特開 2024-180031 風速測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024180031

(43)【公開日】2024-12-26

(54)【発明の名称】風速測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01P 5/10 20060101AFI20241219BHJP

【ＦＩ】

G01P5/10 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023099448

(22)【出願日】2023-06-16

(71)【出願人】

【識別番号】000232483

【氏名又は名称】日本電波工業株式会社

(72)【発明者】

【氏名】星野 祐太

(57)【要約】

【課題】恒温槽付発振器を風速感知部として用いた風速測定装置を提供する。
【解決手段】風速測定装置は、外壁面を風速感知部としていて風速により周波数が変化し気密封止構造を有した恒温槽付発振器と、前記風速及び前記周波数の関係を予め格納している記憶部と、前記周波数を測定する測定部と、前記測定した周波数を前記記憶部に入力し前記入力した周波数に対応する風速を抽出する制御部と、を備える。そして、前記恒温槽付発振器は、恒温槽付水晶発振器である。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

外壁面を風速感知部としていて風速により周波数が変化し気密封止構造を有した恒温槽付発振器と、前記風速及び前記周波数の関係を予め格納している記憶部と、前記周波数を測定する測定部と、前記測定した周波数を前記記憶部に入力し前記入力した周波数に相当する風速を抽出する制御部と、を備えたことを特徴とする風速測定装置。

【請求項2】

前記恒温槽付発振器は、恒温槽付水晶発振器であることを特徴とする請求項１に記載の風速測定装置。

【請求項3】

前記外壁面は、金属製の容器で構成された外壁面の一部であることを特徴とする請求項１に記載の風速測定装置。

【請求項4】

前記制御部は、前記測定部から定期的に前記周波数を取り込み、前記取り込んだ周波数に基づく情報を閾値と比較し、前記閾値を超えた場合に前記情報を前記記憶部に入力するものであることを特徴とする請求項１に記載の風速測定装置。

【請求項5】

前記抽出された風速を表示する表示部をさらに備えたことをとする請求項１に記載の風速測定装置。

【請求項6】

前記恒温槽付発振器は、恒温槽付水晶発振器であり、
前記恒温槽付水晶発振器は、外側容器として金属製容器を有し、
前記風速感知部を、前記金属製容器の外壁の一部で構成してあり、
前記制御部は、前記測定部から定期的に前記周波数を取り込み、前記取り込んだ周波数を閾値と比較し、前記閾値を超えた場合に前記取り込んだ周波数を前記記憶部に入力するものであり、
前記抽出された風速を表示する表示部をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の風速測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、恒温槽付発振器を使用した風速測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、建築物内の快適性を保つために換気ダクト内やエアコンの風速の測定や、クリーンルーム内環境の管理項目の１つである風速値を管理するツールとして、熱式風速計がある。熱式風速計は、センサ部に発熱体を用いており、この部分の温度は周囲温度より高くなっている。ここに風が当たることでセンサ部の温度が降下し、この降下の程度を抵抗値の変化として捉えることにより、風速を検出している。センサ部には、白金やサーミスタが使用されることが多い。
特許文献１に記載の熱式風速計は、センサ部の熱線を支持する支柱の断面形状を、熱線の張られている方向に対して流線形にすることにより、風の吹く方向に左右されず、風速を検知することができるといったものである（特許文献１の２頁３行目～３頁２行目）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】実開昭５５－２６４２４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１に記載の熱式風速計のセンサ部は、剥き出しになっており、湿度の多い環境下の使用では、水分がセンサ部に付着し温度降下が生じるため、センサ部の温度が本来の温度ではなくなり、測定誤差が発生する可能性がある。また、この出願に係る発明者が市販の熱式風速計を調べたところ、熱式風速計は、－２０～７０℃の間で動作保証されているものが多いことが分かった。現行の熱式風速計は動作温度が狭いため、使用環境が制限されてしまう恐れがある。

【0005】

本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、従ってこの出願の目的は、恒温槽付発振器を風速感知部として用いた風速測定装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

この目的の達成を図るため、この発明の風速測定装置によれば、外壁面を風速感知部としていて風速により周波数が変化し気密封止構造を有した恒温槽付発振器と、前記風速及び前記周波数の関係を予め格納している記憶部と、前記周波数を測定する測定部と、前記測定した周波数を前記記憶部に入力し前記入力した周波数に相当する風速を抽出する制御部と、を備えたことを特徴とする。なお、風速と風量とは所定の関係があり、また、風速と風圧とは所定の関係あるので、この発明に係る風速測定装置は、所定の換算式を用いることで、風量や風圧も測定し得るものである。

【発明の効果】

【0007】

この発明の風速測定装置によれば、風速感知部として気密封止構造を有した恒温槽付発振器を使用している。気密封止構造を有しているため、湿度の多い環境下で使用した際に、水分が恒温槽付発振器の内部に侵入しないので、水分の影響による測定誤差が発生する恐れが少ない。また、一般に恒温槽付発振器は、広い動作温度保証、例えば―４０～８５℃の間で動作温度保証しているため、従来に比べより低温やより高温の環境下でも使用でき、使用環境の幅が広がる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明の風速測定装置の実施形態のブロック図である。

【図2】（Ａ）図は、恒温槽付発振器１０の斜視図、（Ｂ）図は、恒温槽付発振器１０の断面図である。

【図3】記憶部に格納されているデータである。

【図4】本発明の風速測定装置のフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図面を参照してこの発明の風速測定装置１００の実施形態についてそれぞれ説明する。
なお、説明に用いる各図はこの発明を理解できる程度に概略的に示してあるにすぎない。また、説明に用いる各図において、同様な構成成分については同一の番号を付して示し、その説明を省略する場合もある。また、以下の説明で述べる形状、材質等はこの発明の範囲内の好適例に過ぎない。従って、本発明は以下の実施形態のみに限定されるものではない。

【0010】

図１は、本発明の風速測定装置１００の実施形態のブロック図である。風速測定装置１００は、恒温槽付発振器１０と、記憶部２０と、測定部３０と、制御部４０と、表示部５０と、を備えている。この実施形態では、恒温槽付発振器１０として恒温槽付水晶発振器の例を説明する。

【0011】

図２（Ａ）は、恒温槽付水晶発振器１０の斜視図、図２（Ｂ）は、図（Ａ）のａ－ａ’線に沿って切った断面図である。恒温槽付水晶発振器１０は、図２に示したように、金属製の容器１１と、温度センサ１２と、基板１３と、温度センサ出力に応じて容器温度を一定に制御するヒータ回路１４と、発振素子１５と、発振回路等１６と、を備えている。
詳細には、金属製の容器１１は、直方体であり内側に凹部形状となっているキャップ型の金属製の蓋１１ａと、外部接続ピン１１ｂを有した金属製のベース１１ｃと、を気密封止した構造をしており、その内部に平面視矩形状のガラスエポキシ製の基板１３があり、基板１３の表裏に、温度センサ１２、ヒータ回路１４、発振素子１５及び発振回路等１６が搭載され電気的に接続されている。また、基板１３は、外部接続ピン１１ｂと半田を介して接続している。温度センサ１２、ヒータ回路１４、発振素子１５及び発振回路等１６は、基板１３の表裏一方の面に搭載しても良いし、熱伝導を考慮して表裏に搭載しても良い。
ヒータ回路１４は、温度センサ１２と協働して金属製の容器１１内の温度を制御する。従って、金属製の容器１１内の温度を一定に保つことができるため、恒温槽付水晶発振器１０の出力周波数の変化を小さく抑えることができる。従って、風速測定装置１００のスタンバイ状態の周波数を一定状態に保つことができるので、風速変化が生じた際の当該変化に応じた周波数変動を検出し易くできる。
風速測定装置１００において、上記した恒温槽付水晶発振器１０は風速感知部として用いられており、上記した金属製の容器１１の外壁面に風が当たることにより、ヒータ回路１４で一定に保たれていた恒温槽付水晶発振器１０の内部温度が下がり、その温度降下分に相当した周波数がずれる。この周波数ずれは恒温槽付水晶発振器１０の機能によって所定時間内に復帰するが、このずれが生じている間の情報を利用して本発明では風速を測定する。実施形態において、外壁面は５面あるが、風が当たる面の面積が広い方が風が当たった際の温度降下が大きくなるため、天面に風を当てるのが好ましい。
本発明において発振素子１５は、任意のもので良く、水晶を用いたものや、セラミックを用いたものや、ＭＥＭＳ、例えばシリコンＭＥＭＳを用いたものでも良いが、風速検知のために高い周波数精度が必要なので、ＡＴカットやいわゆる２回回転の水晶振動子、例えばＳＣカットの水晶振動子が良い。特に実績のある２回回転の水晶振動子を用いたものであることが好ましい。

【0012】

記憶部２０は、予め測定しておいた恒温槽付水晶発振器１０の例えば周波数偏差Δｆ／ｆと風速との関係を格納しているものである。記憶部２０の情報は、詳細は後述するが、以下のように利用される。すなわち、測定部３０で測定した周波数に基づき制御部４０が算出した情報（ここでは上記のΔｆ／ｆ）を制御部４０は記憶部２０に入力し、かつ、記憶部２０からこの周波数変化情報に応じた風速を抽出して利用する。
記憶部２０に格納してある情報は、具体的には、実際に風速測定装置１００に使用する恒温槽付水晶発振器１０の金属製の容器１１の外壁面に１［ｍ／ｓ］、２［ｍ／ｓ］・・・と風速を変化させて風を当て、その時の周波数を測定することで求めたものである。図３に周波数偏差Δｆ／ｆと風速との関係の一例を示したグラフを示す。なお、図２の検量線は一例であり、金属製の容器１１の外壁の風が当たる面の面積を変更や、表面形状を工夫すること等を行うと、検量線の傾きを変えることによって、風に対する感度、すなわち風速測定の分解能を向上させることができる。

【0013】

測定部３０は、恒温槽付水晶発振器１０から出力された周波数を測定するものである。測定部３０は、例えば周波数カウンタで構成できる。恒温槽付水晶発振器１０は高精度なため、周波数精度はｐｐｂオーダーであり、その周波数を精度よく測定するため、測定部３０で使用する周波数カウンタは、数十ｐｓの分解能があるものが良い。

【0014】

制御部４０は、測定部３０で測定した周波数を時間ｔｎでモニタリングし取り込む監視部４１と、監視部４１が取り込んだ周波数の変化を計算する計算部４２と、計算部４２が計算した値が風速判断するべきものかを判断する判断部４３と、を備えている。計算部４２は、例えば時間ｔｎごとに、すなわち時刻ｔ１と時刻ｔ２との周波数差を基準周波数で正規化した周波数偏差Δｆ／ｆを計算する構成とできる。判断部４３は、前記Δｆ／ｆが閾値ｆｔｈ以上になっているか否かによって、当該判断をする構成とできる。なお、計算部４２は、周波数偏差Δｆ／ｆではなく周波数差Δｆを算出し、判断部４３は、周波数差Δｆを用いて当該判断をするものでも良い。制御部４０の詳しい機能については後述する。

【0015】

表示部５０は、制御部４０が記憶部２０から抽出した風速を表示する。表示部５０は、デジタル表示をするものでも良いし、例えば針と数字板のようなアナログ表示するものでも良いし、モニターでも良い。

【0016】

図４に風速測定装置１００における制御部４０以降の機能を表したフローチャートを示す。
測定部３０は、常時動作しており恒温槽付水晶発振器１０の周波数を測定している。

【0017】

まず、ステップＳ１において、常時動作の測定部３０の周波数を時間ｔｎの間隔で定期的に取得する。これにより、時間ｔ１、ｔ２、ｔ３・・・の時の周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３・・・が取得できる。ステップ２では、隣り合う時間における周波数の差分を計算する。具体的には、定期的に取得した時間ｔ１の時の周波数ｆ１と、時間ｔ２の時の周波数ｆ２と、の差である周波数偏差Δｆ／ｆ（ｆ２－ｆ１）を算出する。

【0018】

次いでステップ３では、ステップ２で算出した周波数偏差Δｆ／ｆを、予め設定しておいた閾値ｆｔｈと比較し、周波数偏差Δｆ／ｆが閾値ｆｔｈ以上であるか判断する。ステップ３において、周波数偏差Δｆ／ｆが閾値ｆｔｈ以上であると判断されると、ステップ４において周波数偏差Δｆ／ｆを記憶部２に入力する。そして、ステップ５において、入力された周波数偏差Δｆ／ｆに相当する風速を記憶部２に格納してあるデータから読み出し抽出する。そして、ステップ６において、抽出した風速を制御部４に入力し、ステップ７では、制御部４から表示部５へ風速を入力し、例えばモニターで風速を表示する。ここで、閾値ｆｔｈは、風速に起因した周波数変動を風速測定に用いるようにするために予め定めた任意の値であり、微小ノイズ等を排除するものである。

【0019】

一方、ステップ３において、周波数偏差Δｆ／ｆが閾値ｆｔｈ未満であると判断された場合は、ステップ１～ステップ３を繰り返す。

【0020】

本発明の風速測定装置１００は、気密封止構造の恒温槽付水晶発振器１０を風速感知部として用いたものであるため、内部に水分が侵入しないのでそれに起因する不具合を排除できるから、周囲環境に左右されることなく風速を感知することができる。また、恒温槽付水晶発振器１０は、一般に広い動作温度保証をしており、例えば動作温度範囲が―４０～８５℃と広いため、従来の熱式風速計を使用できなかった高温または低温環境でも使用することができ、風速測定装置１００を使用する環境の選択肢が広がる。

【0021】

実施形態では、外壁面を有した金属製の容器１１で構成された恒温槽付発振器１０について説明した。金属製であると、風に対する応答性が金属製でない場合に比べ高まるので、恒温槽付発振器１０の風速起因の温度変化が生じ易いためである。例えば金属製の容器１１は、熱伝導率を考慮すると銅やアルミニウムで構成することが好ましい。なお、金属製の一枚板の蓋部材と凹部形状のセラミックパッケージとで構成された恒温槽付発振器１０を、風速測定装置１００に使用することができる。この場合は、外壁面がセラミックのため、金属製の蓋部材の面に風を当てることで、同様の効果が得られる。また、恒温槽付発振器１０において、風が当たる面の面積を広くすることにより、風が当たった際の温度降下が大きくなるため、風速測定の分解能が上がると見込まれる。

【符号の説明】

【0022】

１０：恒温槽付発振器（恒温槽付水晶発振器）
１１：金属製の容器 １１ａ：金属製の蓋
１１ｂ：外部接続ピン １１ｃ：金属製のベース
１２：温度センサ １３：基板
１４：ヒータ回路 １５：発振素子
１６：発振回路等 ２０：記憶部
３０：測定部 ４０：制御部
４１：監視部 ４２：計算部
４３：判断部 ５０：表示部
１００：風速測定装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】