(57)【要約】  熱式風速計では、電流を通電して発熱させたときに熱放散量が風速によって変化する熱式風速センサが用いられ、その熱放散量の変化に基づいて風速を測定することができる。この風速計の本体（１０）のケース（１２）内に大気圧を測定する大気圧センサ（２６）を取付ける。そして熱式風速計より測定された風速値を大気圧に基づいて補正して表示し、保持する。これによって測定した場所での大気圧に基づいて補正した後の正確な風速値を得ることができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流を通電して発熱させ、そのときに熱放散量が風速によって変化する熱式風速センサと、
大気圧を測定する大気圧センサと、
前記熱式風速センサからの熱放散量に基づいて前記熱式風速センサの周囲の風速を演算する風速演算部と、
前記風速演算部で測定された風速値を前記大気圧センサで測定された大気圧に基づいて補正する風速補正演算部と、を具備する風速計。
【請求項２】
前記風速演算部は、風速を標準気圧Ｐ0として校正した風速値Ｕを出力するものであり、
前記風速補正演算部は、前記風速演算部で測定された風速値をＵ、大気圧をＰmとすると、次式
Ｕm＝Ｕ・Ｐ0／Ｐm
に基づいて補正し、補正した風速値Ｕmを出力するものである請求項１記載の風速計。
【請求項３】
前記熱式風速センサは、ブリッジ回路の一端に挿入されたものであり、
前記風速演算部は、前記ブリッジ回路の２つの中点の電圧差を入力とし、温度差が一定となるように帰還する帰還増幅器を含み、前記帰還増幅器の帰還量に基づいて風速を測定するものである請求項１記載の風速計。
【請求項４】
前記熱式風速計は測定部に保持されており、
前記大気圧センサ、前記風速演算部及び風速補正演算部とを含む本体部が前記測定部から分離されている請求項１〜３のいずれか１項記載の風速計。
【請求項５】
前記風速計は、
風温センサと、
標準状態を温度が２７３°Ｋ、大気圧が１気圧の状態とすると、前記風速計の熱式風速センサが配置される領域の断面積の値が入力され、風速値に断面積を乗じて風量値とし、前記大気圧センサで測定された大気圧及び前記風温センサで測定された温度の値を用いて標準状態のときの風量値に換算する風量算出部と、を更に有する請求項１〜３のいずれか１項記載の風速計。
【請求項６】
前記大気圧センサは、前記風速計のケース内に保持されている請求項１〜５のいずれか１項記載の風速計。
【請求項７】
前記ケースは、ケースの外部の気圧を前記ケース内の前記大気圧センサに導く開口を有する請求項６記載の風速計。
【請求項８】
前記ケースは蓋を有しており、前記ケースと前記の蓋との間に設けられた隙間を開口とする請求項７記載の風速計。
【請求項９】
前記ケースの開口は、前記大気圧センサの形状に相当するものであり、
前記大気圧センサは、この開口を防ぐように取付けられ、前記大気圧センサの検出部を前記ケースの外部に露出するように配置した請求項７記載の風速計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は熱式風速センサを加熱して風速の測定を行う風速計に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には熱式風速センサとして白金線を用いた風速計が示されている。この風速計は白金線をホイートストンブリッジの一端に接続して白金線に通電し、所定の温度に加熱し、ブリッジ回路に定電流を供給して白金線を一定の高温に保つか、又は電流帰還制御を行って白金線と周囲温度との差を一定となるように制御する。そして白金線を通過する風の風速に応じて定常状態から変化する際に、ブリッジ回路に流れる電流等を測定して風速を測定するものである。このような風速計は通常、大気圧が１気圧の条件で正確な風速値となるようにあらかじめ校正されている。【０００３】
【特許文献１】特開平４−３３２８６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかるにこのような従来の熱式風速計においては、大気圧は風速の測定値に影響を及ぼし、大気圧が１気圧より高ければ測定値は実際よりも大きく、１気圧より低ければ測定値は実際よりも小さく表示されることになる。従って正確に風速を測定する必要がある場合には、その場所の大気圧を測定して補正する必要がある。従来の熱式風速計では測定時に使用者が大気圧を調べ、風速測定後にユーザが大気圧に基づいて補正演算を行い、風速値としていた。【０００５】
又電源を投入したときにユーザが別途測定した大気圧の値を入力することによって風速値の自動補正を行うようにした風速計も使用されている。しかしこのような風速計においても使用者が別途大気圧を測定して入力する必要があり、測定に手間がかかるという問題点があった。【０００６】
本発明はこのような熱放散量が風速によって変化することから風速を測定する従来の風速計の問題点に鑑みてなされたものであって、大気圧を使用者が測定したり入力する必要がなく、自動的に風速値を補正することができる風速計を提供することを技術的課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この課題を解決するために、本発明の風速計では、電流を通電して発熱させ、そのときに熱放散量が風速によって変化する熱式風速センサと、大気圧を測定する大気圧センサと、前記熱式風速センサからの熱放散量に基づいて前記熱式風速センサの周囲の風速を演算する風速演算部と、前記風速演算部で測定された風速値を前記大気圧センサで測定された大気圧に基づいて補正する風速補正演算部と、を具備するものである。【０００８】
ここで前記風速演算部は、風速を標準気圧Ｐ0として校正した風速値Ｕを出力するものであり、前記風速補正演算部は、前記風速演算部で測定された風速値をＵ、大気圧をＰmとすると、次式
Ｕm＝Ｕ・Ｐ0／Ｐm
に基づいて補正し、補正した風速値Ｕmを出力するものとしてもよい。【０００９】
ここで前記熱式風速センサはブリッジ回路の一端に挿入されたものであり、前記風速演算部は、前記ブリッジ回路の２つの中点の電圧差を入力とし、温度差が一定となるように帰還する帰還増幅器を含み、前記帰還増幅器の帰還量に基づいて風速を測定するものとしてもよい。【００１０】
ここで前記熱式風速計は測定部に保持されており、前記大気圧センサ、前記風速演算部及び風速補正演算部とを含む本体部が前記測定部から分離されているようにしてもよい。【００１１】
ここで前記風速計は、風温センサと、標準状態を温度が２７３°Ｋ、大気圧が１気圧の状態とすると、前記風速計の熱式風速センサが配置される領域の断面積の値が入力され、風速値に断面積を乗じて風量値とし、前記大気圧センサで測定された大気圧及び前記風温センサで測定された温度の値を用いて標準状態のときの風量値に換算する風量算出部と、を更に有するようにしてもよい。【００１２】
前記大気圧センサは、前記風速計のケース内に保持されているようにしてもよい。【００１３】
ここで前記ケースは、ケースの外部の気圧を前記ケース内の前記大気圧センサに導く開口を有するようにしてもよい。【００１４】
ここで前記ケースは蓋を有しており、前記ケースと前記の蓋との間に設けられた隙間を開口とするようにしてもよい。【００１５】
ここで前記ケースの開口は、前記大気圧センサの形状に相当するものであり、前記大気圧センサは、この開口を防ぐように取付けられ、前記大気圧センサの検出部を前記ケースの外部に露出するように配置してもよい。
【発明の効果】
【００１６】
以上詳細に説明したように本発明によれば、従来の方法で測定した風速測定値を大気圧により補正することによって、風速の測定精度を大幅に向上させることができる。本発明の風速計では標高の高い場所で用いられる場合であっても、また大気圧の変動があっても、正確に風速を測定することができる。このため本発明では高精度の風速計に対して極めて有用となる。又請求項５の発明では、風速センサが用いられるダクトや風洞の断面積を入力し、標準状態のときの風量値に換算するノルマル補正を行い、補正した風量値を出力することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は本発明の第１の実施の形態による熱式風速計の正面図、側面図及びプローブを示す正面図である。
【図２】図２は本実施の形態による熱式風速計のブロック図である。
【図３】図３は本実施の形態による熱式風速計の動作を示すフローチャートである。
【図４】図４は本発明の第２の実施の形態による熱式風速計のブロック図である。
【図５】図５は本発明の第３の実施の形態による熱式風速計のブロック図である。
【図６】図６は本発明の第１〜第３の実施の形態による熱式風速計の変形例を示す側面図である。
【符号の説明】
【００１８】
１０  本体
１１  プローブ
１２  ケース
１２ａ，１２ｂ，１２ｄ  開口
１２ｃ  チューブ
１３  裏蓋
１３ａ  隙間
１４  表示部
１５  操作パネル
１６  基板
２１  白金線
２２  ブリッジ回路
２３  帰還増幅器
２４  増幅器
２５  Ａ／Ｄ変換器
２６  大気圧センサ
２７  ＣＰＵ
２８  メモリ
２９  操作部
３１  風速演算部
３２  大気圧演算部
３３  風速補正演算部
３４  風量算出部
４０  測定部
４１，５１  ＩＦ
４２  風温センサ
４３  マルチプレクサ
５０  本体部
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１（ａ）は本発明の第１の実施の形態による熱式風速計の正面図、図１（ｂ）はその側面図、図１（ｃ）はプローブの正面図である。本実施の形態の熱式風速計は図示のようにハンディ型の装置であり、熱式風速計本体１０の上部には図１（ｃ）に示すプローブ１１が着脱自在に取付けられている。本体１０はケース１２と電池等を交換するための裏蓋１３から成り立っている。そして本体１０の正面には液晶による表示部１４が設けられ、下方には種々の設定のための操作パネル１５が設けられている。又本体１０の内部には図１（ｂ）に一点鎖線で示すように、電子回路を実装した基板１６が設けられている。【００２０】
さてプローブ１１には熱式風速計のセンサ部分を構成するブリッジ回路が設けられている。図２は本実施の形態による熱式風速計の構成を示すブロック図である。本図において抵抗Ｒ１，Ｒ２、白金線２１及び白金線２１と同じ温度係数を持つ感温抵抗Ｒ３によってブリッジ回路２２が構成されており、そのブリッジ回路２２の２つの中点はフィードバック用の帰還増幅器２３に接続される。そしてその出力をブリッジ回路２２にフィードバックすることによって、ブリッジ回路２２を平衡に保っている。さてブリッジ回路２２に流れる電流を測定するために、ブリッジ回路２２の一端を抵抗Ｒ４によって接地しており、抵抗Ｒ４の一端は増幅器２４の入力端に接続される。増幅器２４の出力はＡ／Ｄ変換器２５に与えられる。Ａ／Ｄ変換器２５はアナログ信号を順次デジタル信号に変換するものである。【００２１】
又この熱式風速計は大気圧を測定する大気圧センサ２６を有している。本実施の形態では、大気圧センサ２６は大気圧の変動をピエゾ抵抗値の変化として測定するＭＥＭＳテクノロジーを用いた大気圧センサを用いる。大気圧センサ２６は内部に温度補償がなされたセンサを用いることが好ましい。大気圧センサ２６は図１（ｂ）に示す本体１０内の基板１６上に設けられている。本体１０のケース１２は任意の部分に開口１２ａが形成される。従ってケース１２内部もその時点での大気圧となっており、大気圧センサ２６は外部からの風速の影響のない状態で、且つ風温変化の影響のない状態で大気圧を測定することができる。【００２２】
さてＡ／Ｄ変換器２５の出力及び大気圧センサ２６からの出力はＣＰＵ２７に与えられる。ＣＰＵ２７は後述するように風速測定及び大気圧による補正演算を実行するものであり、後述するプログラムと風速や大気圧を記憶するメモリ２８及び操作部２９が接続される。ＣＰＵ２７の出力は図１（ａ）に示した表示部１４に与えられる。表示部１４は風速等を表示するものである。ＣＰＵ２７は後述するように、所定の処理手順によって設定された変換式によりＡ／Ｄ変換器からの出力を風速値に変換する風速演算部３１と、大気圧センサ２６の出力に基づいて係数を乗じて大気圧データに演算する大気圧演算部３２、及び演算された大気圧に基づいて風速値を補正する風速補正演算部３３を有しており、補正された風速値を出力するものである。【００２３】
次に本実施の形態による熱式風速計の基本的な動作について説明する。白金線２１と抵抗Ｒ１，Ｒ２及び感温抵抗Ｒ３から成るブリッジ回路２２に電流を供給すると、白金線２１は加熱されてその温度に応じた抵抗値となる。そしてブリッジ回路２２の２中点の電圧を帰還増幅器２３の一対の入力端に入力し、帰還増幅器２３からブリッジ回路２２にフィードバックし、白金線２１を発熱させてブリッジを平衡状態とする。こうすればブリッジ回路２２の両端の電圧変化に応じて白金線２１を通過する風速Ｕを公知のKingの式によって測定することができる。【００２４】
Kingの式（１）によると、白金線２１から奪い取られる熱量Ｈは風速をＵ（ｍ／ｓ）とすると次式で示される。
Ｈ＝（ａ＋ｂＵ1/2）（Ｔ−Ｔa）  ・・・（１）
Ｈは放散熱量、Ｔは白金線２１の温度、Ｔaは風温、ａ，ｂは定数である。従って式（１）に基づいて風速Ｕを求めることができる。そして温度補償のためにブリッジ回路２２の一辺に白金線２１と同じ温度係数を持つ感温素子Ｒ３を組み込んで、風温Ｔが変化しても熱放散量、即ち白金線２１の温度Ｔと風温Ｔaとの差（Ｔ−Ｔa）が常に一定となるようにしている。尚この風速値Ｕは標準気圧Ｐ0（通常は１気圧）のときに正確な値となるように、あらかじめ校正されたものとする。【００２５】
更に本実施の形態では、こうして求められた風速値Ｕに更に大気圧センサ２６で得られた大気圧Ｐm（ｈＰａ）のデータを用い、次式に基づいて補正する。補正した風速値をＵmとすると、Ｕmは次式（２）で示される。
Ｕm＝Ｕ・Ｐ0／Ｐm  ・・・（２）
この値を表示部１４に出力することにより、補正した風速値Ｕmを表示することができる。これによって使用者が大気圧を測定して自ら補正する必要がなく、補正した風速を認識することができる。又このとき同時に大気圧Ｐmを表示するようにしてもよく、又補正前の風速値Ｕを同時に表示するようにしてもよい。【００２６】
尚この風速計が標準気圧Ｐ0でなくその時点での気圧Ｐ1を用いて校正されていた場合には、Ｐ1をメモリ２８に記憶させておき、前述した式（２）に代えて次式（３）によって補正することによって補正した風速値Ｕmを得ることができる。
Ｕm＝Ｕ・Ｐ1／Ｐm  ・・・（３）【００２７】
次に第１の実施の形態による熱式風速計において、周期的にデータを収集するＣＰＵ２７の動作について図３のフローチャートを用いて説明する。まず動作を開始すると、ステップＳ１１において大気圧センサ２６により測定された大気圧データを取り込み、演算によって大気圧を算出する。そしてメモリ２８に保持すると共に、表示部１４に表示する（ステップＳ１２）。そしてステップＳ１３で風速を前述した式（１）に基づいて演算し、ステップＳ１４で式（２）に基づいて大気圧に応じた補正演算を行う。そして補正値をステップＳ１５においてメモリ２８に保持し、ステップＳ１６において表示部１４に表示する。そしてステップＳ１７に進みタイマＴ１に設定されている時間がタイムアップしたかどうかをチェックし、タイムアップしていなければ待機する。タイムアップすればステップＳ１８に進んでタイマＴ２がタイムアップしたかどうかをチェックする。タイマＴ１，Ｔ２の関係はＴ１＜Ｔ２とする。タイマＴ２がタイムアップしていなければ、ステップＳ１３に戻って風速測定と補正演算処理を繰り返す。こうすればタイマＴ１のタイミング毎に風速値を補正してデータとしてメモリ２８に保持することができる。【００２８】
さてステップＳ１８においてタイマＴ２がタイムアップすれば、ステップＳ１１に戻って大気圧の演算処理を行う。本実施の形態では、大気圧の値は急激には変化しないと考えられるので、大気圧の測定周期と風速の測定周期とを異ならせている。こうすればメモリ２８に保持するデータ量を少なくし、長期間に渡ってデータを保持することができる。【００２９】
尚補正前の風速値Ｕは熱放散により決まるものであり、空気密度に依存する現象を評価する場合に使用すると便利である。例えば、食品等の乾燥工程や冷却工程の効果測定に有効である。補正前の風速値Ｕは、単独で表示しても良いし補正後の風速値Ｕmと同時に表示しても良い。【００３０】
尚本実施の形態では、白金線の温度と周囲温度との差が一定となる定温度差型の熱式風速計について説明しているが、白金線の温度を高温の一定値とし、周囲温度にかかわらず白金線の温度を高温の一定値とする定温度型の熱式風速計にも本発明を適用することができる。【００３１】
又この実施の形態では、白金線と感温抵抗を含むブリッジ回路による広く用いられている熱放散式の風速計を一例として説明しているが、本発明は熱式の種々の風速計についても適用することができる。熱式の風速計では、センサとして白金、タングステン、白金イリジウムを用いた細いワイヤ型のセンサや、これらの薄膜型のセンサを用いたものもある。更に本発明は、センサ素子として温度センサとヒータを用いた半導体センサや、ＭＥＭＳ型のセンサ、更にサーミスタやダイオードを用いたものにも適用できる。ダイオードを半導体風速センサとして用いる場合は、ダイオードに一定の電流を流して発熱させ、風速の大きさにより順方向降下電圧が変動することを利用する。又測定回路としてはブリッジ回路を用いたものに限らず、前述した各センサ素子の熱放散量を直接測定するものにも適用することができる。これらのいずれのセンサ素子や検出回路であっても、熱の放散量に基づいて風速を測定する場合には、Kingの式を用いて風速値を測定することができる。【００３２】
又本実施の形態はハンディ型の熱式風速計について説明しているが、ハンディ型の風速計に限定されるものではない。又表示部に補正した風速値を表示するようにしているが、外部に補正された風速値のデータを出力するものであってもよい。【００３３】
次に本発明の第２の実施の形態について説明する。第１の実施の形態では熱式風速計本体に直接プローブを接続するようにしているが、第２の実施の形態ではプローブとその周辺回路を含めて図４の一点鎖線で示すブロックを測定部４０とし、これにインターフェイス（ＩＦ）４１，５１を介して本体部５０に接続する。そして測定部４０のみを本体部５０とは離れた測定領域に配置する。測定部４０のみを測定領域に配置する場合には、本体部５０との間に長い有線のワイヤで連結してもよく、又ＩＦ４１，５１を無線ＩＦとし、非接触で接続するようにしてもよい。このように使用した場合であっても、本体５０内の大気圧センサによって正確に測定環境の大気圧を測定し、大気圧で補正した風速値を算出することができる。【００３４】
次に本発明の第３の実施の形態について説明する。この風速計がダクトや風洞等の風速を測定する場合に、測定部分の断面の全ての位置で風速が同一であると考えると、風速値（ｍ／ｓ）に測定部分の断面積を乗じることによって風量（ｍ3／ｓ）を得ることができる。しかし風速の測定時に大気圧に加えて風温も刻々と変化する場合には、大気圧に基づいて補正しても異なったタイミングで得られた複数の測定値は大気密度が変化するため、同一の値であっても同じとはいえない。第３の実施の形態では風速計を用いてダクト等の品質管理を行う際に、常に同一の条件下で風量値を算出し比較できるようにするために、標準状態、即ち温度が２７３°Ｋ、気圧が１気圧のときの風量値に換算するノルマル補正を行い、ノルマル補正値として表示するようにしたものである。【００３５】
第３の実施の形態の風速計は、図５に示すように測定部４０に風温センサ４２を含め、この風温センサ４２からの出力と増幅器２４からの出力をマルチプレクサ（ＭＰＸ）４３を介して交互にＡ／Ｄ変換器２５に入力し、Ａ／Ｄ変換値をインターフェイス４１を介して本体部５０に出力する。又ＣＰＵ２７内には風温センサ４２からの温度値を用いてノルマル補正する風量算出部３４を有するものである。その他の構成は第２の実施の形態とほぼ同様である。【００３６】
ノルマル補正をするために、まず操作部２９よりこの風速計の測定部４０が配置されているダクトや風洞の断面積を入力する。そして風量算出部３４は２７３°Ｋで１気圧に換算したノルマル風量を次式に基づいて算出するものとする。測定した風速値Ｕmにダクトの断面積を乗じて得られた風量をＱ1とし、標準状態を２７３°Ｋ（Ｔ0），標準気圧Ｐ0を１０１３ｈＰａ（１気圧）とし、測定部４０の測定時点の絶対温度をＴm、そのときの気圧をＰm（ｈＰａ）とすると、ノルマル風量Ｑnは次式で示される。
Ｑn＝Ｑ1・Ｐm・Ｔ0／（Ｐ0・Ｔm）  ・・・（３）【００３７】
この実施の形態の風速計はダクトの断面積をあらかじめ入力しておき、算出された風速値とこれに基づいて補正された風速値Ｕmとノルマル風量Ｑnとを表示したり出力することができる。このようにノルマル補正を行うことによって、使用環境が変わった場合であっても日々の風量の変化を単純に比較し評価することが容易になるという効果が得られる。又補正された風速値Ｕmに断面積を乗じることなく、標準状態である２７３°Ｋ、１気圧に換算した風速値を出力するようにしてもよい。【００３８】
又前述した各実施の形態では、図１（ｂ）に示すようにケース１２の一部に開口１２ａを設けているが、図６（ａ）に側面図を示すように開口１２ｂと大気圧センサ２６との間をチューブ１２ｃで連結するようにして外部の気圧が大気圧センサ２６で確実に検出できるようにしてもよい。又図６（ｂ）に示すようにケース１２の一部に大気圧センサ２６の形状に合わせた開口１２ｄを設け、そこに大気圧センサ２６を嵌め込み、大気圧センサ２６の検知面をケース１２の外部に露出するように構成してもよい。更に図６（ｃ）に示すようにケース１２の裏面に着脱自在に取付けられる裏蓋１３とケース１２との間にわずかに隙間１３ａを設けておき、この隙間１３ａを利用して大気圧をケース１２内の大気圧センサ２６に導くようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は大気圧にかかわらず正確に風速値を測定することができるので、産業用などの種々の用途の風速計として有用である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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2014068693.tif 000010
2014068693.tif 000011
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