JPH0711460B2 - クワッドディスク静圧プローブ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、全体として静圧プローブの分野に関し、特
に、迎え角の異なる風成分を特に感知しない静圧プロー
ブに関する。

発明の背景 気象学の分野において、最も古くからの面倒な問題は、
水平方向の風の流れに対して多方向性であると共に、特
に、塵埃、雪及び雨によって汚染された環境中で水平線
から編位する迎え角の変化に起因して静圧誤差を比較的
生じ難い型式の静圧プローブが存在しないことである。

障害物により偏向された流れ、乱流、及び大気中の境界
層中における各種の系統的な不安定さに伴って著しい垂
直方向の風成分が生じる。垂直方向の風成分の変化は、
典型的な局部的な水平方向の場から予測されるのとは異
なる迎え角の流れを生じさせる。かかる迎え角に起因す
る動圧の変化は、圧力の測定に重大な誤差を生じさせ
る。更に、大気に使用するためには、センサの静圧応答
性が水平の風の向きから独立していなければならず、こ
のため、単方向の静圧プローブは有用でない。

かかる問題点の解決手段を提供するために採用された従
来技術の構造の一部は、次のような構造を備えていた。
即ち、単一のディスクが中空の静圧軸部の頂部と平らに
取り付けられ、該軸部はディスクに対して垂直又は平行
に配設され、多孔性又は焼結材料のキャップが静圧軸部
の開放端の上に位置決めされる。

更に、次の論文に記載されたような二重ディスクの静圧
プローブ型式を開発するための努力が為された。即ち、
“Journal of Applied Meteorology"Vol.15、11月号（1
976年11月号の1215〜1225ページ）にリチャード・ダブ
リュー・マイクサッド（Richard W. Miksad）による
「多方向型静圧プローブ」（Omni-Directional Static
Pressure Probe）、及びミシガン大学から1976年８月に
発行された論文中のジャラード・シー・ギル（Gerald
C. Gill）による「海上ブイに使用する可動部品無しの
静圧入口の開発及び試験（“Development and Testing
of a No Moving Parts Static Pressure Inlet For Use
on Ocean Buoys"）である。

これら学者による論議に加え、従来技術には次の米国特
許に記載されたような多岐に亙る型式の特許に係る空気
圧及び速度測定プローブがある。即ち、米国特許第4,05
6,001号、第3,956,932号、第3,055,216号、第3,520,184
号、第4,304,137号、第4,559,835号、第3,950,995号、
及び第3,686,937号である。

かかる問題に対する解決手段を提供するため、相当な時
間、費用及び研究が費やされたにも拘らず、現在まで迎
え角の変化に対して比較的反応しない実用的な多方向静
圧プローブが開発されるに至っていない。その結果、気
象学者は遠隔の追跡ステーションにおいて静圧の変化を
監視する能力が不足することを経験しており、これが急
激かつ劇的な天候の変化を正確に予測するその能力を妨
げている。

現在の技術状態の静圧プローブの場合、プローブ自体の
構造及び形態の双方に固有の多数の変動因子により、プ
ローブ部位における実際の静圧とプローブ計器により記
録されつつある静圧との間の差がありうるため、正確な
予知を不可能にする程度の誤差を生じさせている。

しかし、本発明の基本であるクワッドディスク静圧プロ
ーブ装置は、今日まで開発された装置のうち最も正確な
装置であると考えられ、特に、水平線から±30°の角度
以内の迎え角の変化に対して気象学的に許容可能な静圧
の誤差の点で最も正確である。

発明の概要 簡単に説明すれば、本発明によるクワッドディスク静圧
プローブは、外側ディスクユニットと、内側ディスクユ
ニットと、及びカラーユニットとを備えており、これら
は全て、中空の静圧軸部ユニットに半径方向に配置した
状態で、作用可能に接続される。

外側ディスクユニットは、内側ディスクユニットの上下
に配置された一対の比較的大きい径の外側ディスク部材
を備える一方、内側ディスクユニットは一対の比較的小
さい径のディスク部材を備えている。

カラーユニットは、内側ディスクユニット間に位置決め
されており、円筒状カラー部材の上端及び下端の外周に
形成された複数の拡大流体圧力ポートを有する略閉じた
円筒状カラー部材を備えている。複数の拡大流体ポート
は、中空の静圧軸部ユニットの外周に形成された複数の
相対的に分離した静圧ポートと開放流体連通している。

風が静圧プローブを通過すると、空気の流れの一部がカ
ラー部材の両端の流体圧力ポート上を通る。上方及び下
方流体圧力ポートは間の圧力差は、カラー部材の内部に
て相互に打ち消し合う傾向となる。

静圧ポートは、カラー部材の両端間に位置決めされるた
め、静圧ポートを通じて軸部ユニットの内部に送られる
空気圧は、各種の圧力ポートから入る圧力の平均値と成
る。軸部ユニット内の静圧は、従来の方法にて遠隔の静
圧センサにより測定され、遠方の気象台に送られる。

カラー部材の上端及び下端は比較的大きい外側ディスク
部材に近接して位置決めされているため、著しい量の
雨、雪、波の水等がカラー部材の流体圧力ポートに入る
ことは極めて起こりにくい。更に、カラー部材の圧力ポ
ートは静圧ポートの方向に対して垂直に方向決めされて
いるから、これら汚染物質が軸部ユニットの分離した静
圧ポートを塞ぐことも起こりにくい。更に、カラー部材
の流体ポートの寸法及び整合状態のため、実質的に全て
の汚染物質が重力によりカラー部材底部の圧力ポートを
通って落下する。

図面の簡単な説明 本発明の上記及びその他の目的、利点及び新規な特徴
は、本発明の好適な実施例を実施するための最良の方法
に関する以下の詳細な説明から、特に、添付図面を共に
参照することにより、明らかになるであろう。

第１図は、本発明の静圧プローブ装置の分解斜視図、 第２図は該装置の側面図、 第３図は異なる迎え角及び空気速度状態下における装置
の性能特性をプロットした図である。

発明を実施する最良の形態 添付図面、特に第１図を参照することにより明らかであ
るように、本発明の基礎であるクワッドディスク静圧プ
ローブ装置は、全体として、参照符号（10）で示されて
いる。該静圧プローブ装置（10）は、全体として、静圧
軸部ユニット（11）と、一対の外側ディスクユニット
（12）と、一対の内側ディスクユニット（13）と、及び
カラーユニット（14）とを備えている。これらユニット
は以下に順次説明する。

第１図及び第２図に示すように、静圧軸部ユニット（1
1）は、管状軸部部材（15）の上方部分の外周に沿って
リング状に配置された複数の相対的に分離した静圧ポー
ト（16）を有する細長い中空の管状軸部部材（15）を備
え、静圧ポート（16）が管状軸部部材（15）の内側（1
7）と開放流体連通し、管状軸部部材（15）の中側（1
7）内の静圧は、遠隔の静圧センサ（図示せず）により
検出される。更に、中空の軸部部材（15）には、該中空
の軸部部材（15）の上端を密封する軸部キャップ（1
5′）が更に設けられている。

本発明の好適な実施例において、中空の軸部部材（15）
は肉厚1/8インチ及び内径1/2インチの塩化ポリビニル等
のような材料の１本のプラスチックパイプから形成され
る。等間隔に離間した12個の静圧ポート（16）が軸部部
材（15）の外周に沿って配置されており、各分離した静
圧ポート（16）は1/32インチの径を有している。

第１図及び第２図を参照することにより理解されるよう
に、外側ディスクユニット（12）は、円味を付けた端縁
（19）と、及び静圧ポート（16）の両側部の離間した位
置にて中空の軸部部材（15）の外周を密封し得る寸法と
した中央穴（20）を有する一対の比較的大きい略平坦な
薄い外側ディスク部材（18）とを備えている。

更に、内側ディスクユニット（13）は、外方に傾斜した
端縁（22）と、及びその目的及び機能について以下に詳
細に説明する拡大中央穴（23）を有する一対の比較的小
さい略平坦な薄い内側ディスク部材（21）とを備えてい
る。

図面に示した本発明の好適な実施例において、外側ディ
スク部材（18）は、内側ディスク部材（21）の約２倍の
幅及び厚みを有し、外側ディスク部材（18）は厚さ1/8
インチ、及び直径６インチのアクリル系材料にて形成さ
れ、内側ディスク部材（21）は厚さ1/16インチ及び直径
3.5インチのアクリル系材料にて形成される。

又、外側ディスク部材（18）が内側ディスク部材（21）
から距離△を置いて離間され、△の値は約3/8インチの
値に等しいことに注目する必要がある。更に、内側ディ
スク部材（21）の傾斜端縁（22）は、外側ディスク部材
（18）の内面を向いており、ここで端渕（22）は約34°
の角度にて傾斜している。

更に第１図及び第２図を参照すると、カラーユニット
（14）は有孔端部キャップ（25）を有する略円筒状のカ
ラー部材（24）を備え、該端部キャップ（25）には、静
圧プローブ（16）の上下の等間隔に離間した位置にて中
空の軸部部材（15）の外周に密封可能に係合し得る寸法
とした拡大中央穴（26）と、端部キャップ（25）の外周
に沿って離間した位置に配置された複数のより大きい圧
力ポート（27）が設けられている。

この点について、内側ディスク部材（21）の拡大穴（2
3）は、端部キャップ（25）に隣接して円筒状のカラー
部材（24）の外周を密封し得るように寸法決めされてお
り、内側ディスク部材（21）の外面（21′）は、カラー
部材（24）の端部キャップ（25）と同一面を形成するよ
うに取り付けられる。

再度、本発明の好適な実施例において、カラー部材（2
4）は、アクリル系材料にて形成され、ここでカラー部
材（24）は、長さ1.125インチ、直径1.75インチ、及び
厚さ1/8インチである。更に、カラー端部キャップ（2
5）も又、アクリル系材料にて形成し、直径1.75インチ
及び厚さ3/8インチとし、複数の圧力ポート（27）は直
径1/8インチの30個の等間隔に離間した半径方向穴を備
える。

上述したように、上記の圧力プローブ装置（10）は、各
種の状態下にて静圧を測定する方法を提供する。各種の
構造体構成要素の寸法は、迎え角に対する感度範囲を拡
大することを目的とする長期にわたる実験の結果であ
る。内側ディスク部材（21）及び外側ディスク部材（1
8）間の間隔、相対的寸法、前縁の形状、ポート（2
7）、（16）の、寸法及び位置は全て重要であることが
分かっている。

関係する物理的プロセスについて以下に簡単に説明す
る。迎え角零の流れは、内側ディスク部材（21）の境界
層に僅かな圧力変化を生じさせる。カラーユニット（1
4）の外周における入口ポート（27）が内側ディスク部
材の面（21′）における平均圧力を感知する。中央軸部
部材（15）の円周に沿った静圧ポート（16）が上方及び
下方内側ディスク部材（21）間の圧力勾配を感知する。

上方ディスクが増大した滞留圧力の成分の作用を受ける
ような場合、迎え角が変化すると、内側ディスク部材
（21）は逆極の圧力を受ける。下方内側ディスクは、上
方内側ディスクの表面における滞留圧力平均値に等しい
平均的負圧を受けることが望ましい。中央の中空軸部部
材（15）の静圧ポート（16）は、リング状の静圧ポート
（16）に対して平均的な表面圧力を配分する上方及び下
方ディスク部材（21）に対する「合計接続部」と同様に
機能し、圧力変化の勾配の「誤差」を更に軽減する。外
側ディスクの機能は、流れを整え、流れが分離する前に
迎え角の範囲を拡大することである。

装置（10）に関する上記の設計は理論的に導き出し、実
験により「微調整」したものである。１つの重要な特徴
は、プローブの応答性が精密な幾何学的形状に反応せ
ず、内側ディスク面の表面に、特別な形状の面（例えば
くぼみ）が加工されていないことである。

静圧プローブ装置（10）は又、耐候性を備え、上方ディ
スクは雨水シールドとして機能し、更に、カラーユニッ
ト（14）の上方ポート（27）は、水が静圧ポートを塞ぐ
ことなく、下方ポート（27）を通って地面まで流れるの
を許容する。

この点に関して、装置（10）の全ての構造体構成要素が
プラスチック及び／又はアクリル系材料にて形成され、
塩水およびその他の有害な環境による品質劣化的作用を
最小にするものであることを強調する必要がある。

次に、第３図を参照すると、装置（10）の上を通る風の
迎え角が変化することにより生じる静圧誤差は、風速Ｕ
が±30°の迎え角度間にて秒当たり5mに等しい場合、良
好なものである。更に、静圧誤差（マイクロバール単
位）は、風速Ｕが秒当たり15m、特に迎え角が±20°の
範囲である場合、許容可能なレベルに維持される。例え
ば、多くの適用例において、50マイクロバール以下の圧
力誤差は許容可能である。

本発明の主題について説明したが、上記の教示内容に照
し多くの代替例、応用例、及び変形例が明らかとなるで
あろう。故に、ここに教示した本発明の範囲は請求の範
囲の記載によってのみ限定されるべきものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ニシヤマ，ランドール・ティー アメリカ合衆国、80303 コロラド、ボウ ルダー 16、イースト・ユークリッド・ア ヴェニュー 2980 (72)発明者 ベダード，アルフレッド・ジェイ，ジュニ ア アメリカ合衆国、80303 コロラド、ボウ ルダー、キットレル・コート 3145

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】静圧プローブ装置にして、 閉塞端を有する細長い中空の管状軸部部材であって、該
   管状軸部部材の外周に沿って配置された複数の静圧ポー
   トを有する前記細長い中空の管状軸部部材と、 有孔の端部キャップが設けられた略円筒状のカラー部材
   であって、前記各端部キャップには、管状の軸部部材の
   静圧ポートから離間した位置にて管状の軸部部材の外周
   に密封可能に係合し得る寸法とした拡大中央穴が設けら
   れ、前記端部キャップの各々には、管状軸部部材の静圧
   ポートと開放流体連通する複数の圧力ポートが更に設け
   られる前記略円筒状のカラー部材と、 前記管状軸部部材と作用可能に関係する複数のディスク
   部材とを備えることを特徴とする静圧プローブ装置。
2. 【請求項２】請求の範囲第２項に記載の装置にして、前
   記複数のディスク部材が、 管状軸部部材の静圧ポートの位置の上下に配置される少
   なくとも一対のディスク部材を備えることを特徴とする
   装置。
3. 【請求項３】請求の範囲第１項に記載の装置にして、前
   記複数のディスク部材が、 円筒状のカラー部材の上下に配置された一対の外側ディ
   スク部材と、 外側ディスク部材の中間に配置されかつ管状軸部部材の
   静圧ポートの上下に位置決めされた一対のディスク部材
   とを備えることを特徴とする装置。
4. 【請求項４】請求の範囲第３項に記載の装置にして、外
   側ディスク部材が内側ディスク部材から離間されている
   ことを特徴とする装置。
5. 【請求項５】請求の範囲第４項に記載の装置にして、内
   側ディスク部材がカラー部材の端部キャップと同一面に
   取り付けられることを特徴とする装置。
6. 【請求項６】請求の範囲第３項に記載の装置にして、外
   側ディスク部材が内側ディスク部材の約２倍の幅及び厚
   さであることを特徴とする装置。
7. 【請求項７】請求の範囲第６項に記載の装置にして、外
   側ディスク部材には、円味を付けた端縁が設けられるこ
   とを特徴とする装置。
8. 【請求項８】請求の範囲第６項に記載の装置にして、内
   側ディスク部材には、傾斜端縁が設けられることを特徴
   とする装置。
9. 【請求項９】請求の範囲第８項に記載の装置にして、内
   側ディスク部材の傾斜端縁が、隣接する外側ディスク部
   材の方向を向くことを特徴とする装置。
10. 【請求項１０】請求の範囲第１項に記載の装置にして、
    複数の圧力ポートが複数の静圧ポートの整合部分に対し
    て垂直に配置されることを特徴とする装置。
11. 【請求項１１】請求の範囲第１項に記載の装置にして、
    装置の全ての構造体構成要素がプラスチック材料にて形
    成されることを特徴とする装置。
12. 【請求項１２】請求の範囲第６項に記載の装置にして、
    外側ディスク部材が内側ディスク部材の厚みの約２倍の
    厚さであることを特徴とする装置。