音波伝播時間を正しく測定することができな
くなるということである。これを避けるために時間を分
割してシーケンシャルに超音波を送信するようにする
と、短時間で風向風速が変化するような状況下では正し
い風向風速を測定することができないという不都合があ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に成された本発明に係る超音波風向風速温度測定装置
は、（ａ）周囲に超音波を送信する超音波送信器と、
（ｂ）超音波送信器を挟んで対向する位置に置かれた超
音波受信器の対が、超音波送信器を中心に少なくとも２
方向に配置されて成る超音波受信器群と、（ｃ）超音波
送信器が超音波を送信してから各超音波受信器がその超
音波を受信するまでの伝播時間を測定する伝播時間検出
手段と、（ｄ）検出された各伝播時間の値を基に、周辺
の温度、風向及び風速を算出するとともに、本装置に異
常が生じているか否かを判断する演算手段とを備えるこ
とを特徴とする。

【０００７】なお、それらに加えて、（ｅ）周辺の温度
を測定する温度計と、（ｆ）演算手段が検出した温度と
温度計が測定した温度とを比較することにより、超音波
風向風速温度測定装置の異常を検出する異常検出手段と
を設けてもよい。

【０００８】

【作用】超音波送信器ａを挟んで対向する位置に置かれ
ている超音波受信器の対を（ｂ1+,ｂ1-）,（ｂ2+,ｂ2
-）,…とする。ここで、或る一つの超音波受信器対（ｂ
1+,ｂ1-）を結ぶ線ｂ1と、他の任意の超音波受信器対、
例えば（ｂ2+,ｂ2-）を結ぶ線ｂ2とは方向が異なり、超
音波送信器ａの位置において交わっている。超音波送信
器ａから送信された超音波を各超音波受信器（ｂ1+,ｂ1
-）,（ｂ2+,ｂ2-）,…が受けたとき、伝播時間検出手段
ｃは各受信器毎に超音波送信から受信までの時間ｔ1+,
ｔ1-,ｔ2+,ｔ2-,…を検出する。演算手段ｄはこれらの
検出値を基に、次のようにして温度、風向及び風速を算
出し、また、異常の有無を判断する。

【０００９】ここで簡単のため、図４に示すように、超
音波送信器ａと超音波受信器ｂ1+,ｂ1-との間の距離が
共にＬであるとする。超音波送信器ａから各超音波受信
器ｂ1+,ｂ1-への超音波の伝播時間がそれぞれｔ1+,ｔ1-
であったとすると、ｔ1+及びｔ1-はそれぞれ、 ｔ1+＝Ｌ／（ｃ＋ｖ1） …（１） ｔ1-＝Ｌ／（ｃ−ｖ1） …（２） となる。ここで、ｃは音速、ｖ1は受信器ｂ1-から受信
器ｂ1+への方向の風速である。ところが、音速ｃは温度
Ｔにより変化するため、これらには温度Ｔの変数が含ま
れ、実際には ｔ1+＝Ｌ／（ｃ0＋ｋ・Ｔ＋ｖ1） …（３） ｔ1-＝Ｌ／（ｃ0＋ｋ・Ｔ−ｖ1） …（４） と表わされる。ここで、ｃ0は０℃における音速（ｃ0＝
331.5m/s）、ｋは１℃当たりの音速の変化率（ｋ＝0.60
7(m/s)/deg）である。本発明の風向風速温度測定装置で
はここで両式より温度Ｔを Ｔ＝（Ｌ／ｔ1+＋Ｌ／ｔ1-−２・ｃ0）／（２・ｋ） …（５） と算出する。

【００１０】次に、この温度Ｔの値を、受信器ｂ1+への
超音波伝播時間式ｔ1+から求められる式（３）に代入す
ることにより、送信器ａから受信器ｂ1+への風速ｖ1+を ｖ1+＝ （Ｌ／ｔ1+−Ｌ／ｔ1-）／２ …（６） と、また、同じく温度Ｔの値を受信器ｂ1-への超音波伝
播時間式ｔ1-から求められる式（４）に代入することに
より、送信器ａから受信器ｂ1-への風速ｖ1-を ｖ1-＝−（Ｌ／ｔ1+−Ｌ／ｔ1-）／２ …（７） と算出する。

【００１１】式（６）及び（７）を見てもわかる通り、
ｖ1+及びｖ1-は本来、符号が逆であるのみで、絶対値は
同じであるはずであるが、本装置に何らかの異常が生じ
ている場合には両値ｖ1+,ｖ1-の絶対値の算出結果が一
致しないことがあり得る。そこで、本発明に係る風向風
速温度測定装置の演算装置では、式（６）及び（７）の
双方を用いて風速値のｂ1方向成分ｖ1+,ｖ1-を算出し、
両者ｖ1+,ｖ1-の絶対値を比較することにより、本装置
に何らかの異常が生じているか否かを判断する。すなわ
ち、両者の絶対値が一致しているときは、ｖ1+＝−ｖ1-
＝ｖ1として、風速のｂ1方向成分を決定する。両者の値
が一致しないとき（ｖ1+≠−ｖ1）は、本装置が異常で
あると判定する。

【００１２】ｂ1方向以外の方向、例えばｂ2方向に配置
された２個の超音波受信器対（ｂ2+,ｂ2-）により検出
される超音波伝播時間ｔ2+,ｔ2-により、上記と同様に
風速のｂ2方向の成分ｖ2+,ｖ2-が算出される。 ｖ2+＝ （Ｌ／ｔ2+−Ｌ／ｔ2-）／２ …（８） ｖ2-＝−（Ｌ／ｔ2+−Ｌ／ｔ2-）／２ …（９） ｂ2方向についても上記と同様に本装置が異常であるか
否かを判断し、両値ｖ2+,v2-の絶対値が等しいときに
は、ｂ2方向の成分値としてｖ2+＝−ｖ2-＝ｖ2を採用す
る。ｂ1方向とｂ2方向とは平行でないため、これら２方
向の成分値ｖ1,ｖ2より、風向及び風速の絶対値を算出
することができる。

【００１３】なお、別個に温度計ｅを設けた場合には、
異常検出手段ｆは、その温度計ｅによる測定値Ｔeを上
記算出値Ｔと比較し、両値が異なるときに本装置が異常
であると判定する。

【００１４】なお、上記例では説明を容易にするため超
音波送信器とその両側の受信器との間の距離は等しい
（Ｌ）としたが、この距離は異なっていてもよく、この
場合には上記各式のＬがＬ+とＬ-に区別され、計算が多
少複雑になるだけである。

【００１５】

【実施例】本発明の一実施例を図１〜図３により説明す
る。図１に示すように、本実施例の風向風速温度測定装
置は、超音波送受信器から成る測定部１０と、超音波送
信器のドライバ回路、受信器の信号処理回路及びマイク
ロプロセッサ等から成る制御部２０とで構成される。

【００１６】測定部１０は図２に示すように、１個の超
音波送信器Ｔと、その周囲の水平面内に配置された２対
（４個）の超音波受信器Ｒ1+,Ｒ1-,Ｒ2+,Ｒ2-とで構成
される。超音波送信器Ｔは図３に示すように、超音波発
生器ＴＣの上下に傘状のホーンＴＨ1,ＴＨ2を設けたも
ので、３６０°方向に超音波を送信することができるよ
うになっている。本実施例の超音波送信器Ｔではこのよ
うに超音波発生器ＴＣ自体は１個しか持たないため、超
音波の相互干渉という問題がなく、各受信器Ｒ1+,Ｒ1-,
Ｒ2+,Ｒ2-において問題なく正しい波形の超音波を受信
することができる。なお、通常の円錐状のホーンを４個
用い、それぞれが各超音波受信器Ｒ1+,Ｒ1-,Ｒ2+,Ｒ2-
の方に向くようにして構成してもよい。

【００１７】４個の超音波受信器Ｒ1+,Ｒ1-,Ｒ2+,Ｒ2-
はいずれも送信器Ｔから等距離Ｌの位置に、かつ、互い
に９０°づつ離れて配置されており、送信器Ｔを挟んで
対称な位置にある２個の受信器Ｒ1+とＲ1-、及び、Ｒ2+
とＲ2-がそれぞれ対を成している。なお、送受信器間の
距離Ｌは、後の計算の便宜のためには全て等しいことが
望ましいが、適当な演算式を用意しておけば、これらは
必ずしも全て等しくなくてもよい。両受信器対（Ｒ1+,
Ｒ1-）と（Ｒ2+,Ｒ2-）の間の角度についても同様に、
計算の便のためには垂直であることが望ましいが、演算
式を用意しておけば設置場所等の条件に合わせて任意の
角度とすることができる。

【００１８】図１に戻り、送信器Ｔは制御部２０の発振
回路及びドライバＴxに接続され、４個の受信器Ｒ1+,Ｒ
1-,Ｒ2+,Ｒ2-は各個毎に設けられた増幅器Ｒx1+,Ｒx1-,
Ｒx2+,Ｒx2-に接続される。また、制御部２０には更
に、各受信器に応じて４個の位相検波回路Ｐd1+,Ｐd1-,
Ｐd2+,Ｐd2-が設けられており、対応する受信器の増幅
器Ｒx1+,Ｒx1-,Ｒx2+,Ｒx2-及び送信回路・ドライバＴx
からの信号を受けて、両者の位相差を検出する。４個の
位相検波回路Ｐd1+,Ｐd1-,Ｐd2+,Ｐd2-により検出され
た各受信器毎の位相差、すなわち、送受信器間の超音波
の伝播時間の値は、電子切替スイッチＳＷにより順次Ａ
／Ｄコンバータに取り込まれ、デジタルデータ化されて
マイクロプロセッサユニットＭＰＵに入力される。な
お、切替スイッチＳＷの切り替えもＭＰＵにより制御さ
れる。

【００１９】ＭＰＵは、各位相検波回路Ｐd1+,Ｐd1-,Ｐ
d2+,Ｐd2-により検出された超音波の伝播時間ｔ1+,ｔ1
-,ｔ2+,ｔ2-を基に、上記の通り、温度、風向及び風速
を算出するとともに、本測定装置に異常がないか否かを
判断する。これらの演算結果及び判断結果は、ＭＰＵに
接続された風速表示器Ｖ、風向表示器Ａ、気温表示器Ｔ
m、及び、測定装置の異常の有無を表示する装置Ｘに表
示される。

【００２０】なお、図１には示していないが、別途サー
ミスタ式や熱電対式の温度計を設け、ＭＰＵにおいてそ
の検出値Ｔoと上記算出値Ｔとを比較することにより、
本装置の異常の有無を判断するようにしてもよい。

【００２１】

【発明の効果】本発明に係る超音波風向風速温度測定装
置は、風向・風速のみならず、温度も検出することがで
きる。これにより全体の構成が簡単となり、信頼性が向
上するため、特に無人観測所等で使用する風速風向計に
適している。また、本発明の超音波風向風速温度測定装
置は装置内に何らかの異常が生じた場合には自動的にそ
れを検出し、誤った風速値等をそのまま与えることな
く、警告を行なう。このため、出力される風速値等は信
頼の置ける値となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例である超音波風向風速温度
計の構成を示すブロック図。

【図２】 実施例の超音波風向風速温度計の測定部の構
成図。

【図３】 実施例の超音波風向風速温度計の超音波送信
器の斜視図。

【図４】 本発明の超音波風向風速温度装置において、
風速を算出する方法を説明するための説明図。

【符号の説明】

１０…測定部 ａ，Ｔ…超音波送信器 ＴＣ…超音波発生器 ＴＨ
1，ＴＨ2…ホーン ｂ1+,ｂ1-,ｂ2+,ｂ2-,Ｒ1+,Ｒ1-,Ｒ2+,Ｒ2-…超音波受
信器 ２０…制御部 Ｔx…送信回路・ドライバ Ｒx1+,Ｒx1-,Ｒx2+,Ｒx2-…増幅器 Ｐd1+,Ｐd1-,Ｐd2+,Ｐd2-…位相検波回路 ＳＷ…電子切替スイッチ ＭＰＵ…マイクロプロセッサユニット Ａ…風向表示器 Ｔm…気温表示器 Ｖ…風速表示器 Ｘ…異常表示装置

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 （ａ）周囲に超音波を送信する超音波送
   信器と、 （ｂ）超音波送信器を挟んで対向する位置に置かれた超
   音波受信器の対が、超音波送信器を中心に少なくとも２
   方向に配置されて成る超音波受信器群と、 （ｃ）超音波送信器が超音波を送信してから各超音波受
   信器がその超音波を受信するまでの伝播時間を測定する
   伝播時間検出手段と、 （ｄ）検出された各伝播時間の値を基に、周辺の温度、
   風向及び風速を算出するとともに、本装置に異常が生じ
   ているか否かを判断する演算手段と を備えることを特徴とする超音波風向風速温度測定装
   置。
2. 【請求項２】 さらに、 （ｅ）周辺の温度を測定する温度計と、 （ｆ）演算手段が算出した温度と温度計が測定した温度
   とを比較することにより、超音波風向風速温度測定装置
   の異常を検出する異常検出手段と を備えることを特徴とする請求項１記載の超音波風向風
   速温度測定装置。