JPS6381271A - 風向・風速測定装置 - 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、主として気象観測分野で使用される風向及び
風速の測定方法とその装置に関するものである。

〔従来技術と問題点〕

従来の風向計は、例えば矢羽根が用いられ、該矢羽根の
回転軸の回転角から風向を測定するようになっており、
また、従来の風速計は、例えば風杯が用いられ、核風杯
の回転軸の回転速度から風速を測定するようになってい
る。

このように、従来の風向、風速計はいずれも回転部を有
するため、構造が複雑であシ、かつ長期にわたって測定
精度を保つためには頻繁な点検保守作業が必要である。

〔発明の目的〕

本発明は以上に述べた問題点を解決すべく提案するもの
で、極めて、簡単に風向及び風速を測定できる方法と、
この方法の使用によって回転部を有しない風向、風速測
定装置を得ることを目的とする。

〔発明の概要〕

上記目的のため、本発明は、球を棒体で垂直片持状に支
持し、上記球が風を受けることによって生ずる上記棒体
の撓み方向又は傾斜方向くよシ風向を、上記棒体の祷み
量又は傾斜量によって風速をそれぞれ測定するようにし
た方法及びこの方法を使用した風向、風速測定装置を提
供するものである。

〔発明の実施例〕

風向、風速の測定方法： 第１図囚及びの）は、本発明の実施例の風向、風速測定
方法を説明する図である。

第１図囚に示すように、本発明による方法では、球１を
棒体２に取シ付け、核棒体２の球１を取シ付けていない
方の端部２０１を固定することＫよシ上記球１を垂直上
方に片持状に支持する。上記球１は風を受ける受風体と
なる。また、棒体２は撓み方向に弾性を有する材料を使
用する。

球１が風Ｗを受けると、風圧によって球１は一点鎖線に
示すように移動し、棒体２は一点鎖線に示すようにその
弾性力に抗して撓められる。

球１の移動は上記風圧と棒体２の弾性力が平衡した所で
止まるので、棒体２の撓み量から風圧が測定でき、この
風圧から風速を求めることができる。

また、第１図の）に示すように、風Ｗを受ける方向によ
って球１の移動方向が異なる。すなわち、矢印（イ）の
方向から風Ｗを受けると球１は矢印（ロ）の方向に１矢
印（ハ）の方向から風Ｗを受けると球１は矢印に）の方
向にそれぞれ移動する如くである。この球１の移動方向
を棒体２の撓み方向から検出することによって風向を求
めることができる。

ところで、球１をある方向から見通した場合、見通せる
表面積及び形状はいずれの方向からも同じである（全表
面積の１／２）。従って、風Ｗがどの方向から吹いても
（同じ強さの風であれば）当該球１が受ける風圧は同じ
であり、またどの方向から風Ｗを受けても球１は風Ｗが
吹いてくる方向と反対の方向に移動する。これは球１が
風Ｗを受けて姿態を変えても同様である。

従って上記棒体２の撓みは、それがいずれの方向であっ
ても風速及び風向を正しく示すものである。

以上、の説明では、棒体２をその端部２０１で固定した
例であるが（この例を以下、第１の方法という。）、棒
体２をその端部２０１を支点にして全方位に傾斜自在と
なし、別個の手段（具体Ｃには後述の風向、風速装置の
説明で明らかとなる。）で当該棒体１を傾斜方向に弾性
を有して垂直に中立するように支持すれば（この方法を
以下、第２の方法という。）、球１が風Ｗを受けること
により棒体２が傾斜するので、その傾斜量及び傾斜方向
からそれぞれ風速及び風向を求めることができる。尚、
この場合には棒体２が撓み方向に弾性を有する必要はな
い。

上記第１及び第２の方法に於いて、棒体２の撓み量又は
傾斜量及び撓み方向又は傾斜方向の検出は当該棒体２に
取シ付けたセンサによって検出できる。センサの具体的
構成は後述の風向、風速測定装置で明らかとなる。

また、第１図囚、　ＣＢ）では、理解し易い様に球１の
移動量と棒体２の撓み量（傾斜量）を誇張して描いであ
るが実際の装置では球１の移動量はわずかであシ、従っ
て棒体２の撓み量（傾斜量）もわずかである。特に第１
の方法では風圧によって棒体２自体を撓めるようにする
ため球１の移動量は極めてわずかであシ、微風の測定に
は限界がある。これに対して第２の方法では風圧によっ
て棒体２自体を撓めることはないので球１の移動量は第
１の方法に比べて大きくすることができるので微風の測
定に適した方法といえる。

風向、風速測定装置： 第２図〜第１１図囚、＠はいずれも本発明の実施例に係
る風向、風速測定装置を説明する図で、第２図は外観を
示す斜視図、第３図は第１図に示すＡ部分の拡大断面図
、第４図は第３図に示すＣ−Ｃ部分の断面図、第５図は
第３図に示すＤ−Ｄ部分の断面図、第６図は第１図に示
すＢ部分の拡大断面図、第７図は第６図に示すＥ−Ｅ部
分の断面図、第８図は第１図（示すＢ部分について上記
第６図とは別個の実施例を示す拡大断面図、第９図及び
第１０図は処理装置について２つの実施例を示したブロ
ック図である。

実施例の外観は、第２図に示すように基台３に外筒４が
垂直に立てられ、その先端に球形の受風体１が位置して
いる。第３図で後述するように受風体１と外筒４とは固
定されていない。

また外筒４の下部にはセンサからの電気信号を外部に取
れ出すコネクタ５が取シ付けられている。このように外
部には受風体１と細い外筒４のみが露呈しているだけで
あり、測定装置自体による風の擾乱を極力抑えて測定誤
差が小さくなるように配慮された構造となっている。

第３図及び第６図に示すように、外筒４は中空状の管で
あって基台３に固定されており、その内部中央には当該
外筒４よシ長い棒体２が固定端２０１基台３に固定され
て垂直片持状に立てられている。この棒体２は撓み方向
に弾性を有する材料、例えばステンレス棒で構成される
０第３図に示すように、受風体１は中空の球体であシ、
一部分に外筒４の径よシ若干大きな孔１０１があけられ
ていてこの孔１０１に外筒４が挿通され、梁材６を介し
て棒体２の自由端２０２に固定されている。

また、受風体１の内部に於いて、棒体２の外筒４から突
出した部分には第４図に示すように円筒形の磁石（以下
、第１磁石体という。）７が固定されており、この第１
磁石体７の外周には間隙ａを隔てて当該第１磁石体７を
内包する状態で円筒形の磁石（以下、第２磁石という。

）８が設けられている。尚、この第２磁石体８は磁石支
持ケース９によって外筒４に固定されており、棒体２の
撓みに対して不変である。また上記第１磁石体７と第２
磁石体８とは互に同極であるように方向が設定され、相
互間に反撥力が作用するようにされている。

また、外筒４の内部に於いて、第５図に示すように棒体
２には等間隔で例えば４個所に第１電極１０が絶縁体１
２を介して貼付されておシ、この第１電極１０のそれぞ
れと対向する外筒４の内壁には第２電極１１が絶縁体１
３を介して貼付されている。この第１電極１０と第２電
極１１とは１対ずつで合計４個の可変静電容量０１〜Ｃ
４を構成し、これがセンサとなる。すなわち、受風体１
の受風によって棒体２が撓むと、第１電極１０と第２電
極１１との間隔が変化し、４個の可変静電容量０１〜Ｃ
番は棒体２の撓み方向及び撓み量（すなわち風向及び風
速）に従ってそれぞれに変化するので、これＫよって風
向及び風速のデータが得られることとなる０尚、後で説
明する処理装置の発振回路２１〜２４（第９図）の回路
構成によっては第１電極１０又は第２電極１１のいずれ
か一方の４個の導片を共通電極（１個の導片）とするこ
とができる。この場合に於いて、棒体２又は外筒４が導
電体で構成されているときＫは、特に導片を設ることな
く、棒体２又は外筒４自体を共通電極とすることができ
る。

また、外筒４の上端にはストッパ１７が設けられており
、棒体２の撓みを制限して設計上の最大風速を越えた風
速に対して棒体２を保護するとともにストッパ１７の内
縁と棒体２の外縁と藷隔を上記第１電極１０と第２電極
１１との間隔よシ小さく設定することＫよって、受風体
１の最大偏位（棒体２の最大撓み）に対して第１電極１
０と第２電極１１とが短絡しないように配慮されている
。

また、センサとしては、上記可変静電容量Ｃ８〜Ｃ４に
代えてストレーンゲージで構成することができる。すな
わち、第６図及び第７図に示すように、棒体２に等間隔
で例えば４個所にストレーンゲージ１４　（Ｒ１−Ｒ４
）を貼付する。受風体１の受風によって棒体２が撓むと
、４個のストレーンゲージ１４は棒体２の撓み方向及び
撓み量（すなわち風向及び風速）に従ってそれぞれに応
力を受けて抵抗値Ｒ１〜Ｒ，が変化するので、これＫよ
って風向及び風速のデータが得られる西 センサを前記可変静電容量Ｃ！〜Ｃ，で構成する場合に
は、その設定個所は棒体２の偏移量が　　□多い個所、
すなわち当該棒体２の自由端２０２側とし、センサを上
記ストレーンゲージ１４で構成する場合には、その設定
個所は棒体２の撓み量が多い個所、すなわち当該棒体２
の固定端２０１側とする。

また、本装置を降雪地域で使用する場合には受風体ＩＫ
雷が付着して当該受風体１が球形でなくなシ、前記方法
の説明から明らかなように測定誤差が生ずる。これに対
処するため、実施例では受風体１の内壁にヒーター１５
を設けて受風体１を暖め、付着する雪を融かすようにし
ている。このヒーター１５は例えば梁材６に設けて受風
体１の内部の空気を暖めて隔雪するようにしてもよい。

また、受風体１と棒体２との結合機構、第１磁石体７及
び第２磁石体８の取付機構、センサ（第１電極１０及び
第２電極１１又はストレーンゲージ１４）及びヒーター
１５寺は全て受風体１又は外筒４の内部に設けられてお
シ、前記第２図で説明したように装置自体による風の擾
乱が少ない構造となっている。

作用の基本は前記方法の説明で明らかであるので、その
説明を省くこととし、ここでは第１磁石体７と第２磁石
体８の作用を説明する。

周知のようＫ、風圧は風速の２乗に比例する。

また、棒体２の撓み量は、当該撓み量が少ない間は印加
される力、すなわち受風体１が受ける風圧に比例するも
のとしてよいから、風速が増大するに従って単位風圧当
シの棒体２の撓み量が大きくなり、測定感度特性が非直
線特性となるとともに、この特性により強風域での測定
レンジ幅が狭くなる（第１磁石体７と第２磁石体８とが
設けられていないとき。）。

一方、同極で対向させた一対の磁石間に作用する反撥力
は周知のように２つの磁石間の距離の２乗に反比例する
。

従って、棒体２の撓み歌が多くなって第１磁石体７が第
２磁石体８の中心から偏よるほど相互間に作用する反撥
力が強くなる。すなわち、受風体１で受ける風圧が強く
なるに従って棒体２をその中立点に戻すように作用して
いる上記反撥力が強くなυ、これによって強風域での棒
体２の撓み量を減少させるので測定感度特性を直線特性
とするとともに強風域に於ける測定しンジ幅が拡がる。

このように、棒体２に磁石の反撥力を作用させることに
よって、特に風速測定に於ける測定感度を直線化すると
ともに実用レンジ幅を充分に確保している。

以上に説明した実施例は、受風体の偏位を棒体２の撓み
で検出するようにしたものであって、棒体２の撓み方向
の弾性が作用することＫよシ、風を受けて受風体１が偏
位する量は少なく、従って当該実施例は比較的強い風の
測定に適している。また、測定レンジは受風体１の径の
大きさと棒体２の径の大きさとの相互関係により決まる
ので受風体１の径を大きくシ、棒体２の径を小さくする
ことＫよシ弱風に適した測定レンジの装置を作ることも
できるが、これＫも限界がある。すなわち、受風体１の
径を極端に大きくし、棒体２の径を極端に小さくすると
棒体２が受風体１を支えきれなくなるからである。

以上の点に鑑み、％に微風域での測定を目的としたもの
が第８図に示す実施例である。尚、この実施例は、第８
図に示す部分を除いては前記実施例と同じ構成である。

°第８図に示すように、本実施例で゛は棒体２の基台３
側端部２０３と基台３とは、例えばゴムを円柱形状に形
成した弾体１６で連結されており、この構造によって棒
体２は全方位に傾斜できるようＫなっている。また、こ
の構造では、棒体２は第１磁石体７と第２磁石体８との
間に作用している反撥力のみによって垂直に中立して保
持される。

受風体１で風を受けると弾体１６が屈曲して棒体２は風
圧が加わった方向に傾き、風圧と上記反撥力とが平衡し
た所で当該棒体２の傾きが止まる。この実施例では前記
実施例のように風圧に抗する力として棒体２の弾性力（
撓み力）が加わらないため上記風圧が極めて小さくても
当該棒体２の傾きは比較的大きくなシデータと　゛して
検出することが可能である。すなわち、この実施例は微
風域での測定に適した装置を実現する。

尚、この実施例では棒体２が撓むことはないからセンサ
としてストレーンゲージを使用することはできない。

また、以上に説明した２つの実施例で棒体２の不要な振
動を抑制して作用を安定化させるために棒体２と外筒４
の間にダンパー用オイルを封入すると効果的である。特
に第８図に示す例では棒体２が振動し易い構成となって
いるので、前記第６図に示す例よシもダンパー用オイル
の封入の効果が大きい。また、前記融雪用ヒーター１５
を設けである場合に於いて、上記ダンパー用オイルは熱
容量が空気より大きいため受風体１及び外筒４の内部を
暖める効果が大きく、融雪上も上記オイルの封入は効果
的である。

次に処理装置について第９図及び第１０図により説明す
る。

センサが可変静電容量である場合（第５図の場合）には
第９図に示す構成が採られる。すなわち、各可変静電容
量０１〜Ｃ番はそれぞれ発振回路２１〜２４に接続され
、当該発振回路２１〜２４はそれぞれ可変静電容量Ｃ菖
〜Ｃ番の値に対応した周波数で発振する。この発振回路
２１〜２４の出力信号をそれぞれ波形整形回路３１〜３
４で波形整形し、ＣＰＵを主体に構成された処理回路４
０に入力して信号処理を行なう。

また、センサがストレーンゲージである場合（第７図の
場合）には第１０図に示す構成が採られる。すなわち、
各ストレーンゲージＲ８〜Ｒ。

はそれぞれブリッジ回路５１〜５４の１つの辺に接続さ
れ、当該ブリッジ−路５１〜５４はそれぞれストレーン
ゲージＲ１〜Ｒ４の値に対応した電圧の信号を出力する
。このブリッジ回路５１〜５４の出力信号はアナログ信
号であるので、これをそれぞれＡ／Ｄ変換回路６１〜６
４１Ｃ入力してディジタル信号に変換してから処理回路
４０に入力して信号処理を行なう。

上記処理装置の構成に於いて、可変静電容量Ｃ１〜Ｃ番
又はストレーンゲージＲ１〜Ｒ，はそれぞれ前記受風体
１の偏位量及び偏位方向（すなわち、棒体２の撓み量又
は傾斜量及び撓み方向又は傾斜方向）を４方位に分割し
た値となるので、この４万位の値を処理回路４０でベク
トル合成することＫよシ風向及び風速が得られる。

すなわち合成したベクトルの方向が風向を表わし、ベク
トルの長さが風速を表わす。

以上のようにして得られた風向及び風速は表示・記録装
置７０に表示され、又は記録される。

上記処理装置の構成中、少くとも発振回路２１〜２４又
はブリッジ回路５１〜５４は外筒４の内部に設けられ、
当該発振回路２１〜２４又はブリッジ回路５１〜５４の
出力信号がコネクタ５を介して外部に出力される。

〔発明の効果〕

以上、詳細に説明した処から明らかなように、本発明に
よる風向、風速測定装置には回転部を一切含まないため
構造が極めて簡単であシ、点検保守作業は原則的には必
要としない風向、風速測定装置が得られる。また、寒冷
地に於ける観測では従来の装置では回転部が凍結して観
測不能となることがあるが、本発明装置ではこのような
ことはなく、又、降雪に対しても受風体にヒーターを入
れる等極めて簡単な構成で対処できる。

このように本発明は種々の長所を有し、その効果は極め
て顕著である。

【図面の簡単な説明】

図面はいずれも本発明の実施例を、説明するもので、第
１図囚、ａ３）は風向、風速の測定方法を説明する図、
第２図〜第８図は風向、風速測定装置の構造を示す図、
第９図及び第１０図は処理装置のブロック図である。 （主な記号） １・・・受風体（球）　　２・・・棒体７・・・第１磁
石体　　　８・・・第２磁石体１０・・・第１電他　　
　１１・・・第２電極１４・・・ストレーンゲージ　４
０・・・処理回路Ｃ１〜Ｃ番・・・可変静電容量 Ｒ１〜Ｒ，・・・ストレーン）Ｊ−ジ。 第１図 （Ａ） 第３図 ？：ｊ（男５２七遍哩七シμトフ 第７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　球を棒体で垂直片持状に支持し、上記球が風を受け
   ることによつて生ずる上記棒体の撓み方向又は傾斜方向
   により風向を、上記棒体の撓み量又は傾斜量によつて風
   速をそれぞれ測定するようにした風向、風速測定方法。 ２　風を受ける球形の受風体と、一端に上記受風体が固
   定されていて上記受風体を垂直上方に片持状に支持し、
   全方位に撓み可能で、かつ撓み方向に弾性を有する円柱
   形の棒体と、該棒体をその中心に挿通して当該棒体に固
   定した円筒形の第１磁石体と、上記棒体の撓みに対して
   不変で、かつ上記第１磁石体を間隙を有して中心部分に
   内包する位置に上記第１磁石体と同極方向に固定した円
   筒形の第２磁石体と、上記受風体での受風による上記棒
   体の撓み方向及び撓み量を検出するセンサと、該センサ
   からの信号を処理して風向及び風速を出力する処理装置
   でなる風向、風速測定装置。 ３　センサを、棒体と該棒体の撓みに対して不変である
   個所との間に互に対向させて設けた一対の電極でなる複
   数の可変静電容量で構成した特許請求の範囲第２項に記
   載の風向、風速測定装置。 ４　センサを、棒体の周囲に固定した複数のストレーン
   ゲージで構成した特許請求の範囲第２項に記載の風向、
   風速測定装置。 ５　風を受ける球形の受風体と、一端に上記受風体が固
   定されていて上記受風体を垂直上方に片持状に支持し、
   上記受風体を固定した端部とは反対側の端部を支点とし
   て全方位に傾斜自在にされた棒体と、該棒体をその中心
   に挿通して当該棒体に固定した円筒形の第１磁石体と、
   上記棒体の傾斜に対して不変で、かつ上記第１磁石体を
   間隙を有して中心部分に内包する位置に上記第１磁石体
   と同極方向に固定した円筒形の第２磁石体と、上記受風
   体での受風による上記棒体の傾斜方向及び傾斜量を検出
   するセンサと、該センサからの信号を処理して風向及び
   風速を出力する処理装置でなる風向、風速測定装置。 ６　センサを、棒体と該棒体の傾斜に対して不変である
   個所との間に互に対向させて設けた一対の電極でなる複
   数の可変静電容量で構成した特許請求の範囲第５項に記
   載の風向、風速測定装置。