風速センサユニット及び風速測定システム
【課題】測定レンジが広く、比較的簡単な構造で消費電力が少ない風速センサユニット及び風速測定システムを提供する。
【解決手段】サーミスタ２２を測定管２１内に配置し、電力を供給して自己発熱させる。また、測定管２１の外に配置される受風部２３ａと測定管２１の内側に配置される絞り部２３ｂとを有する流速調整部材２３を、バネ２４により揺動可能に支持する。風速が遅いときは、流速調整部材２３が殆ど移動せず、サーミスタ２２と絞り部２３ｂとの間が狭いため、測定管２１内に流入した風はサーミスタ２２の部分で流速が増大する。また、風速が速いときは、サーミスタ２２と絞り部２３ｂとの間が拡大し、サーミスタ２２の部分で流速が増大するものの、その割合は少ない。これにより、サーミスタ２２による風速の測定レンジが拡大する。
【解決手段】サーミスタ２２を測定管２１内に配置し、電力を供給して自己発熱させる。また、測定管２１の外に配置される受風部２３ａと測定管２１の内側に配置される絞り部２３ｂとを有する流速調整部材２３を、バネ２４により揺動可能に支持する。風速が遅いときは、流速調整部材２３が殆ど移動せず、サーミスタ２２と絞り部２３ｂとの間が狭いため、測定管２１内に流入した風はサーミスタ２２の部分で流速が増大する。また、風速が速いときは、サーミスタ２２と絞り部２３ｂとの間が拡大し、サーミスタ２２の部分で流速が増大するものの、その割合は少ない。これにより、サーミスタ２２による風速の測定レンジが拡大する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風速測定に使用する風速センサユニット及びその風速センサユニットを使用した風速測定システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＣＯ2の削減及び環境保護の観点から、工場、大規模オフィスビル及びデータセンターなどの施設においても省エネルギー化が要求されている。これらの施設では、空調に使用する電力が多大であり、空調設備の省電力化とともに、暖房や冷房が局所的に過剰になることを抑えた効率的な空調が望まれている。空調の効率化を図るためには、施設内の各部の温度や風速を随時測定し、その測定結果に基づいて空調機やファン等の空調設備を運転することが好ましい。
【０００３】
工場、大規模オフィスビル及びデータセンターなどの施設内の風速を測定するセンサには、小型で消費電力が少なく、安価であることが要求される。この要求を満たすセンサの一つに、サーミスタ式風速計がある。サーミスタ式風速計では、サーミスタを自己発熱させておき、風によりサーミスタの温度が低下するとサーミスタの抵抗値が変化することを利用して、風速を測定する。その他、小型で消費電力が小さく、比較的安価な風速センサとして、ベーン式風速計及びピトー管式風速計等がある。
【０００４】
ところで、上述した風速センサは、風速を良好な精度で測定できる範囲（測定レンジ）が比較的狭いという問題がある。この問題を解消すべく、風速センサを風が通流する測定管内に配置し、この測定管に並列に電気駆動方式の風量絞り機構を有するバイパス管を接続した風速センサユニットが提案されている。この風速センサユニットでは、風量絞り機構によりバイパス管に流れるエアーの流量を調整して測定管に流れるエアーの流量を一定範囲内とし、風量絞り機構の絞り量と風速センサの出力とから風速を算出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０５−１０７０９２号公報
【特許文献２】特開平１０−３８６５２号公報
【特許文献３】実用新案登録第３０５１８６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した風速センサユニットでは、バイパス管に流れるエアーの流量を調整するために電気駆動式の風量絞り機構を使用しており、機械的及び電気的な構造が複雑になるという欠点がある。特に、施設内の多くの場所に風速センサを設置する場合、各センサにそれぞれ風量絞り機構を設けることは容易ではなく、初期コストが著しく増大する。また、風速センサユニットの数が多くなると、風量絞り機構で消費される電力も無視できなくなる。
【０００７】
以上から、測定レンジが広く、比較的簡単な構造で消費電力が少ない風速センサユニット及び風速測定システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
一観点によれば、両端が解放された測定部材と、前記測定部材内に配置された風速センサと、風圧により移動して前記測定部材内を流れる気体の流速を変化させる流速調整部材と、前記流速調整部材を揺動可能に支持する支持部材とを有する風速センサユニットが提供される。
【発明の効果】
【０００９】
上記一観点の風速センサユニットでは、流速調整部材が風圧により移動して、測定部材内を流れる気体の流速を変化させる。これにより、風速センサ単体で使用するよりも測定レンジが拡大する。また、流速調整部材は風圧で移動するので、電力が不要である。このため、消費電力の増大が回避される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、風速センサとしてサーミスタを使用した風速測定システムの一例を示す模式図である。
【図２】図２は、サーミスタの温度−抵抗特性を示す図である。
【図３】図３は、第１の実施形態に係る風速センサユニット、及びその風速センサユニットを使用した風速測定システムを示す模式図である。
【図４】図４（ａ），（ｂ）は、風圧による絞り部の移動を示す模式図である。
【図５】図５（ａ），（ｂ）は、絞り部による流速の変化を示す模式図である。
【図６】図６は、測定管の入口部に突出部を設けた例を示す断面図である。
【図７】図７（ａ），（ｂ）は、実施例の風速センサユニットを示す上面図及び断面図である。
【図８】図８は、実施例及び比較例の風速センサユニットの特性曲線を示す図である。
【図９】図９は、第２の実施形態に係る風速センサユニットの構造を示す模式図である。
【図１０】図１０（ａ），（ｂ）は、第２の実施形態の変形例に係る風速センサユニットを示す模式図である。
【図１１】図１１（ａ）は第３の実施形態に係る風速センサユニットの上面図、図１１（ｂ）は同じくその風速センサユニットの主要部を示す断面図である。
【図１２】図１２（ａ）は第４の実施形態に係る風速センサユニットの上面図、図１２（ｂ）は同じくその風速センサユニットの主要部を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、実施形態について説明する前に、実施形態の理解を容易にするための予備的事項について説明する。
【００１２】
図１は、風速センサとしてサーミスタを使用した風速測定システムの一例を示す模式図である。図１に示す例では、風の通り道に配置された測定管１１内に風速測定用サーミスタ１２と温度測定用サーミスタ１３とが配置されている。これらのサーミスタ１２，１３は、いずれも測定回路１５に接続されている。
【００１３】
風速測定用サーミスタ１２は、測定回路１５から供給される電力により自己発熱する。測定回路１５から供給される電力が一定であるとすると、無風状態のときのサーミスタ１２の温度は気温（測定場所の温度）に依存する。しかし、風がある場合は、サーミスタ１２が風により冷却されて温度が低下するため、サーミスタ１２の抵抗値が変化する。
【００１４】
従って、予め実験等によりサーミスタ１２の抵抗値と風速との関係を気温毎に求めて測定回路１５に記憶しておけば、サーミスタ１２の抵抗値とサーミスタ１３により測定した気温とから風速を知ることができる。
【００１５】
図２は、横軸に温度をとり、縦軸に抵抗値をとって、サーミスタ１２の温度−抵抗特性を示す図である。この図２に示すように、サーミスタ１２の温度−抵抗特性は指数関数を描く。なお、図２中の数式において、Ｒ0はサーミスタ１２の温度がＴ0のときのサーミスタ１２の抵抗値（既知）であり、ＲTはサーミスタ１２の温度がＴ（変数）のときのサーミスタ１２の抵抗値、Ｂは係数である。
【００１６】
風速センサとして自己発熱方式のサーミスタ１２を使用する場合、特性曲線の傾きが大きい低温域（強風域に対応）又は特性曲線の傾きが小さい高温域（微風域に対応）において計測精度が低下し、計測レンジが比較的狭いという問題がある。計測レンジを拡大するためにサーミスタ１２の自己発熱量を増加させることも考えられるが、その場合は消費電力が増加するという新たな問題が発生する。
【００１７】
以下、実施形態について、添付の図面を参照して説明する。
【００１８】
（第１の実施形態）
図３は、第１の実施形態に係る風速センサユニット、及びその風速センサユニットを使用した風速測定システムを示す模式図である。また、図４（ａ），（ｂ）は、風速センサユニットの流速調整部材の動作を示す模式図である。
【００１９】
図３に示すように、本実施形態に係る風速測定システムは、風速センサユニット２０と、温度測定用サーミスタ２５と、測定回路３０とを有している。また、風速センサユニット２０は、測定管（測定部材）２１と、風速測定用サーミスタ２２と、受風部２３ａ及び絞り部２３ｂを有する流速調整部材２３と、流速調整部材２３を所定の方向に移動可能に支持する一対のバネ（支持部材）２４とを有している。更に、測定回路３０は、インターフェース部３１と、信号処理部３２と、変換テーブル記憶部３３とを有している。
【００２０】
測定管２１は円筒状の部材であり、その中心軸を風の流れ方向に平行にして配置される。図３では、風が上から下に流れるものとしている。測定管２１の側面には窓２１ａが設けられており、この窓２１ａを流速調整部材２３の受風部２３ａと絞り部２３ｂとの連結部分が挿通している。また、この窓２１ａ内に、流速調整部材２３を所定の方向（図３では上下方向）に移動可能に支持する一対のバネ２４が配置されている。
【００２１】
流速調整部材２３の絞り部２３ｂは、縦断面（測定管２１の中心軸に平行な方向の断面）がほぼ二等辺三角形状に形成されており、底面を測定管２１の内壁面に対向させて配置されている。また、流速調整部材２３は、測定管２１の外側に配置された受風部２３ａに風を受けると、風圧により風下方向に移動する。流速調整部材２３の移動量は風の強さ（風速）とバネ２４のバネ定数とに関係する。
【００２２】
風速測定用サーミスタ２２は、図４（ａ）に示すように無風状態のときの絞り部２３ｂの頂角に対向する位置に配置されている。図４（ｂ）に示すように風により流速調整部材２３が移動すると、サーミスタ２２と絞り部２３ｂとの間の間隔が変化する。すなわち、サーミスタ２２の位置（図４（ａ），（ｂ）に一点鎖線で示す位置）における風の流路断面積が、流速調整部材２３の移動量に応じて変化する。
【００２３】
図３に示すように、風速測定用サーミスタ２２は測定回路３０のインターフェース部３１に接続されており、インターフェース部３１から電力が供給されて自己発熱する。また、インターフェース部３１には、気温（測定場所の温度）を測定するための温度測定用サーミスタ２５も接続されている。本実施形態では温度測定用サーミスタ２５が測定管２１の外に配置されているが、温度測定用サーミスタ２５を測定管２１の内側に配置してもよい。また、測定場所の温度変化が小さい場合は、温度測定用サーミスタ２５を使用しなくてもよい。
【００２４】
インターフェース部３１にはオペアンプ及びＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換器等の回路が設けられている。このインターフェース部３１は、風速測定用サーミスタ２２及び温度測定用サーミスタ２５の抵抗値をデジタル信号に変換し、測定データとして出力する。
【００２５】
変換テーブル記憶部３３には、予め実験等により求められた風速測定用サーミスタ２２の抵抗値（又は、温度）と、風速と、気温との関係を示す変換テーブルが記憶されている。信号処理部３２は、インターフェース部３１から測定データを入力すると、変換テーブル記憶部３３に記憶されている変換テーブルを参照し、測定データを風速に換算して出力する。
【００２６】
ところで、サーミスタ２２の温度と抵抗との間には下記（１）式（Steinhart-Hart式）に示す関係がある。
【００２７】
【数１】
但し、Ｔはサーミスタ２２の温度、Ｒはサーミスタ２２の抵抗値、ａ，ｂ，ｃはサーミスタ２２に固有の係数である。
【００２８】
サーミスタ２２が加熱状態のときに測定管２１内に風が流入すると、サーミスタ２２は冷却されて抵抗値が増加する。本実施形態では、前述したようにサーミスタ２２の抵抗値をインターフェース部３１によりデジタル信号に変換する。そして、信号処理部３２において、変換テーブル記憶部３３に記憶された変換テーブルを参照し、サーミスタ２２の抵抗値を風速に換算して出力する。
【００２９】
以下に、風速（測定管２１の外の風速）と流速調整部材２３の絞り部２３ｂによる絞り量との関係について説明する。ここで、図４（ａ）に示すように絞り部２３ｂの頂部がサーミスタ２２に対向しているときの位置を基準（移動量０）とし、流速調整部材２３の風下方向への最大移動量をＭとする。本実施形態では、流速調整部材２３（絞り部２３ｂ）の移動量と絞り量との間には負の相関がある。すなわち、流速調整部材２３の移動量が大きいほどサーミスタ２２の位置（図４（ａ），（ｂ）に一点鎖線で示す位置）における絞り量（絞り部２３ｂの断面積）が小さくなる。
【００３０】
ベルヌーイの定理より、受風部２３ａに受ける動圧をＰとすると、動圧Ｐは下記（２）式で表される。
【００３１】
【数２】
但し、ρは気流の密度、Ｃｄは風力係数、Ｖは測定管２１の外の風速である。
【００３２】
受風部２３ａの面積をＳとすると、受風部２３ａで風により受ける力Ｆは、下記（３）式で表される。
【００３３】
【数３】
ここで、バネ２４のバネ定数をｋとすると、絞り部２３ｂの移動量Ｘは下記（４）式で表される。
【００３４】
【数４】
更に、絞り量と絞り部２３ｂの移動量との間に負の比例関係があるとする。この場合、絞り量が最小のときのサーミスタ２２の位置における流路断面積をＡ、絞り部２３ｂの移動量をＸ、絞り部２３ｂの移動量がＸのときのサーミスタ２２の位置における流路断面積をＡ'とすると、これらの間には下記（５）式に示す関係がある。
【００３５】
【数５】
但し、Ｃは、絞り量と絞り部２３ｂの移動量との間の比例係数である。なお、ここでは説明の都合上、絞り量と絞り部２３ｂの移動量とが負の比例関係にあるとしているが、本実施形態に係る風速センサユニット２０では絞り量と絞り部２３ｂの移動量との関係が負の相関関係であればよく、比例関係でなくてもよい。
【００３６】
常温において気流密度が一定であるとすると、サーミスタ２２の位置における流路断面積Ａ'と風速Ｖとは下記（６）式に示す関係がある。
【００３７】
【数６】
但し、Ｄ＝Ｃ（ρ・Ｓ・Ｃｓ)／２ｋである。
【００３８】
すなわち、風速が遅い場合はサーミスタ２２の位置における流路断面積が小さくなり、風速が速い場合はサーミスタ２２の位置における流路断面積が大きくなる。
【００３９】
ここで、測定管２１の入口部における流路断面積をＡ0、サーミスタ２２の位置における流路断面積をＡ'、測定管２１の外の風速をＶ、サーミスタ２２の位置における風速をＶ'、測定管２１の入口部における風量をＱとすると、質量保存則により、Ｑ＝Ａ0・Ｖ＝Ａ'・Ｖ'の関係が成り立つ。
【００４０】
従って、測定管２１の外の風速Ｖとサーミスタ２２の位置における風速Ｖ'との間には、下記（７）式で示す関係がある。
【００４１】
【数７】
（７）式と（６）式とにより、最終的にサーミスタ２２の位置における風速Ｖ'と測定管２１の外の風速Ｖとの関係は下記（８）式のようになる。
【００４２】
【数８】
すなわち、測定管２１の外の風速Ｖが遅いときは、サーミスタ２２の位置における流路断面積Ａ'が小さくなる。この場合、図５（ａ）に示すように、測定管２１内に入った風は絞り部２３ｂの斜面に沿って移動し、流路断面積が徐々に小さくなるため風圧が高くなって速度が速くなる。このため、微風時でも良好な感度で風速を計測できる。
【００４３】
逆に、測定管２１の外の風速Ｖが速い場合は、図５（ｂ）に示すように流速調整部材２３が移動してサーミスタ２２の位置における流路面積Ａ'が大きくなる。この場合、測定管２１内に流入した風は絞り部２３ｂの斜面に沿って移動するものの、風圧が十分高くなる前にサーミスタ２２の位置を通過する。このため、風速を増加させる効果が少ない。
【００４４】
なお、図６に示すように、測定管２１内に流入する風量を規制するために、測定管２１の入口部（又は、入口部と出口部）に、測定管２１の中心軸方向に突出する突出部２１ｂを設けてもよい。
【００４５】
以下、実施形態に係る風速センサユニットを実際に製造してその特性を調べた結果について説明する。
【００４６】
実施例として、図７（ａ）に上面図、図７（ｂ）に断面図を示す風速センサユニットを製造した。測定管２１の材質はアルミニウムであり、内壁面の半径Ｒは２５ｍｍ、長さＬは８０ｍｍである。絞り部２３ｂは樹脂（ＰＥＴ）により形成した。絞り部２３ｂは、上から見たときには半円状であり、側面から見たときに二等辺三角形となる形状とした。絞り部２３ｂの高さｈは３０ｍｍである。
【００４７】
この風速センサユニットを、風速を可変できる装置内に設置した。そして、風速を変化させて風速とサーミスタの出力（サーミスタの抵抗を電圧に変換した値）との関係を調べた。なお、風速が約１ｍ／ｓのときに絞り部２３ｂは初期位置（図４（ａ）に示す位置）から５ｍｍの位置まで移動した。また、風速が約３ｍ／ｓのときに絞り部２３ｂは初期位置から１０ｍｍの位置まで移動し、風速が約５ｍ／ｓのときに絞り部２３ｂは初期位置から１５ｍｍの位置まで移動した。
【００４８】
一方、比較例として、図１に示す構造の風速センサユニットを製造し、その特性を実施例と同様に調べた。
【００４９】
図８は、横軸に計測電圧（サーミスタの抵抗値に対応）をとり、縦軸に風速をとって、実施例及び比較例の風速センサユニットの特性曲線を示す図である。この図８において、曲線の傾斜は分解能を示しており、傾斜が小さいほど分解能が高いことを意味している。
【００５０】
この図８からわかるように、風速が約５ｍ／ｓのときの比較例の風速センサユニットの分解能は０．０６０（ｍ／ｓ）／ｍＶであるのに対し、実施例の風速センサユニットの分解能は０．０４８（ｍ／ｓ）／ｍＶであった。すなわち、実施例の風速センサユニットは、比較例の風速センサユニットに比べて分解能が約２０％優れていた。
【００５１】
また、風速が１０ｍ／ｓ以上の強風域でも、実施例の特性曲線の傾斜は比較例の特性曲線に傾斜に比べてなだらかである。従って、分解能が同じであれば、実施例のセンサユニットは比較例のセンサユニットよりも強い風速域まで計測可能であることがわかる。
【００５２】
上述したように、本実施形態に係る風速センサユニット２０は、風速に応じて流速調整部材２３（絞り部２３ｂ）が移動して風速測定用サーミスタ２２の位置の流路断面積が変化する。これにより、サーミスタ２２単体の場合に比べて測定レンジが拡大する。また、本実施形態に係る風速センサユニット２０は、サーミスタ２２以外に電力を消費するものがない。このため、消費電力の増加が回避される。更に、本実施形態に係る風速センサユニット２０は構造が簡単であり、多数使用する場合も初期コストが低くてすむ。
【００５３】
更にまた、本実施形態に係る風速センサユニット２０は、受風部２３ａ、絞り部２３ｂ及びバネ２４を変更するだけで特性を変更することができるため、使用目的に応じた変更（最適化）が容易であるという利点もある。
【００５４】
（第２の実施形態）
図９は、第２の実施形態に係る風速センサユニットの構造を示す模式図である。
【００５５】
本実施形態に係る風速センサユニット４０は、測定管４１と、風速測定用サーミスタ４２と、流速調整部材４３と、トーションバネ４４とを有している。
【００５６】
測定管４１は円柱状の部材であり、その中心軸を風の流れ方向に平行にして配置される。測定管４１内にはサーミスタ４２が配置されている。本実施形態では、測定管４１の内側のサーミスタ４２に対向する位置に、流路断面積を規制する突起部４５が設けられている。但し、突起部４５は必須ではない。
【００５７】
測定管４１の風上側に、流速調整部材４３がトーションバネ（支持部材）４４により揺動可能に取り付けられている。この流速調整部材４３は、初期状態（無風状態）のときに、測定管４１の中心軸側に若干傾いている。そして、流速調整部材４３に風が当たると、流速調整部材４３は風の強さとトーションバネ４４のバネ定数とに応じた角度で傾き、先端の通風口が窄まって、測定管４１内への風の流入量を制限する。
【００５８】
本実施形態に係る風速測定ユニット４０は、第１の実施形態と同様の測定回路３０（図３参照）を使用して風速を測定する。
【００５９】
以下に、風速センサユニット４０における風速（測定管４１の外の風速）と絞り量との関係について説明する。ここでは、絞り量が最大となるとき（流速調整部材４３が図中破線の位置にあるとき）の流速調整部材４３の角度を基準（絞り角＝０）とし、絞り量が最小となるときの流速調整部材４３の角度（絞り角）をＮとする。また、絞り量と絞り角との間には負の相関があるものとする。更に、ここでは説明を簡単にするために、上から見たときの流速調整部材４３の先端部（通風口）の形状は常に円形であるとする。
【００６０】
本実施形態においても、流速調整部材４３が風により受ける力Ｆは、前述の（３）式により表わされる。但し、風力係数Ｃｄは一定値ではなく、流速調整部材４３の角度（絞り角）θにより変化する。
【００６１】
ここで、トーションバネ４４のバネ定数をｋ'とすると、絞り角θは下記（９）式に示すようになる。また、この（９）式を変形すると下記（１０）式のようになる。
【００６２】
【数９】
【００６３】
【数１０】
本実施形態の風速センサユニット４０では、風速Ｖが遅いときは絞り角θの値が大きくなり、風速Ｖが速いときは絞り角θの値が小さくなる。ここで、測定管４１の内壁面の半径をＲ、流速調整部材４３の長さをＲ'とすると、流速調整部材４３の先端部における通風口の面積Ａは以下の（１１）式で表される。
【００６４】
【数１１】
これらの（１０）式及び（１１）式からもわかるように、本実施形態に係る風速センサユニット４０は、風速Ｖが遅いときは流速調整部材４３の先端の通風口の面積Ａが大きくなり、風速Ｖが速いときには通風口の面積Ａが小さくなる。
【００６５】
本実施形態では、サーミスタ４２が配置された位置における流路断面積Ａ'は一定である。また、前述の（７）式からわかるように、サーミスタ４２の位置における風速Ｖ'は、流速調整部材４３の先端の通風口の面積Ａに応じて変化する。すなわち、測定管４１の外の風速Ｖが遅いときはサーミスタ４２の位置での風速Ｖ'が測定管４１の外の風速Ｖとほぼ同じになり、測定管４１の外の風速Ｖが速いときはサーミスタ４２の位置での風速Ｖ'は測定管４１の外の風速Ｖよりも遅くなる。
【００６６】
これにより、本実施形態の風速センサユニット４０においても、サーミスタ４２単体の場合に比べて測定レンジが拡大するという効果が得られる。また、本実施形態の風速センサユニット４０は、構造が簡単であり、第１の実施形態と同様にサーミスタ４２以外に電力を消費するものがないので、消費電力の増加が回避されるという効果もある。
【００６７】
（第２の実施形態の変形例）
図１０（ａ），（ｂ）は第２の実施形態の変形例に係る風速センサユニットを示す模式図である。
【００６８】
図１０（ａ）に示す風速センサユニット５０ａは、測定管５１の風上側に流速調整部材５３がトーションバネ５４により揺動可能に取り付けられている。流速調整部材５３のうち測定管５１の外側の部分が受風部５３ａ、測定管５１の内側の部分が絞り部５３ｂとなっている。
【００６９】
この流速調整部材５３は、初期状態（無風状態）のときに測定管５１の中心軸に対し若干傾いている。そして、流速調整部材５３に風が当たると、流速調整部材５３は風の強さとトーションバネ５４のバネ定数とに応じた角度で図中破線に示す方向に傾き、測定管５１内への風の流入量を制限する。
【００７０】
測定管５１内には、第２の実施形態と同様に、風速測定用サーミスタ４２と、サーミスタ４２の位置における流路断面積を規制する突起部４５とが設けられている。
【００７１】
図１０（ｂ）に示す風速センサユニット５０ｂは、受風部５７ａ及び絞り部５７ｂを有する流速調整部材５７を有する。この流速調整部材５７は、受風部５７ａと絞り部５７ｂとの連結部分が測定管５６の側部に設けられた窓を挿通するように配置されている。また、この流速調整部材５７は、トーションバネ５８により、受風部５７ａと絞り部５７ｂとの連結部分を中心として所定の角度範囲を回転可能に支持されている。更に、測定管５６の内側には、第２の実施形態と同様に風速測定用サーミスタ４２が配置されている。
【００７２】
この風速センサユニット５０ｂにおいて、初期状態（無風状態）のときには、流速調整部材５７（受風部５７ａ及び絞り部５７ｂ）は測定管５６の中心軸に対し垂直になる。この場合、サーミスタ４２の位置における流路断面積は最小となる。一方、受風部５７ａに風を受けると、流速調整部材５７が回転してサーミスタ４２の位置における流路断面積が増大する。
【００７３】
この図１０（ａ），（ｂ）に示す風速センサユニット５０ａ，５０ｂにおいても、第１の実施形態及び第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００７４】
（第３の実施形態）
図１１（ａ）は第３の実施形態に係る風速センサユニットの上面図、図１１（ｂ）は同じくその風速センサユニットの主要部を示す断面図である。
【００７５】
本実施形態に係る風速センサユニット６０が第１の実施形態の風速センサユニット２０と異なる点は、測定管内に配置された風速センサがベーン（風車）式であることにあり、その他の構成は基本的に第１の実施形態と同様である。このため、図１１（ａ），（ｂ）において、図３と同一物には同一符号を付して、その詳細な説明を省略する。
【００７６】
本実施形態の風速センサユニット６０は、円筒状の測定管２１と、この測定管２１の側部に設けられた窓を挿通し、バネ（図示せず）により揺動可能に支持された流速調整部材２３とを有している。また、測定管２１内には、ベーン式風速センサ６１が配置されている。このベーン式風速センサ６１は、風速に応じた回転数でベーンが回転する。そして、ベーンの回転数はピックアップコイル等により検出されて、測定回路に入力される。
【００７７】
本実施形態の風速センサユニット６０においても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００７８】
（第４の実施形態）
図１２（ａ）は第４の実施形態に係る風速センサユニットの上面図、図１２（ｂ）は同じくその風速センサユニットの主要部を示す断面図である。
【００７９】
本実施形態に係る風速センサユニット６５が第１の実施形態の風速センサユニット２０と異なる点は、測定管内に配置された風速センサがピトー管式であることにあり、その他の構成は基本的に第１の実施形態と同様である。このため、図１２（ａ），（ｂ）において、図３と同一物には同一符号を付して、その詳細な説明を省略する。
【００８０】
本実施形態の風速センサユニット６５は、円筒状の測定管２１と、この測定管２１の側部に設けられた窓を挿通し、バネ（図示せず）により揺動可能に支持された流速調整部材２３とを有している。また、測定管２１内には、ピトー管式風速センサ６６が配置されている。
【００８１】
ピトー管６５は同心円状に配置された内管及び外管からなる二重管構造を有し、内管の先端部及び外管の側面にそれぞれ開口部が設けられている。そして、内管で受ける動圧と外管で受ける静圧との差圧に基づいて測定管２１内の風速を検出する。
【００８２】
本実施形態の風速センサユニット６５においても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００８３】
以上の諸実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
【００８４】
（付記１）両端が解放された測定部材と、
前記測定部材内に配置された風速センサと、
風圧により移動して前記測定部材内を流れる気体の流速を変化させる流速調整部材と、
前記流速調整部材を揺動可能に支持する支持部材と
を有することを特徴とする風速センサユニット。
【００８５】
（付記２）前記流速調整部材は、前記測定部材の外に配置されて風圧により風下方向に移動する受風部と、該受風部に連結され、前記測定部材内に配置されて前記受風部の移動にともない前記風速センサの位置における気体の流路断面積を変化させる絞り部とを有することを特徴とする付記１に記載の風速センサユニット。
【００８６】
（付記３）前記絞り部はその断面形状が三角形であり、無風状態のときに前記絞り部の頂角が前記風速センサに対向する位置に配置されることを特徴とする付記２に記載の風速センサユニット。
【００８７】
（付記４）前記流量調整部材は、前記受風部に風圧を受けると前記支持部材に支持された点を中心として回転し、前記絞り部は無風状態のときその先端部が前記風速センサに対向し、前記受風部が回転すると先端部が前記風速センサから離れる方向に回転することを特徴とする付記２に記載の風速センサユニット。
【００８８】
（付記５）前記流速調整部材は、前記測定部材の風上側端部に配置され、風圧に応じた角度で傾斜して前記測定部材内に流入する気体の流量を制限するものであることを特徴とする付記１に記載の風速センサユニット。
【００８９】
（付記６）前記風速センサが、自己発熱方式のサーミスタであることを特徴とする付記１乃至３のいずれか１項に記載の風速センサユニット。
【００９０】
（付記７）風速センサユニットと、
前記風速センサユニットの出力と風速との関係が予め記憶された記憶部を有し前記風速センサユニットの出力信号に基づいて風速を算出する測定回路とを具備し、
前記風速センサユニットが、
両端が解放された測定部材と、
前記測定部材内に配置された風速センサと、
風圧により移動して前記測定部材内を流れる気体の流速を変化させる流速調整部材と、
前記流速調整部材を揺動可能に支持する支持部材とを有することを特徴とする風速測定システム。
【００９１】
（付記８）更に、前記風速センサユニットが配置された場所の温度を測定する温度センサを備え、
前記測定回路の前記記憶部には前記風速センサユニットの出力と風速と前記温度センサにより測定した温度との関係が記憶されていることを特徴とする付記７に記載の風速測定システム。
【符号の説明】
【００９２】
１１…測定管、１２…風速測定用サーミスタ、１３…温度測定用サーミスタ、１５…測定回路、２０…風速センサユニット、２１…測定管、２１ａ…窓、２２…風速測定用サーミスタ、２３…流速調整部材、２３ａ…受風部、２４…バネ、２３ｂ…絞り部、２５…温度測定用サーミスタ、３０…測定回路、３１…インターフェース部、３２…信号処理部、３３…変換テーブル記憶部、４０…風速センサユニット、４１…測定管、４２…風速測定用サーミスタ、４２…流速調整部材、４４…トーションバネ、４５…突起部、５０ａ，５０ｂ…風速センサユニット、５３…流速調整部材、５４…トーションバネ、５６…測定管、５７……部材、５７ａ…受風部、５７ｂ…絞り部、６０…風速センサユニット、６１…ベーン式風速センサ、６５…風速センサユニット、６６…ピトー管式風速センサ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風速測定に使用する風速センサユニット及びその風速センサユニットを使用した風速測定システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＣＯ2の削減及び環境保護の観点から、工場、大規模オフィスビル及びデータセンターなどの施設においても省エネルギー化が要求されている。これらの施設では、空調に使用する電力が多大であり、空調設備の省電力化とともに、暖房や冷房が局所的に過剰になることを抑えた効率的な空調が望まれている。空調の効率化を図るためには、施設内の各部の温度や風速を随時測定し、その測定結果に基づいて空調機やファン等の空調設備を運転することが好ましい。
【０００３】
工場、大規模オフィスビル及びデータセンターなどの施設内の風速を測定するセンサには、小型で消費電力が少なく、安価であることが要求される。この要求を満たすセンサの一つに、サーミスタ式風速計がある。サーミスタ式風速計では、サーミスタを自己発熱させておき、風によりサーミスタの温度が低下するとサーミスタの抵抗値が変化することを利用して、風速を測定する。その他、小型で消費電力が小さく、比較的安価な風速センサとして、ベーン式風速計及びピトー管式風速計等がある。
【０００４】
ところで、上述した風速センサは、風速を良好な精度で測定できる範囲（測定レンジ）が比較的狭いという問題がある。この問題を解消すべく、風速センサを風が通流する測定管内に配置し、この測定管に並列に電気駆動方式の風量絞り機構を有するバイパス管を接続した風速センサユニットが提案されている。この風速センサユニットでは、風量絞り機構によりバイパス管に流れるエアーの流量を調整して測定管に流れるエアーの流量を一定範囲内とし、風量絞り機構の絞り量と風速センサの出力とから風速を算出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０５−１０７０９２号公報
【特許文献２】特開平１０−３８６５２号公報
【特許文献３】実用新案登録第３０５１８６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した風速センサユニットでは、バイパス管に流れるエアーの流量を調整するために電気駆動式の風量絞り機構を使用しており、機械的及び電気的な構造が複雑になるという欠点がある。特に、施設内の多くの場所に風速センサを設置する場合、各センサにそれぞれ風量絞り機構を設けることは容易ではなく、初期コストが著しく増大する。また、風速センサユニットの数が多くなると、風量絞り機構で消費される電力も無視できなくなる。
【０００７】
以上から、測定レンジが広く、比較的簡単な構造で消費電力が少ない風速センサユニット及び風速測定システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
一観点によれば、両端が解放された測定部材と、前記測定部材内に配置された風速センサと、風圧により移動して前記測定部材内を流れる気体の流速を変化させる流速調整部材と、前記流速調整部材を揺動可能に支持する支持部材とを有する風速センサユニットが提供される。
【発明の効果】
【０００９】
上記一観点の風速センサユニットでは、流速調整部材が風圧により移動して、測定部材内を流れる気体の流速を変化させる。これにより、風速センサ単体で使用するよりも測定レンジが拡大する。また、流速調整部材は風圧で移動するので、電力が不要である。このため、消費電力の増大が回避される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、風速センサとしてサーミスタを使用した風速測定システムの一例を示す模式図である。
【図２】図２は、サーミスタの温度−抵抗特性を示す図である。
【図３】図３は、第１の実施形態に係る風速センサユニット、及びその風速センサユニットを使用した風速測定システムを示す模式図である。
【図４】図４（ａ），（ｂ）は、風圧による絞り部の移動を示す模式図である。
【図５】図５（ａ），（ｂ）は、絞り部による流速の変化を示す模式図である。
【図６】図６は、測定管の入口部に突出部を設けた例を示す断面図である。
【図７】図７（ａ），（ｂ）は、実施例の風速センサユニットを示す上面図及び断面図である。
【図８】図８は、実施例及び比較例の風速センサユニットの特性曲線を示す図である。
【図９】図９は、第２の実施形態に係る風速センサユニットの構造を示す模式図である。
【図１０】図１０（ａ），（ｂ）は、第２の実施形態の変形例に係る風速センサユニットを示す模式図である。
【図１１】図１１（ａ）は第３の実施形態に係る風速センサユニットの上面図、図１１（ｂ）は同じくその風速センサユニットの主要部を示す断面図である。
【図１２】図１２（ａ）は第４の実施形態に係る風速センサユニットの上面図、図１２（ｂ）は同じくその風速センサユニットの主要部を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、実施形態について説明する前に、実施形態の理解を容易にするための予備的事項について説明する。
【００１２】
図１は、風速センサとしてサーミスタを使用した風速測定システムの一例を示す模式図である。図１に示す例では、風の通り道に配置された測定管１１内に風速測定用サーミスタ１２と温度測定用サーミスタ１３とが配置されている。これらのサーミスタ１２，１３は、いずれも測定回路１５に接続されている。
【００１３】
風速測定用サーミスタ１２は、測定回路１５から供給される電力により自己発熱する。測定回路１５から供給される電力が一定であるとすると、無風状態のときのサーミスタ１２の温度は気温（測定場所の温度）に依存する。しかし、風がある場合は、サーミスタ１２が風により冷却されて温度が低下するため、サーミスタ１２の抵抗値が変化する。
【００１４】
従って、予め実験等によりサーミスタ１２の抵抗値と風速との関係を気温毎に求めて測定回路１５に記憶しておけば、サーミスタ１２の抵抗値とサーミスタ１３により測定した気温とから風速を知ることができる。
【００１５】
図２は、横軸に温度をとり、縦軸に抵抗値をとって、サーミスタ１２の温度−抵抗特性を示す図である。この図２に示すように、サーミスタ１２の温度−抵抗特性は指数関数を描く。なお、図２中の数式において、Ｒ0はサーミスタ１２の温度がＴ0のときのサーミスタ１２の抵抗値（既知）であり、ＲTはサーミスタ１２の温度がＴ（変数）のときのサーミスタ１２の抵抗値、Ｂは係数である。
【００１６】
風速センサとして自己発熱方式のサーミスタ１２を使用する場合、特性曲線の傾きが大きい低温域（強風域に対応）又は特性曲線の傾きが小さい高温域（微風域に対応）において計測精度が低下し、計測レンジが比較的狭いという問題がある。計測レンジを拡大するためにサーミスタ１２の自己発熱量を増加させることも考えられるが、その場合は消費電力が増加するという新たな問題が発生する。
【００１７】
以下、実施形態について、添付の図面を参照して説明する。
【００１８】
（第１の実施形態）
図３は、第１の実施形態に係る風速センサユニット、及びその風速センサユニットを使用した風速測定システムを示す模式図である。また、図４（ａ），（ｂ）は、風速センサユニットの流速調整部材の動作を示す模式図である。
【００１９】
図３に示すように、本実施形態に係る風速測定システムは、風速センサユニット２０と、温度測定用サーミスタ２５と、測定回路３０とを有している。また、風速センサユニット２０は、測定管（測定部材）２１と、風速測定用サーミスタ２２と、受風部２３ａ及び絞り部２３ｂを有する流速調整部材２３と、流速調整部材２３を所定の方向に移動可能に支持する一対のバネ（支持部材）２４とを有している。更に、測定回路３０は、インターフェース部３１と、信号処理部３２と、変換テーブル記憶部３３とを有している。
【００２０】
測定管２１は円筒状の部材であり、その中心軸を風の流れ方向に平行にして配置される。図３では、風が上から下に流れるものとしている。測定管２１の側面には窓２１ａが設けられており、この窓２１ａを流速調整部材２３の受風部２３ａと絞り部２３ｂとの連結部分が挿通している。また、この窓２１ａ内に、流速調整部材２３を所定の方向（図３では上下方向）に移動可能に支持する一対のバネ２４が配置されている。
【００２１】
流速調整部材２３の絞り部２３ｂは、縦断面（測定管２１の中心軸に平行な方向の断面）がほぼ二等辺三角形状に形成されており、底面を測定管２１の内壁面に対向させて配置されている。また、流速調整部材２３は、測定管２１の外側に配置された受風部２３ａに風を受けると、風圧により風下方向に移動する。流速調整部材２３の移動量は風の強さ（風速）とバネ２４のバネ定数とに関係する。
【００２２】
風速測定用サーミスタ２２は、図４（ａ）に示すように無風状態のときの絞り部２３ｂの頂角に対向する位置に配置されている。図４（ｂ）に示すように風により流速調整部材２３が移動すると、サーミスタ２２と絞り部２３ｂとの間の間隔が変化する。すなわち、サーミスタ２２の位置（図４（ａ），（ｂ）に一点鎖線で示す位置）における風の流路断面積が、流速調整部材２３の移動量に応じて変化する。
【００２３】
図３に示すように、風速測定用サーミスタ２２は測定回路３０のインターフェース部３１に接続されており、インターフェース部３１から電力が供給されて自己発熱する。また、インターフェース部３１には、気温（測定場所の温度）を測定するための温度測定用サーミスタ２５も接続されている。本実施形態では温度測定用サーミスタ２５が測定管２１の外に配置されているが、温度測定用サーミスタ２５を測定管２１の内側に配置してもよい。また、測定場所の温度変化が小さい場合は、温度測定用サーミスタ２５を使用しなくてもよい。
【００２４】
インターフェース部３１にはオペアンプ及びＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換器等の回路が設けられている。このインターフェース部３１は、風速測定用サーミスタ２２及び温度測定用サーミスタ２５の抵抗値をデジタル信号に変換し、測定データとして出力する。
【００２５】
変換テーブル記憶部３３には、予め実験等により求められた風速測定用サーミスタ２２の抵抗値（又は、温度）と、風速と、気温との関係を示す変換テーブルが記憶されている。信号処理部３２は、インターフェース部３１から測定データを入力すると、変換テーブル記憶部３３に記憶されている変換テーブルを参照し、測定データを風速に換算して出力する。
【００２６】
ところで、サーミスタ２２の温度と抵抗との間には下記（１）式（Steinhart-Hart式）に示す関係がある。
【００２７】
【数１】
但し、Ｔはサーミスタ２２の温度、Ｒはサーミスタ２２の抵抗値、ａ，ｂ，ｃはサーミスタ２２に固有の係数である。
【００２８】
サーミスタ２２が加熱状態のときに測定管２１内に風が流入すると、サーミスタ２２は冷却されて抵抗値が増加する。本実施形態では、前述したようにサーミスタ２２の抵抗値をインターフェース部３１によりデジタル信号に変換する。そして、信号処理部３２において、変換テーブル記憶部３３に記憶された変換テーブルを参照し、サーミスタ２２の抵抗値を風速に換算して出力する。
【００２９】
以下に、風速（測定管２１の外の風速）と流速調整部材２３の絞り部２３ｂによる絞り量との関係について説明する。ここで、図４（ａ）に示すように絞り部２３ｂの頂部がサーミスタ２２に対向しているときの位置を基準（移動量０）とし、流速調整部材２３の風下方向への最大移動量をＭとする。本実施形態では、流速調整部材２３（絞り部２３ｂ）の移動量と絞り量との間には負の相関がある。すなわち、流速調整部材２３の移動量が大きいほどサーミスタ２２の位置（図４（ａ），（ｂ）に一点鎖線で示す位置）における絞り量（絞り部２３ｂの断面積）が小さくなる。
【００３０】
ベルヌーイの定理より、受風部２３ａに受ける動圧をＰとすると、動圧Ｐは下記（２）式で表される。
【００３１】
【数２】
但し、ρは気流の密度、Ｃｄは風力係数、Ｖは測定管２１の外の風速である。
【００３２】
受風部２３ａの面積をＳとすると、受風部２３ａで風により受ける力Ｆは、下記（３）式で表される。
【００３３】
【数３】
ここで、バネ２４のバネ定数をｋとすると、絞り部２３ｂの移動量Ｘは下記（４）式で表される。
【００３４】
【数４】
更に、絞り量と絞り部２３ｂの移動量との間に負の比例関係があるとする。この場合、絞り量が最小のときのサーミスタ２２の位置における流路断面積をＡ、絞り部２３ｂの移動量をＸ、絞り部２３ｂの移動量がＸのときのサーミスタ２２の位置における流路断面積をＡ'とすると、これらの間には下記（５）式に示す関係がある。
【００３５】
【数５】
但し、Ｃは、絞り量と絞り部２３ｂの移動量との間の比例係数である。なお、ここでは説明の都合上、絞り量と絞り部２３ｂの移動量とが負の比例関係にあるとしているが、本実施形態に係る風速センサユニット２０では絞り量と絞り部２３ｂの移動量との関係が負の相関関係であればよく、比例関係でなくてもよい。
【００３６】
常温において気流密度が一定であるとすると、サーミスタ２２の位置における流路断面積Ａ'と風速Ｖとは下記（６）式に示す関係がある。
【００３７】
【数６】
但し、Ｄ＝Ｃ（ρ・Ｓ・Ｃｓ)／２ｋである。
【００３８】
すなわち、風速が遅い場合はサーミスタ２２の位置における流路断面積が小さくなり、風速が速い場合はサーミスタ２２の位置における流路断面積が大きくなる。
【００３９】
ここで、測定管２１の入口部における流路断面積をＡ0、サーミスタ２２の位置における流路断面積をＡ'、測定管２１の外の風速をＶ、サーミスタ２２の位置における風速をＶ'、測定管２１の入口部における風量をＱとすると、質量保存則により、Ｑ＝Ａ0・Ｖ＝Ａ'・Ｖ'の関係が成り立つ。
【００４０】
従って、測定管２１の外の風速Ｖとサーミスタ２２の位置における風速Ｖ'との間には、下記（７）式で示す関係がある。
【００４１】
【数７】
（７）式と（６）式とにより、最終的にサーミスタ２２の位置における風速Ｖ'と測定管２１の外の風速Ｖとの関係は下記（８）式のようになる。
【００４２】
【数８】
すなわち、測定管２１の外の風速Ｖが遅いときは、サーミスタ２２の位置における流路断面積Ａ'が小さくなる。この場合、図５（ａ）に示すように、測定管２１内に入った風は絞り部２３ｂの斜面に沿って移動し、流路断面積が徐々に小さくなるため風圧が高くなって速度が速くなる。このため、微風時でも良好な感度で風速を計測できる。
【００４３】
逆に、測定管２１の外の風速Ｖが速い場合は、図５（ｂ）に示すように流速調整部材２３が移動してサーミスタ２２の位置における流路面積Ａ'が大きくなる。この場合、測定管２１内に流入した風は絞り部２３ｂの斜面に沿って移動するものの、風圧が十分高くなる前にサーミスタ２２の位置を通過する。このため、風速を増加させる効果が少ない。
【００４４】
なお、図６に示すように、測定管２１内に流入する風量を規制するために、測定管２１の入口部（又は、入口部と出口部）に、測定管２１の中心軸方向に突出する突出部２１ｂを設けてもよい。
【００４５】
以下、実施形態に係る風速センサユニットを実際に製造してその特性を調べた結果について説明する。
【００４６】
実施例として、図７（ａ）に上面図、図７（ｂ）に断面図を示す風速センサユニットを製造した。測定管２１の材質はアルミニウムであり、内壁面の半径Ｒは２５ｍｍ、長さＬは８０ｍｍである。絞り部２３ｂは樹脂（ＰＥＴ）により形成した。絞り部２３ｂは、上から見たときには半円状であり、側面から見たときに二等辺三角形となる形状とした。絞り部２３ｂの高さｈは３０ｍｍである。
【００４７】
この風速センサユニットを、風速を可変できる装置内に設置した。そして、風速を変化させて風速とサーミスタの出力（サーミスタの抵抗を電圧に変換した値）との関係を調べた。なお、風速が約１ｍ／ｓのときに絞り部２３ｂは初期位置（図４（ａ）に示す位置）から５ｍｍの位置まで移動した。また、風速が約３ｍ／ｓのときに絞り部２３ｂは初期位置から１０ｍｍの位置まで移動し、風速が約５ｍ／ｓのときに絞り部２３ｂは初期位置から１５ｍｍの位置まで移動した。
【００４８】
一方、比較例として、図１に示す構造の風速センサユニットを製造し、その特性を実施例と同様に調べた。
【００４９】
図８は、横軸に計測電圧（サーミスタの抵抗値に対応）をとり、縦軸に風速をとって、実施例及び比較例の風速センサユニットの特性曲線を示す図である。この図８において、曲線の傾斜は分解能を示しており、傾斜が小さいほど分解能が高いことを意味している。
【００５０】
この図８からわかるように、風速が約５ｍ／ｓのときの比較例の風速センサユニットの分解能は０．０６０（ｍ／ｓ）／ｍＶであるのに対し、実施例の風速センサユニットの分解能は０．０４８（ｍ／ｓ）／ｍＶであった。すなわち、実施例の風速センサユニットは、比較例の風速センサユニットに比べて分解能が約２０％優れていた。
【００５１】
また、風速が１０ｍ／ｓ以上の強風域でも、実施例の特性曲線の傾斜は比較例の特性曲線に傾斜に比べてなだらかである。従って、分解能が同じであれば、実施例のセンサユニットは比較例のセンサユニットよりも強い風速域まで計測可能であることがわかる。
【００５２】
上述したように、本実施形態に係る風速センサユニット２０は、風速に応じて流速調整部材２３（絞り部２３ｂ）が移動して風速測定用サーミスタ２２の位置の流路断面積が変化する。これにより、サーミスタ２２単体の場合に比べて測定レンジが拡大する。また、本実施形態に係る風速センサユニット２０は、サーミスタ２２以外に電力を消費するものがない。このため、消費電力の増加が回避される。更に、本実施形態に係る風速センサユニット２０は構造が簡単であり、多数使用する場合も初期コストが低くてすむ。
【００５３】
更にまた、本実施形態に係る風速センサユニット２０は、受風部２３ａ、絞り部２３ｂ及びバネ２４を変更するだけで特性を変更することができるため、使用目的に応じた変更（最適化）が容易であるという利点もある。
【００５４】
（第２の実施形態）
図９は、第２の実施形態に係る風速センサユニットの構造を示す模式図である。
【００５５】
本実施形態に係る風速センサユニット４０は、測定管４１と、風速測定用サーミスタ４２と、流速調整部材４３と、トーションバネ４４とを有している。
【００５６】
測定管４１は円柱状の部材であり、その中心軸を風の流れ方向に平行にして配置される。測定管４１内にはサーミスタ４２が配置されている。本実施形態では、測定管４１の内側のサーミスタ４２に対向する位置に、流路断面積を規制する突起部４５が設けられている。但し、突起部４５は必須ではない。
【００５７】
測定管４１の風上側に、流速調整部材４３がトーションバネ（支持部材）４４により揺動可能に取り付けられている。この流速調整部材４３は、初期状態（無風状態）のときに、測定管４１の中心軸側に若干傾いている。そして、流速調整部材４３に風が当たると、流速調整部材４３は風の強さとトーションバネ４４のバネ定数とに応じた角度で傾き、先端の通風口が窄まって、測定管４１内への風の流入量を制限する。
【００５８】
本実施形態に係る風速測定ユニット４０は、第１の実施形態と同様の測定回路３０（図３参照）を使用して風速を測定する。
【００５９】
以下に、風速センサユニット４０における風速（測定管４１の外の風速）と絞り量との関係について説明する。ここでは、絞り量が最大となるとき（流速調整部材４３が図中破線の位置にあるとき）の流速調整部材４３の角度を基準（絞り角＝０）とし、絞り量が最小となるときの流速調整部材４３の角度（絞り角）をＮとする。また、絞り量と絞り角との間には負の相関があるものとする。更に、ここでは説明を簡単にするために、上から見たときの流速調整部材４３の先端部（通風口）の形状は常に円形であるとする。
【００６０】
本実施形態においても、流速調整部材４３が風により受ける力Ｆは、前述の（３）式により表わされる。但し、風力係数Ｃｄは一定値ではなく、流速調整部材４３の角度（絞り角）θにより変化する。
【００６１】
ここで、トーションバネ４４のバネ定数をｋ'とすると、絞り角θは下記（９）式に示すようになる。また、この（９）式を変形すると下記（１０）式のようになる。
【００６２】
【数９】
【００６３】
【数１０】
本実施形態の風速センサユニット４０では、風速Ｖが遅いときは絞り角θの値が大きくなり、風速Ｖが速いときは絞り角θの値が小さくなる。ここで、測定管４１の内壁面の半径をＲ、流速調整部材４３の長さをＲ'とすると、流速調整部材４３の先端部における通風口の面積Ａは以下の（１１）式で表される。
【００６４】
【数１１】
これらの（１０）式及び（１１）式からもわかるように、本実施形態に係る風速センサユニット４０は、風速Ｖが遅いときは流速調整部材４３の先端の通風口の面積Ａが大きくなり、風速Ｖが速いときには通風口の面積Ａが小さくなる。
【００６５】
本実施形態では、サーミスタ４２が配置された位置における流路断面積Ａ'は一定である。また、前述の（７）式からわかるように、サーミスタ４２の位置における風速Ｖ'は、流速調整部材４３の先端の通風口の面積Ａに応じて変化する。すなわち、測定管４１の外の風速Ｖが遅いときはサーミスタ４２の位置での風速Ｖ'が測定管４１の外の風速Ｖとほぼ同じになり、測定管４１の外の風速Ｖが速いときはサーミスタ４２の位置での風速Ｖ'は測定管４１の外の風速Ｖよりも遅くなる。
【００６６】
これにより、本実施形態の風速センサユニット４０においても、サーミスタ４２単体の場合に比べて測定レンジが拡大するという効果が得られる。また、本実施形態の風速センサユニット４０は、構造が簡単であり、第１の実施形態と同様にサーミスタ４２以外に電力を消費するものがないので、消費電力の増加が回避されるという効果もある。
【００６７】
（第２の実施形態の変形例）
図１０（ａ），（ｂ）は第２の実施形態の変形例に係る風速センサユニットを示す模式図である。
【００６８】
図１０（ａ）に示す風速センサユニット５０ａは、測定管５１の風上側に流速調整部材５３がトーションバネ５４により揺動可能に取り付けられている。流速調整部材５３のうち測定管５１の外側の部分が受風部５３ａ、測定管５１の内側の部分が絞り部５３ｂとなっている。
【００６９】
この流速調整部材５３は、初期状態（無風状態）のときに測定管５１の中心軸に対し若干傾いている。そして、流速調整部材５３に風が当たると、流速調整部材５３は風の強さとトーションバネ５４のバネ定数とに応じた角度で図中破線に示す方向に傾き、測定管５１内への風の流入量を制限する。
【００７０】
測定管５１内には、第２の実施形態と同様に、風速測定用サーミスタ４２と、サーミスタ４２の位置における流路断面積を規制する突起部４５とが設けられている。
【００７１】
図１０（ｂ）に示す風速センサユニット５０ｂは、受風部５７ａ及び絞り部５７ｂを有する流速調整部材５７を有する。この流速調整部材５７は、受風部５７ａと絞り部５７ｂとの連結部分が測定管５６の側部に設けられた窓を挿通するように配置されている。また、この流速調整部材５７は、トーションバネ５８により、受風部５７ａと絞り部５７ｂとの連結部分を中心として所定の角度範囲を回転可能に支持されている。更に、測定管５６の内側には、第２の実施形態と同様に風速測定用サーミスタ４２が配置されている。
【００７２】
この風速センサユニット５０ｂにおいて、初期状態（無風状態）のときには、流速調整部材５７（受風部５７ａ及び絞り部５７ｂ）は測定管５６の中心軸に対し垂直になる。この場合、サーミスタ４２の位置における流路断面積は最小となる。一方、受風部５７ａに風を受けると、流速調整部材５７が回転してサーミスタ４２の位置における流路断面積が増大する。
【００７３】
この図１０（ａ），（ｂ）に示す風速センサユニット５０ａ，５０ｂにおいても、第１の実施形態及び第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００７４】
（第３の実施形態）
図１１（ａ）は第３の実施形態に係る風速センサユニットの上面図、図１１（ｂ）は同じくその風速センサユニットの主要部を示す断面図である。
【００７５】
本実施形態に係る風速センサユニット６０が第１の実施形態の風速センサユニット２０と異なる点は、測定管内に配置された風速センサがベーン（風車）式であることにあり、その他の構成は基本的に第１の実施形態と同様である。このため、図１１（ａ），（ｂ）において、図３と同一物には同一符号を付して、その詳細な説明を省略する。
【００７６】
本実施形態の風速センサユニット６０は、円筒状の測定管２１と、この測定管２１の側部に設けられた窓を挿通し、バネ（図示せず）により揺動可能に支持された流速調整部材２３とを有している。また、測定管２１内には、ベーン式風速センサ６１が配置されている。このベーン式風速センサ６１は、風速に応じた回転数でベーンが回転する。そして、ベーンの回転数はピックアップコイル等により検出されて、測定回路に入力される。
【００７７】
本実施形態の風速センサユニット６０においても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００７８】
（第４の実施形態）
図１２（ａ）は第４の実施形態に係る風速センサユニットの上面図、図１２（ｂ）は同じくその風速センサユニットの主要部を示す断面図である。
【００７９】
本実施形態に係る風速センサユニット６５が第１の実施形態の風速センサユニット２０と異なる点は、測定管内に配置された風速センサがピトー管式であることにあり、その他の構成は基本的に第１の実施形態と同様である。このため、図１２（ａ），（ｂ）において、図３と同一物には同一符号を付して、その詳細な説明を省略する。
【００８０】
本実施形態の風速センサユニット６５は、円筒状の測定管２１と、この測定管２１の側部に設けられた窓を挿通し、バネ（図示せず）により揺動可能に支持された流速調整部材２３とを有している。また、測定管２１内には、ピトー管式風速センサ６６が配置されている。
【００８１】
ピトー管６５は同心円状に配置された内管及び外管からなる二重管構造を有し、内管の先端部及び外管の側面にそれぞれ開口部が設けられている。そして、内管で受ける動圧と外管で受ける静圧との差圧に基づいて測定管２１内の風速を検出する。
【００８２】
本実施形態の風速センサユニット６５においても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００８３】
以上の諸実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
【００８４】
（付記１）両端が解放された測定部材と、
前記測定部材内に配置された風速センサと、
風圧により移動して前記測定部材内を流れる気体の流速を変化させる流速調整部材と、
前記流速調整部材を揺動可能に支持する支持部材と
を有することを特徴とする風速センサユニット。
【００８５】
（付記２）前記流速調整部材は、前記測定部材の外に配置されて風圧により風下方向に移動する受風部と、該受風部に連結され、前記測定部材内に配置されて前記受風部の移動にともない前記風速センサの位置における気体の流路断面積を変化させる絞り部とを有することを特徴とする付記１に記載の風速センサユニット。
【００８６】
（付記３）前記絞り部はその断面形状が三角形であり、無風状態のときに前記絞り部の頂角が前記風速センサに対向する位置に配置されることを特徴とする付記２に記載の風速センサユニット。
【００８７】
（付記４）前記流量調整部材は、前記受風部に風圧を受けると前記支持部材に支持された点を中心として回転し、前記絞り部は無風状態のときその先端部が前記風速センサに対向し、前記受風部が回転すると先端部が前記風速センサから離れる方向に回転することを特徴とする付記２に記載の風速センサユニット。
【００８８】
（付記５）前記流速調整部材は、前記測定部材の風上側端部に配置され、風圧に応じた角度で傾斜して前記測定部材内に流入する気体の流量を制限するものであることを特徴とする付記１に記載の風速センサユニット。
【００８９】
（付記６）前記風速センサが、自己発熱方式のサーミスタであることを特徴とする付記１乃至３のいずれか１項に記載の風速センサユニット。
【００９０】
（付記７）風速センサユニットと、
前記風速センサユニットの出力と風速との関係が予め記憶された記憶部を有し前記風速センサユニットの出力信号に基づいて風速を算出する測定回路とを具備し、
前記風速センサユニットが、
両端が解放された測定部材と、
前記測定部材内に配置された風速センサと、
風圧により移動して前記測定部材内を流れる気体の流速を変化させる流速調整部材と、
前記流速調整部材を揺動可能に支持する支持部材とを有することを特徴とする風速測定システム。
【００９１】
（付記８）更に、前記風速センサユニットが配置された場所の温度を測定する温度センサを備え、
前記測定回路の前記記憶部には前記風速センサユニットの出力と風速と前記温度センサにより測定した温度との関係が記憶されていることを特徴とする付記７に記載の風速測定システム。
【符号の説明】
【００９２】
１１…測定管、１２…風速測定用サーミスタ、１３…温度測定用サーミスタ、１５…測定回路、２０…風速センサユニット、２１…測定管、２１ａ…窓、２２…風速測定用サーミスタ、２３…流速調整部材、２３ａ…受風部、２４…バネ、２３ｂ…絞り部、２５…温度測定用サーミスタ、３０…測定回路、３１…インターフェース部、３２…信号処理部、３３…変換テーブル記憶部、４０…風速センサユニット、４１…測定管、４２…風速測定用サーミスタ、４２…流速調整部材、４４…トーションバネ、４５…突起部、５０ａ，５０ｂ…風速センサユニット、５３…流速調整部材、５４…トーションバネ、５６…測定管、５７……部材、５７ａ…受風部、５７ｂ…絞り部、６０…風速センサユニット、６１…ベーン式風速センサ、６５…風速センサユニット、６６…ピトー管式風速センサ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
両端が解放された測定部材と、
前記測定部材内に配置された風速センサと、
風圧により移動して前記測定部材内を流れる気体の流速を変化させる流速調整部材と、
前記流速調整部材を揺動可能に支持する支持部材と
を有することを特徴とする風速センサユニット。
【請求項２】
前記流速調整部材は、前記測定部材の外に配置されて風圧により風下方向に移動する受風部と、該受風部に連結され、前記測定部材内に配置されて前記受風部の移動にともない前記風速センサの位置における気体の流路断面積を変化させる絞り部とを有することを特徴とする請求項１に記載の風速センサユニット。
【請求項３】
前記絞り部はその断面形状が三角形であり、無風状態のときに前記絞り部の頂角が前記風速センサに対向する位置に配置されることを特徴とする請求項２に記載の風速センサユニット。
【請求項４】
前記流量調整部材は、前記受風部に風圧を受けると前記支持部材に支持された点を中心として回転し、前記絞り部は無風状態のときその先端部が前記風速センサに対向し、前記受風部が回転すると先端部が前記風速センサから離れる方向に回転することを特徴とする請求項２に記載の風速センサユニット。
【請求項５】
前記流速調整部材は、前記測定部材の風上側端部に配置され、風圧に応じた角度で傾斜して前記測定部材内に流入する気体の流量を制限するものであることを特徴とする請求項１に記載の風速センサユニット。
【請求項６】
風速センサユニットと、
前記風速センサユニットの出力と風速との関係が予め記憶された記憶部を有し前記風速センサユニットの出力信号に基づいて風速を算出する測定回路とを具備し、
前記風速センサユニットが、
両端が解放された測定部材と、
前記測定部材内に配置された風速センサと、
風圧により移動して前記測定部材内を流れる気体の流速を変化させる流速調整部材と、
前記流速調整部材を揺動可能に支持する支持部材とを有することを特徴とする風速測定システム。
【請求項１】
両端が解放された測定部材と、
前記測定部材内に配置された風速センサと、
風圧により移動して前記測定部材内を流れる気体の流速を変化させる流速調整部材と、
前記流速調整部材を揺動可能に支持する支持部材と
を有することを特徴とする風速センサユニット。
【請求項２】
前記流速調整部材は、前記測定部材の外に配置されて風圧により風下方向に移動する受風部と、該受風部に連結され、前記測定部材内に配置されて前記受風部の移動にともない前記風速センサの位置における気体の流路断面積を変化させる絞り部とを有することを特徴とする請求項１に記載の風速センサユニット。
【請求項３】
前記絞り部はその断面形状が三角形であり、無風状態のときに前記絞り部の頂角が前記風速センサに対向する位置に配置されることを特徴とする請求項２に記載の風速センサユニット。
【請求項４】
前記流量調整部材は、前記受風部に風圧を受けると前記支持部材に支持された点を中心として回転し、前記絞り部は無風状態のときその先端部が前記風速センサに対向し、前記受風部が回転すると先端部が前記風速センサから離れる方向に回転することを特徴とする請求項２に記載の風速センサユニット。
【請求項５】
前記流速調整部材は、前記測定部材の風上側端部に配置され、風圧に応じた角度で傾斜して前記測定部材内に流入する気体の流量を制限するものであることを特徴とする請求項１に記載の風速センサユニット。
【請求項６】
風速センサユニットと、
前記風速センサユニットの出力と風速との関係が予め記憶された記憶部を有し前記風速センサユニットの出力信号に基づいて風速を算出する測定回路とを具備し、
前記風速センサユニットが、
両端が解放された測定部材と、
前記測定部材内に配置された風速センサと、
風圧により移動して前記測定部材内を流れる気体の流速を変化させる流速調整部材と、
前記流速調整部材を揺動可能に支持する支持部材とを有することを特徴とする風速測定システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１１−２２６８９１（Ｐ２０１１−２２６８９１Ａ）
【公開日】平成２３年１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−９６２３３（Ｐ２０１０−９６２３３）
【出願日】平成２２年４月１９日（２０１０．４．１９）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【公開日】平成２３年１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月１９日（２０１０．４．１９）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
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