(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
風の流れによって変化する自己加熱された風速検知用サーミスタからの出力電圧と、ＣＰＵからＲＯＭのルックアップ・テーブルに対するアドレス・スキャンによってアクセスされるＲＯＭデータのＤ／Ａ変換された電圧とが、比較器により比較され、前記各電圧が一致したときを測定点とする風速測定方法であって、定温度回路による風速検知用サーミスタの自己加熱温度が負性抵抗領域の最低温度近傍に設定され、前記定温度回路と前記比較器との間には、サンプル＆ホールド回路が接続され、前記ルックアップ・テーブルには、風速値がＲＯＭアドレスとされ、サーミスタの自己加熱による自己対流の影響を含んだままの基準電圧が前記ＲＯＭアドレスのデータとして記憶され、前記ルックアップ・テーブルへのアドレス・スキャンが全アドレスに対して行なわれ、且つその時間帯は前記定温度回路からの出力がホールドされ、前記比較器からＣＰＵのインターフェイスを介して入力された一致信号によって、当該ＲＯＭアドレスが全アドレス・スキャン直後にＣＰＵのアキュームレータを介してデジタルの風速値として出力される手段を有することを特徴とする風速測定方法。
【請求項２】
風の流れによって変化する自己加熱された風速検知用サーミスタからの出力電圧と、ＣＰＵからＲＯＭのルックアップ・テーブルに対するアドレス・スキャンによってアクセスされるＲＯＭデータのＤ／Ａ変換された電圧とが、比較器により比較され、前記各電圧が一致したときを測定点とする風速測定装置であって、定温度回路による風速検知用サーミスタの自己加熱温度が負性抵抗領域の最低温度近傍に設定され、前記定温度回路と前記比較器との間には、サンプル＆ホールド回路が接続され、前記ルックアップ・テーブルには、風速値がＲＯＭアドレスとされ、サーミスタの自己加熱による自己対流の影響を含んだままの基準電圧が前記ＲＯＭアドレスのデータとして記憶され、前記ルックアップ・テーブルへのアドレス・スキャンが全アドレスに対して行なわれ、且つその時間帯は前記定温度回路からの出力がホールドされ、前記比較器からＣＰＵのインターフェイスを介して入力された一致信号によって、当該ＲＯＭアドレスが全アドレス・スキャン直後にＣＰＵのアキュームレータを介してデジタルの風速値として出力される手段を有することを特徴とする風速測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、定温度に発熱されたサーミスタが風の流れから受ける影響を検知して、気体の速度を測る風速測定方法及び装置に関し、特に微風速領域の測定方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、熱線式風速計に代わって、検知素子にサーミスタを使用したサーミスタ式風速計が利用されるようになってきた。これは、熱線式に比べサーミスタ式のほうが小型で点状の発熱体であるので気流を乱さず、指向性も少ないため正確な測定ができ、特に微風速の領域においては、その効果が顕著なためである。
【０００３】
しかしながら、このようなサーミスタ式風速計もサーミスタを発熱させて使用するため、定温度回路からの出力は熱線式風速計におけるブリッジからの出力と同様、図５の曲線で示すように「出力電圧は風速の１／４乗に比例する」というＫＩＮＧの式にほぼ従うような非直線性の大きな特性となる。
【０００４】
このような特性をデジタル表示するためにはリニアライザーが必要であり、リニアライズ方法としては、一般的に折れ線近似方式やＲＯＭ内のルックアップ・テーブルからデータを逐次アクセスするテーブル・ルックアップ方式が使用されるが、非直線性の強い特性に対しては、特に、アクセスされたデータをそのまま直接後段の表示器等に送る直接テーブル・ルックアップ方式による数値変換を行なったほうが経済的である。
【０００５】
直接テーブル・ルックアップ方式によるリニアライズ方法は、図６に示したように、風速検知用サーミスタ１１が接続された定温度回路１２の出力電圧がＡ／Ｄ変換器１５に入力され、前記Ａ／Ｄ変換器１５からバイナリー出力された値はＲＯＭ１６のＲＯＭアドレス値として入力される。図５に表したように、ＲＯＭ１６では出力電圧ａに対応するＲＯＭアドレスがアクセスされると、該当するＲＯＭデータがルックアップ・テーブルから基準特性上の風速値ｂ’として表示器１７へ出力される。このときルックアップ・テーブルには、あらかじめサーミスタの自己加熱による自己対流の影響を除去した風速特性値が入力されている。（図５線分ａｑ’→ｑ’ｂ’）
このようなリニアライズ方法による測定値変換方式は、回路構成が簡単で高速で変換できるという利点を有する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の方法によると次のような問題があった。
従来の図６に示した回路による測定方法は、出力電圧をＲＯＭアドレスとして、それに対応する図５の破線で示されたような自己加熱による自己対流成分を除去した電圧−風速特性上の風速値が、ＲＯＭのルックアップ・テーブルに記憶されている。このため、定温度回路からの出力電圧が１／４乗特性のように非直線性の強い特性の場合には、出力電圧が大きい領域では出力電圧の変化に対する風速の変化は非常に大きくなり、これをＲＯＭのルックアップ・テーブルに当てはめると、ＲＯＭの１アドレス変化に対して得られるＲＯＭデータの値はいくつかの風速値を含んだ誤差の大きな値となってしまう。一方、出力電圧が小さい領域では出力電圧の変化に対する風速の変化は非常に小さくなり、これをＲＯＭのルックアップ・テーブルに当てはめると、ＲＯＭの１アドレス変化に対して得られるＲＯＭデータの値は出力電圧の変化に対応できず同じ風速値となってしまう。このように、どちらの領域においても精度が落ちてしまうという欠点があった。さらに、前記傾きの大きな領域に対しての不連続現象を防ぐために風速値を細かく得ようとすると、Ａ／Ｄ変換器の分解能を大幅に上げ出力電圧を細かく設定する必要があり、それによってルックアップ・テーブルが増大し、ＲＯＭは大きなメモリ容量を必要として、急激に経済性を失ってしまう。
【０００７】
また、微風速領域の測定においては、自己加熱による自己対流の影響を除去しなければならないが、これは、サーミスタのマウント状態を考慮した複雑な熱伝導のシミュレーション計算を行なうことによって、図５の破線で示すような特性を得なければならず、複雑さと精度の点で容易ではない。
【０００８】
この理由は次のとおりである。
図５において任意の出力電圧ａは、同図実線で示される自己対流を含んだ実測特性（以下、実測特性と称する）上では点ｐに該当し、破線で示される自己対流を除去した特性（以下、除去特性と称する）上では点ｑ’に該当する。ここで、該実測特性上の点ｐも同特性を有する出力電圧ａに対する点ｐも、該除去特性に対して線分ｐｑ’，風速差として線分ｂｂ’を共有している。しかし、これは風速という物理量であり、電気回路のバイアスのように「比較」という差分操作によって直接キャンセルすることはできない。したがって、出力電圧ａから風速を求めるには複雑なシミュレーション計算によって図５の破線で示した該除去特性上の点ｑ’から風速値ｂ’が求められなければならない。
【０００９】
本発明はこのような従来の欠点を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、複雑なシミュレーション計算をすることなく、自己対流分を含んだままの特性を使いながらおのずからその成分が除かれ、且つリニアライズも同時に行なわれることによって、高い精度を有するサーミスタ風速測定方法及び装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記目的を解決するべく本発明による風速測定方法及び装置は、風の流れによって変化する自己加熱された風速検知用サーミスタからの出力電圧と、ＣＰＵからＲＯＭのルックアップ・テーブルに対するアドレス・スキャンによってアクセスされるＲＯＭデータのＤ／Ａ変換された電圧とが、比較器により比較され前記各電圧が一致したときを測定点とするものであって、
定温度回路による風速検知用サーミスタの自己加熱温度が負性抵抗領域の最低温度近傍に設定され、
前記定温度回路と前記比較器との間には、サンプル＆ホールド回路が接続され、前記ルックアップ・テーブルには、風速値がＲＯＭアドレスとされ、サーミスタの自己加熱による自己対流の影響を含んだままの基準電圧が前記ＲＯＭアドレスのデータとして記憶され、
前記ルックアップ・テーブルへのアドレス・スキャンが全アドレスに対して行なわれ、且つその時間帯は前記定温度回路からの出力がホールドされ、
前記比較器からＣＰＵのインターフェイスを介して入力された一致信号によって、当該ＲＯＭアドレスが全アドレス・スキャン直後にＣＰＵのアキュームレータを介してデジタルの風速値として出力される手段を有することを特徴とするものである。
【００１１】
【作用】
上記構成による本発明の風速測定方法及び装置は、必要な桁数の風速値をＲＯＭアドレスとし、風速値に対応する実測電圧をＲＯＭデータとしている（図５線分ｂｐ→ｐａ）ので、サーミスタが風の流れに対して示す固有な実測特性が基準とされれば、未知の風速入力も同じ特性上にあり、自己対流成分はおのずから除去され、複雑なシミュレーション計算は不要となる。
【００１２】
この理由は次のとおりである。
図５において、任意の風速ｂは同図実線で示される該実測特性上では点ｐに該当し、破線で示される該除去特性上では点ｑに該当する。ここで、該実測特性上の点ｐも同特性を有する風速入力ｂに対する点ｐも、該除去特性に対して線分ｐｑ，電圧差として線分ａｃを共有している。しかし、これは電圧という物理量であり、電気回路のバイアスに該当し「比較」という差分操作によって直接キャンセルされるのは自明である。したがって、風速入力から電圧を求めるには複雑なシミュレーション計算によって図５の破線で示した該除去特性上の点ｑから風速値ｂを求めなくても、該実測特性上でも自己対流はおのずから除去される。
【００１３】
また、ＲＯＭのアドレス・スキャンは実測特性上を動くので、同特性の未知の風速入力との比較一致動作はおのずからリニアライズ動作となる。さらに、風速値を表すＲＯＭアドレスをスキャンするので、特性の傾きが大きい領域では、風速値が不連続になることはなく、特性の傾きが小さい領域では、その分解能はＤ／Ａ変換器とアナログ比較器による分解能まで上げられるため、風速値を表すＲＯＭアドレスが重複することはほとんどない。このように従来の欠点を全て解決できる測定方法及び装置を提供することができる。
【００１４】
【実施例】
以下、図面を参照して本発明を更に詳しく説明する。図４は、本発明の一実施例を示すサーミスタ風速センサ・プローブの斜視図である。同図において、絶縁ベース２１に直立するステンレスの支柱２２，２２’，２３，２３’に熔接された２本の特性の揃った小型サーミスタのうち、符号１は自己加熱された風速検知用サーミスタであり、符号８は自己加熱されない温度検知用サーミスタである。
【００１５】
これらのサーミスタ１，８は寸法がφ０．９ｍｍ×１．２ｍｍのアキシャルリード・タイプであり、Ｒ（２５℃）＝５．４６ｋΩ，Ｂ定数（０／１００℃）＝３３９０Ｋである。風速検知用サーミスタ１は支柱２２，２２’間を長いリード線で接続され、温度検知用サーミスタ８は気流を乱さないように風速検知用サーミスタ１よりも離して、しかもやや風下に、支柱２３，２３’間を短いリード線で接続され設置される。
【００１６】
図３（ａ）に示すように、風速検知用サーミスタ１は、オペアンプとトランジスタからなる定温度回路２に接続される。ここでオペアンプはＯＰ−０７，トランジスタは２ＳＣ７９４，Ｒ１＝１．５ｋΩ，Ｒ２＝４６．９２ｋΩ，Ｒ３＝３９Ω，Ｖｃｃ＝１２Ｖである。
【００１７】
この回路の動作は、風の流れによって変化する風速検知用サーミスタ１の抵抗値の変化分に相当する電圧差がオペアンプとトランジスタを介してサーミスタ１と抵抗Ｒ１〜Ｒ３からなる抵抗ブリッジに偏差電力としてフィードバックがかかり、風速検知用サーミスタ１の自己加熱量を変え抵抗値を常に一定に保つので定温度動作となり、出力Ｖｏｕｔ  はサーミスタ１にかかる前記フィードバック電力の変化を電圧の変化として取り出すものである。
【００１８】
このような動作と回路定数によって風速検知用サーミスタ１の動作温度は、図３（ｂ）に示すように風速検知用サーミスタ１の電圧−電流特性において、負性抵抗領域の最低温度近傍である７０℃に設定される。この温度は、自己対流の影響を極力少なく保ちながら、電圧−電流特性に交差する定温度動作線上での風速感度が最大となるように選定されたものである。
【００１９】
次に、図１を用いて本発明の風速測定方法を説明する。同図において、図３（ａ）のように構成された、風速検知用サーミスタ１と定温度回路２からの出力は、サンプル＆ホールド回路３に入力される。
【００２０】
一方、マイクロコンピュータ６（ＴＭＰ４７Ｐ４００ＶＮ，東芝社製４ビットＣＭＯＳ）は、８ビットのワンタイムＰ−ＲＯＭを内蔵している。このＲＯＭには０〜２．００ｍ／ｓの風速に対応する４００番地幅のＲＯＭアドレスが、オフセット・アドレスが加算された状態で割り当てられ、８ビット幅のＲＯＭのデータエリアには、図５の実線で示される自己対流を含んだ実測特性に従い、風速に対応する基準電圧が２バイトに跨がって１２ビットのデータ長で記憶されている。以下この風速に関するＲＯＭのルックアップ・テーブルを風速マップエリアと称する。
【００２１】
マイクロコンピュータ６のＣＰＵ（中央処理装置）は前記ＲＯＭ内に予め記憶されているプログラムに従い、風速値に対応する風速マップエリアのアドレスを順次スキャンしていき、その都度基準電圧のデジタル値をアキュームレータを介して１２ビット幅の出力端子ＩＯ１からＤ／Ａ変換器５に出力していく。このとき、マイクロコンピュータ６のＣＰＵのアキュームレータは４ビットであるため、ＲＯＭデータは３回に分けてＩＯ１に送られ、１２ビットの風速値データが形成される。
【００２２】
Ｄ／Ａ変換器５の出力は比較器４に入力され、前記サンプル＆ホールド回路３の出力と比較される。未知の風速電圧とＲＯＭ内の基準電圧が一致したとき、比較器４からは一致信号が出力され、マイクロコンピュータ６の入力端子ＩＯ２に入力される。ＣＰＵはその信号に基づき、その時の２番地分のＲＯＭアドレスの先頭番地を風速値として一時レジスタまたはＲＡＭに格納しておき、前記風速マップエリアの全アドレスがスキャンされた直後にその値をアキュームレータでオフセット・アドレスを除き、１／２の操作を施してから出力端子ＩＯ４より３桁のＬＣＤ表示器７に送る。
【００２３】
ここで、ＣＰＵが風速マップエリアのアドレスをスキャンしている間に、定温度回路２からの出力が変化しては正確な測定ができないので、図２（ａ）に示すように、前記風速マップエリアの全アドレスがスキャンされ、且つその時間帯は、前記定温度回路２からの出力が、サンプル＆ホールド回路３にてサンプル＆ホールドされるようプログラムされており、その制御信号は出力端子ＩＯ３より出力される。
【００２４】
図２（ａ）の測定値は比較的低速で動作された例であり、１アクセス時間が０．７ｍｓの場合、１測定サイクル２００回，４００バイト分のアクセスでは、最少２８０ｍｓのサンプル＆ホールド時間が必要であるが、実際には、前後に１アクセス時間分の余裕をもって２８１．４ｍｓとされた。そして、最後に付加された１アクセス時間中に、風速値としてのＲＯＭアドレスがレジスタまたはＲＡＭからアキュームレータで上記の操作を施されて出力端子ＩＯ４に送られる。
一般的に、前記比較器４からの一致信号が出力されるまでの間だけ入力がサンプル＆ホールドされ、微風速では測定時間が短く、強風速では測定時間が長くなるような測定方法が考えられるが、本発明では、測定時間を上記のように一定にし、後段のデータ処理が容易に行なわれるように構成されている。
【００２５】
ここで、本実施例による測定精度を風洞試験によって測定した結果を図２（ｂ）に示した。風速測定範囲は０〜２．００ｍ／ｓ，気温は２５℃とした。これによれば、微風速領域においても誤差はフルスケールの±０．５％（±１ｄｉｇｉｔ）程度であり、市販の風速計ではほとんど見受けられない精度を実現できた。
【００２６】
このように高精度で安定な測定が実現できたのは、自己対流の影響をおのずから除去されることによって、リニアライズが正確に行なわれたためである。この点を確認するために、図４に示す風速センサ・プローブを無風状態でどのような方向に向けても、表示器のゼロ点ドリフトは±０．５％（±１ｄｉｇｉｔ）以内であった。この結果は、センサ・プローブの非対称性による熱放散の違いから生じる自己対流の変動がほとんど除去されていることを表している。
【００２７】
また、従来例として図６に示した直接テーブル・ルックアップ方式によるリニアライズ方法では、０〜２．００ｍ／ｓの測定に対し、１０倍に分解能を上げ２０００バイトのデータをＲＯＭに記憶させておかなければ、風速値の不連続や重複を目立たない程度まで減少させることができないのに対して、本実施例では、わずか４００バイトのアドレスが遊びなく１２ビットのデータ長に対応しているので、十分な分解能を有しており、使用するメモリ容量は極めてわずかでありながら、前記のような風速値の不連続や重複はない。
【００２８】
さらに従来の方法では、複雑なシミュレーション計算によって、ＲＯＭには自己対流成分が除去されたデータが記憶されているが、本実施例では、自己対流成分を含んだ実測データが記憶されていればよいので、複雑なシミュレーション計算をする必要がなくなった。
【００２９】
上述の結果から、本実施例による風速測定方法は、自己対流成分を含んだままの特性を基準としながら、その成分をおのずから除去して測定され、４ビットという小さなマイクロコンピュータと少ないＲＯＭ容量で、不連続や重複のない正確な測定が可能であることは明らかである。
【００３０】
本発明においてサーミスタは感温素子であり、気温の変化によっても風速の変化と同様に測定値が変わり、誤差を生じる。これを補償する手段として、本実施例では図４に示した温度検知用サーミスタ８が、図１に示したように温度変換回路９に接続される。本実施例における温度依存性はどの風速においても直線状であったので、温度変換回路９は単なる線形増幅器とされ、その出力はＤ／Ａ変換器５の基準電圧端子Ｖｒｅｆ  に温度依存性に相当する大きさで入力され、温度依存性を補償している。尚、温度を補償する手段は実施例に限定されず、温度検知用サーミスタ８の抵抗に応じて増幅度が変化する増幅器を利用して、定温度回路２の出力を補償する等、種々の手段も考えられる。
【００３１】
本発明は上記実施例に限定されない。本実施例では、風速検知用及び温度検知用のサーミスタとしてアキシャルリードのサーミスタを使用したが、ラジアルリードのサーミスタを使用し無指向性としてもよい。また、風速検知用サーミスタの支柱への取り付けは、垂直方向に限らず水平方向でもよい。さらに、マイクロコンピュータとして、ワンタイムＰ−ＲＯＭを内蔵したものを用いたが、マスク−ＲＯＭを内蔵したものでもよい。
【００３２】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、自己加熱による自己対流の影響を除くための複雑なシミュレーション計算をすることがなく、おのずから自己対流成分を除いた測定結果がリニアライズされた状態で得ることができ、測定風速値の不連続や重複がない正確な測定ができる。また、そのためのＲＯＭ容量は極めて少なくて済むので、非常に簡単なハードとソフトで微風速領域においても、精度の高い風速測定方法及び装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における風速測定回路の構成図である。
【図２】本発明の一実施例を示す図で、
（ａ）はサンプル＆ホールド回路の動作図，
（ｂ）は風洞試験測定結果図である。
【図３】本発明の一実施例を示す図で、
（ａ）は定温度回路の回路図，
（ｂ）は風速検知用サーミスタの電流−電圧特性図である。
【図４】本発明の一実施例を示す図で、一般的なサーミスタ風速センサ・プローブの斜視図である。
【図５】本発明の実施例および従来例で使用される風速検知用サーミスタの風速−電圧特性図である。
【図６】従来例を示す図で、テーブル・ルックアップ方式による風速測定回路の構成図である。
【符号の説明】
１‥‥風速検知用サーミスタ
２‥‥定温度回路
３‥‥サンプル＆ホールド回路
４‥‥比較器
５‥‥Ｄ／Ａ変換器
６‥‥マイクロコンピュータ
７‥‥表示器
８‥‥温度検知用サーミスタ
９‥‥温度変換回路
【図１】
0003616836.tif 000002
【図２】
0003616836.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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