(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒の拡がり振動を利用した横効果の圧電振動子を備えた送受波器を互いに超音波信号を送受可能に複数配置した超音波式風向風速計を備え、
送受波器の１つから超音波信号を発信して残りの他の送受波器で受波する動作を超音波信号を発信する送受波器を順次切り替えて繰り返すことで、全ての送受波器の対の組み合わせについて送受波器間の双方向の超音波信号伝播時間を測定する測定手段と、
この測定手段により測定された前記超音波信号伝播時間から送受波器数ｎについてのｎ・（ｎ−１）／２個の風向風速ベクトルを算出する風向風速ベクトル算出手段と、
前記算出された風向風速ベクトルのうち、所定の閾値以上に相違する風向値および風速値を除外する算出値除外手段と、
前記算出値除外手段で除外された風向風速値以外の風向風速値に基づき出力用の風向風速値を生成する出力値生成手段と
を具備することを特徴とする超音波式風向風速装置。
【請求項２】
円筒の拡がり振動を利用した横効果の圧電振動子を備えた送受波器を互いに超音波を送受可能に複数配置した超音波式風向風速計を備え、
送受波器の１つから超音波信号を発信して残りの送受波器の１つで受波する動作を、受波する送受波器を順次切り替えて繰り返すと共に超音波信号を発信する送受波器を順次切り替えて繰り返すことで、全ての送受波器の対の組み合わせについて送受波器間の双方向の超音波信号伝播時間を測定する測定手段と、
この測定手段により測定された前記超音波信号伝播時間から送受波器数ｎについてのｎ・（ｎ−１）／２個の風向風速ベクトルを算出する風向風速ベクトル算出手段と、
前記算出された風向風速ベクトルのうち、所定の閾値以上に相違する風向値および風速値を除外する算出値除外手段と、
前記算出値除外手段で除外された風向風速値以外の風向風速値に基づき出力用の風向風速値を生成する出力値生成手段と
を具備することを特徴とする超音波式風向風速装置。
【請求項３】
前記出力値生成手段は、前記算出値除外手段で除外された風向風速値以外の風向風速値を平均化して前記出力用の風向風速値を生成するものであることを特徴とする請求項１又は２記載の超音波式風向風速装置。
【請求項４】
算出されたそれぞれの風向風速ベクトルの風向値は、真の方位に対する風向値に補正したものであることを特徴とする請求項１又は２記載の超音波式風向風速装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を利用した風向風速装置に関し、特に、超音波信号を送受可能に配した複数の送受波器において、送受波器間の双方向の超音波信号伝達時間を測定して風速及び風向を求める超音波式風向風速装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波式風向風速計は、下記する非特許文献１にその原理が記載されており、従来においては、例えば、図７に示される超音波式風向風速計が用いられていた。
この超音波式風向風速計は、図７（ａ）に示される円柱の長さ振動を利用した縦効果の圧電振動子を備えた超音波パルス送受用の送受波器を９０度間隔で４つ設け、対角線上の送受波器を互いに超音波を送受可能に対向配置させ、それぞれの対向配置させた送受波器から交互に超音波信号を発信し、この超音波信号を対向する他方の送受波器で受波して送受波器間の双方向の超音波信号伝播時間を測定し、これにより得られる直交する２つの風速値から風向風速値を算出するようにしている。
【０００３】
これを図８に基づいて説明すると、図８において、対向して設けられた送受波器（Ａ11、Ａ12）と、これと直交するように対向配置させた送受波器（Ａ21、Ａ22）とを信号処理回路５に接続し、この信号処理回路５により、それぞれの対向する送受波器（Ａ11とＡ12、Ａ21とＡ22）に対してパルス信号を交互に供給して超音波信号を発生させ、対向する他方の送受波器で超音波信号を受波して双方向のトランシットタイム（一方の送受波器から他方の送受波器へ超音波信号が届く時間、即ち、超音波信号を発生させた時刻と受波した時刻との時間差である超音波信号伝播時間）を測定する。
【０００４】
超音波は通常の音波と同じように常温空気中を340m/secの速度で伝播し、空気の流れと同じ方向に伝播すると風速分だけ早くなり、逆方向に伝播すると風速分だけ遅くなるので、送受波器Ａ11からＡ12への伝播時間ｔ11＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｘ）と、送受波器Ａ12からＡ11への伝播時間ｔ12＝Ｌ／（Ｃ−Ｖｘ）とから風速Ｖxを次式（１）のように算出する。
【０００５】
【数１】
0005029993.tif 000002
【０００６】
従って、信号処理回路２ａで伝播時間ｔ11、ｔ12を測定し、演算することにより風速Ｖxが得られる。
同様に、風速Ｖyは、対向する超音波送受波器Ａ21、Ａ22の伝播時間ｔ21、ｔ22より次式（２）となる。
【０００７】
【数２】
0005029993.tif 000003
そして、この演算された風速ＶxとＶyにより風速(Ｖ)および風向(θ)を次式により算出する。
【０００８】
【数３】
0005029993.tif 000004
【非特許文献１】花房龍男、藤谷徳之助、小堀康宏、光田寧：“新型超音波風速温度計について”気象研究所報告第３３巻１号、第１〜１９頁、１９８２年３月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、従来の超音波式風向風速計は、伝播速度検出方向と平行している風速を計測する場合、送受波器自身が存在することにより、この方向での風流の乱れが顕著となり、正確な風向風速を測定することができなかった。
【００１０】
例えば、図８において、伝播速度検出方向がＡ11−Ａ12 間であり、それと同方向にＡ11側から風が吹いている場合を想定すると、Ａ11→Ａ12の風流の乱れが顕著になる。これは、一様流が円柱を通り過ぎた後にできる流れパターンが、図９に示されるように、レイノズル数（Ｒｅ＝Ｕｄ／ｖ，Ｕ：断面平均流速、d：円管の直径、v：動粘性係数）によって以下のように変化することから理解できる。
Ｒe≦１ の範囲では、流れは円柱に沿って定常で対称的であり，
Ｒe＝１〜10 の範囲では、流れは依然として定常であるが、円柱の下流側に一対の渦(双子渦)ができ、
Ｒe＝10〜102 の範囲では、渦対はますます大きくなりその下流に振動が現れ、カルマン渦列が形成され、
Ｒe＝102〜105 の範囲では、渦列は乱れて非定常かつ非周期的な伴流が形成され、
Ｒe＞105の範囲では、伴流は完全な乱流状態となる。
【００１１】
本発明は、係る事情に鑑みてなされたものであり、伝播速度検出方向と平行している風速を計測する場合でも、風流の乱れに起因する誤計測を無くして、正確に風向風速値を計測することが可能な超音波式風向風速装置を提供することを主たる課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明に係る超音波式風向風速装置は、円筒の拡がり振動を利用した横効果の圧電振動子を備えた送受波器を互いに超音波信号を送受可能に複数配置した超音波式風向風速計を備え、送受波器の１つから超音波信号を発信して残りの他の送受波器で受波する動作を超音波信号を発信する送受波器を順次切り替えて繰り返すことで、全ての送受波器の対の組み合わせについて送受波器間の双方向の超音波信号伝播時間を測定する測定手段と、この測定手段により測定された前記超音波信号伝播時間から送受波器数ｎについてのｎ・（ｎ−１）／２個の風向風速ベクトルを算出する風向風速ベクトル算出手段と、前記算出された風向風速ベクトルのうち、所定の閾値以上に相違する風向値および風速値を除外する算出値除外手段と、前記算出値除外手段で除外された風向風速値以外の風向風速値に基づき出力用の風向風速値を生成する出力値生成手段とを具備することを特徴としている。
【００１３】
したがって、測定手段により、送受波器の１つから超音波信号を発信して残りの他の送受波器で受波する動作を超音波信号を発信する送受波器を順次切り替えて繰り返すことで、全ての送受波器の対の組み合わせについて送受波器間の双方向の超音波信号伝播時間が測定され、これによって得られた超音波信号伝播時間に基づき、風向風速ベクトル算出手段により送受波器数ｎについてのｎ・（ｎ−１）／２個の風向風速ベクトルが算出される。そして、算出値除外手段により、前記算出された風向風速ベクトルのうち、所定の閾値以上に相違する風向値および風速値が除外され、出力値生成手段により、除外された風向風速値以外の風向風速値に基づき出力用の風向風速値が生成されるので、ある方向での風流の乱れが顕著に現れ、その方向で対をなす送受波器間の超音波信号伝播時間の測定に影響が出るような場合でも、算出された風向風速ベクトルのうち、大きくずれた風向値や風速値が除外されて残りの風向風速値から出力用の風向風速値を正確に生成することが可能となる。
【００１４】
ここで、全ての送受波器の対の組み合わせについて送受波器間の双方向の超音波信号伝播時間を測定する測定手段は、上述のように送受波器の１つから超音波信号を発信して残りの他の送受波器で受波する動作を超音波信号を発信する送受波器を順次切り替えて繰り返すことで測定するものであっても、送受波器の１つから超音波信号を発信して残りの送受波器の１つで受波する動作を、受波する送受波器を順次切り替えて繰り返すと共に超音波信号を発信する送受波器を順次切り替えて繰り返すことで測定するものであってもよい。
【００１５】
また、前記出力値生成手段は、測定誤差を考慮して、算出値除外手段で除外された風向風速値以外の風向風速値を平均化して出力用の風向風速値を生成するものであってもよい。尚、風向風速ベクトルの風向値は、基準を形成する必要があることから、真の方位に対する風向値に補正したものを用いるとよい。
【発明の効果】
【００１６】
以上述べたように、本発明によれば、円筒の拡がり振動を利用した横効果の圧電振動子を備えた送受波器を互いに超音波信号を送受可能に複数配置した超音波式風向風速計を用い、全ての送受波器の対の組み合わせについて送受波器間の双方向の超音波信号伝播時間を測定し、この測定された超音波信号伝播時間から送受波器数ｎについてのｎ・（ｎ−１）／２個のそれぞれの風向風速ベクトル（風速値と風向値）を求め、この算出された風向風速ベクトルのうち、所定の閾値以上に相違する風向風速値を除外して、残りの風向風速値から出力用の風向風速値を生成するようにしたので、送受波器自身が存在することで風流が乱れて著しく異なる風向風速値が存在するような場合でも、正確に風向風速値を測定することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の最良の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。
【００１８】
図１及び図２において、本発明に係る超音波式風向風速計１が示されている。
この例では、送受波器数が４つの場合が示されており、それぞれの送受波器（トランスデューサー：Ａ（Ａ11，Ａ12，Ａ21，Ａ22））は、図２（ａ）に示されるように、円筒の拡がり振動を利用した横効果の圧電振動子２を備え、基体３の上部中央を基準に９０度の間隔でアーム４を介して取り付けられ、隣り合う送受波器間が等距離となるよう正方形の頂点に配置されている。
【００１９】
したがって、各送受波器Ａから発振された超音波信号は、四方に拡がり、残りの他の送受波器へ送波されることになり、２つの送受波器の組み合わせで構成される６本の経路（隣り合う送受波器間の経路 （Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４）と対角線上の送受波器間の経路（Ｒ５，Ｒ６））のそれぞれについて、双方向に超音波信号の測定を行えるようにしている。
【００２０】
各送受波器Ａ（Ａ11，Ａ12，Ａ21，Ａ22）は、図３に示されるように、信号処理回路５に電気的に接続し、信号処理回路５は予め記録されたプログラムに基づき、それぞれの経路を構成する対をなす送受波器間で超音波信号の送受信を行い、それぞれの経路において双方向のトランシットタイム（一方の送受波器から他方の送受波器へ超音波が届く時間）を測定し、図４に示す以下の手法に基づき、出力用の風向風速値を算出する。尚、信号処理回路５は、風向風速計１に一体的に設けられるものであっても、別体に構成されるものであってもよい。
【００２１】
まず、風向風速計１は、一定の方位に設置するのが一般的であるので、ここでは、正方形の頂点に配置された４つの送受波器（Ａ11、Ａ22、Ａ12、Ａ21）のうち、Ａ11,Ａ12を基準(南北)方向、即ち、真の方位に一致させて設置する（ステップＳ１）。
【００２２】
このように設置された風向風速計１において、先ず、それぞれの経路での対をなす送受波器間の双方向の超音波信号伝播時間を計測する（ステップＳ２）。この全ての送受波器の対の組み合わせでの送受波器間の双方向の超音波信号伝播時間の測定は、送受波器の１つから超音波信号を発信して残りの他の送受波器で受波する動作を超音波信号を発信する送受波器を順次切り替えて繰り返すことで測定するようにしても、送受波器の１つから超音波信号を発信して残りの送受波器の１つで受波する動作を、受波する送受波器を順次切り替えて繰り返すと共に超音波信号を発信する送受波器を順次切り替えて繰り返すことで
測定してもよい。
【００２３】
そして、測定された超音波信号伝播時間に基づき直交する２軸での風速（Ｖｘ，Ｖｙ）を求め（ステップＳ３）、この直交する２軸での風速から風向風速ベクトル（風速（Ｖ）、風向（θ））を算出する（ステップＳ４）。その後、風向風速ベクトルの風向（θ）を真の方向（南北）に対する風向（θ0）に補正して置き換える（ステップＳ５）。
【００２４】
図３において、Ｖx1112はＡ11発信Ａ12受信およびＡ12発信Ａ11受信により求めた(Ａ11→Ａ12)軸方向の風速、Ｖy1112はＡ22発信Ａ21受信およびＡ21発信Ａ22受信により求めた(Ａ22→Ａ21)軸方向の風速、Ｖ1112,θ1112は、Ｖx1112とＶy1112とを合成した風速,風向、θ01112は、θ1112を基準(南北)方向に補正した風向である。また、Ｖx1121はＡ11発信Ａ21受信およびＡ21発信Ａ11受信により求めた(Ａ11→Ａ21)軸方向の風速、Ｖy1121はＡ22発信Ａ11受信およびＡ11発信Ａ22受信により求めた(Ａ22→Ａ11)軸方向の風速、Ｖ1121,θ1121は、Ｖx1121とＶy1121とを合成した風速,風向、θ01121は、θ1121を基準(南北)方向に補正した風向である。
次の記号 Ｖx2122,Ｖy2122,Ｖ2122,θ2122,θ02122、Ｖx1122,Ｖy1122,Ｖ1122,θ1122,θ01122、Ｖx2112,Ｖy2112,Ｖ2112,θ2112,θ02112、Ｖx2212,Ｖy2212,Ｖ2212,θ2212,θ02212も同様の意味を表わす。
【００２５】
そして、以上のステップＳ３〜Ｓ５の処理をそれぞれの対をなす送受信器について（それぞれの経路について）行い、合計６個（ｎ*(ｎー１)／２:ｎ＝４）の風向風速ベクトル（風速（Ｖ）と風向（θ0））を求める（ステップＳ６）。
【００２６】
したがって、乱流が無い場合には、風速、風向は、一般的には、下式の通りとなる。
【数４】
0005029993.tif 000005
【００２７】
その後、各風向間の差を求め、その差が所定の閾値より大きい場合は除外する。同様に、各風速間の差を求め、その差が所定の閾値より大きい場合は除外する。そして、残った風向風速値（風向値、風速値）から出力用の風向風速値を求める。即ち、残った風向、風速からそれぞれ風向及び風速の平均値を求め、これを最終的な出力用の風向風速値とする（ステップＳ７）。尚、風向、風速のそれぞれにおいて、上記差が閾値内であれば、６個の全ての値の平均値を求める。
【００２８】
以上の手法に基づき、図５に示されるように、Ｘ軸方向から風が吹いている場合の風向風速を計測する場合について見ると、この状態において、乱流が無い場合には、風速、風向は下記の通りとなるはずである。
【数５】
0005029993.tif 000006
【００２９】
ところが、実際は、送受波器Ａ11自身により、第５図に示すような乱流が発生し、Ａ11→Ａ12間のＶ1112、θ01112が他の風速値、風向値と異なる。そこで、この場合には、Ｖ1112、θ01112を除いた残りの５つの値より、出力用の最終的な風速(Ｖ)、風向(θ)を算出する。
【００３０】
具体的には、各風向間の差を求め、その差が閾値内であれば６個の全ての風向を平均して最終的な風向を求め、風向間の差が閾値より大きい場合には、その大きく異なる風向値を除外して残った風向値から風向の平均値を算出し、これを最終的な出力用の風向とする。
また、 各風速間の差を求め、その差が閾値内であれば６個の全ての風速を平均して最終的な風速を求め、風速間の差が閾値より大きい場合には、その大きく異なる風速値を除外して残った風速値から風速の平均値を算出し、これを最終的な出力用の風速とする。
【００３１】
また、第６図に示されるように、南北に対して４５度の方向から風が吹いている場合についてみると、乱流が無い場合には、風速、風向は下記の通りとなるはずである。
【数６】
0005029993.tif 000007
【００３２】
ところが、実際は、Ａ11およびＡ21自身により、第５図に示すような乱流が発生し、Ａ11→Ａ22間およびＡ21→Ａ12間のＶ1122、θ01122およびＶ2112、θ02112 が他の風速、風向と異なる。そこで、この場合は、Ｖ1122、θ01122およびＶ2112、θ02112 を除いた残りの４つの値より、風速(Ｖ)、風向(θ)を算出する。
【００３３】
以上のようにして、いずれの方向から風が吹いた場合においても、大きく異なる風向風速値を除外し、残りの風向風速値を平均化することで最終的な出力用の風向風速値が得られるので、送受波器自身の存在により風流の乱れが顕著となるような場合でも、正確な風向風速値を測定することが可能となる。
尚、上述の例においては、送受波器Ａが４つ（ｎ＝４）の場合の例を示したが、これに限定されるものではなく、送受波器が３又は５つ以上の場合においても、上述の技術思想を採用して風向風速値を測定するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】図１は、４つの送受波器を有する本発明に用いられる風向風速計を示す図であり、（ａ）はその平面図、（ｂ）はその側面図である。
【図２】図２（ａ）は、円筒の拡がり振動を利用した横効果の圧電振動子を備えた送受波器を示す概念図であり、図２（ｂ）は、４つの送受波器のレイアウトと送受波器の対の組み合によって形成される経路を示す説明図である。
【図３】図３は、円筒の拡がり振動を利用した横効果の圧電振動子を備えた４つの送受波器とこれに接続される信号処理回路とを備えた超音波式風向風速装置を示す構成図である。
【図４】図４は、出力用の風向風速値を算出する手法を説明するフローチャートである。
【図５】図５は、Ｘ軸方向から風が吹いている場合の例を説明する説明図である。
【図６】図６は、南北に対して４５度の方向から風が吹いている場合の例を説明する説明図である。
【図７】図７（ａ）は、円柱の長さ振動を利用した縦効果の圧電振動子を備えた従来の送受波器を示す概念図であり、図７（ｂ）は、対向する送受波器によって形成される経路を示す説明図である。
【図８】図８は、従来の送受波器とこれに接続される信号処理回路を備えた超音波式風向風速装置を示す構成図である。
【図９】図９は、レイノズル数（Ｒｅ）によって変化する流れパターンを示す図である。
【符号の説明】
【００３５】
Ａ（Ａ11，Ａ12，Ａ21，Ａ22）  送受波器
１  超音波式風向風速計
【図１】
0005029993.tif 000008
【図２】
0005029993.tif 000009
【図３】
0005029993.tif 000010
【図４】
0005029993.tif 000011
【図５】
0005029993.tif 000012
【図６】
0005029993.tif 000013
【図７】
0005029993.tif 000014
【図８】
0005029993.tif 000015
【図９】
0005029993.tif 000016