JP2701301B2 - 風向計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、サーミスタを用いて構成する風向計のう
ち、直熱一定電流型サーミスタ式流速計に関し、特に、
複数個のサーミスタを配置したピラミッド状の装置を用
いて測定したデータにもとづいて、風向や風速等を検知
出来るようにする風向計に関する。

（従来の技術） 一般に空気等のような流体の流れる速度、つまり、風
速等を測定するためには、風見鳥に代表されるように、
垂直軸のような機械的な回転軸を持ち、風圧によって回
転されることによって風向を示すものが用いられる場合
が多い。また、その風見鳥に風車を設けて、その風車の
回転数が風速に比例することにより、風速も同時に表示
出来るようにする手段等が用いられる。

前述したような装置とは別に、比較的高速度で流れる
空気等に対しては、ピトー管等の装置が用いられること
があり、この装置の場合には、風速を２乗した値が、圧
力に比例するという原理を利用している。上記したよう
な従来より一般的に用いられている風速、風向計等の装
置は、比較的容易に風速等を測定出来るものであり、比
較的正確な測定値を得ることが出来るものである。

しかし、上記したような一般的な測定装置によって得
られる値は、ある一定時間内での風速の平均値であり、
瞬間的な風速、あるいは、非常に短い時間内での風速の
変化を測定することは出来ないものである。これに加え
て、機械的な作動部材を有する装置の場合には、耐久性
に問題を有するものであるとともに、軸の摩擦等の影響
によって、微小な流れの測定を行い得ない等の欠点があ
る。

これに対して、非常に短い時間内での風速の変化等を
測定する方法として、熱線風速計等が多く用いられてい
る。この熱線風速計は、サーミスタを用いており、その
サーミスタの抵抗値が温度によって変化することを利用
している。そして、上記したような風速計においては、
ブリッジ回路に組込んだサーミスタに流れる電流の変化
を測定することによって、容易に測定値を得ることが出
来るものとされる。また、上記したような、サーミスタ
を用いる風速計は、単に、空気等のようなガス状の流体
のみ適用されるものではなく、水や油等のような流体の
流速を測定する手段として用いることが可能であり、多
くの種類の流体に適用することが出来るものとなってい
る。

（発明が解決しようとする問題点） 上記したようなサーミスタを用いた風速計において
は、それに使用されるサーミスタの抵抗値が、温度によ
って変化するという特性があり、その温度による抵抗値
の変化の影響を除くための装置を設けている。前述した
ような装置として、流体の流れによる温度の変化の測定
部分とは別に、温度計測手段を設けており、その温度計
測手段によって得られた温度変化を制御装置に入力し、
その値に応じて、流速測定部分からの入力値を補正する
ような手段が用いられる。また、前述したような温度計
測手段としては、サーミスタが一般的に用いられてい
る。

しかしながら、上記したような従来のサーミスタ式流
速計において、ブリッジ回路による回路を設ける場合に
は、温度補正用の素子として、比較的熱容量の大きいも
のを用いることが必要である。また、流速検出用のサー
ミスタは、比較的感度の高いものを用いることが必要で
あるために、それ等の全てのサーミスタとして、同一規
格のサーミスタを使用することが出来ず、各々の特性に
応じたサーミスタを使用しなければならないという問題
がある。

したがって、上記したような理由によって、２つの測
定部分に各々性能の異なるサーミスタを用いるととも
に、それぞれに対応した制御回路を組込むことが必要で
あり、それ等の理由によって、センサー装置の形状が大
型化するという欠点があった。また、上記したような従
来のサーミスタを用いる装置に代えて、第８図に示され
るように、正方形状の熱絶縁基板41上の４つの辺に、白
金薄膜による風向検知部材43、43……を設けるととも
に、その基板41の中央部に風温検知部材42を配置して、
フローセンサー40を構成したものが用いられる場合があ
る。そして、上記したようなセンサーにおいては、白金
薄膜を発熱させることによって、相対する素子の抵抗値
をブリッジ回路によって比較し、風向を検知するように
されている。

しかしながら、上記したような従来の装置において
は、白金薄膜を使用しており、その測定感度が悪いため
に、その制御装置の回路構成が複雑になり、電磁ノイズ
等に弱いという欠点がある。また、その風温検知部材42
と対向して風速検知部材43が同一平面に設けられてお
り、それ等の素子が相互に熱の影響を受けやすい構造で
あるために、測定誤差が大きくなるという問題がある。
それに加えて、上記したようなセンサーを製造するため
には、その製造装置が大がかりになる等の問題も発生す
る。

（発明の目的） 本発明は、上記したような従来より用いられている装
置の欠点を解消するもので、１つの略ピラミッド状の保
持部材に対して複数個の検出手段を配置することによ
り、構成が簡単であるとともに、風向センサー自体が空
気等の流れを乱すことがなく、狭い空間内で風向、風
温、風速を精度良く測定出来るような装置を得ることを
目的としている。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、略ピラミッド状の保持部材と、前記保持部
材の頂部に配置した風温検出手段と、前記保持部材の側
部に配置した複数個の風速検出手段と、前記風温検出手
段および前記複数個の風速検出手段により検出された検
出信号にもとづいて風向を演算する風向演算手段と、前
記風向演算手段により得られた風向信号を出力する風向
信号出力手段とを備えている。

（作用） 本発明において用いるセンサーは、直熱一定電流型サ
ーミスタ式流速計を用いるもので、ピラミッド状の保持
部材に対して、４個の風速検出サーミスタを各辺に対応
させて配置し、１個の風温検出サーミスタを頂部に設
け、そのような組合せ部材を１つのチャンネルの風向セ
ンサーとして構成することができる。そして、前記した
ようなサーミスタにより構成されたセンサーを多数配置
するとともに、各々のチャンネルのそれぞれのサーミス
タ毎に、風速または風温の検出回路を設ける。また、前
記各出力信号を、各チャンネル毎に１つの風温信号と４
つの風速信号として、２種類の信号線に分けて順番に出
力し、風向計における風速と風温とのそれぞれの信号処
理回路に入力し、その風向計により処理された信号を、
表示部にグラフまたは、数字等によって表示することが
出来るようにしている。

したがって、本発明の風向計においては、機械的な回
転部材等を有していないために、耐久性があり、サーミ
スタの感度が高いことにより、微弱な流れを良好な状態
で測定することが出来るものである。また、本発明の風
向計は、回路の構成が簡素化出来るものであるととも
に、電磁ノイズ等の外部雑音の影響を受けにくいもので
あり、ピラミッド状の保持部材に設けるサーミスタを同
一規格のもので構成することが出来、センサーを小型化
出来るものとなる。

（実施例） 図示された例に従って、本発明の風向計の構成を説明
する。第１図に示されるように、本発明のピラミッドセ
ンサー10は、略ピラミッド状に構成した保持部材５に対
して、その頂部に風温検出サーミスタ１を配置し、その
保持部材の４つの側面に、それぞれ風速検出サーミスタ
2a、2b……を配置している。そして、前記保持部材５の
下部に設けたスペーサ６を、測定装置のフレームから突
出して設けた支持部材７に取付け、風速等を測定する場
所にセットすることが出来るようになっており、そのピ
ラミッドセンサー10の各サーミスタから、風向計の検出
回路に向けて信号を送るための信号線を設けている。

本発明の風向計においては、上記したようなピラミッ
ドセンサー10を多数設けていて、各ピラミッドセンサー
を１つのチャンネルとして設定し、多くのチャンネルか
らの測定値を、順次検出回路に入力して、それらのセン
サーからの検知情報によって、風向、風速、および風温
等の情報を装置の表示部に出力させることが出来るよう
になっている。

第２図に示されるグラフは、本発明の装置における風
向等の測定データの例を示すもので、ピラミッドセンサ
ー10をＮ−Ｓの各方向に正確に位置決めしておき、風の
方向がＥ方向からの場合に、そのピラミッドセンサーの
各風速検出サーミスタによって検知される値が、Ｎ、Ｓ
方向に強く現れる状態を示している。

上記したような測定結果を第３図に示されるような構
成の制御装置に入力し、その制御装置の信号処理回路に
よって、所定の処理の動作を行うようにするものであ
る。前記第３図に示される本発明の制御回路において、
多数個設けられるピラミッドセンサー10……の信号は、
各ピラミッドセンサーに対応するチャンネル１、２、
３、……ｎから、風向計20に入力される。前記風向計20
は、各チャンネルに対応して配置される検出回路21か
ら、スキャナー回路22に入力され、前記スキャナー回路
22から風速と風温との信号として、以下の増幅回路24、
27に向けて出力される。

前記風向計20の制御回路においては、前記増幅回路2
4、27にリニアライザ25、28を接続し、それらの各信号
をマルチプレクサ29を介してA/D変換回路30に出力し、A
/D変換回路30からRS232C変換回路31を経て、パーソナル
コンピュータ32に入力し、前記パーソナルコンピュータ
32から表示部に対してグラフ信号、または、数値信号の
アウトプットデータとして、風向、風速、および、風温
が出力されるようになっている。前記制御回路におい
て、前記検出回路21には、各センサーのチャンネルに対
応して、それぞれのチャンネルから入力される信号を、
各々のチャンネルに対応する検出回路が処理するように
構成されているもので、前記検出回路によって処理され
た検知信号をスキャナー回路22に向けて出力する。

検出回路； 検出回路21は、温度測定回路と、風速測定回路とから
構成されるもので、増幅回路24、27、および、風温補正
回路26と、リニアライザ25、28とともに、センサーから
の検知値の処理の動作を行うようになっている。そし
て、温度測定回路においては、風温検出サーミスタの温
度による抵抗値の変化を、電圧信号として変換し、その
温度表示のみでなしに、風速検出のセンサーの温度依存
性をも補正出来るようにされている。また、これらの回
路には、定電圧電源に接続される定電流回路と、基準電
圧回路、および、風温検出サーミスタの測定値が入力さ
れるブリッジ回路等が設けられている。

風速測定回路は、流速ゼロ点補正回路、増幅回路27、
風温補正回路26、および、リニアライザ28等により構成
されるもので、風速検出サーミスタからの測定値はサー
ミスタの負性抵抗領域における（流速感度−温度特性）
の関係にもとづいて、温度に対応する出力電圧が得ら
れ、その出力電圧に対して補正係数を掛算することによ
って、周囲温度に影響されない信号を出力することが出
来るようになっている。

スキャナー回路およびコントロール回路； スキャナー回路22は、ｎ×５（チャンネルの数とサー
ミスタセンサーの数）のデジタル制御が可能な差動入力
型のＣ−MOSスイッチ群と、風温信号と風速信号とを判
別する同一規格のＣ−MOSスイッチ１組とで構成され
る。そして、これ等の各スイッチの動作は、コントロー
ル回路23によってデジタル制御が行われ、それぞれのス
イッチのオン・オフの制御の動作が行われる。

また、上記したスキャナー回路22からの出力は、前記
ピラミッドセンサーの各センサーに対応して、風温デー
タ、風速データ１、２、３、４の順序で、チャンネル１
から順次行われ、次いで、チャンネル２、チャンネル３
……から次々と出力されるものとなる。

マルチプレクサ； マルチプレクサ29は、スキャナー回路22によって分類
された風温信号と、風速信号とを、再度同一の信号線に
合流させ、A/D変換回路30に向けて出力するための回路
である。

A/D変換回路； A/D変換回路30においては、マルチプレクサ29で合流
されたアナログ信号を、10ビットのデジタル信号（パラ
レル信号）に変換して、RS232C変換回路31に向けて出力
する。

RS232C変換回路； このRS232C変換回路31は、市販のものを用いることが
出来、A/D変換回路から出力される10ビットのパラレル
信号を、RS232Cでシリアル信号に変換し、パーソナルコ
ンピュータ32に向けて出力する。

パーソナルコンピュータ； 本発明の風向計用に設定されたプログラムにしたがっ
て、入力されたデータの処理の動作を行うように構成さ
れる。すなわち、ピラミッドセンサー10の４つの風速検
出サーミスタをＮ、Ｅ、Ｓ、Ｗとし、それぞれのサーミ
スタからの風速データをｎ、ｅ、ｓ、ｗとすると、次の
ような手順によって風向が求められる。

（１） 風速値の大きい順に並べる。

（２） 象限を判別する。

大きい風速検出サーミスタの位置が、Ｎ→Ｗ→Ｓ→Ｅ
のサイクルで隣合っている場合、 ア） ＥとＮの場合……第１象限 イ） ＮとＷの場合……第２象限 ウ） ＷとＳの場合……第３象限 エ） ＳとＥの場合……第４象限 ただし、大きい２つの風速検出サーミスタの位置が、
Ｎ→Ｗ→Ｓ→Ｅのサイクルで隣合っていない場合には、
３番目に大きい値の位置を無条件に風向として設定す
る。

（３）第４図に示されるようにして、 α（ｅ＋Ｗ）／（ｎ＋ｓ）なる風向係数αを計算す
る。

ただし、第１および第３象限の場合、前記αを1/α＝
（ｎ＋ｓ）／（ｅ＋Ｗ）とすると、各象限において、０
〜90゜の角度範囲において、第５図に示されるグラフの
ように、同一特性の係数αを得ることが出来る。

したがって、各象限における風向角度θは、 θ＝ｆ（α）＋C1 C1:補正係数 によって得ることが出来る。

また、風速値の算出は、上記（１）の式で並び変えた
出力値のうち最大値をとれば、±20％程度の精度を得る
ことが出来るが、風向角度θが得られているので、次の
式による風向補正が可能である。

風速値:V＝Vmax＋｛Ｖ（θ）＋C2｝ Vmax:4つの風速値の最大値 C2 ：補正係数 上記したように、本発明の風向計は、直流一定電流型
サーミスタ式流速計を風速計として応用するものであ
り、４個の風速検出サーミスタ２と、１個の風温検出サ
ーミスタ１とをピラミッド状の保持部材５の頂部と、側
面の４つの辺の部分にそれぞれ取付け、ピラミッドセン
サーを形成している。そして、多数のピラミッドセンサ
ーをそれぞれの１つのチャンネルとして設定し、それ等
のサーミスタの検知値を検出回路21を介してスキャナー
回路22に入力し、コントロール回路23によりコントロー
ルされるスキャナー回路22で、Ｃ−MOSスイッチにより
各ピラミッドセンサーからの風速データと風温データと
の信号を処理する。

前記各チャンネルからの信号は、２つの信号線で順番
に出力され、１つの風温信号は、増幅回路24とリニアラ
イザ25とによって実際の温度に対応した信号に変換され
る。また、４つの風速信号は、増幅回路27と、実際の温
度に対応した信号を入力に持つ風温補正回路26と、リニ
アライザ28とによって、実際の風速値に対応した信号に
変換する。

上記したようにして得られた２種類の信号を、再度、
マルチプレクサ29に入力して１種類の信号線に統合し、
この信号をA/D変換回路30によってデジタル信号に変換
し、次いで、RS232C変換回路31によってシリアル信号に
変換して、RS232Cケーブルを介してパーソナルコンピュ
ータ32に入力する。

パーソナルコンピュータ32においては、４つの風速値
の大小関係から風向を算出し、風向、風速、風温の３種
類のデータを、表示部に対して数字またはグラフで表示
するようにしている。

したがって、本発明の風向計においては、サーミスタ
と制御回路のみによって構成されているので、耐久性が
あり、サーミスタの感度が高いという利点から、微弱な
流れの中でも測定を行うことが出来、回路構成が簡単
で、電磁ノイズ等の外部雑音の影響を受けにくいという
利点を有している。また、ピラミッドセンサーに取付け
た５つのサーミスタは全て同一規格のもので、非常に小
さいものを使用することが出来るので、ピラミッド状の
保持部材の形状を小さくすることが可能である。そし
て、本発明の装置においては、風温検出サーミスタをピ
ラミッドの頂部に、４つの風速検出サーミスタをピラミ
ッドの各底辺に対応する側面部分に配置しており、それ
等のサーミスタが立体的に配置されているので、相互に
熱の影響を受けにくい構造のものとなっている。

さらに、本発明の風向計においては、風温および風速
の測定精度が高く、また、風速値を直接測定して、その
大小関係から風向を求める方式のため、別に風速測定用
のサーミスタを設ける必要がない。また、本発明のピラ
ミッドは、容易に平面的な指向性を持たせることが出
来、三次元センサーとして応用することが出来る。さら
に、本発明の装置においては、スキャナー回路にＣ−MO
Sスイッチを用いているので、機械的な接点がないため
に、装置の寿命が長く、処理動作の高速化が可能であ
る。

上記したような本発明の風向計において、ピラミッド
センサーとして第６図（ａ）〜（ｅ）に示されるような
構成の装置を用いることが可能である。

前記第６図に示される実施例において、風速検出サー
ミスタが風の流れを乱したり、他の面に風を流すことを
防止するために、前記風速検出サーミスタの取付け部分
を凹部に形成し、１つの風速検出サーミスタに当たった
風が、他の風速検出サーミスタに影響を与えることがな
いように構成しているものである。

例えば、同図（ａ）に示される例においては、ピラミ
ッド状に保持部材10aを形成しているが、上記したよう
に、風速検出サーミスタ２を設ける部分は凹部に設定さ
れている。

また、同図（ｂ）に示される例においては、保持部材
10bを四角のブロック形状に構成し、その上面の中央に
風温検出サーミスタ１を配置し、他の４つの側辺の部分
には凹部を介してそれぞれ４つの風速検出サーミスタ２
を配置する。

同図（ｃ）に示される実施例においては、保持部材10
cを略三角形状のものとして構成し、上面の中央部に風
温検出サーミスタ１を配置し、他の３つの側辺の部分に
凹部を介して風速検出サーミスタ２を設けたものであ
る。

さらに、同図（ｄ）に示される例においては、棒状の
保持部材10dの所定の位置に、図示を省略した風温検出
サーミスタ１と、XY平面に対して風の流れの影響を受け
ない風速検出サーミスタ２を各々１個だけ設けている。
そして、風向検出サーミスタ３を取付ける部分を、突出
部材10eのように、風の流れの影響が特定され得るよう
に特殊な形状に形成した部材に対して設け、風速、風向
と風温とを同時に測定出来るようにすることが可能なも
のとして構成されている。

上記したような各実施例は、保持部材を構成した後
で、その保持部材の特定の部分にサーミスタを取付けた
場合の例であるが、本発明の装置においては、第７図に
示されるように、ピラミッド状の保持部材５をセラミッ
クによって一体に作成し、その所定の部分に電極を設け
るとともに、前記電極の上にサーミスタの厚膜を印刷
し、さらに焼結を行うことによって、ピラミッドセンサ
ー10を作成することも可能である。

なお、本発明の風向計において、ピラミッドセンサー
の数等の条件は、測定される対象物によって決定される
ものであり、比較的小さな機械装置の内部での風向や風
速等を測定する場合には、その装置内部に配置されるピ
ラミッドセンサーの数は少なくとも良いものである。そ
れに対して、比較的大きな装置での全体の風の流れ等を
測定する場合には、多くのピラミッドセンサーを用い
て、その装置内部での風向や風速等を厳密に測定するこ
と等の任意の状態での測定値を得ることが出来るものと
なる。

また、本発明に用いるセンサーは、特に、第６図に示
されるような装置として構成した場合には、Ｚ軸方向か
らの風の流れをカット出来るように構成しているので、
これらのセンサーを複数個軸線を変えて組合せて配置す
ることによって、三次元風向センサーとして利用するこ
とが出来る。そして、本発明のセンサーは、その組合せ
状態を適宜選択することによって、機械装置内での風向
や風速等を容易に検知出来るものであるが、従来の風向
計のように、自然の風の流れ等の測定装置としても用い
ることが可能なもので、ハンディな測定装置を構成する
ことが出来るものとなる。

（発明の効果） 本発明の風向計は、上記したような構成を有するもの
であるから、ピラミッドセンサーを非常に小型の装置と
して構成することが出来、測定装置全体を小型に構成出
来るとともに、測定精度を向上させることが可能であ
る。

また、本発明の風向計は、ピラミッドセンサーによっ
て風の流れを乱したりすることがないので、非常に狭い
機械装置の内部での風向や風速、風温等の測定を行うこ
とが出来るもので、特に複写機等のような装置での冷却
空気の流れ等の測定を行う場合に大きな効果を発揮させ
ることが出来るものとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のピラミッドセンサーの斜視図、第２図
は本発明のピラミッドセンサーによる測定値の状態を示
すグラフ、第３図は本発明の制御回路の構成を示すブロ
ック図、第４図は風向係数αの角度特性を示すグラフ、
第５図は第４図のグラフにおいて第１象限と第３象限
で、風向係数を1/αとし、それぞれの象限で０〜90゜で
の角度変位に換算した風向係数αの角度特性を示すグラ
フ、第６図（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ本発明のピラミッ
ドセンサーの他の形状を示す説明図、第７図はセラミッ
クによって一体にピラミッドセンサーを構成する例の斜
視図であり、第８図は従来例のセンサーの構成を示す説
明図である。 図中の符号 １……風温検出サーミスタ、２……風速検出サーミス
タ、５……保持部材、10……ピラミッドセンサー、20…
…風向計、21……検出回路、22……スキャナー回路、23
……コントロール回路、24……増幅回路、25……リニア
ライザ、26……風温補正回路、27……増幅回路、28……
リニアライザ、29……マルチプレクサ、30……A/D変換
回路、31……RS232C変換回路、32……パーソナルコンピ
ュータ。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】略ピラミッド状の保持部材と、 前記保持部材の頂部に配置した風温検出手段と、 前記保持部材の側部に配置した複数個の風速検出手段
   と、 前記風温検出手段および前記複数個の風速検出手段によ
   り検出された検出信号にもとづいて風向を演算する風向
   演算手段と、 前記風向演算手段により得られた風向信号を出力する風
   向信号出力手段とを備えたことを特徴とする風向計。