熱線式風速計の原理

 

さて、アネモマスターは熱線式風速計なので、熱線式風速計の原理をもうちょっと詳しく
見てみましょう。
(参考文献:日本カノマックス技術情報、小林理研ニュース、他)

まず、周囲の温度よりも高温の物体があるとします。
放っておけば、この物体から回りの空気へ熱が移動して物体の温度は下がります。
このとき、空気の流れ(風)があって物体にあたっていれば、熱の移動量が大きくなって物体の温度の下がり方が早くなります。
※風がない場合は物体から空気へ熱が移動すると周囲の空気の温度が上がります。
空気がその場にとどまっていれば(あるいは動きが少なければ)、熱の移動量は少なくなっていきます。

実際には地球上では空気の対流が起きるので、ゆっくりですが常に物体よりも温度の低い空気が入ってくることで熱が常に移動し続けることになります。
風が吹くと、常に温度の低い空気が多く当たり続けることになるので、熱の移動量が大きくなります。

→要するにおでんの芋が熱いときに、箸で持ったままにしておくとだんだん冷めてきますが、ふうふうと吹いた方が早く冷めるのと一緒です。

もし風の速さ(風速)と物体の温度の下がり方(熱の移動量)が比例していれば、下がった温度から風速を算出することが出来ます、
よね?
条件として物体と周囲の温度(差)がわかっていなければなりませんが。

→口をすぼめて吹くのと、大口を開けて吹くのとでは、吐く息の速さが違います。
芋の冷め方も違うでしょ?

実に都合が良いことに、20世紀の初め頃(100年以上前)にモントリオール大学のルイ・V・キングという人が

”失われる熱は風速の1/2乗(平方根~要するにルート√です)に比例する”

という近似式を発表してて、
熱線式風速計を製造している各メーカーはみ~んなこれを基本にしてます。
ガッチャガッチャマンは英語弱いので論文の中身はよくわかりませんが、
読んでみたい人は、

http://rsta.royalsocietypublishing.org/content/214/509-522/373

へどうぞ。

※キング:ルイ・V・キング(Louis Vessot King1886~1956カナダ)
キングの式の考案者。発表時点でモントリオール大の物理学助教授
※論文もroyalsocietypublishingにあるようです。

 

キングの式

さて、物体の温度が下がると風速がわかるようになりました。
例えば、計測を開始して10秒で1度下がりました。
このときに風速1mだったとしましょう。
次の10秒でもう1度下がったらそのときも風速1mでしょうか?

実はそうではないのです。

”失われる熱は風速の1/2乗(平方根)に比例する”

と書きましたが、比例には比例係数というものがあるんです。
普通の一次式での

y=ax+b

における”a”がそれにあたりますが、このキングさんの式では係数の中に

”物体と周囲の空気との温度差”

という項目があるのです。
今の例でいうと2回目の計測では物体と周囲の空気との温度差が1度減ってるので、風速は一度目(1m)よりも大きくないと1度下がりません。
3回目にはトータル2度下がってるので更に・・・・

→物体の温度と周囲の気温の差が10度あったとすると、
最初の風速が1mだとすると次の風速は1.21m、3回目は1.56m、5回目には4m、9回目(2度差から1度差にする)では風速25m!
10回目は何と風速100mって。

これらは簡易計算なので実際にはもっと大きな数値になります。
最後には物体の温度と周囲の空気の温度が等しくなってしまい、いくら風が当たっても温度が下がらなくなります。
これではまずいので、実際の計測機では熱線を一定温度になるように(温度計で監視しながら)加熱してます。
これを素子として使用することで物体と周囲の空気の温度差を保ち、連続計測を可能にしているわけです。

え、物体の温度変化がないのにどうやって測るかって?

物体の温度(高温)を維持するために加えられる電流量を計測すれば、これも失われる熱を補完する量なので風速に比例するのです。
これなら常に1度分の熱量(電力)が失われると風速1mって答が出ます。

以上が熱線式の簡単な説明で、風に当てるための熱線、熱線を加熱する電源と計測器、熱線の温度を計測する温度計、周囲の温度を計測する温度計、
以上があれば風速計を作れてしまうってことです。

 

各メーカーの創意工夫

実際にはそう簡単ではないので、各メーカーが色々工夫を凝らしてるようです。
例えば日本カノマックスでは計測時に気圧の変化があると計測結果に差が出るということで、気圧計測も同時に行って精度を上げる方法について特許取ってるみたいです。

熱線式風速計は可動部分が無いことと小型化が簡単なことから、微風速の場合や狭いとこ
ろの計測によく使われます。
さて、ここで質問です。
熱線式風速計が使えない・使ってはいけない状況があります。
どんなときでしょうか。

これまでの話では”物体と周辺の空気”という書き方をしていたのですが、正式には”周辺の気体”です。
ということは”可燃性気体”(例えばメタンやプロパン)である可能性もあるんですね。
メタンやプロパンのガス流を計測しようとして熱線式風速計のヒーターを近づけたらどうなるでしょう。

ドカン!

ということで、可燃性気体が存在する可能性のあるところでは熱線式風速計を使ってはいけません。
そのような環境向けにはベーン式(小さな風車がついています)風速計などがよく使われます。
レックスでは出荷の際に出荷前点検(ちゃんと動作するか、指示値は正確であるか、付属品は揃っているか、など)を行っています。
本来は使用直前にも動作確認をするべきなんですが、風速の場合は角度や距離などのように簡単に使用できる基準がなかなかないので、そのまま当社を信頼していただくしかありません。

 

どうしても嫌って?

仕方がないので、自動車を用意していただきます。
助手席の窓から風速計を出した状態で一定速度で走って下さい。
その時の時速÷3600で風速が計算できます。
例:時速36kmで風速10m/sec、時速40kmでは風速11.1m/secになります。

合いました?

車のメーターが正確であるとか、運転が一定速度で安定しているとか、手持ちの風速計が動かないとか、
色々難しい条件がありますが、理屈の上ではそこそこの値が出るはずです。

これでも嫌な場合はちゃんと風洞作って・・・・
そんなこと出来るんだったら風速計をレンタルする必要はないですね、
失礼しました。

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あなたは単位の意味を分かろうとする?あきらめる?【基本編】

こんにちはー。

家庭内ホームレス・ISO爺マンです。

さて、本ブログのシリーズものとして、計量・計測の基本である「単位」の話を取り上げたいと思います。

まず、こんなことを書くと、

偏見だ!

と非難されそうなんですが、私個人の経験則からすると、文系とくに女性の場合、きわめて単位に弱いですね。

例えば、リットルLって何の単位?と質問すると、

「重さ」

と答えるのはまだマシな方で、

「水?..液体の単位?」

と質問の趣旨さえ分かっていない答えが返ってきたりします。

まあ、日常生活には何の支障もないので、問題ないのでしょうけど。

 

とはいうものの、計測機器専門レンタルの当社の社員がそれではちょっと困るので、
この場を借りて、そんな社員の啓蒙を兼ねてお題にしよう、
というわけです。

まず、「単位」の区別というか分類ですが、

「個」・「人」など数の数え方の単位、

「円」・「ドル」などのお金の単位、

「パーセント」・「割」・「ダース」などの割合・分率や一定倍数の単位、

そして、「メートル」・「グラム」などの計量単位(物理単位ともいう)があります。

(えーと、他にもあったっけ? ま、独断でこれだけということにします)

もちろん、ここでは計量単位を取り上げるわけですが、実を言うと、計測器の表示値の単位でも、けっこうアヤシイものもあったりします。

 

 

 

基本の単位のお話

まず、計量単位を突き詰めていきますと、基本単位というのに集約されます。

国際的に共通して認められている単位にも、様々な単位があります。

しかし、その大半はこの基本単位に置き換えて表記することができるのです。

 

例えば、力のニュートンNはkg・m/s2、圧力の単位パスカルPaはN/m2なので、kg/m・s2となります。

体積の単位リットルLはdm3です。

これらを組立単位と言います。

 

因みに、リットルは昔(私が学校で勉強していた頃)は筆記体のlで表記されていましたが、
筆記体を使用することが禁止されて小文字のlのままだと1と混同してしまうため、
現在は大文字のLで表記するのが一般的となっています。

さらに、m3の前に付いているのはデシで、1/10を示す計量単位の接頭語です。

1/10 m×1/10 m×1/10 mで、1/1000 m3というわけです。

よく天気図に出てくるヘクトパスカルhPaも、
100倍を表すヘクトhをパスカルPaにくっつけたもので、
1000hPaは、100000Paということになります。

ついでに一覧を書きますと、

 

  • 倍量を表す接頭語

デカ
da:×10
ヘクト
h:×100
キロ
k:×1000
メガ
M:×1000000
ギガ
G:×1000000000
テラ
T:×1000000000000

 

  • 分量を表す接頭語

デシ
d:1/10
センチ
c:1/100
ミリ
m:1/1000
マイクロ
µ:1/1000000
ナノ
n:1/1000000000
ピコ
p:1/1000000000000

 

まだまだあるんですが、0が多過ぎて書き切れないので、後は自分で調べて下さい。

 

 

基本の単位のお話

さて、基本単位に戻ります。

これは組立単位と違って、これ以外では表すことのできない、まさに計量の基本となる単位のことです。

7つあります。

 

 

長さの単位 メートルm
質量の単位 キログラムkg
時間の単位 秒(セコンド)s
温度の単位 ケルビンK
電流の単位 アンペアA
光度の単位 カンデラcd
物質量の単位 モルmol

 

 

因みに、キログラムkgだけ接頭語キロkが付いているのは、単位の定義の元となる原器が1kgだからです。

でも、だからといってミリキログラムmkgなんていう使い方はしません。

他の単位と同様に、µg、mg、g、Mgというふうに使います。

また、ケルビンKは、私たちが通常使う摂氏度℃と0の位置が変わるだけで、1単位の温度差は同じです。

0℃が水の三重点(水が個体・液体・気体の状態で同時に存在できる温度)なのに対し、ケルビンKは絶対零度(-273.15℃)が0となります。

さあ、ここで、文系の私にどうしても理解できないのが、モルmolです!

大昔、中学か高校の授業で出てきたような気がします。

...でも、それだけです。

 

モルmolの定義:

「0.012キログラム(kg)の炭素12の中に存在する原子の数に等しい要素粒子を含む系の物質量」

 

こんな訳の分からない単位は、一生関わることはないだろう、
と思っていたんです。

ところが!

当社のレンタル取扱機種に、このmolが出てくる単位が使われているのですよ!

µmol/(m2・s) なる単位です。

見た目だけで判断すると、光量子は、
1秒間・1平方メートル当たり百万分の何mol というふうに捉えるようですな。

実は、このブログを書くにあたって、ウェブサイトでmolを説明してくれるページを探して勉強したんです。

読んでいるうちは、少し分かったような気になりました。

でも、翌日になったら、やっぱり分からん!
に逆戻りしてしまいました。

 

結論!:
私は光量子計には近付かないようにします。

以上です。