(57)【要約】【課題】小型で、しかも、音響ノイズを低減して高精度で風向風速の計測を行うことのできる風向風速計測装置を提供することを目的とする。【解決手段】被測定流体２が流れる流路部６が形成された筐体４と、流路部６に対して所定の傾き角をもって設置される一対の超音波送受信部１Ａ,１Ｂとを備え、一対の超音波送受信部１Ａ,１Ｂの間で送受される超音波の伝播時間に基づいて被測定流体２の風向と風速を計測する風向風速計測装置１００において、流路部６の軸方向に沿って間隔を保って設けられ、一対の超音波送受信部１Ａ,１Ｂを筐体４に固定する２枚一対の分離された固定プレート５１,５２を備え、一対の超音波送受信部１Ａ,１Ｂの夫々を、振動の伝達を防止するための防振部材２０を介して２枚一対の分離された固定プレート５１,５２の夫々に取り付けることにより、音響ノイズの影響を低減するようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定流体が流れる流路部が形成された筐体と、前記流路部に対して所定の傾き角をもって設置される一対の超音波送受信部とを備え、前記一対の超音波送受信部の間で送受される超音波の伝播時間に基づいて被測定流体の風向と風速を計測する風向風速計測装置において、
前記流路部の軸方向に沿って間隔を保って設けられ、前記一対の超音波送受信部を前記筐体に固定する２枚一対の分離された固定プレートを備え、
前記一対の超音波送受信部の夫々を、振動の伝達を防止するための防振部材を介して前記２枚一対の分離された固定プレートの夫々に取り付けることにより、音響ノイズの影響を低減するようにしたことを風向風速計測装置。
【請求項２】
請求項１に記載の風向風速計測装置において、
前記超音波送受信部はセンサ本体から外方に張り出したフランジを有し、
前記固定プレートには前記超音波送受信部のセンサ本体と嵌合する取り付け穴が設けられており、
前記超音波送受信部のフランジ部の下面と前記固定プレートの上面との間にゴム材料からなる前記防振部材を介挿し、前記一対の超音波送受信部を保持するようにしたことを特徴とする風向風速計測装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の風向風速計測装置において、前記一対の超音波送受信部が配置されている側と反対側の前記流路部の内壁面に超音波を反射する反射部材を設けたことを特徴とする風向風速計測装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れかに記載の風向風速計測装置において、前記固定プレートと前記流路部との間にメッシュからなる整流部材を設けるようにしたことを特徴とする風向風速計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気流監視が必要な装置や施設下で正確に風向風速の計測を行うための風向風速計測装置に係り、特に、半導体製造装置の排気管、クリーンルームやサーバールーム内などの風向風速の計測を行うに好適な装置に関する。
【０００２】
気体の風向風速を計測する装置として、特開昭５３−４３５７４号公報（特許文献１）に記載されている熱線式のもの、特開平８−３０４４３５号公報（特許文献２）や特開２０１２−１０３０４０号公報（特許文献３）に記載されている超音波式のものが知られている。
【０００３】
このうち、超音波式の風向風速計測装置は、原理的にゼロ風速の計測が可能で、風速に対してリニアな出力が得られるという特徴があり、高精度な風向風速計測が要求される分野で用いられている。また、この超音波式の風向風速計測装置に、温度変化に起因する音速変化の影響を除去するための音速補正手段を付加することにより、使用環境や気体の温度に依存せず高精度で風速を計測することが可能になる。
【０００４】
超音波式風向風速計測装置の測定方法に関しては、一対の超音波送受信部を気体の流れる流路部を間に挟んで相対向するように配置する「Ｚ法（図３参照）」と呼ばれる測定方法や、一対の超音波送受信部を流路部の一方の壁側に配置する「Ｖ法（図４参照）」と呼ばれる測定方法などが知られている。ここでは、原理を説明する上で理解しやすいＺ法を適用した超音波式風向風速計測装置を例にして従来装置の概要について説明する。
【０００５】
図３は、Ｚ法による超音波式風向風速計測装置の測定原理を示す図である。
超音波式風向風速計測装置は、超音波の送受信を行う一対の超音波送受信部１Ａ，１Ｂ、被測定対象としての気体が流れる流路部６、図示しない伝播時間計測回路等を含む信号処理回路から構成される。超音波送受信部１Ａは、流路部６の中心軸に対してθだけ傾けて設置され、かつ、超音波送受信部１Ａと超音波送受信部１Ｂとは流路部６を間に挟んで相対向するように設置される。
【０００６】
いま、圧電振動子からなる超音波送受信部１Ａに、図５（ａ）に示すようなパルス電圧を印加すると、超音波送受信部１Ａから流路部６内に向けて超音波が出射され、流路内を伝播した超音波は超音波送受信部１Ｂで受信され、図５（ｂ）に示すような超音波受信信号が得られる。
【０００７】
ここで、風速がゼロの時の超音波の伝播時間Ｔは、次式（１）
Ｔ＝Ｌ／Ｃ・・・（１）
で表される。但し、Ｌは超音波の伝播経路長、Ｃは流路中を流れる気体固有の音速である。
【０００８】
いま、流路部６中を気体が風速Ｖ１で流れると、伝播時間Ｔ１は図５（ｃ）のように変化する。このときの超音波の伝播時間Ｔ１は、次式（２）
Ｔ１＝Ｌ／Ｃ１・・・（２）
で表される。
【０００９】
ここでＣ１は風速の影響を受けた時の気体の流速であり、次式（３）
Ｃ１＝Ｃ＋Ｖ１ｃｏｓθ・・・（３）
で表される。
【００１０】
式（３）を式（２）に代入して風速Ｖ１について解くと、次式（４）
Ｖ１＝Ｌ／Ｔ１ｃｏｓθ―Ｃ・・・（４）
となり、超音波の伝播時間Ｔ１を計測することで風速Ｖ１を計測できる。またこのときのＶ１の符号が風向を示すこととなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開昭５３−４３５７４号公報
【特許文献２】特開平８−３０４４３５号公報（段落〔０００５〕〜〔０００６〕、図１）
【特許文献３】特開２０１２−１−３０４０号公報（段落〔００２３〕〜〔００２５〕、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところで、気流監視が必要な各種の装置や施設における取付けスペースに関する制約から最近では風向風速計測装置の小型化が強く求められているが、風向風速計測装置を小型化しようとして１対をなす超音波送受信部相互間の距離（配置間隔）を短く設定すると音響的な分離が難しくなり、場合によっては、直接的に筐体中を伝わる超音波の信号レベルが気中を伝わる超音波の信号レベルより大きくなって、風向風速計測が出来なくなるという問題がある。
【００１３】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、小型で、しかも、筐体中を伝わる超音波を低減して高精度で風向風速の計測を行うことのできる風向風速計測装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
請求項１の発明は、被測定流体が流れる流路部が形成された筐体と、前記流路部に対して所定の角度をもって設置される一対の超音波送受信部とを備え、前記一対の超音波送受信部の間で送受される超音波の伝播時間に基づいて被測定流体の風向と風速を計測する風向風速計測装置において、前記流路部の軸方向に沿って間隔を保って設けられ、前記一対の超音波送受信部を前記筐体に固定する２枚一対の分離された固定プレートを備え、前記一対の超音波送受信部の夫々を、振動の伝達を防止するための防振部材を介して前記２枚一対の分離された固定プレートの夫々に取り付けることにより、音響ノイズの影響を低減するようにしたことを特徴とする。
【００１５】
請求項２の発明は、請求項１に記載の風向風速計測装置において、前記超音波送受信部はセンサ本体から外方に張り出したフランジを有し、前記固定プレートには前記超音波送受信部のセンサ本体と嵌合する取り付け穴が設けられており、前記超音波送受信部のフランジ部の下面と前記固定プレートの上面との間にゴム材料からなる前記防振部材を介挿し、前記一対の超音波送受信部を保持するようにしたことを特徴とする。
【００１６】
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の風向風速計測装置において、前記一対の超音波送受信部が配置されている側と反対側の前記流路部の内壁面に超音波を反射する反射部材を設けたことを特徴とする。
【００１７】
請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３の何れかに記載の風向風速計測装置において、前記固定プレートと前記流路部との間にメッシュからなる整流部材を設けるようにしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、流路部の中心軸に対して所定の傾き角をもって設置される一対の超音波送受信部の夫々を、流路部の軸方向に沿って間隔を保って設けられている２枚一対の分離された固定プレートの夫々に防振部材を介して取り付ける構成としたことにより、一対の超音波送受信部を近接配置しても、超音波送受信部から発生する音響ノイズが筐体側へ伝わることがなく、超音波送受信部は被測定流体中を伝搬してきた超音波を確実に検知することができるので、装置全体をコンパクトにし、しかも高精度で風向風速の計測を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の風向風速計測装置の構成を示す図である。
【図２】超音波送受信部を保持する固定プレートの筐体への取付けを説明するための図で、図１のA-A線に沿った下面図である。
【図３】Ｚ法を用いた従来の超音波式風向風速計測装置の原理図である。
【図４】Ｖ法を用いた従来の超音波式風向風速計測装置の原理図である。
【図５】超音波送受信部の駆動波形、風速ゼロの時の受信波形、及び風速Ｖ１の時の受信波形の一例である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に、添付図面を参照して、本発明に係る風向風速計測装置の好適な実施の形態について詳細に説明する。
図１は風向風速計測装置の構成を示す図である。本発明の風向風速計測装置１００は、小型化した場合でも十分な超音波の伝搬経路長を確保できるように、基本構成としてＶ法を用いるものとしている。
【００２１】
風向風速計測装置１００は、被測定対象流体２の流れる流路部６を有する筐体４、流路部６の上方に配置された一対の超音波送受信部１Ａ，１Ｂ、超音波送受信部１Ａ，１Ｂを保持する２枚の固定プレート５１,５２、パルス発生器７、切替ＳＷ８、増幅回路９、及び時間計測回路１０からなる電子回路部、流路部６の内壁面に設けられた反射板１３などで構成される。
【００２２】
超音波送受信部１Ａ,１Ｂは、センサ本体の上部から外方に張り出したフランジ１１を有している。また、図２に示すように、矩形状の固定プレート５１,５２には、超音波送受信部１Ａ,１Ｂのセンサ本体と嵌合する取付け穴５１a,５２aが設けられている。２０は、振動の伝達を防止するためのゴム材料からなる防振部材で、固定プレート５１,５２と同様に超音波送受信部１Ａ,１Ｂのセンサ本体が貫通する穴が設けられている。
【００２３】
超音波送受信部１Ａ,１Ｂのセンサ本体を防振部材２０の穴に嵌め込んだ後、固定プレート５１,５２の取付け穴に挿入し、超音波送受信部１Ａ,１Ｂのフランジ１１の２箇所をねじ１２で固定プレート５１,５２に固定する。超音波送受信部１Ａ,１Ｂのフランジ１１の下面と固定プレート５１,５２の上面との間に介挿された防振部材２０が圧縮変形し、超音波送受信部１Ａ,１Ｂは固定プレート上に保持固定される。
【００２４】
そして、超音波送受信部１Ａ,１Ｂを保持する固定プレート５１,５２は、筐体４の両側壁に設けられたガイド溝４１に一方の端縁を支持され、流路部６の中心軸に対して所定の傾き角θをもって筐体４に固定される。なお、固定プレート５１,５２は、筐体４へ取り付けられた状態で固定プレート５１,５２の他方の端縁同士が接触しないように、流路部６の軸方向に沿って僅かな間隔を保って配置される。
【００２５】
このように２枚の固定プレート５１,５２を筐体４に固定することにより、一方の超音波送受信部１Ａ（１Ｂ）から出射された超音波は、超音波送受信部が設置されている側と反対側の流路部６の中央部分に埋め込まれた高い反射率を有する反射板１３で反射し、他方の超音波送受信部１Ｂ（１Ａ）にて受信される。
【００２６】
また、２１は、固定プレート５１,５２と流路部６との間に設置されたメッシュからなる整流部材である。この整流部材２１は、流路部６の入口から出口に渡って設けられており、流路部６を通過する被測定流体の流れに乱れが生じないようにしている。
【００２７】
４３は、固定プレート５１,５２の上方に設けられた隔壁で、上述した電子回路部の収納空間を形成している。この収納空間に、パルス発生器７、切替ＳＷ８、増幅回路９、及び時間計測回路１０などからなる電子回路部を収納した後、筐体４の側壁上端にパッキン１４を装着し、蓋体４２で塞ぐことにより、収納空間内部を気密にしている。
【００２８】
上述の如く構成された風向風速計測装置１００によれば、一対の超音波送受信部１Ａ,１Ｂの夫々を、振動の伝達を防止するための防振部材２０を介し、流路部６の軸方向に沿って間隔を保って設けられている２枚一対の分離された固定プレート５１，５２の夫々に取り付けるようにしたことにより、一対の超音波送受信部１Ａ,１Ｂを近接させても、超音波送受信部１Ａ,１Ｂから発生する音響ノイズが固定プレート５１、５２を経由して筐体４側へ伝わることがなく、超音波送受信部１Ａ,１Ｂは被測定流体２を伝搬してきた超音波を確実に検知することができるので、装置の流体の流れ方向の寸法を小さくして小型化を図ると共に、高精度で風向風速の計測を行うことが可能になる。
【００２９】
次に、風向風速計測装置１００の動作について説明する。
まず、パルス発生器７から出力される送信パルス電圧を切替ＳＷ８を介して一方の超音波送受信部１Ａに印加すると、流路部６の内部に向けて超音波が出射される。その直後に、切替ＳＷ８が超音波送受信部１Ｂ側に切り換えられ、反射板１３で反射した超音波は、超音波送受信部１Ｂで受信されて電気信号に変換される。
【００３０】
この超音波受信信号は増幅回路９で増幅された後に時間計測回路１０に入力され、時間計測回路１０により超音波送受信部１Ａから出射された超音波が超音波送受信部１Ｂに到達するまでの伝播時間が計測される。続けて、切替ＳＷ８の切替動作により、超音波送受信部１Ｂを送信側、超音波送受信部１Ａを受信側に切り替えて、同様に超音波伝播時間の計測が行われる。
【００３１】
そして、時間計測回路１０は、被測定流体２の流れと同方向（順方向）の超音波伝播時間と逆方向の超音波伝播時間との差に基づき、次式（５）を用いて風向風速の演算を行う。
【００３２】
Ｖ＝Ｃ２（ｔ２−ｔ１）／２Ｄｔａｎθ・・・（５）
但し、Ｄ：流路部の内径、Ｃ：流路中を流れる被測定流体固有の音速、
ｔ１：順方向の超音波伝播時間、ｔ２：逆方向の超音波伝播時間、である。
【００３３】
なお、上記演算式については、従来公知のＶ法を適用した風向風速計測装置と同じであるため説明を省略する。
【符号の説明】
【００３４】
１Ａ,１Ｂ：超音波送受信部、１１：フランジ
２：被測定流体
４：筐体
５１,５２：固定プレート
６：流路部
７：パルス発生器
８：切替ＳＷ
９：増幅回路
１０：時間計測回路
１３：反射板
２０：防振部材
２１：整流部材
【図２】
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【図５】
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【図１】
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【図３】
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【図４】
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