(57)【要約】      （修正有）【課題】簡易な装置構成により風向風速を精度よく測定できる測定方法及び装置を提供する。【解決手段】台板１に一端が固定して取り付けられ台板１に垂直方向に延びる棒状材２を備え、棒状材２の自由端を撮像する位置にカメラＣを配設し、棒状材１の曲げ変形による中立位置からの自由端の変位をカメラＣでの撮像により得られた画像の解析により求め、これから風向、風速を求める。棒状材２は１本の円柱状のものとし、先端に軸対称回転体形状の付加部材を取り付けてもよい。薄板状の棒状材を水平台板上の２方向に沿って配置する形態としてもよく、また、直方体形状の台部の各直交する３つの面にそれぞれ棒状材を配置し３次元方向の風向風速を求めることができる。【選択図】図１
2016133433.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水平な台板に一端が固定して取り付けられ鉛直方向に延びる棒状材の他端である自由端を撮像する位置にカメラを配設し、前記棒状材が風による風圧荷重を受けて曲げ変形を生じたことによる前記棒状材の自由端の中立位置からの変位を前記カメラでの撮像により求め、前記棒状材の自由端の変位から風向及び風速を求めることを特徴とする風向風速の測定方法。
【請求項２】
前記棒状材として円柱状の均質で異方性がなく風圧荷重により曲げ変形を生じる縦弾性係数を有する材質からなる１本の棒状材からなるものを用いたことを特徴とする請求項１に記載の風向風圧の測定方法。
【請求項３】
前記棒状材の先端に該棒状材の径より大径の軸対称回転体形状の付加部材を前記棒状材と共軸に取り付けたことを特徴とする請求項２に記載の風向風圧の測定方法。
【請求項４】
前記棒状材として２本の薄板状で細長い形状の棒状材を端側からみて前記台板に相互に直角をなすように固定し取り付け、各々の棒状材が風による風圧荷重を受けて曲げ変形を生じた時の自由端の中立位置からの変位を前記カメラでの撮像により求め、求められた各々の棒状材の自由端の変位から各々の棒状材の受ける該棒状材に垂直な方向の風圧荷重の成分を求め、該垂直な方向の風圧荷重の成分をもとに風向及び風速を求めることを特徴とする請求項１に記載の風向風圧の測定方法。
【請求項５】
水平面上に配置される直方体または立方体状の台部における３つの直交する面の各々に各面に垂直な方向に延びる棒状材の一端を固定してそれぞれ取り付け、各棒状材の他端である自由端をそれぞれ撮像する位置にカメラを配設し、前記棒状材の各々が風による風圧荷重を受けて曲げ変形を生じたことによる各棒状材の自由端の中立位置からの変位を前記カメラでの撮像により求め、各棒状材の自由端の変位から３次元の風向及び風速を求めることを特徴とする風向風速の測定方法。
【請求項６】
前記台板または台部に取り付けられた棒状材の側面に歪みセンサを貼り付け、該歪みセンサにより取得された前記棒状材の歪みの計測データを前記棒状材の自由端の変位を求めるための補助的データとして用いるようにしたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の風向風圧の測定方法。
【請求項７】
水平な台板に一端が固定して取り付けられ他端を自由端として鉛直方向に延びる棒状材と、該棒状材の自由端を撮像する位置に配設されたカメラと、該カメラにより撮像された前記棒状材の自由端の画像について解析処理を行う解析処理手段とを備えてなり、前記解析処理手段は前記カメラで撮像された画像を解析処理して前記棒状材が風による風圧荷重を受けて曲げ変形を生じたことによる前記棒状材の自由端の中立位置からの変位を求め、該棒状材の自由端の変位から風向及び風速を求める演算処理を行うものであることを特徴とする風向風速測定装置。
【請求項８】
前記棒状材が円柱状の均質で異方性がなく風圧荷重により曲げ変形を生じる縦弾性係数を有する材質からなる１本の棒状材からなるものであることを特徴とする請求項７に記載の風向風圧測定装置。
【請求項９】
前記棒状材の先端に該棒状材の径より大径の軸対称回転体形状の付加部材を前記棒状材と共軸に取り付けたことを特徴とする請求項８に記載の風向風圧の測定方法。
【請求項１０】
前記棒状材が薄板状で細長い形状の棒状材を端側からみて前記台板に相互に直角をなすように固定し取り付けられた２本の棒状材であり、前記解析処理手段は前記カメラで撮像された画像を解析処理して、各々の棒状材が風による風圧荷重を受けて曲げ変形を生じた時の自由端の中立位置からの変位を前記カメラでの撮像により求め、求められた各々の棒状材の自由端の変位から各々の棒状材の受ける該棒状材に垂直な方向の風圧荷重の成分を求め、該垂直な方向の風圧荷重の成分をもとに風向及び風速を求めることを特徴とする請求項７に記載の風向風圧測定装置。
【請求項１１】
水平面上に配置される直方体または立方体状の台部における３つの直交する面の各々に一端を固定してそれぞれ取り付けられ垂直な方向に延びる棒状材と、各棒状材の他端である自由端をそれぞれ撮像する位置に配設されたカメラと、該カメラにより撮像された前記各棒状材の自由端の画像を解析処理する解析処理手段とを備えてなり、前記解析処理手段は、前記カメラで撮像された前記各棒状材の自由端の画像を解析処理して前記棒状材の各々が風による風圧荷重を受けて曲げ変形を生じたことによる各棒状材の自由端の中立位置からの変位を求め、各棒状材の自由端の変位から３次元の風向及び風速を求める演算処理を行うものであることを特徴とする風向風速測定装置。
【請求項１２】
前記台板または台部に取り付けられた棒状材の側面に貼り付けられた歪みセンサをさらに備え、該歪みセンサにより取得された前記棒状材の歪みの計測データを前記棒状材の自由端の変位を求めるための補助的データとして用いるようにしたことを特徴とする請求項７ないし１１のいずれかに記載の風向風圧測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風向風速の測定方法及び風向風速装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
風向と風速の測定については、異なる測定原理のものとしてそれぞれを測定する風向計、風速計が用いられている。従来から用いられている風向計としては、鉛直方向の軸に回転可能に取り付けられた風向に従う形状体を備えて風向を示すものがあり、風速計としては、プロペラ、風車等の風に応じて回転する部材を備えて回転数を風速に変換・表示するというものが用いられている。
【０００３】
このような従来型の風向計、風速計のほか、例えば次のようなものがある。
特許文献１には、鉛直方向に引っ張られる２つの線材の間に球体を支持し、一方の線材に重錘を取り付け水平移動しないように拘束しておき、風が球体に当たった時の重錘の上昇長により風速を求める風速計について記載されている。特許文献２には、鉛直に立設された支柱の上端に連結された糸の端部に気体が内部に充填された膜体からなる細長状の中空体が連結されて構成された風向計について記載され、これは風に追随する中空体の移動により風向を判別するものである。特許文献３には、感圧塗料が塗布された風洞実験模型を送風環境下に配置し、カメラで撮影された画像の解析により感圧塗料の発光特性変化に基づいて風圧を特定し風速を算定することについて記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−１９０７４０号公報
【特許文献２】特開平１０−４８２３７号公報
【特許文献３】特開２０１４−４８１２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１による風速計の場合、風圧で横方向に移動した球体の横移動量を線材を介して重錘の縦方向の位置に変換し、その位置変化を精度よく測定するためにレーザ式測定手段等を備えることが不可欠であり、風速測定の精度を高めるには多分に位置測定手段、演算手段の装置部分の煩雑さを伴い、また、風向の測定には適応しない。特許文献２による風向計は構成が簡易であるが、風速を求めることはできない。特許文献３による風速測定装置は建造物による風環境の変化を予測するための風洞実験において適合するものであるが、実際の風による風速を精度よく測定するのには適合せず、風向を求めるものでもない。
【０００６】
このように、従来の風向計、風速計は、簡易な装置構成として、精度よく風向、風速を求めるという条件を満たすものとはならなかった。本発明は、装置構成として簡易な構成とすることができ、かつ風向、風速を精度よく測定することができるようにすることを主たる目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は前述した課題を解決すべくなしたものであり、請求項１に係る発明による風向風速の測定方法は、水平な台板に一端が固定して取り付けられ鉛直方向に延びる棒状材の他端である自由端を撮像する位置にカメラを配設し、前記棒状材が風による風圧荷重を受けて曲げ変形を生じたことによる前記棒状材の自由端の中立位置からの変位を前記カメラでの撮像により求め、前記棒状材の自由端の変位から風向及び風速を求めるものである。
【０００８】
請求項２に係る発明による風向風速の測定方法は、請求項１に係る発明による風向風速の測定方法において、前記棒状材として円柱状の均質で異方性がなく風圧荷重により曲げ変形を生じる縦弾性係数を有する材質からなる１本の棒状材からなるものを用いたものである。
【０００９】
請求項３に係る発明による風向風速の測定方法は、請求項２に係る発明による風向風速の測定方法において、前記棒状材の先端に該棒状材の径より大径の軸対称回転体形状の付加部材を前記棒状材と共軸に取り付けたものである。
【００１０】
請求項４に係る発明による風向風速の測定方法は、請求項１に係る発明による風向風速の測定方法において、前記棒状材として２本の薄板状で細長い形状の棒状材を端側からみて前記台板に相互に直角をなすように固定し取り付け、各々の棒状材が風による風圧荷重を受けて曲げ変形を生じた時の自由端の中立位置からの変位を前記カメラでの撮像により求め、求められた各々の棒状材の自由端の変位から各々の棒状材の受ける該棒状材に垂直な方向の風圧荷重の成分を求め、該垂直な方向の風圧荷重の成分をもとに風向及び風速を求めるものである。
【００１１】
請求項５に係る発明による風向風速の測定方法は、水平面上に配置される直方体または立方体状の台部における３つの直交する面の各々に各面に垂直な方向に延びる棒状材の一端を固定してそれぞれ取り付け、各棒状材の他端である自由端をそれぞれ撮像する位置にカメラを配設し、前記棒状材の各々が風による風圧荷重を受けて曲げ変形を生じたことによる各棒状材の自由端の中立位置からの変位を前記カメラでの撮像により求め、各棒状材の自由端の変位から３次元の風向及び風速を求めるものである。
【００１２】
請求項６に係る発明による風向風速の測定方法は、請求項１ないし５のいずれかに係る発明による風向風速の測定方法において、  前記台板または台部に取り付けられた棒状材の側面に歪みセンサを貼り付け、該歪みセンサにより取得された前記棒状材の歪みの計測データを前記棒状材の自由端の変位を求めるための補助的データとして用いるようにしたものである。
【００１３】
請求項７に係る発明による風向風速測定装置は、水平な台板に一端が固定して取り付けられ他端を自由端として鉛直方向に延びる棒状材と、該棒状材の自由端を撮像する位置に配設されたカメラと、該カメラにより撮像された前記棒状材の自由端の画像について解析処理を行う解析処理手段とを備えてなり、前記解析処理手段は前記カメラで撮像された画像を解析処理して前記棒状材が風による風圧荷重を受けて曲げ変形を生じたことによる前記棒状材の自由端の中立位置からの変位を求め、該棒状材の自由端の変位から風向及び風速を求める演算処理を行うものである。
【００１４】
請求項８に係る発明による風向風速測定装置は、請求項７に係る発明による風向風速測定装置において、前記棒状材が円柱状の均質で異方性がなく風圧荷重により曲げ変形を生じる縦弾性係数を有する材質からなる１本の棒状材からなるものである。
【００１５】
請求項９に係る発明による風向風速測定装置は、請求項８に係る発明による風向風速測定装置において、前記棒状材の先端に該棒状材の径より大径の軸対称回転体形状の付加部材を前記棒状材と共軸に取り付けたものである。
【００１６】
請求項１０に係る発明による風向風速測定装置は、請求項７に係る発明による風向風速測定装置において、前記棒状材が薄板状で細長い形状の棒状材を端側からみて前記台板に相互に直角をなすように固定し取り付けられた２本の棒状材であり、前記解析処理手段は前記カメラで撮像された画像を解析処理して、各々の棒状材が風による風圧荷重を受けて曲げ変形を生じた時の自由端の中立位置からの変位を前記カメラでの撮像により求め、求められた各々の棒状材の自由端の変位から各々の棒状材の受ける該棒状材に垂直な方向の風圧荷重の成分を求め、該垂直な方向の風圧荷重の成分をもとに風向及び風速を求めるものである。
【００１７】
請求項１１に係る発明による風向風速測定装置は、水平面上に配置される直方体または立方体状の台部における３つの直交する面の各々に一端を固定してそれぞれ取り付けられ垂直な方向に延びる棒状材と、各棒状材の他端である自由端をそれぞれ撮像する位置に配設されたカメラと、該カメラにより撮像された前記各棒状材の自由端の画像を解析処理する解析処理手段とを備えてなり、前記解析処理手段は、前記カメラで撮像された前記各棒状材の自由端の画像を解析処理して前記棒状材の各々が風による風圧荷重を受けて曲げ変形を生じたことによる各棒状材の自由端の中立位置からの変位を求め、各棒状材の自由端の変位から３次元の風向及び風速を求める演算処理を行うものである。
【００１８】
請求項１２に係る発明による風向風速測定装置は、請求項７ないし１１のいずれかに係る発明による風向風速測定装置において、前記台板または台部に取り付けられた棒状材の側面に貼り付けられた歪みセンサをさらに備え、該歪みセンサにより取得された前記棒状材の歪みの計測データを前記棒状材の自由端の変位を求めるための補助的データとして用いるようにしたものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明においては、測定対象として棒状材の曲げ変形の程度を撮像し、画像解析により風向、風速を求めることができ、簡易な装置構成として、精度よく風向、風速を測定することができる。また、簡易な装置構成により風の３次元方向の風向、風速を求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明による１本の棒状材を用いた風向風速測定装置を示す概略図である。
【図２】（ａ）は図１の風向風速測定装置で風により棒状材が変形した状況を示す図であり、（ｂ）はカメラで撮像した棒状材先端を示す図である。
【図３】風圧荷重ｗを受ける棒状材の曲げの状況を示す図である。
【図４】（ａ）は図１の棒状材の先端に付加部材を取り付けた形態による風向風速測定装置を示す概略図であり、（ｂ）は風により付加部材を取り付けた棒状材が変形した状況を示す図である。
【図５】（ａ）は棒状材２の先端に球状部材３を取り付けたものの寸法関係を示す図であり、（ｂ）は（ａ）の球状部材を取り付けた棒状材が風圧荷重を受けて曲げ変形をした状況を示す図である
【図６】（ａ）は２本の薄板形の棒状材を組み合わせて用いた風向風速測定装置を示す斜視図であり、（ｂ）は２本の棒状材を上方からみて風を受ける状況を示す図である。
【図７】３本の棒状材を用いて３次元の風向風圧を測定する形態を示す斜視図である。
【図８】歪みセンサを棒状部材に取り付けた例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下本発明を実施するための形態について説明する。
（ａ）１本の棒状材を用いた形態
図１は、本発明による風向風速測定の一形態について示す概略図であり、風向風速測定装置としては、水平な台板１と、台板１に鉛直方向に立設された断面円形の棒状材２と、円柱体の棒状材の直上または所定の位置関係に配設されたカメラＣとを備え、またカメラＣにより撮像された画像を解析処理し風向風速を求める演算処理手段がカメラＣに付随して備えられる。棒状材２は、風圧（動圧）を受けた時の撓みにより風向風速を測定するためのものであり、断面が円形で適当な長さを有し、側方から受ける風圧により適度に屈撓するような縦弾性係数（ヤング係数）を有し、均質で異方性のない材質のもので形成されるのがよい。また、正確に風向風速を測定するためには、台板１が正しく水平に設置され、棒状材２が正しく鉛直方向に設定されていることが重要である。
【００２２】
図２（ａ）は、風を受けた時の棒状材２の撓みの状況と、風向風圧の測定との関係を示す図である。棒状材２は下端が台板１に固定され、先端が自由端になっている片持梁として、側方からの一様分布の風圧を受けて図のように風下方向に屈撓する。棒状材２はこのように均一な風圧のもとで、一様な単位長さ当たりｗの風圧加重を受けて屈撓する。
【００２３】
図２（ｂ）は棒状材２の直上に配設されたカメラＣで撮影した画像における棒状材２の先端２ａの位置関係を示す図である。カメラＣは台板１に固定された棒状材２との関係において、例えば画像の横方向を東西の方位に、縦方向を南北の方位に対応させるように設定しておく。カメラＣにより撮像された画像から、風圧を受けて屈撓した棒状材２の先端２ａの位置座標を求め、さらに中立点Ｏからの先端２ａの変位量を求めることができる。
【００２４】
風速をＶとすると、風圧（動圧）により棒状材２が受ける単位長さ当たりの風圧荷重ｗはベルヌーイの定理から、次のようになる。
ｗ＝Ｃ×ρ×Ｖ2×Ａ／２          ………    （１）
ただし、Ｃは棒状材の抗力係数、ρは空気の密度、Ｌは棒状材２の長さ、Ａは棒状材２の投影面積を長さで除したもの（単位長さの投影面積）である。
【００２５】
図３は風圧荷重ｗを受ける棒状材の曲げの状況を示す図であり、これは長さＬの片持ち梁の曲げ変形となるから、曲げによる棒状材２の先端の変位量ｓは、材料力学で示される片持ち梁先端の分布荷重による撓み量の関係式から、
ｓ＝ｗＬ4／８ＥＩz            …………    （２）
となる。ただし、Ｅは棒状材２の縦弾性係数（ヤング係数）、Ｉzは棒状材２の断面二次モーメントである。
【００２６】
（２）式におけるＬ、Ｅ、Ｉzと、（１）式におけるＣ、Ａ、Ｌは棒状材２の材質、形状から定まる量であり、ρは空気の密度で既知の量である。図２（ｂ）のような撮像された画像の解析により棒状材先端２ａの座標、中立点Ｏからの変位量ｓを求め、これから（２）式により棒状材単位長さ当たりの風圧荷重ｗが求められる。この求められた単位長さ当たりの風圧荷重ｗと（１）式とから風速Ｖを求めることができる。
【００２７】
（ｂ）棒状材に付加部材を取り付けた形態
図４（ａ）は、図１の形態の風向風速測定装置における棒状材の先端に付加部材として球状部材を固定した形態を示すものである。水平な台板１に鉛直方向の棒状材２が固定されること、棒状材２の直上にカメラＣを配設することは図１の場合と同様であり、図４（ａ）の例では、棒状材２の先端に球状部材３を取り付けている。球状材３は棒状材２と同材質である必要はなく、風圧をより多く受けて微風にも反応するようにしたものであり、無風状態において棒状材が屈撓変形しないような大きさ、質量のものとして、例えば合成樹脂で中空体として形成したものを用いることができる。また棒状材２の先端のみの場合に比べて、カメラで撮像した画像中でも大きくなることから、棒状材の延長方向の球状部材３の面において測定対象となる位置に小突起を形成するか、印を施すというようにして測定位置を表示し、画像中で判別し易くするのがよい。
【００２８】
図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す球状部材３を取り付けた棒状材２が風を受けた時の状況と、風向風圧の測定との関係を示す図である。棒状材２の先端に球状部材３を取り付けていることにより、その分だけ風圧荷重を大きく受け、棒状材２の曲げ変形による撓みも大きくなる。球上部材３が受ける風圧荷重ｗ′の合力荷重Ｗは
Ｗ＝Ｃ′×ρ×Ｖ2×Ａ′／２        ……………    （３）
である。ただし、Ｃ′は球状部材の抗力係数、ρは空気の密度、Ａ′は球状部材２の投影面積である。この合力荷重Ｗが集中荷重として球状部材３の中心に作用すると考えると、球状部材３の先端位置（棒状材２の延長上）の変位は棒状部材２に作用する風圧荷重（分布荷重）ｗによる棒状材２の曲げと合力荷重Ｗによる棒状材２の曲げを加算したものに、さらに球状部材３の軸（棒状材２の延長上）の移動による変位を加えたものになる。
【００２９】
図５（ａ）は棒状材２の先端に球状部材３を取り付けたものの寸法関係を示し、棒状材２の長さをＬ、球状部材３の半径をｒとする。Ｐは棒状材先端であり球状部材の付け根になっており、またＱは棒状材２の延長方向の球状部材３の面の位置であり、撮影画像中で識別し易いように印を付加し、あるいは突起が設けられる。
【００３０】
図５（ｂ）は図（ａ）の球状部材を取り付けた棒状材が風圧荷重を受けて曲げ変形をした状況を示している。棒状材２に加わる分布荷重ｗによる棒状材２の曲げによる棒状材先端Ｐ（球状部材との付け根）の変位ｓ１は、長さＬの片持ち梁に一様な分布荷重が作用した時の曲げによるものとして、前述の（２）式により
ｓ1＝ｗＬ4／８ＥＩz          …………    （４）
であり、球状部材３に作用する分布荷重をその中心に作用する集中荷重とみた時の合力荷重Ｗによる棒状材２の曲げによる棒状材先端Ｐ（球状部材との付け根）の変位ｓ２は、片持ち梁の壁面から（Ｌ＋ｒ）の位置に合力荷重Ｗが集中荷重として作用した時の壁面からＬの位置に生じる撓みでの変位であるから、片持ち梁先端の集中荷重による撓み量の関係式から、
ｓ2＝Ｗ｛Ｌ2（２Ｌ＋３ｒ）｝／６ＥＩz  ………  （５）
である。球状部材３に加わる合力荷重Ｗを加えた時の棒状材先端Ｐの変位はｓ１とｓ２を合わせたものとなり、（４）式と（５）式から、
ｓ1＋ｓ2
＝１／ＥＩz｛ｗＬ4／８＋ＷＬ2（２Ｌ＋３ｒ）／６｝  ………  （６） 
となる。
【００３１】
球状部材３の先端位置（棒状材２の延長上）の変位は棒状材先端Ｐの変位（ｓ１＋ｓ２）に球状部材３の軸の傾斜による変位分を加えたものになる。球状部材３の軸の傾斜はＰ点における棒状材２の傾斜角と同じであり、この傾斜角も棒状材２への分布荷重ｗによるものと、球状部材への荷重を代表させたその中心への集中荷重によるものとに分けて考えられる。一様分布荷重ｗによる傾斜角（ｔａｎで表した）ｉ１は一様分布荷重ｗによる片持ち梁自由端の撓み角の関係式から、
ｉ1＝ｗＬ3／６ＥＩz                  …………      （７）   
であり、Ｐ点よりｒだけ先方の位置（球状部材３の中心）に加わる集中荷重としての合力荷重ＷによるＰ点における傾斜角ｉ２は片持ち梁の撓み角の関係式で長さ（ｒ＋Ｒ）の片持ち梁の関係式において自由端からｒの位置の撓み角とすることにより、
ｉ2＝Ｗ（Ｌ2＋２Ｌｒ）／２ＥＩz      …………      （８）
となる。Ｐ点においては、一様分布荷重ｗによる撓み角に集中荷重としての合力加重Ｗによる撓み角が加算されるので、（７）、（８）から合わせた撓み角は、
ｉ1＋ｉ2＝｛ｗＬ3／６＋Ｗ（Ｌ2＋２Ｌｒ）／２｝／ＥＩz  ………  （９）
となる。
【００３２】
球状部材３の先端位置（棒状材２の延長上）の変位は棒状材先端Ｐの変位（ｓ1＋ｓ2）に球状部材３の軸の傾斜による変位分δを加えたものであり、このδは球状部材３の直径（２ｒ）と（９）とから、
δ＝２ｒ×（ｉ1＋ｉ2）
＝｛ｗＬ3／３＋Ｗ（Ｌ2＋２Ｌｒ）｝ｒ／ＥＩz      …………  （１０）
であるから、球状部材３の先端位置（棒状材２の延長上）の変位は、（６）、（１０）から、
ｓ1＋ｓ2＋δ
＝｛ｗＬ3（Ｌ／８＋ｒ／３）＋Ｗ（Ｌ3／３＋Ｌ2ｒ・３／２＋２Ｌｒ2）｝／ＥＩz
…………  （１１）
となる。棒状材２のみの場合は、（１１）式の｛  ｝内の最初の項の分（ｓ1相当）だけであるが、球状部材３を取り付けたことにより、それ以外の部分による変位（ｓ2＋δ相当）が加算されるので、同じ風圧でも変位量が大きくなり、風向風速計としての感度が上げられる。ここでは、付加部材を球状部材としたものについて説明したが、付加部材の外形形状は球状に限られず、回転楕円体体形状や円筒形状のように他の軸対称回転体の形状のものとしてもよい。
【００３３】
（ｃ）２本の薄板形の棒状材を用いた形態
図６（ａ）は、２本の薄板形の棒状材を用いた風向風圧測定装置の形態を斜視図で示したものであり、この装置形態では、水平に配置された台板１に２本の薄板形の棒状材２１、２２がそれぞれ一端を台板１に固定され他端が自由端として鉛直方向上方に延びるように取り付けられている。棒状材２１、２２は同質の材料で形成され、同じ形状、寸法を有し、水平方向の矩形断面の長辺の方向が直角になるように固定配置されている。また、棒状材２１、２２の上方の位置に棒状材２１、２２の先端を撮像するためのカメラが配置され、カメラＣで撮像された画像を解析処理するための解析処理手段が備えられることは前例のものと同様である。
【００３４】
このように一端が台板１に固定された棒状材２１、２２は風を受けた時に、広い方の側面（水平方向の矩形断面の長辺方向の側面）に垂直な方向の風の成分により広い方の側面に垂直な方向にのみ曲げの変形が生じることになる。棒状材２１、２２の水平方向の矩形断面の縦横比により、棒状材２１、２２が非常に薄い矩形断面である場合に、一様な風を受けた場合にも棒状材２１、２２においても捩れが生じる可能性があるが、この風向風速装置形態ではこのような捩れが生じない程度の薄板形の棒状材を用いるものとする。
【００３５】
図４（ｂ）は、図４（ａ）の装置形態の棒状材２１、２２を上方から見た図である。棒状材２１の水平断面の長辺の方向をｘ方向、棒状材２２の水平断面の長辺の方向をｙ方向とし、棒状材２１、２２が速度Ｖの風を受ける場合に、棒状材２１の受ける風の水平面（ｘｙ面内）での成分をＶ1x、Ｖ1yとし、棒状材２２の受ける風の成分をＶ2x、Ｖ2yとすると、Ｖ1x＝Ｖ2x、Ｖ1y＝Ｖ2yであるが、棒状材２１は風の成分Ｖ1yのもとにｙ方向に曲げ変形を生じ、棒状材２２は風の成分Ｖ２ｘの作用のもとにｘ方向に曲げ変形を生じることになる。
【００３６】
棒状材２１、２２が受ける風の垂直方向成分Ｖ1y、Ｖ2xにより、それぞれ一様な風圧の分布荷重ｗ1y、ｗ2xがそれぞれの面に作用し、それにより生じる棒状材２１、２２の曲げ変形は円柱体の棒状材の場合と同様であり、棒状材２１、２２に作用する風圧の分布荷重ｗ1y、ｗ2xと曲げによる先端の変位との関係は（２）式のような形になるので、カメラＣにより棒状材２１、２２の先端を撮像した画像の解析処理により棒状材２１、２２の先端の変位を求めることにより、（２）式を用いて、棒状材２１、２２の受ける風による垂直方向の風圧分布荷重ｗ1y、ｗ2xを求め、それにより風の垂直方向成分Ｖ1y、Ｖ2xをもとめ、風向風圧を求めることができる。
【００３７】
（ｄ）３本の棒状材を用いた３次元の風向風圧測定
図５は、３本の棒状材を用いて３次元の風向風圧測定する形態を斜視図で示したものであり、水平面上に配置された直方体ないし立方体の台部１０の互いに垂直な３つの側面１１、１２、１３にそれぞれ１本ずつ円柱形の棒状材３１、３２、３３が一端を各側面に固定し他端を自由端として各側面に垂直方向に延びるように取り付けられている。棒状材３１、３２、３３は同一形状、同一材質で形成され、（ａ）の一本の棒状材を用いた形態の場合と同様に、断面が円形で適当な長さを有し、側方から受ける風圧により適度に屈撓するような縦弾性係数（ヤング係数）を有し、均質で異方性のない材質のもので形成されるものであるとともに、水平方向に延びるように取り付けられる棒状材においても実質的に自重により曲げ変形を生じないような材質、寸法、縦弾性係数のものとする。また、棒状材３１、３２、３３の先端を撮像する位置にそれぞれカメラＣ1、Ｃ2、Ｃ3が配設され、カメラＣ1、Ｃ2、Ｃ3で撮像された画像を解析処理するが画像解析手段が備えられる。
【００３８】
このような形態の風向風圧測定装置が風を受ける際に、各カメラＣ1、Ｃ2、Ｃ3で撮像された画像の解析処理により、各棒状材３１、３２、３３が風を受けて生じた曲げ変形による先端の変位が求められる。この棒状材の先端の変位は、風が３次元方向の成分を有する場合に、それに応じたものとして求められる。すなわち、例えば棒状材３１の先端を撮像したカメラＣ1により撮像された画像から、棒状材３１の先端の面１１に平行な成分（Ｖy，Ｖz）が求められ、他の棒状材についての画像からまた他の成分が求められる。このようにして、棒状材３１、３２、３３の先端を撮像した画像の解析処理により、３次元の方向成分を有する風の風向風速が求められる。
【００３９】
（ｅ）画像の解析、データの取得について
本発明による風向風速の測定においては、棒状材の先端を撮像した画像の解析処理により、棒状材先端の変位を求め、棒状材の曲げ変形の量から風向風圧を求めるのであるが、棒状材先端の変位を求めるためには、棒状材を撮像する位置の配置設定されたカメラにより、風を受けない状態の棒状体先端を撮像し、画像データを基準画像としてメモリに保持しておき、各測定時点において撮像された画像と基準画像との対比により棒状材先端の変位を求めるようにする。また、風は一般的には定常流とはならず、ゆらぎ、変動を伴うものであり、ある時点での風向風圧を求めるに際し、例えば前後複数回の撮像を等時間間隔で行い、それから得られた画像によるデータを平均した値をその時点での風向風圧の演算に用いるのがよい。
【００４０】
以上の風向風圧測定の形態において、１本または複数本の棒状材が風圧加重を受けた時の棒状材の曲げ変形の量を棒状材先端またはそれに取り付けた付加部材を撮像した画像の解析処理により棒状材の先端または付加部材の特定位置の変位を求めることにより風向及び風速を求めているが、棒状材の曲げ変形の量を求めるに際しストレーンゲージ等の歪みセンサを棒状材の側面に取り付け、歪みセンサによる歪み量のデータを利用することができる。
【００４１】
このような歪みセンサは前述した棒状材の例のいずれにも適用できるが、図８は図６に示されるような薄板状の棒状材のうちの例えば一方の棒状材２１の下端近くに歪みセンサＳＧを貼り付けた場合を示している。Ｌはリード線であり、棒状材の曲げ変形の際に歪みセンサＳＧに生じた歪み量に基づく信号を画像解析手段とともに備えられるデータ処理装置のデータ取得部に伝送する。他の棒状材２２にも同様に歪みセンサが取り付けられる。棒状材２１、２２に取り付けられた歪みセンサＳＧで生じた信号はデータ取得部でデータ取得され、さらにデータ処理装置での演算処理により棒状材の曲げ変形の量を求めることができる。
【００４２】
このような歪みセンサは円柱状の棒状材に対しても、側面に沿って貼り付けることにより取り付けられる。また、本発明においては、棒状材の曲げ変形の量をカメラにより撮像された画像の解析処理により求めることを主体とするものであり、棒状材に取り付けた歪みセンサによる曲げ変形の量の測定は風向風速の測定における補助的なデータとして利用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、一般的な状況における風向風速の測定、鉄道橋や橋梁、あるいは建造物等に付設した形での風向風速の測定を含む広範な形態での風向風速の測定に利用できる。
【符号の説明】
【００４４】
１  台板
２，２１，２２，３１，３２，３３  棒状材
２ａ  棒状材の先端
３  球状体（付加部材）
１０  台部
１１，１２，１３  台部の面
Ｖ  風速            ｗ  一様分布荷重
Ｃ，Ｃ1，Ｃ2，Ｃ3  カメラ
ＳＧ  歪みセンサ
Ｌ  リード線
【図１】
2016133433.tif 000003
【図２】
2016133433.tif 000004
【図３】
2016133433.tif 000005
【図４】
2016133433.tif 000006
【図５】
2016133433.tif 000007
【図６】
2016133433.tif 000008
【図７】
2016133433.tif 000009
【図８】
2016133433.tif 000010