風速計

1845年、アーマー天文台のジョン・トーマス・ロムニー・ロビンソン牧師（博士）によって、シンプルな風速計が発明されました。これは、垂直軸に取り付けられた水平アームに4つの半球状のカップが取り付けられた構造でした。カップを通過する空気の流れは、水平方向であればどの方向でも、風速にほぼ比例した速度で軸を回転させました。そのため、一定時間内に軸の回転数を数​​えることで、幅広い風速範囲における平均風速に比例した値が得られました。このタイプの装置は、回転式風速計とも呼ばれています。

機械式風速計のもう一つの形態として、羽根式風速計があります。これは風車やプロペラ式風速計とも呼ばれます。回転軸が垂直なロビンソン式風速計とは異なり、羽根式風速計は回転軸を風向と平行にする必要があるため、水平になります。さらに、風向は変化するため、回転軸もその変化に追従する必要があり、そのため風向計、あるいは同様の目的を果たすための何らかの装置を用いる必要があります。

羽根式風速計は、同じ軸上にプロペラと尾部を組み合わせることで、同じ装置から正確かつ精密な風速と風向の測定値を得る。^{[ 3 ]}ファンの回転速度は回転カウンターで測定され、電子チップによって風速に変換される。したがって、断面積が分かれば体積流量を計算できる。

鉱山や建物の換気坑道のように、空気の流れの方向が常に同じ場合、エアメーターと呼ばれる風向計が使用され、満足のいく結果が得られます。^{[ 4 ]}

• 羽根式風速計
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  羽根式風速計
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  方向指示用の風向計を組み込んだらせん状プロペラ式風速計
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  手持ち式低速羽根風速計
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  携帯型デジタル風速計、またはバイラム風速計。

熱線風速計は、周囲温度より少し高い温度に電気的に加熱された細い線（数マイクロメートル程度）を使用します。線を通過する空気によって線は冷却されます。ほとんどの金属の電気抵抗は金属の温度に依存するため（タングステンは熱線によく使われる金属です）、線の抵抗と空気の速度の間に関係が得られます。^{[ 5 ]}ほとんどの場合、風向計と組み合わせない限り、気流の方向を測定するために使用することはできません。

この方式を実現する方法はいくつかあり、熱線式風速計はさらにCCA（定電流風速計）、CVA（定電圧風速計）、CTA（定温風速計）に分類できます。これらの風速計の電圧出力は、オームの法則に従って、装置内部の何らかの回路が特定の変数（電流、電圧、または温度）を一定に保とうとする結果として生じます。

さらに、PWM（パルス幅変調）風速計も使用されており、これは、ワイヤを特定の抵抗値まで上昇させ、閾値「フロア」に達するまで停止する電流パルスの繰り返し時間の長さによって速度を推定し、閾値に達すると再びパルスが送信される。

熱線式風速計は、非常に繊細な装置ではあるものの、他の測定方法に比べて極めて高い周波数応答性と優れた空間分解能を備えているため、乱流や、速度の急激な変動が重要なあらゆる流れの詳細な研究にほぼ普遍的に用いられている。

細線風速計の工業用バージョンとして、熱式流量計があります。これは同じ原理に基づいていますが、温度変化を監視するために2本のピンまたは紐を使用します。紐には細いワイヤーが含まれていますが、ワイヤーを覆うことで耐久性が大幅に向上し、パイプ、ダクト、煙突内の空気、ガス、排出物の流量を正確に測定できます。工業用途では、従来の熱線風速計を損傷する可能性のある汚れが含まれていることがよくあります。

レーザードップラー速度測定では、レーザードップラー風速計は、レーザーからの光線を2つの光線に分割し、そのうちの1つを風速計から送り出します。光線が出てくる付近の空気分子とともに流れる微粒子（または意図的に導入された種物質）は、光を反射または後方散乱させ、検出器に戻します。検出器では、元のレーザー光線に対する相対的な速度が測定されます。粒子が激しく動いている場合、レーザー光に風速を測定するためのドップラーシフトが生じ、これを使用して粒子の速度、ひいては風速計周辺の空気の速度を計算します。^{[ 6 ]}

1950年代に初めて開発された超音波風速計は、超音波を用いて風速を測定します。超音波風速計は、一対のトランスデューサー間の音波パルスの伝搬時間に基づいて風速を測定します。^{[ 7 ]}

音波パルスが一方のトランスデューサーからもう一方のトランスデューサーまで伝わるのにかかる時間は、空気中の音速と、同じ方向の風速の合計に反比例する。${\displaystyle t={\frac {L}{(c+v)}}}$どこ${\displaystyle t}$飛行時間、${\displaystyle L}$はトランスデューサー間の距離です。${\displaystyle c}$は空気中の音速であり、${\displaystyle v}$は風速です。つまり、風が速いほど音波の伝わりも速くなります。空気中の音速（温度、気圧、湿度によって変化します）を補正するために、音波は両方向に送信され、順方向と逆方向の伝搬時間を用いて風速が計算されます。${\displaystyle v={\frac {1}{2}}L({\frac {1}{t_{1}}}-{\frac {1}{t_{2}}})}$どこ$t1$は飛行の順方向の時間であり、$t2$逆です。

超音波風速計は可動部がないため、メンテナンスの手間が少なく、過酷な環境下でも使用できます。幅広い風速範囲で動作し、毎秒多数の測定を行うことで風速と風向の急激な変化を測定できるため、乱流パターンの測定に役立ちます。

主な欠点は、トランスデューサーを支える構造物によって気流が歪むことであり、その影響を最小限に抑えるためには、風洞実験に基づく補正が必要となる。また、トランスデューサーに雨滴や氷が付着すると、測定精度が低下する可能性がある。

音速は温度によって変化し、圧力変化に対してはほぼ一定であるため、超音波風速計は温度計としても使用されます。

一対のトランスデューサからの測定値を組み合わせることで、1次元、2次元、または3次元の流れにおける速度の測定値を得ることができます。2次元（風速と風向）超音波風速計は、気象観測所、船舶航行、航空、気象ブイ、風力タービンなどの用途で使用されています。風力タービンの監視には通常、風速測定の更新レートが3  Hz必要であり、^{[ 8 ]}超音波風速計で容易に実現できます。3次元超音波風速計は、高速応答赤外線ガス分析計またはレーザーベースの分析計と組み合わせて渦相関法を使用して、ガス排出量と生態系フラックスを測定するために広く使用されています。

音響共鳴式風速計

音響共鳴風速計は、音波風速計のより新しい変種です。この技術はサバス・カパルティスによって発明され、1999年に特許を取得しました。^{[ 9 ]}従来の音波風速計は飛行時間測定に依存していますが、音響共鳴センサーは、測定を行うために、専用の小さな空洞内で共鳴する音響（超音波）波を使用します。

キャビティ内部には超音波トランスデューサのアレイが組み込まれており、超音波周波数で個別の定在波パターンを生成するために使用されます。風がキャビティを通過すると、波の特性（位相シフト）が変化します。各トランスデューサで受信した信号の位相シフト量を測定し、そのデータを数学的に処理することで、センサーは風速と風向の正確な水平方向の測定値を提供できます。

音響共鳴技術は小さな空洞内での測定を可能にするため、このセンサーは一般的に他の超音波センサーよりも小型です。音響共鳴式風速計は小型であるため、物理的に頑丈で加熱しやすく、着氷しにくいという特長があります。これらの特長により、高いデータ可用性を実現し、風力タービン制御や、戦場気象観測など小型で堅牢なセンサーを必要とする用途に最適です。このタイプのセンサーの課題の一つは、校正済みの機械式センサーと比較した場合の測定精度です。しかし、多くの用途において、この弱点はセンサーの長寿命と、一度設置すれば再校正が不要であるという利点によって補われます。

これらは最初の近代風速計です。上部から吊り下げられた平板で構成されており、風によって平板がたわみます。1450 年、イタリアの芸術家であり建築家でもあるレオン・バッティスタ・アルベルティが最初の機械式風速計を発明しました。^{[ 10 ]} 1663 年にロバート・フックによって再発明されました。^{[ 11 ] [ 12 ]}この形式の後のバージョンは、正方形または円形の平板で構成されており、風向計によって風に対して垂直に保たれます。平板の表面にかかる風圧はバネによってバランスが取られます。バネの圧縮によって、風が平板に及ぼす実際の力が決定され、これは適切なゲージまたは記録計で読み取られます。この種の機器は微風には反応せず、強風の測定には不正確で、変化する風への反応が遅いです。平板風速計は、橋の強風警報を作動させるために使用されました。

1775年にジェームズ・リンドが考案した風速計は、液体マノメーター（圧力計）を内蔵した垂直に取り付けられたガラス製のU字管で構成されており、片方の端は風の流れに面するように水平方向に曲げられ、もう片方の垂直な端はキャップで閉じられていた。リンドの風速計は最初のものではなかったが、この種の風速計としては最も実用的でよく知られたものであった。風が管の開口部から吹き込むと、マノメーターの片側の圧力が上昇する。垂直な管の開口部を風が通過しても、反対側の圧力はほとんど変化しない。U字管の2本の脚の高低差が風速を示す指標となる。ただし、正確な測定には、風が管の開口部に直接吹き込む必要がある。風の方向がわずかにずれるだけで、測定値に大きなばらつきが生じる。

1892年にウィリアム・ヘンリー・ダインズが考案した金属製圧力管風速計は、風に面した直管の開口部と、上端が閉じられた垂直管の小さな穴の輪との間の圧力差を利用していました。両者は同じ高さに設置されています。動作の起点となる圧力差は非常に小さいため、それを記録するための特別な手段が必要です。記録装置は、部分的に水で満たされた密閉されたチャンバー内のフロートで構成されています。直管からのパイプは密閉されたチャンバーの上部に接続され、小さな管からのパイプはフロート内部の底部に接続されています。圧力差によってフロートの垂直位置が決まるのが風速の測定です。^{[ 13 ]}

管式風速計の大きな利点は、露出部分を高いポールに取り付けることができ、何年も注油やメンテナンスが不要であること、そして記録部分を任意の都合の良い場所に配置できることです。接続管は2本必要です。一見すると1本の接続で十分のように思えるかもしれませんが、これらの機器が依存する圧力差は非常に小さいため、記録部分が設置されている部屋の気圧を考慮する必要があります。したがって、機器が圧力または吸引効果のみに依存し、この圧力または吸引を、ドアと窓を注意深く閉め、新聞紙を煙突で燃やした通常の部屋の気圧と比較して測定すると、10  mi/h (16  km/h) の風に相当する効果が生じる可能性があります。また、荒天時に窓を開けたり、ドアを開けたりすると、記録が完全に変わってしまう可能性があります。

ダイネス風速計は、時速10マイル（16km /h）での誤差がわずか1%であったものの、風向計のヘッドを風上に向けるために必要な平板状の羽根の反応が悪かったため、微風に対する応答性はあまり良くなかった。1918年、平板の8倍のトルクを持つ空力羽根が開発され、この問題は克服された。  

基本的な風速計としてよく用いられるのは、ピンポン玉を紐に取り付けたものです。風が水平方向に吹くと、ピンポン玉に圧力がかかり、動きます。ピンポン玉は非常に軽いため、微風でも容易に動きます。紐とピンポン玉の装置と垂直線との間の角度を測定することで、風速を推定できます。

このタイプの風速計は主に中学校レベルの指導に使用され、ほとんどの生徒が自分で作りますが、同様の装置はフェニックス火星着陸船にも搭載されました。^{[ 16 ]}

管式風速計では、目盛りが速度目盛りとして表示されているものの、実際には動圧が測定されています。気温、標高、気圧の違いにより実際の空気密度が校正値と異なる場合は、実際の風速を求めるために補正が必要です。海抜1,000フィート（1キロメートル）ごとに、管式風速計で記録された風速に約1.5%（6,000フィート以上では1.6%） （1キロメートルごとに5%）を加算する必要があります。