JP5568961B2 - 風向・風速センサ - Google Patents

Description

本発明は、風向き及び風速センサ技術に関する。

空調機を制御する環境で用いる風向・風速センサにおいて、空調装置毎、あるいは、サーバラック毎に風向・風速センサを配置するような大規模センシングシステムでは、個々のセンサは、小型化、低コスト化、および省電力化が必須となる。

一般に風向と風速を計測できるセンサは、風杯型（あるいは風車型）の風速センサと風見鶏型の風向センサを組み合わせた方式がほとんどで、上記方式では小型化、低コスト化に限界がある。

また、別の方式として、超音波を使用した風向・風速センサもあるが、この方式の場合、小型化は可能であるがコストが非常に高価となる。

上述したセンサは、小規模（少数）の使用、あるいは、十分にスペースのある広い環境での使用においては大きな問題とならないが、今後発展が予想される大量のセンサを使用する大規模センシングシステムや、サーバラックなど、限られた空間内の詳細な気流を計測するセンシングシステムには不向きである。

これに対し、サーミスタ（温度依存型抵抗素子）による風速センサと温度センサを一つの管の中に直線的に設置し、風向・風速を計測する方法が提案されている。

特開２００３−７５４６１号公報

しかしながら、図１１に示すように、風速センサと温度センサをすべてサーミスタで構成した場合、最低でも３つのサーミスタを必要とするためコスト高となる。また、温度センサ（図中、７ａ、７ｂ）において、熱せられた風の流れを検知するには、サーミスタによる大きな発熱量を必要とし、電力が増大する。さらに、サーミスタの上流側に配置された温度センサがサーミスタに流れてくる気流を乱すため、風速の計測精度が低下する、などの問題を抱える。

発明の一つの態様は、管内に配置し流入する風に乱流を生じさせるメッシュ構造、またはパンチング構造、またはグリル構造を有する乱流発生構造体と、前記管内においてその軸方向に前記乱流発生構造体を挟むように配置した複数のサーミスタと、前記複数のサーミスタのそれぞれの抵抗値を測定する測定回路と、前記複数のサーミスタのそれぞれの抵抗値を比較し、前記乱流発生構造体を挟んで、当該抵抗値が大きくなるサーミスタ側を上流側として風向きを判定する風向判定手段とを有することを特徴とする風向・風速センサに関する。

また、発明の別な態様は、互いに交わる方向に延在する複数の配管を連結した連結管の結合部に設置された乱流発生構造体と、前記乱流発生構造体を挟むように各方向の配管内に配置した複数のサーミスタと、前記各方向の配管内の複数のサーミスタのそれぞれの抵抗値を測定する測定回路と、前記各方向の配管内において、前記乱流発生構造体を挟んで、前記抵抗値が大きい方のサーミスタ側を上流側として各配管の風速を求め、該各配管の風速を基にベクトル計算することによって前記連結管の風向と風速を算出する手段を有することを特徴とする風向・風速センサに関する。

上記本発明の一態様によれば、１つの軸に対し、最低２つのサーミスタを使用するだけで、風向きを計測することができ、小型化が可能となる。

本発明の実施の形態になる風向・風速センサの一基本構成を示す図である。 本発明の実施の形態になる風向・風速センサによる計測の仕組みを説明する図である。 本発明の実施の形態になる乱流発生構造体の構造例を示す図である。 本発明の実施の形態になる風速の変換テーブルとして適用するサーミスタの計測電圧と風速の関係を表す図である。 本発明の実施の形態になる風向・風速センサの計測フローを示す図である。 本発明の実施の形態になる複数のサーミスタによる風向・風速センサの構成例を示す図である。 本発明の実施の形態になる十字菅の中央に乱流発生構造体を配置させた風向・風速センサの構造例を示す図である。 本発明の実施の形態になる十字管に配置した風向・風速センサによる計測の仕組みを説明する図である。 本発明の実施の形態になる十字管に配置した球状乱流発生構造体の例を示す図である。 本発明の実施の形態になる十字管に配置した風向・風速センサによる計測フローを示す図である。 従来の風速センサの構造例を示す図である。

以下、本発明の風向・風速センサの実施形態につき、図面に基づいて説明する。以下では、２つの実施例を取り上げ、実施例１として、一軸の円筒状管内に２つのサーミスタを設けた場合のセンサ例を、また、実施例２として、二軸の直交する十字管内に４つのサーミスタを設けたセンサ例を説明する。

（実施例１）
以下の実施例１では、一軸の円筒状管内に２つのサーミスタを配置した風向・風速センサの例を説明する。

図１は、本発明の実施の形態になる風向・風速センサの一基本構成を示す。風向・風速センサは、一軸の円筒状の管４内の中央に設置され、管４に取り込んだ気流を乱流とする乱流発生構造体３、および該乱流発生構造体３を挟んで前後に配置された２つサーミスタ（１、２）を有する。

さらに、電流を投入し自己加熱状態としたサーミスタが気流に晒されたときに変化する抵抗値を電圧（Ｖ１、Ｖ２）として測定する測定回路５、２つのサーミスタから検出された電圧Ｖ１とＶ２を比較（すなわち、サーミスタ抵抗値の変化量を比較）して風向を判定する風向判定手段６、および風向判定手段６によって上流側と判定されたサーミスタにおいて、電圧を風速に変換する変換テーブル１００に基づいて風速を算出する風速算出手段７を有する。

本発明の風向・風速センサは、抵抗値の変化量の大きい方のサーミスタの風速をセンサの風速計測値とすることを特徴とする。

測定回路５については、とくに制限は無く、例えば、サーミスタに数ｍＡ程度の電流を流し、２つのサーミスタの抵抗値の変化を電圧として計測する回路を用意し、必要に応じてオペアンプを用いたゲイン調整を行い、ＡＤＣ（Analog-Digital Converter）回路などを用いてデジタル信号として取り出すことが可能である。

上述したように、本発明の風向・風速センサでは、１つの軸管に対し、最低２つのサーミスタを使用するだけで、風向と風速を計測することができ、従来方式に比べ、小型化、低コスト化が可能となる。

また、サーミスタの熱を他のセンサに伝える必要がないため、サーミスタ自身が検知できる程度の熱量を発生させるだけでよく、消費電力が抑制できる。

さらに、風速計測に使う上流側サーミスタの上流には気流を妨げるものがないため、高精度に風速を計測できる。

図２は、本発明の実施の形態になる風向・風速センサによる計測の仕組みを説明する図である。

サーミスタの温度抵抗特性としては、例えば、以下の式１（Steinhart-Hart式）に示すような関係があり、上記の加熱状態において、管４内に風が流入した場合、流入側のサーミスタは整流の風により冷却されるため、放熱量が大きく、サーミスタ抵抗値が大きく増加する。逆に、流出側のサーミスタは乱流発生構造体により乱された乱流の風により冷却されるため、放熱量が小さく、サーミスタ抵抗値の増加量が小さくなる。

図２のように、管４内に乱流発生構造体３を挟んで配置された２つの風速計測用サーミスタ（自己加熱）を備えた風向・風速センサの右側から風が流入した場合に、流入側のサーミスタ２の抵抗値は、整流された風によって冷却され増大し、流出側のサーミスタ１の抵抗値は、乱流発生構造体３を通過した乱流の風で増加量が小さくなる。

上記２つのサーミスタ（１、２）の抵抗値（Ｒ１、Ｒ２）を電圧（Ｖ１、Ｖ２）に変換した上で比較し、抵抗値（電圧）の大きいサーミスタ側を上流として風向を判定する。

また、上流側のサーミスタの抵抗値（電圧）から風速を算出する。上流側のサーミスタを使用することによって、風が乱されることなく風速を計測することが可能となる。

なお、風向・風速センサの２つのサーミスタは、図に示すように、測定対象気流に対して垂直に配置することが好ましい。

以上述べたように、本風向・風速センサは、管の一方から風が流入した場合、風による放熱でサーミスタ抵抗値が増大するが、流入側のサーミスタは整流の風による冷却で抵抗値が大きく増大するのに対し、流出側のサーミスタは乱流の風となり風速が低下するため冷却作用が弱まり抵抗値の増大量が小さくなる仕組みを利用するものである。

図３は、本発明の実施の形態になる乱流発生構造体の構造例を示す。図には、乱流を発生させる乱流発生構造体３の代表例として好適な構造として、メッシュ構造、パンチング（貫通孔）構造、およびグリル（スリット）構造を示している。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。

図４は、本発明の実施の形態になる風速の変換テーブルとして適用するサーミスタの計測電圧と風速の関係を表す図である。

横軸は、測定回路５で検出されたサーミスタの電圧Ｖを示し、縦軸は実験的に得られた風速ｍ／ｓを示す。なお、グラフは、電圧−風速の特性イメージを表したものであり、個々のサーミスタに固有の曲線となる。また、測定回路や部品構成によっても異なった特性となる。

図５は、本発明の実施の形態になる風向・風速センサの計測フローを示す。

まず、ステップＳ１１において、サーミスタ１、２に電流を流し、サーミスタを自己加熱状態とする。つぎに、ステップＳ１２、１３において、測定回路５によりサーミスタ１、２抵抗値Ｒ１、Ｒ２を電圧Ｖ１、Ｖ２として計測する。

そして、ステップＳ１４において、風向判定手段６は、計測された電圧Ｖ１とＶ２を比較し、Ｖ１＞Ｖ２であれば、ステップＳ１５において、風向きをサーミスタ１側が上流にあると判定する。つぎに、ステップＳ１６において、風速算出手段７は、計測電圧Ｖ１と予め実験値をもとに作成された電圧−風速の変換テーブルを参照し、風速を算出する。

また、Ｖ１＝Ｖ２であれば、ステップＳ１７において、無風と判定する。さらに、Ｖ１＜Ｖ２であれば、ステップＳ１９において、風向きをサーミスタ２側が上流にあると判定する。つぎに、ステップＳ２０において、風速算出手段７は、計測電圧Ｖ２と予め実験値をもとに作成された電圧−風速の変換テーブルを参照し、風速を算出する。

図６は、本発明の実施の形態になる複数のサーミスタによる風向・風速センサの構成例を示す図である。図６は、風向／風速計測用サーミスタは、２つに限らず複数個配置した例を示している。

サーミスタの抵抗値は、乱流発生構造体３によって区切られた領域ごとにそれぞれのサーミスタ群（１ａ、１ｂ）、（２ａ、２ｂ）の平均値として取得する構成としている。本構成によって、より高精度にサーミスタの抵抗値変化の検出が可能となる。

（実施例２）
以下の実施例２では、二軸の直交する十字管内に４つのサーミスタを配置した風向・風速センサの例を説明する。

図７は、本発明の実施の形態になる十字菅の中央に乱流発生構造体を配置させた風向・風速センサの構造例を示す。

図に示すように、十字管構造の風向・風速センサは、Ｘ軸方向の管４とＹ軸方向の管４’を直交させた十字管の結合部（中央部側）に設置した４つの乱流発生構造体３と、各乱流発生構造体３と対向する十字管の各位置に配置させた４つのサーミスタ（１１、１２、２１、２２）を備える。

また、Ｘ軸方向の管４におけるサーミスタ（１１、１２）およびＹ軸方向の管４’におけるサーミスタ（２１、２２）の抵抗変化をそれぞれ検出する測定回路５、５’と、各軸の管のサーミスタで検出される電圧から風向きを判定する風向判定手段６と、風向判定手段６によって上流側と判定された各軸の管のサーミスタにおいて、電圧を風速に変換する変換テーブル１００に基づいて風速を算出する風速算出手段７と、を有する。

上記４つのサーミスタの抵抗比率から風向を判定し、各管において直線状に配置された２つのサーミスタの内、抵抗値の変化量の最も大きいサーミスタ２つの風速から風速計測値を算出することとなる。

図８は、本発明の実施の形態になる十字管に配置した風向・風速センサによる計測の仕組みを説明する図である。

図では、十字管の中央に乱流発生構造体３が設置され、各軸で上記乱流発生構造体３を挟むように風速計測用のサーミスタ１１、１２、２１、２２が配置された十字構造の風向・風速センサにおいて、斜め右上から風が管４、４‘のサーミスタ１２、２１側から流入する場合を示している。

各軸において上記のサーミスタ抵抗値を電圧に変換した上で比較し、抵抗値（電圧）の大きいサーミスタ側を上流として、各軸の風速を算出する。

その後、各軸の上流判定とその風速をもとに、最終的な風向、風速を算出する。

ここで、サーミスタ１、２の電圧Ｖ１、Ｖ２の比較により得られた風速をＷ１、サーミスタ３、４の電圧Ｖ３、Ｖ４の比較により得られた風速をＷ２とすると、風向（角）：θ、風速：Ｗは、それぞれ以下の式で算出できる。

なお、風向／風速計測用サーミスタは、各軸に２つに限らず複数個ずつ設置して、乱流発生構造体で区切られた領域ごとの平均値を取得してもかまわない。

以上述べたように、２軸（あるいは３軸）に直交するように連結した管の結合部に乱流発生構造体を設置するとともに、各軸において、乱流発生構造体を挟むように対向する風速計測用サーミスタを配置し、各軸の対向するサーミスタ抵抗値を比較し、各軸で抵抗値の大きいサーミスタの抵抗値から各軸の風速を算出し、ベクトル計算により風向を判定することができる。

図９は、本発明の実施の形態になる十字管に配置した球状乱流発生構造体の例を示す。なお、十字管構造の風向・風速センサに適用する乱流発生構造体３については、図３に示したメッシュ構造、パンチング構造、グリル構造の構造体が同様に適用される。

また、十字管構造の風向・風速センサでは、乱流発生構造体は、例えば、上記メッシュ構造、パンチング構造、およびグリル構造の構造体を球状に形成したものでも良い。

図１０は、本発明の実施の形態になる十字管に配置した風向・風速センサによる計測フローを示す。

まず、ステップＳ２１において、サーミスタ１１、１２、２１、２２に電流を流し、サーミスタを自己加熱状態とする。つぎに、ステップＳ２２〜２５において、測定回路５によりサーミスタ１１、１２、２１、２２の抵抗値を電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４として計測する。

そして、ステップＳ２６において、風向判定手段６は、計測電圧Ｖ１とＶ２を比較し、Ｖ１≧Ｖ２であれば、風向きをサーミスタ１側が上流にあると判定し、ステップＳ２７において、風速算出手段７は、計測電圧Ｖ１と予め実験値をもとに作成された電圧−風速の変換テーブルを参照し、風速Ｗ１を算出する。

また、Ｖ１＜Ｖ２であれば、風向きをサーミスタ２側が上流にあると判定し、ステップＳ２８において、風速算出手段７は、検出電圧Ｖ２と変換テーブルをもとに風速Ｗ１を算出する。

一方、ステップＳ２９において、風向判定手段６は、計測電圧Ｖ３とＶ４を比較し、Ｖ３≧Ｖ４であれば、風向きをサーミスタ３側が上流にあると判定し、ステップＳ３０において、風速算出手段７は、計測電圧Ｖ３と予変換テーブルをもとに風速Ｗ２を算出する。

また、Ｖ３＜Ｖ４であれば、風向きをサーミスタ４側が上流にあると判定し、ステップＳ３１において、風速算出手段７は、検出電圧Ｖ２と変換テーブルをもとに風速Ｗ２を算出する。

つぎに、ステップＳ３２において、Ｘ方向の管４で得られた風速Ｗ１とＹ方向の管４’で得られた風速Ｗ２を用い、式２及び式３のベクトル計算によって風向角度と真の風速Ｗとを求める。本フローにより、十字管構造の風向・風速センサに４個のサーミスタを適用することで、風向と風速を正確に捉えることができ、従来の風杯型、風見鶏型の風向センサに比べ小型化が可能となる。

以上、本発明により、（１）個々のサーミスタでは自己加熱の変化分だけを検出すればよいので、過度の加熱をする必要はなく消費電力が低減できる、（２）風速計測側の上流には気流を乱すものがないため、高精度に風速を計測できる、（３）乱流発生構造を管内に設置することで上流と下流の気流が大きく変わり、風向検知の判定制度が向上する等の効果を生じる。

このように、従来型に比べ、小型、低コスト、省電力の風向・風速センサを製造することが可能となり、数百〜数万個オーダーのセンサ数を必要とする大規模センシングシステムにおいて、大幅な省スペース化、コストダウンにつながる。

とくに、特に逆流の防止等、対向方向のみの風向・風速を計測する場合には、サーミスタ２つだけの構成にすることで、さらなるコストダウンが可能になる。

工場、データセンタ、オフィス等、空調機を制御する環境で用いる風向・風速センサの分野。

１、２ サーミスタ
３ 乱流発生構造体
４、４’ 管
５、５’ 測定回路
６ 風向判定手段
７ 風速算出手段
１１、１２、２１、２２ サーミスタ
１００ 変換テーブル

Claims (5)

1. 管内に配置し流入する風に乱流を生じさせるメッシュ構造、またはパンチング構造、またはグリル構造を有する乱流発生構造体と、
   前記管内においてその軸方向に前記乱流発生構造体を挟むように配置した複数のサーミ
   スタと、
   前記複数のサーミスタのそれぞれの抵抗値を測定する測定回路と、
   前記複数のサーミスタのそれぞれの抵抗値を比較し、前記乱流発生構造体を挟んで、当
   該抵抗値が大きくなるサーミスタ側を上流側として風向きを判定する風向判定手段とを有
   することを特徴とする風向・風速センサ。
2. 前記サーミスタの抵抗値と風速との関係が予め実験値用意された変換テーブルを基に、
   前記複数のサーミスタの内、抵抗値の大きいサーミスタから風速を算出することを特徴と
   する請求項１に記載の風向・風速センサ。
3. 前記乱流発生構造体を挟んで配置されるサーミスタは、２以上複数のサーミスタで構成
   され、前記サーミスタの抵抗値は、前記乱流発生構造体によって区切られた領域ごとにそ
   の平均値を採用することを特徴とする請求項１または２に記載の風向・風速センサ。
4. 互いに交わる方向に延在する複数の配管を連結した連結管の結合部に設置された乱流発
   生構造体と、
   前記乱流発生構造体を挟むように各方向の配管内に配置した複数のサーミスタと、
   前記各方向の配管内の複数のサーミスタのそれぞれの抵抗値を測定する測定回路と、
   前記各方向の配管内において、前記乱流発生構造体を挟んで、前記抵抗値が大きい方の
   サーミスタ側を上流側として各配管の風速を求め、該各配管の風速を基にベクトル計算す
   ることによって前記連結管の風向と風速を算出する手段を有することを特徴とする風向・
   風速センサ。
5. 前記互いに交わる方向に延在する複数の配管を連結した連結管は、その結合部において
   ２軸あるいは３軸に直交する構造であることを特徴とする請求項４に記載の風向・風速セ
   ンサ。