(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
３個の超音波素子と、
前記３個の超音波素子を、各超音波素子の中心が正三角形の３個の頂点のそれぞれに一致するように保持した保持面と、
前記保持面と対向して配置された反射板と、
前記保持面から突出し、前記反射板を前記保持面に対向させて支持する３本の支柱とを有し、
前記支柱は、前記保持面の中心から見て前記超音波素子よりも外側位置に配置され、かつ、前記支柱は、前記３個の超音波素子の中心を結んでできる正三角形のそれぞれの辺から当該辺に垂直な線を当該辺に対向する正三角形の各頂点に向けて延ばし、さらに当該頂点を経て延長した線上の位置に配置されていることを特徴とする２次元超音波風速計。
【請求項２】
それぞれの前記支柱は、前記超音波素子からそれぞれ一定の位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の２次元超音波風速計。
【請求項３】
前記反射板が前記保持面から離れる方向に凸状に湾曲するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の２次元超音波風速計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を利用して風速の２次元成分を測定する２次元超音波風速計に関する。
【背景技術】
【０００２】
今日、空気の流れを風として精度良く検出し制御することが要求される場所に超音波風速計が利用されはじめている。
【０００３】
この超音波風速計は、超音波送受波器の対を用意し、一方の超音波送受波器から他方の超音波送受波器に向かう伝播経路上の超音波の伝播所要時間と、その逆の伝播経路上の超音波の伝播所要時間との差から、その経路に沿う風速の成分が検出されように構成されている。
【０００４】
特に水平面内の風速の直交２軸成分のみを測定対象とする場合、図５に示すように、若干ずれた２つの平面上で超音波が直交するように２対の超音波送受波器を配置する２次元風速計が知られている。この２次元風速計は計４個の送受波器が必要になるため、装置の小型化及び低廉化を図る目的で、図６に示すように３個の送受波器（超音波素子）１，２，３を保持する保持面４とこの保持面４に対向して配置された反射板５とを備えた反射型の超音波風速計が提案されている（特許文献１参照）。尚、図６は特許文献１に記載の超音波風速計の構成を示しており、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は平面図である。これらの図では、超音波の伝播経路を二点鎖線で概念的に表してある。
【０００５】
図６の反射型超音波風速計では、まず、第１の送受波器１から放射された超音波の一部が反射板５で反射され、この反射波の更に一部が第２の送受波器２に受信される。このように、超音波は斜め上下方向に伝播する。次に、第２の送受波器２から放射された超音波の一部が反射板５で反射され、この反射波の更に一部が第１の送受波器１に受信される。同様に、第２の送受波器２と第３の送受波器３との間でも超音波が反射板５との間で斜め上下方向に送受信され、第３の送受波器３と第１の送受波器１との間でも反射板５との間で斜め上下方向に超音波が送受信される。
【０００６】
上記各伝播経路上の超音波の所要伝播時間は風速の影響を受けることから、ある伝播方向（正方向）とその逆の伝播方向（逆方向）とでは異なる値となる。この正逆両方向の伝播所要時間の差からその伝播経路上に投影した風速の成分が検出される。ただし、垂直方向に関する伝播経路は上方に伝播したのち反射されて下方に伝播するため、風速の垂直成分の伝播所要時間への影響は上方への伝播経路上と下方への伝播経路上とで互いに相殺し合う。従って、この種の反射型では風速の垂直成分は検出されず、水平成分のみ（送受波器間を結ぶ線上の風速成分）が検出の対象となる。
【０００７】
図６の反射型超音波風速計では３個の超音波送受波器間で３つの超音波伝播経路が形成される。風の流れは瞬間的であったり一様でなかったりすることが多いため、風速の測定誤差が小さくなるように、３つの超音波伝播経路上の風速の水平成分のうちの直交２軸方向の風速成分を平均化して風速を算出することが行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１０−１３２８３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記のように装置の小型化及び低廉化を図った、反射型の二次元超音波風速計は、反射板を超音波素子の保持面に対向させて支持する支柱が必要になる。従来、この支柱は図６に示されるように、超音波素子の保持面４と反射板５との対向状態を安定させることを目的として３本配置されていた。
【００１０】
しかしながら、支柱が風を受けると支柱の風下では風の乱れが発生する。本発明者らは、この支柱による風の乱れが風速にどのように影響を及ぼすかをシミュレーションした。
【００１１】
図７は支柱が風速を乱す様子をシミュレーションした結果を示している。このシミュレーションは、２００ｍｍ×１００ｍｍの四角内で一方向から風速５ｍ／ｓの風をφ４ｍｍの支柱に吹き付けた場合に支柱の風下で風速がどのように変化するのかを得ようとしたものである。この条件によれば、支柱の風下に風速４．２５ｍ／ｓ以下の範囲、この周囲に風速４．７５ｍ／ｓ以下の範囲、さらにこの周囲に風速５ｍ／ｓ以下の範囲が出来た。つまり、支柱により風速が概ね１％以上低下する範囲、風速が０．５％以上低下する範囲、風速が０〜０．５％低下する範囲が出来た（図８）。これらの範囲は測定風速を大きくしても同様の結果を示した。
【００１２】
このようにシミュレーション結果により、支柱による風の乱れが、測定しようとする本来の風速の分布を撹乱してしまい、正確な風速測定に影響を及ぼすことがあることが分かった。
【００１３】
図６の反射型超音波風速計の場合、３つの超音波伝播経路の水平面内における直交２軸方向の風速成分を平均化することで風速の測定精度を上げているので、それぞれの支柱が各超音波伝播経路上の風速検出に対して影響を及ぼさないほど、測定精度は高くなる。しかし、図６の反射型超音波風速計の構成上、それぞれの支柱による風の乱れは必ず一つないし二つの超音波伝播経路に及んでしまう。これを考慮して測定精度の向上を図るには、支柱による風の乱れが二つの超音波伝播経路に及んでしまう事象は最小限に留めたい。
【００１４】
しかしながら、特許文献１記載の反射型超音波風速計では支柱が風速におよぼす影響は全く関知されておらず、上記の事象を最小限に留める支柱の改善策は全く施されていない。後で詳述するが、図６に示したように支柱を配置すると、それぞれの支柱による風の乱れが二つの超音波伝播経路へ及ぼす範囲が比較的大きいことも分かった。
【００１５】
そこで本発明の目的は、上記背景技術の実情に鑑み、支柱が風速に及ぼす影響を最小限に留めて測定精度の更なる向上を図った反射型超音波風速計を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明による２次元超音波風速計は、３個の超音波素子と、これらの超音波素子を、各超音波素子の中心が正三角形の３個の頂点のそれぞれに一致するように保持した保持面と、保持面と対向して配置された反射板と、保持面から突出し、反射板を保持面に対向させて支持する３本の支柱とを有する。
【００１７】
さらに、支柱は、保持面の中心から見て前記超音波素子よりも外側位置に配置され、かつ、支柱は、３個の超音波素子の中心を結んでできる正三角形のそれぞれの辺から当該辺に垂直な線を当該辺に対向する正三角形の各頂点に向けて延ばし、さらに当該頂点を経て延長した線上の位置に配置されている。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、支柱が風速に及ぼす影響を最小限に留めて測定精度の更なる向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施例による反射型超音波風速計の構成を示した図。
【図２】図１の３個の超音波送受波器での超音波伝播経路を水平面内に投影した図であって、水平面内の風速の直交２軸成分を算定する方法を説明する図。
【図３】図２に示した３個の超音波送受波器と反射板との間の超音波伝播経路を送受波器保持面内に投影した図であって、超音波伝播経路（図中の二点鎖線）と、一の支柱による測定風速の乱れ領域（図中の斜線部）との係わり合いを表した図。
【図４】本発明の他の実施例による反射型超音波風速計の構成を示した図。
【図５】従来の超音波風速計を示す斜視図。
【図６】特許文献１に記載された反射型の超音波風速計の構成を示す図。
【図７】支柱が風速を乱す様子をシミュレーションした結果を示す図。
【図８】図７のシミュレーション結果に基づき、支柱が風速を乱す範囲を示した図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。尚、図６に示した従来装置と同じ構成部材には同一の符号を用いて説明する。
【００２１】
図１は本発明の一実施例による反射型超音波風速計の構成を示しており、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は平面図である。
【００２２】
図１（Ｂ）に示すように、円柱形状の保持体６の先端面である保持面４に、３個の超音波送受波器（電気音響変換素子等の超音波素子）１，２，３が、それぞれの中心１ａ，２ａ，３ａを二点鎖線で示す正三角形の３個の頂点のそれぞれに一致させるように配置されている。
【００２３】
図１（Ａ）に示すように、保持面４の周辺部分から３本の支柱７が上方に突出されており、それぞれの先端には、保持面４とほぼ同一径の反射板５が保持されている。反射板５は３本の支柱７により保持面４と平行な状態で対向させて支持されている。なお、吹上げ風などが心配な場合は、反射板５のうち、音波の反射に使用しない部分をくり貫くなどの対策がとられてもよい。
【００２４】
各支柱７は、保持面４の中心から見て超音波送受波器１，２，３よりも外側位置であって、超音波送受波器１，２，３のそれぞれ一定の近傍位置に配置されている。特に、支柱７は、各超音波送受波器１，２，３の中心１ａ，２ａ，３ａを結んでできる正三角形の夫々の辺から当該辺に対向する正三角形の各頂点を通って延びるそれぞれの垂直線上（計３本；一点鎖線で図示。）の位置に配置されている。
【００２５】
各送受波器と風速計本体の演算処理部との間は保持体６の内部を通して延長される図示しないケーブルによって相互に接続されている。
【００２６】
上記構成によれば、隣り合う送受波器１，２間で超音波が反射板Ｒとの間で斜め上下方向に送受信される。これと同様に、隣り合う送受波器２，３間および送受波器３，１間でも反射板５との間に斜め上下方向の超音波の伝播経路が形成される。このような反射型の超音波風速計では、背景技術の欄で説明したように、各超音波送受波器間を結ぶ線上の風速成分が検出される。
【００２７】
上記保持面４と反射板５の間での斜め上下方向の超音波伝播経路を水平面内に投影すると、図２で示すように、それらの超音波伝播経路（図中の二点鎖線）は送受波器１，２，３のそれぞれの中心１ａ，２ａ，３ａを三頂点のそれぞれとする正三角形の三辺と一致する。
【００２８】
ここで、送受波器の対（１，２）によって検出される風速の水平成分をＡ、送受波器の対（２，３）によって検出される風速の水平成分をＢ，送受波器の対（３，１）によって検出される風速の水平成分をＣと定義する。更に、この水平面内に、図示のように、互いに直交するｘ軸とｙ軸を定義する。
【００２９】
算定する風速Ｖ，風速Ｂ，風速Ｃのｘ軸，ｙ軸成分をそれぞれ（Ｖｘ，Ｖｙ），（Ｂｘ，Ｂｙ），（Ｃｘ，Ｃｙ）とおけば、理想的には、次式の関係が成立する。
【００３０】
Ｖｘ＝Ａ＝−Ｂｘ＝−Ｃｘ           ・・・（１）
Ｖｙ＝Ｂｙ＝−Ｃｙ                 ・・・（２）
しかしながら、風速Ａ，Ｂ，Ｃは同一箇所の風速ではないため風速の瞬間的かつ空間的な分布から、あるいは測定誤差から、（１）式、（２）式は必ず成立するとは限らない。
【００３１】
そこで、一例として、（１）式，（２）式の各辺の風速成分を単純平均することによって平均化した風速成分を次式のように定義する。
【００３２】
Ｖｘ＝（Ａ−Ｂｘ−Ｃｘ）／３       ・・・（３)
Ｖｙ＝（Ｂｙ−Ｃｙ）／２           ・・・（４)
更に、Ｂｘ＝Ｂcos60°＝Ｂ／２、Ｃｘ＝Ｃcos 60°＝Ｃ／２、Ｂｙ＝Ｂcos30° ＝（√３／２）Ｂ、Ｃｙ＝Ｃcos 30° ＝（√３／２）Ｃ を（１）式，（２）式に代入すると、次式を得る。
【００３３】
Ｖｘ＝（２Ａ−Ｂ−Ｃ）／６         ・・・（５)
Ｖｙ＝（Ｂ−Ｃ）（√３／４）       ・・・（６)
３個の超音波送受波器の３種類の組合せによって検出した風速成分Ａ，Ｂ，Ｃに基づき（５）式，（６）式に従って、平面内の風速の直交２軸成分Ｖｘ，Ｖｙが算定される。
【００３４】
このように、３つの超音波伝播経路における水平面内の風速Ａ，Ｂ，Ｃを検出し、これらの風速Ａ，Ｂ，ＣのＸ軸方向成分およびＹ軸方向成分をそれぞれ平均化することにより、測定誤差を小さくすることができる。
【００３５】
さらに本発明は、各支柱７を特定の位置に設置することにより、本来の風速に対して各支柱７が及ぼす影響を最小限に留めることができ、図６の従来の反射型超音波風速計と比べて更に測定精度を高めることができる。
【００３６】
この効果を得るため、各支柱７が保持面４の中心から見て超音波送受波器１，２，３よりも外側位置に設置された場合には、各支柱７は超音波送受波器１，２，３のそれぞれ一定の近傍位置であって、各超音波送受波器１，２，３の中心１ａ，２ａ，３ａを結んでできる正三角形の夫々の辺から当該辺に対向する正三角形の各頂点を通ってそれぞれ延びる垂直線上（計３本）の位置に配置されている。
【００３７】
ここで、測定しようとする風速に対して各支柱７が及ぼす影響について、支柱７の位置が本願発明による場合と従来技術による場合とで比較した結果を述べる。
【００３８】
図３は、図２に示した３個の超音波送受波器１，２，３と反射板５との間の超音波伝播経路を送受波器保持面４内に投影した図であって、超音波伝播経路（図中の二点鎖線）と、支柱による測定風速の乱れ領域（図中の斜線部）との係わり合いを表したものである。
【００３９】
図３の（Ａ１），（Ｂ１），（Ａ２），（Ｂ２）では、第１の超音波送受波器１で送受波される２つの超音波伝播経路のみに、１つの支柱７により本来の風速Ｖ［ｍ／ｓ］を乱す範囲（図８参照）が及んでいる状態（以下、２パス影響状態と略す。）を示している。便宜上、これらの図には、支柱７の影響で風速が０．５％以上低下する範囲のみを示している。
【００４０】
従来技術による支柱配置（図６（Ｂ）参照）によると、上記２パス影響状態が第２の超音波送受波器２に最も近い所で生じる場合の風向きは図３の（Ａ１）に示す様になり、上記２パス影響状態が第１の超音波送受波器１に最も近い所で生じる場合の風向きは図３の（Ｂ１）に示す様になる。これら図３の（Ａ１）及び（Ｂ１）に示すシミュレーション結果から、上記２パス影響状態が生じる風向きの範囲は、図３の（Ｃ１）に示すように２９．３７°であった。この事は第３の超音波送受波器３で送受波される２つの超音波伝播経路についても同じである。結局、従来技術による支柱配置の場合、常に２つの超音波伝播経路へ支柱による風の乱れが及んでしまう風向きの範囲は、支柱１本当たり約５８°（２９．３７°＋２９．３７°）となった。支柱７は３本有るので、全風向範囲を考慮すると約１７４°（＝約５８°×３本）となる。
【００４１】
この従来技術は、水平面内の全風向範囲（３６０°）に対して約１７４°の風向範囲で上記２パス影響状態が生じることが分かった。上記２パス影響状態が生じる風向範囲が小さくなるほど測定誤差が発生する確率は小さくなる。そこで、上記２パス影響状態を最小限に留められる３本の支柱７の配置位置を試行錯誤したところ、本発明者らは本願発明の支柱配置に至った。
【００４２】
本発明の支柱配置（図１（Ｂ）参照）によれば、上記２パス影響状態が第２の超音波送受波器２に最も近い所で生じる場合の風向きは図３の（Ａ２）に示す様になり、上記２パス影響状態が第３の超音波送受波器３に最も近い所で生じる場合の風向きは図３の（Ｂ２）に示す様になる。これら図３の（Ａ２）及び（Ｂ２）に示すシミュレーション結果から、上記２パス影響状態が生じる風向きの範囲は、図３の（Ｃ２）に示すように２２．５２°であった。結局、本発明による支柱配置の場合、常に２つの超音波伝播経路へ支柱による風の乱れが及んでしまう風向きの範囲は、支柱１本当たり約２２°となった。支柱７は３本有るので、全風向範囲を考慮すると約６６°（＝約２２°×３本）となる。
【００４３】
本願発明のように支柱を配置すると、上記２パス影響状態が生じる風向範囲が最小になるため、水平面内の全風向範囲において従来技術よりも測定誤差が小さくなった。
【００４４】
もっとも、各支柱７の位置を保持面４の中心に対して超音波送受波器１，２，３よりも外側へ離すほど、支柱７による風速の乱れが超音波伝播経路へ及びにくくなることは当然のことであるが、本発明によれば、風速計の小型化のために支柱７を超音波伝播経路から遠ざけることが難しい場合であっても、従来装置よりも確かな測定精度を得ることができる。
【００４５】
（その他の実施例）
上記の実施例では、３本の支柱７が保持面４の中心から見て超音波送受波器１，２，３よりも外側位置に設置された場合において、支柱による風速の乱れの、風速の測定精度への影響を低減する支柱７の位置を示した。こうした目的を達成する為の支柱の位置は、上記の実施例に限られない。
【００４６】
図４は本発明のその他の実施例による反射型超音波風速計の構成を示す平面図である。この図に示すように、円柱形状の保持体６の先端面である保持面４に、３個の超音波送受波器（電気音響変換素子等の超音波素子）１，２，３が、それぞれの中心１ａ，２ａ，３ａを二点鎖線で示す正三角形の３個の頂点のそれぞれに一致させるように配置されている。
【００４７】
そして本実施例では、保持面４の中心部４ａから、ステンレス鋼やモリブデンやタングステンなどの高硬度の１本の支柱７が上方に突出されており、その先端には、保持面４とほぼ同一径の反射板（不図示）が保持されている。反射板５は１本の支柱７により保持面４と平行な状態で対向させて支持されている。
【００４８】
この場合、シミュレーション結果から常に２つの超音波伝播経路へ支柱による風の乱れが及んでしまう風向きの範囲は、支柱１本当たり約３０°となった。支柱７は３本有るので、全風向範囲を考慮すると約９０°（＝約３０°×３本）となる。したがって、本実施例の支柱配置においても、水平面内の全風向範囲において図６の従来技術よりも風速の測定誤差を小さくことができる。
【００４９】
しかし反射板５の支柱７は、図１に示した実施例のように３本均等に設けられている方がより望ましい。超音波素子の保持面４と反射板５との対向状態が安定するため、風によって反射板５が振動したり、風に反射板５が煽られて保持面４との対向位置関係が変わったりして風速測定を乱すという懸念が無くなるからである。
【００５０】
尚、以上説明した各実施例では、超音波送受波器の中心に立てた法線を互いに平行に保った状態で各送受波器１，２，３を保持面４に配置する構成を示した。しかしながら、各送受波器の中心に立てた法線線を前方に互いに交差するように多少傾けて配置することにより、各送受波器が反射板５の中心方向に向けて放射されるように配置する構成を採用することもできる。
【００５１】
さらに、上記の各実施例では反射板５の送受波器１，２，３側の面が保持面４と平行に形成されている場合を例示したが、保持面４から離れる方向に凸状に湾曲する反射板５が形成されていてもよい。このように反射板５を形成した場合、一の送受波器から他の送受波器へ送出された超音波が風で流されても、反射板５の音波反射面部分の傾斜角の違いによって他の送受波器に入りやすくなり、受信効率が上がる。
【符号の説明】
【００５２】
１，２，３    超音波送受波器
４    保持面
５    反射板
６    保持体
７    支柱
【図１】
0005605704.tif 000002
【図２】
0005605704.tif 000003
【図３】
0005605704.tif 000004
【図４】
0005605704.tif 000005
【図５】
0005605704.tif 000006
【図６】
0005605704.tif 000007
【図７】
0005605704.tif 000008
【図８】
0005605704.tif 000009