【仕組みを徹底解説】3次元超音波風速計TriSonica Mini Wind and Weather Sensorの測定原理

2021/02/12

こちらの記事では、弊社で取り扱いしているLI-COR<旧: Anemoment>社(アメリカ)の3次元超音波風速計の仕組みについて解説をします。

1. はじめに

弊社では、LI-COR(旧: Anemoment)社製3次元超音波風速計TriSonica Mini Wind and Weather Sensorの取り扱いをしております。2020年2月より取り扱いを開始した本センサですが、多くのお客様より「他社製の3次元超音波風速計に比べ、構成がシンプル」、「どのような仕組みになっているのか」というお声を頂いております。そこで今回は、TriSonica Miniの仕組みについて図を用いて解説いたします。そのような疑問を持っている皆様のお役に立てれば幸いです。

2. TriSonica Mini Wind and Weather Sensor とは？

アメリカ・コロラド州にあるAnemoment社(現: LI-COR社)によって開発された、超小型軽量の3次元超音波風速計です。
サイズ約9.2cm×9.2cm×5.4cm、質量50gとコンパクトなセンサですが、風速だけでなく風向、気温、湿度、気圧、傾き、方位を同時に測定する機能も有します。無償ソフトウェアをダウンロードすることでGUIが利用でき、計測した各種データの確認が可能です。RS232C⇔USBの変換+電源供給機能を持った専用のモジュールをご自身のパソコンやラズパイに繋ぐことで簡単にご使用いただけます。センサにはフラットタイプとパイプマウントタイプの二種類があり、ご使用用途に合わせて選択ができます。フラットタイプとパイプマウントタイプの違いについては以下をご参照ください。

※製品のデザインや仕様は予告なく変更になる場合がございます。ご了承ください。

3. TriSonica Mini Wind and Weather Sensorの仕組み

それでは、TriSonica Miniはどのように超小型軽量を実現しつつ3次元計測を可能にしているのでしょうか。

画像の通り、音を発する部分と感知する部分は同じ部分(この部分は音波トランスデューサと言います)となっております。
中心のギザギザ部分は、音を出しません。ここは、音波が反射しマルチパスが発生することを抑制しています。
測定の方式はTOF(Time-of-Flight)での計測です。TOFとは、一方の音波トランスデューサから発射した音波が、他の音波トランスデューサへ到達するまでの時間のことです。もし空気の流れがある場合、このTOFに変化があります。Trisonica MiniはこのTOFの変化により空気の流れを測定することができるのです。
TOF 速いアニメ.gif

アニメーションはTOF方式の風速測定原理

2次元の東西南北の風向風速を計測するためにはトランスデューサを平面に4つ配置する必要があります（下のアニメーションを参照）。

アニメーションは二次元の風向風速計測を実現するためのトランスデューサの配置構成

通常の超音波式風速計は6つのトランスデューサーを使用して3つの双方向のTOF測定のパスを構成し3次元の風速を計測しますが（詳細は割愛）、この場合は装置が大きくなり、重量も大きくなります。
一方、TriSonica Miniでは製品を小型軽量化するため6つのトランスデューサを使わずに、4つのトランスデューサーを4面体構造に配置することによって3次元の風速の計測を可能にしています（下図参照）。