従来の風速測定システムは、機械式風速計や超音波式デバイスに基づくことが一般的です。機械式風速計は低コストである一方、可動部が摩耗・汚染・腐食しやすく、長期的なドリフトや屋外環境での信頼性低下を招き、最終的には設置者や顧客に高額な保証コストが発生することがあります。超音波技術は機械的に堅牢であるものの、騒音や電磁干渉、氷や葉、クモの巣などの物理的障害による影響を受けやすく、超音波パルスの乱れによる読み取り誤差や複雑な信号処理・電力管理を必要とします。
一方、差圧に基づくアプローチは、ヴェンチュリ効果を利用して2つの空気ギャップ間の圧力差から風速を求める方法で、コスト効率が高く、コンパクトで設計が容易な代替手段となります。
ヴェンチュリ効果に基づく動作原理
空気が収縮部を通過すると、ベルヌーイ原理およびヴェンチュリの原理に従い、流速が増加し静圧が低下します。
収縮部の停滞領域（スタグネーション領域）と喉部（スロート）の間に生じる圧力差 Δp は、空気密度 ρ を用いて Δp = ½ ρ (v₁² − v₂²) で表され、風速の二乗に比例します。したがって、この圧力差を測定することで、風速を直接かつ物理的に基づいた形で推定することが可能です。
従来の流路とは異なり、このジオメトリは二次元で平面状または円盤状の「ヴェンチュリ」構造として実現でき、開放空間での測定が可能となるため、ダクトを必要とせず、任意方向の風速測定が可能となります。
センサー技術と測定原理
差圧は、当社の SDP3x および SDP8xx シリーズによって検出されます。これらは CMOSens™ 熱式フローセンシング原理を採用しており、マイクロチャネル内の熱伝導効果を利用して非常に小さな圧力差を測定し、デジタルかつ温度補償済みの出力に変換します。可動部を持たないため、長期にわたる安定性が確保される一方、高い熱感度により微小な圧力変化の検出が可能で、0.2 m/s までの低風速測定が可能です。センサーのデジタルキャリブレーションとゼロ点安定性により、統合が容易で、定期的な再校正は不要です。
システム構成と機械的統合
典型的な構成では、センサーはヴェンチュリ収縮部の両側に設置された2つの圧力ポートに接続されます。例えば、停滞領域（スタグネーション領域）と喉部（スロート）の間に配置します。測定された Δp は、計算流体力学（CFD）解析や風洞試験に基づくキャリブレーション曲線を用いて、継続的に風速値に変換されます。コンパクトなジオメトリはプラスチックで射出成形でき、建物の外壁、センサーノード、環境モジュールなどへの機械的統合が容易です。センサーの圧力ポートを通る流量が低いため、汚染への耐性も高く、オプションで低コストのフィルターリングを追加することで、粉塵や昆虫からの保護性能をさらに向上させることが可能です。
環境補償とシステム性能
温度や周囲圧力の補償を行うことで、変化する環境条件下でも測定精度をさらに向上させることができます。SDP3x センサーは低消費電力で動作し、デジタル I²C インターフェースを介して通信可能であるため、低消費電力の組み込みシステムにも適しています。このコンセプトにより、可動部を持たず安定かつ高精度な測定を提供する、コスト効率が高く機械的に堅牢な風速センサーの実現が可能です。複数の差圧センサーを組み合わせることで、風の方向成分も検出でき、2次元の風ベクトル測定にも拡張できます。
次世代アプリケーションへのスケーラブルなソリューション
この差圧ベースの原理は、当社の実績ある CMOSens™ 技術と組み合わせることで、環境モニタリング、スマートビル制御、産業用オートメーションにおける次世代風速計測ソリューションのための、拡張性が高く信頼性のある基盤を提供します。
