JP2001153879A - 光式風向風速計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 風向風速を光ファイバの光伝送損失に置き換
えて計測する新規な計測原理を用いた光式風向風速を提
供する。 【解決手段】 風見２と受風板３を有する支柱１をボー
ルジョイントで形成される支持部４で傾動可能かつ回転
可能に支える。また、この支柱１の下端外周に内部材５
と可動リング６から成る圧力伝達部材を配し、さらに可
動リング６の外側に光センサ７を周方向に定ピッチで多
数設け、風圧による支柱１の傾きで支柱１から風上側の
光センサ７に圧力が伝わってその光センサ７が作動し、
光ファイバ７ｂに風圧に応じた光伝送損失が生じるよう
にした。その光伝送損失の発生点と発生レベルから風
向、風速を求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、現地に電源が無
くても１本の光ファイバラインを利用して風向風速の多
点遠隔監視を行える光式風向風速計に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の風向風速計は、風向については光
式エンコーダを利用し、風速については風車の回転軸に
取付けたスリット付き円板によって単位時間当りに光が
遮断される回数をカウントして速度を演算する方式のも
のはあった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の光式風
向風速計は、風向、風速の計測のために光ファイバを専
属で利用し、光信号を光／電変換部で電気信号に変換し
て演算処理部に取込むものであり、光信号（測定の原信
号）の伝送距離は比較的短い。伝送光が届く範囲であれ
ば光ファイバによる信号伝送ラインを長くすることも可
能であるが、この場合の光信号は１本の光ファイバでは
ひとつの信号しか送れず、観測点が多くて数多くの信号
を伝送する必要がある場合には多芯の光ファイバケーブ
ルが必要になって現実的でない。このため、光信号を現
地（観測点やその近辺）で処理し、データ信号を多重方
式で伝送するなどの方法を採るのが一般的である。

【０００４】従って、収集した情報を遠隔の監視センタ
ー等に送る場合には、信号伝送装置などの付帯設備を別
途必要とし、また、信号伝送装置の設置点に容量の大き
な電源を引き込む工事も必要となり、多点観測を行う場
合にはシステム構築費が高くなる。

【０００５】そこで、この発明は、新規な測定原理を用
いた光式風向風速計を提供して現地電源や信号伝送装置
を用いずに風向風速の多点観測が行えるようにすること
を目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、この発明においては、上部に受風部を有する垂直な
支柱を、その支柱の長手途中に設ける支持部で３６０°
の全方位方向に傾動可能に支持し、この支柱の下端側外
周に、加圧子で光ファイバに曲げ歪を加えて光伝送損失
を生じさせる光センサを、支柱と同心円上に配列して、
かつ各光センサの光ファイバがシリアルに連なる状態に
して設け、風圧で前記支柱が傾き、この支柱の下端側の
変位力で風上側に置かれた光センサの加圧子が押圧され
て風上側の光センサに光伝送損失が生じ、その光伝送損
失の発生点と発生レベルから風向と風速を求めるように
した光式風向風速計を提供する。

【０００７】この風向風速計は、光センサと支柱との間
に圧力伝達部材を介在し、支柱の下端側の変位力が前記
圧力伝達部材を介して光センサの加圧子に伝わるように
しておくと好ましい。また、この場合の圧力伝達部材と
して、各光センサの加圧子先端に内接する可動リング又
は可動円板を用いるのも好ましい。

【０００８】また、支柱に風見をつけて風向に応じた方
向に支柱を回転させる場合には、圧力伝達部材として可
動リングのほかに、各々の外周面を可動リングの内面に
局部的に接触させる内部材を追設し、その内部材のどれ
かひとつが常に風上側に置かれるように位置設定を行っ
て支柱の外周に定ピッチで３個以上固定しておくのがよ
い。

【０００９】さらに、支柱に浮力を加えるフロートを取
付け、そのフロートを容器内の液体に浮かばせておくの
も感度向上の効果をもたらして好ましい。

【００１０】

【作用】受風部に風圧が加わると、支柱の支持点よりも
上側部分が風下側に倒れ、その反動で支柱の下端側が傾
いて風上側に変位する。そして、このときの下端側の変
位力で風上側の光センサの加圧子が押圧され、光ファイ
バに曲げ歪が加わって風上側の光センサに光伝送損失が
生じる。

【００１１】支柱の周囲に配置した光センサは、各セン
サの光ファイバがシリアルに連なっているので、光ファ
イバの片端に光伝送損失分布測定装置（ＯＴＤＲ）を設
置して伝送損失の有無と分布を調べれば、どの位置のセ
ンサが作動したか（光伝送損失が生じたか）が判る。作
動した光センサは風上側にあり、従って、どの位置の光
センサが作動したかで風向を特定することができる。

【００１２】一方、風速については、風圧荷重との間に
下式の関係があるので、風圧荷重を求めることによって
風速を算出できる。

【００１３】Ｆ＝１／２（ρ×Ｃｄ×ｓ×ｖ² ） ここに、Ｆ：荷重、ρ：流体の密度、Ｃｄ：抗力係数、
ｓ：投影面積、ｖ：風速

【００１４】なお、風圧荷重は、作動した光センサの光
伝送損失レベルと相関をもつもので、その相関を表す特
性曲線を予め測定しておけば光伝送損失の大きさから風
圧荷重を求めることができる。この方法であれば、特別
の荷重センサを必要としない。

【００１５】次に、光センサと支柱との間に圧力伝達部
材を介在すると、光センサの設置領域が広がるので、光
センサの設置数を増やして風向の検知をきめ細かく行う
ことが可能になる。また、圧力伝達面の形状を最適化し
て圧力伝達の信頼性を高めたり、複数のセンサに圧力を
伝えたりすることも可能になる。

【００１６】圧力伝達部材の好ましい形態のひとつが前
述の可動リングであり、これを用いると、複数の光セン
サに確実に圧力を伝達することができる。

【００１７】風見を設けて支柱を風向に応じた方向に回
転させるものは、可動リングとそのリングの内面に局部
的に接触させる内部材を用いて圧力伝達を行うのがよく
（可動リングを支柱に直結すると可動リングの重みで支
柱の動きが悪くなる）、この場合には、可動リングが支
柱の回転抵抗を低減する働きもする。

【００１８】このほか、支柱にフロートを取付けて適度
の浮力を加えると支柱支持部での摩擦抵抗の低減が図
れ、風圧に対して支柱が敏感に反応して動く。

【００１９】

【発明の実施の形態】図１乃至図３に、この発明の光式
風向風速計の実施形態を示す。図１、図２の１は、上部
に風見２と受風板３を設けた支柱である。この支柱１
は、長手途中をボールジョイントで形成された支持部４
で支えており、その支持点を支点にして３６０°の全方
位方向に傾動可能、かつ回転可能になっている。また、
無風時に垂直姿勢を保つように、風見２、受風板３を含
む上側部分をＦＲＰなどの軽量材で形成して支持点より
も下側部分の重量を上側部分の重量よりも大きくしてい
る。

【００２０】５は、支柱１の下端外周に取付けた圧力伝
達用の内部材、６は内部材５を内面に接触させた同じく
圧力伝達用の可動リング、７は光センサ、８はセンサ部
を収納する容器、９は防塵カバーである。

【００２１】内部材５は、円板や円形リングを用いてお
り、ここでは、この内部材５を、図３（ａ）に示すよう
に、支柱１の外周に定ピッチで３個取付けている。この
内部材５は、支柱１の回転に伴って変位し、１個が常に
風上側に来るように位置設定されている。他の２個は、
バランスを保つためのものである。

【００２２】可動リング６は、支持具１０（図１参照）
上に載置するなどして水平面内で任意方向に移動できる
ように支えている。

【００２３】光センサ７は、図４に示すように、ハウジ
ング７ａ内に引き通した光ファイバ７ｂを加圧子７ｃで
加圧変形させて光ファイバ７ｂに曲げ歪による光伝送損
失を生じさせるものを用いている。この光センサ７は、
図５に示すような波形の加圧子７ｃを用いて光ファイバ
を多点で加圧変形させるものが、無理な曲げ歪を加えず
に所望の伝送損失を生じさせることができて好ましい。

【００２４】この光センサ７を、図３（ａ）に示すよう
に、各光センサの光ファイバ７ｂがシリアルに連なる状
態にして支柱１と同心の円上に定ピッチで多数配列して
いる。

【００２５】このように構成した図１、図２の風向風速
計は、風圧を受けた支柱１が支持部４による支持点を支
点にして風下側に倒れ、その支柱１の下端側が風上側に
傾く。このときの下端側の変位力（これは、図の計器の
場合、てこ比により増幅された力となる）が内部材５、
可動リング６経由で伝達されて可動リング６に押された
風上側の光センサ７が作動する。図３（ｂ）はその状態
を表したものであって、可動リング６による圧力伝達域
の拡大により複数の光センサ７が作動している。このと
きの光センサ７の作動個数が奇数個となるようにしてお
けば、動作したセンサの中心に位置するセンサの位置が
風向を示すことになる。また、動作した光センサが奇数
個、偶数個のどちらであっても、光伝送損失の大きさが
それぞれのセンサで異なり、動作したセンサの中で中心
に位置するセンサほどその損失が大きくなるので、損失
レベルが最大となる側から風が吹いていると判断するこ
ともできる。

【００２６】風速については、各光センサの光伝送損失
の総和もしくは加重平均した値と風速との相関を表す特
性曲線を予め測定しておいて実測データと照らすと、そ
のときの風速を求めることができる。

【００２７】図６は、内部材５を、菱形に近い形にした
板ばね製の歪リングで形成した例を示している。この図
６の内部材５は、押圧されるとひしゃげるように弾性変
形して外周面の曲率が鎖線で示すように小さくなる。従
って、これを用いれば、可動リング６が無くても複数個
の光センサを同時に作動させることが可能になるが、可
動リング６を設けると、内部材５が可動リング６の内面
に沿ってスムーズに動くので支柱１の回転抵抗が小さく
なるほか、光センサの加圧子７ｃを内部材から保護する
効果も生じて感度と耐久性が良くなる。

【００２８】図７は、より好ましい形態である。この図
７の風向風速計は、図１の風向風速計の支柱１にフロー
ト１１を取付けてそのフロート１１を容器８に入れた液
体（水でよい）１２中に浮かばせ、フロート１１の浮力
で支柱１の重量を受けている。この場合も、支柱１は無
風下では垂直姿勢が保たれるように、重心を支持部４に
よる支持点よりも下側に位置させておく。このようにす
ると、ボールジョイント等で形成される支持部４内での
摺動部の摩擦抵抗が低減され、支柱１の風による動きが
鋭敏になって計測感度が向上する。

【００２９】なお、上記各実施形態は、受風部として受
風板３を用いたが、受風部は、図８に示すように、支柱
１に回転フリーに取付けた風車１３や、図９に示すよう
な円筒体１４などでもよい。

【００３０】また、この発明の風向風速計は、３６０°
の全方向からの風に対する受風条件が均一であれば支柱
１を回転させなくても目的が達成されるので、図８の風
車１３や図９の円筒体１４などを受風部として採用する
場合には風見は無くてもよい。風見を省く場合の支柱１
から光センサ７への圧力伝達部材は、全方位方向への圧
力伝達が均一になされるもの、例えば、図９に示す可動
円板１５などが好ましい。

【００３１】図１０は、図７の風向風速計を用いた風向
風速の多点遠隔監視システムの概念図である。

【００３２】光式風向風速計Ａを各観測点に正しく位置
決めして設置し、内蔵した光センサの光ファイバ７ｂの
両端を、各観測点に通して監視センターや中継所に至ら
せる光ファイバ１６に直列に連ならせる。そして、監視
センター等で光ファイバ１６の片端に、光伝送損失分布
測定装置１７と、得られたデータを処理して表示するデ
ータ処理、表示装置１８を接続すると、風向風速の多点
遠隔監視が行える。

【００３３】なお、光ファイバの光伝送損失の精度は、
０．０２ｄＢである。従って、１箇所の観測点で最大２
ｄＢの損失を与えるとすると、２÷０．０２＝１００、
つまり、風速の計測範囲を最大で２０ｍ／ｓまでとする
と、それを１００等分して０．２ｍ／ｓ単位での測定が
可能になる。但し、この発明の測定原理ではリニアリテ
ィはあまり期待できないため、事前の較正が必要になる
場合がある。

【００３４】

【発明の効果】以上述べたように、この発明の光式風向
風速計は、風圧で支柱を傾かせ、その支柱の下端側の変
位力を光ファイバの光伝送損失に置き換えてその光伝送
損失の発生点、発生レベルから風向と風速を求めるの
で、現地に信号伝送用の付帯機器や電源が無くても計測
を行って遠隔地の監視センター等に得られた情報を送る
ことができる。

【００３５】なお、この発明の風向風速計は、精密な風
速の把握にはやや難があるが、少なくとも風が強いのか
弱いのか、どの程度のレベルかと云った状況は容易に把
握できる。道路の路面凍結などは、気温のみならず、そ
のときの現地の風向や風速と相関があり、その凍結監視
などにこの発明の風向風速計で得られたデータを活用す
ると、凍結の予測、判断がし易く、予測、判断の精度向
上にもつながる。

【００３６】本出願人は、光伝送損失で状況がわかる光
式雨量計や凍結検知センサを既に特許申請しており、こ
のようなセンサと組合わせて観測を行うと、路面凍結等
の予測、検知に必要な現地の気象情報を１本の光ファイ
バと必要最少限のシステム機器を共用して入手すること
が可能になり、安価な観測システムを構築できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の風向風速計の実施形態を示す側面視
断面図

【図２】同じく正面図

【図３】（ａ）図１のIII −III 線部の断面図 （ｂ）光センサの作動状況を示す図

【図４】（ａ）光センサの一例を示す断面図 （ｂ）同上の光センサの作動状況を示す断面図

【図５】光センサの加圧子の変形例を示す断面図

【図６】図３の圧力伝達用の内部材を板ばね製の歪リン
グに置き換えた例を示す図

【図７】フロートを付加した風向風速計の側面視断面図

【図８】受風部の他の例を示す側面図

【図９】受風部の更に他の例を示す側面視断面図

【図１０】この発明の風向風速計を用いた風向風速の多
点遠隔監視システムの概念図

【符号の説明】

１ 支柱 ２ 風見 ３ 受風板 ４ 支持部 ５ 内部材 ６ 可動リング ７ 光センサ ８ 容器 ９ 防塵カバー １０ 支持具 １１ フロート １２ 液体 １３ 風車 １４ 円筒体 １５ 可動円板 １７ 光伝送損失分布測定装置 １８ データ処理、表示装置

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 上部に受風部を有する垂直な支柱を、そ
   の支柱の長手途中に設ける支持部で３６０°の全方位方
   向に傾動可能に支持し、この支柱の下端側外周に、加圧
   子で光ファイバに曲げ歪を加えて光伝送損失を生じさせ
   る光センサを、支柱と同心円上に配列して、かつ各光セ
   ンサの光ファイバがシリアルに連なる状態にして設け、
   風圧で前記支柱が傾き、この支柱の下端側の変位力で風
   上側に置かれた光センサの加圧子が押圧されて風上側の
   光センサに光伝送損失が生じ、その光伝送損失の発生点
   と発生レベルから風向と風速を求めるようにした光式風
   向風速計。
2. 【請求項２】 光センサと支柱との間に圧力伝達部材を
   介在し、支柱の下端側の変位力が前記圧力伝達部材を介
   して光センサの加圧子に伝わるようにした請求項１記載
   の光式風向風速計。
3. 【請求項３】 前記圧力伝達部材として、各光センサの
   加圧子先端に内接する可動リング又は可動円板を用いた
   請求項２記載の光式風向風速計。
4. 【請求項４】 前記支持部をボールジョイントで形成し
   て支柱を傾動可能かつ回転可能に支持し、この支柱の上
   部に風見を設け、さらに、光センサと支柱との間に圧力
   伝達部材を介在し、その圧力伝達部材を各光センサの加
   圧子先端に内接する可動リングと、支柱の外周に定ピッ
   チで３個以上固定して各々の外周面を可動リングの内面
   に局部的に接触させる内部材とで形成し、前記内部材の
   ひとつが風上側にあるように位置設定を行った請求項１
   記載の光式風向風速計。
5. 【請求項５】 支柱に浮力を加えるフロートを取付け、
   そのフロートを容器内の液体に浮かばせた請求項１乃至
   ４のいずれかに記載の光式風向風速計。