K81．市販品を改造した高精度の通風式温度計
著者：近藤純正
市販品のうち安価な通風筒（Young社製）を購入・改造して、放射影響のほとんど無い 通風式温度計を組み立てた。通風筒は全部で４重の構造となった。Pt1000オームセン サー（直径2.3ｍｍ）を用い、取り付け金具を含む重量は1.1kgである。短時間観測 では12Ｖ乾電池、長期観測ではACアダプタを用いる。
データロガーは0.1℃単位で表示・出力されるが、20秒間隔で2～4時間の平均気温 を測る場合の総合的精度は±0.03℃である。
通風筒は鉛直に取り付ける仕様となっており、観測する気温は吸気口（通常、地上高度 1.5ｍ）レベルより0.1ｍ低い、すなわち高度1.4ｍの平均気温が観測される。 （完成：2014年1月15日）
本ホームページに掲載の内容は著作物である。
内容（新しい結果や方法、アイデアなど）の参考・利用
に際しては”近藤純正ホームページ”からの引用であることを明記のこと。
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研究指針の目次
更新の記録
2013年12月15日：素案の作成
2013年12月17日：80％仕上がり
2013年12月19日：81.4節の最後に備考を追記
2013年12月25日：備考１（DCケーブル接続部の絶縁）を追記
2014年１月15日：付録を追記
目次 81.1 はしがき 81.2 部品 81.3 通風筒の改造 81.4 比較検定 参考文献 付録 鉛直通風筒と水平通風筒による気温
81.1 はしがき
野外気温を観測する際の精度を1℃以内にするには容易なことではない。さらに0.1℃ 以内の高精度で観測することは難しく、太陽の直射光を防ぐだけでは不十分である。 岐阜県多治見市で気象予報士が率いる市民グループが用いていた方法では2～4℃の 誤差があった。詳細は「身近な気象」の
「M64．多治見のヒートアイランド：準備観測」
の図64.13と図64.14を参照。
自然通風式の一つ、昔の大型百葉箱の場合、風が弱く日射が強いとき1℃ほど高めに 観測されていた。直射を防いだ自然通風式の場合、センサーの大きさによっては 2～4℃程度の誤差は避けられない。理論計算による放射影響は近藤（1982）の図3.4 に示されている（
「K16．気温の観測方法」
の図16.3）。
温度計に及ぼす放射影響を小さくするために、最近はファンモータを用いて強制的に 空気を吸引する通風式温度計が使われるようになった。手作りできる人は手製の 通風式温度計を使っている。例えば、村上・木村（2010）、福岡ら（2011）、 近藤（2013）がある（近藤、2013、については、
「K70．気温 観測用の電池式通風筒」
を参照）。
10万円を超える市販品の通風筒には手が出せない。手作りするには時間も掛り、 工作に慣れた人でなければ難しい。筆者も、今回は6台が必要になり、工作時間の 節約から市販品を購入し、加工して精度0.02℃程度の通風式温度計を作ることにした。
市販品では、センサーを除く通風装置のみでも高価である。規格はそれぞれ異なるが、 いくつかのメーカー・代理店に問い合わせた価格は次の通り。
（１）Ａ社：800,000円
（２）Ｂ社：320,000円
（３）Ｃ社：150,000円
（４）Ｄ社： 91,287円（税送料込み）
（５）Ｅ社： 79,065円（税送料込み）
（１）は気象庁納入品、（４）と（５）はYoung社製MODEL43502（ＤＣ12Ｖコード 3ｍ付き）である。
価格や重量それに性能を考慮してＥ社（英弘精機KK）からヤング社製の通風筒を購入 した。取り付け金具を含む重量は1.1kgの軽量、ファンモータはDC12Ｖ、500ｍＡである。 英弘精機の形式名では強制通風遮光具43502となっている。Youngのカタログによれば、
日射量1000W/m
2
の条件で0.2℃の誤差がある
。
この通風筒についてどの部分を改良すればよいか検討すると、放射誤差0.2℃に用いら れる通常のセンサーの直径は6～12ｍｍで大きい。前記の近藤（1982）の理論計算に よれば、①センサーの直径を1/3～1/4にするだけで、放射影響は1/2～1/3程度に 小さくなる（通風速度＝5m/sのとき）。
②センサーの直径として2.3ｍｍを用いると、センサー取り付けの固定具 （図81.1の部品７）の内部も風が通り抜けるようになり、放射影響は小さくなる。 センサーまわりの通風速度を上げるために、図8.1のアクリルパイプに中穴を4個開ける。 この穴は吊り糸用の穴も兼ねる。センサーから出た導線部を吊り糸で支え、感温部に 熱が伝わらないようにする。
③この通風筒の1番外側の通風筒の外径が途中で細くなる構造のため、外側から1～2番 目間と2～3番目間の通風は十分でなくなっている。2.3ｍｍの細いセンサー・細い導線 を用い、導線を支える部分も空気が通るようにする。
④ヤングの通風筒の外径が途中で細くなっている部分は1重となっており、外壁面の 高温（晴天日中）が内部へ伝わりやすいので、この部分に断熱シートを巻く（図81.4）。
以上の4点を考慮して市販のYoung社製通風筒を改良して放射影響を小さくする。 ただし、工作に長時間を掛けては意味がないので、短時間で済む加工・改良を行う。 工作時間に長時間を掛ける場合は手製することとし、その例は前記した。
81.2 部品
通風式温度計の費用：
1台当たりの値段（112,765円）の内訳は次の通り。
通風筒：Young社製, 販売店は英弘精機（79,065円税送料込み）
（6）
センサPt1000, 直径＝2.3ｍｍ：立山科学工業（MODSO30-01-PT-02, 16,500円）
(7)
データロガー：T&D社製，販売店はムーブ（TR-55i-Pt, Pt100/Pt1000対応、16,900円）
雑品：ホームセンター（300円）
（8）
（注6）AC電源を含みDCケーブル10ｍの場合は4,935円高く、税込84,000円となる。 上記の79,065円はAC電源を含まない。もし、AC電源が使える場合は1000円程度の ACアダプタ（12Ｖ，1Ａ）を購入して使う（図81.6）。
ACアダプタ使用に際して販売店からの注意がある。注意1： ACアダプタの出力電圧が 公称DC12Vであっても、実際の出力電圧が DC12V以上でかつDC14V以下であることを必ず 確認した上でYoung社製通風筒に接続して使うこと。注意2：AC電圧の変動が充分に 小さいと仮定した上で使用のこと。注意3： もしACアダプタの出力がDC12V未満 (あるいはDC14V超)の電圧を給電した場合には通風筒の仕様通りの通風速度が出ない 可能性や故障の原因となる。AC電源の電圧が不安定な所では、安定化回路を含むAC電源 装置（4千円～5千円）を使うこと。
（注7) 波しぶきが飛ぶ海岸でも使えるように絶縁をよくしてもらい、前回の 10,800円より高価となった（
「K70．気温観測用の電池式通風筒」
）。
（注8）アクリルパイプ（外径＝21ｍｍ、肉厚＝1.5ｍｍ）88円、ＶＥ管カップリング （長さ＝63ｍｍｍ、内径＝22ｍｍ）79円、アクリル補材三角棒27円、アクリル樹脂接着 剤100円、ほか小計300円
データロガー：
データロガー（PtモジュールPTM-3010付き）は0.1℃単位で記録される方式である。 そのため、分解能は0.1℃であるが、この研究では通常、20秒間隔で気温をサンプリ ングし2時間～4時間の平均気温を求めることにしている。そのため、平均気温は 0.1℃より小さい値まで有効となる。
Ｔ＆Ｄ社（長野県松本市）によると、AD変換方法は次の通りである。
まず予めPt1000センサーのJIS規準抵抗表を10℃毎の抵抗値テーブルに変換しておき、 AD変換から求められた電圧値を抵抗値に直し、抵抗値テーブルの（１）10℃区間ごと に直線近似式から温度値に変換する。（２）0.1℃以下の温度値は四捨五入式に切り あげ・切り下げを同等に行っている。つまり、最終的に記録温度値に直す処理や、 温度アジャストメント演算では四捨五入を行っている。
（１）の10℃間隔の直線近似による誤差を検討してみた。
1℃間隔のPt の抵抗値（0℃で100.00オーム、40℃で115.54オーム）を用いて、T =0～40℃範囲について次の2次式をつくる。
y=aT
2
+bT+c
a=－6×10
－5
、 b=0.391, c=99.997
この式による10℃間隔（0℃～10℃、10℃～20℃、・・・・）の直線近似式を作り、 2次式による値との抵抗差を計算する。抵抗差を温度差に換算すると最大0.004℃の 誤差である。この最大誤差は10℃間隔の中間温度で生じる誤差である。
（２）については、製品に組み込まれているプログラム言語では、浮動小数演算処理 の時間がかかるために、0.01℃分解能程度を確保するに足りる有効桁の整数演算が されている。また、測定されるＡＤ電圧値は0.01℃分解能相当程度の幅を持った 整数値である。このため前記の滑らかな直線を0.01℃程度の幅で階段状にしたような 変換イメージとなり、このとき、真の滑らかな直線と階段の差が一番大きいところで 0.01をわずかに超えた値、すなわち、0.01℃と前記の直線近似による最大誤差0.004℃ を加えた0.014℃となる。ただし、まったくノイズ成分が存在せずに理論とおりに 変換されている場合である。
AD変換は、ある温度を挟んで２分される。例えば、24.96～25.05℃までが25.0℃と 記録される。しかし特殊例として、真の温度が長時間の間ずーっと24.96℃であった ときは、算出される平均値は25.00℃となるので、この場合の誤差は0.04℃となる。 しかし、現実の大気中での気温変動は有限幅をもち、その分布計は近似的に正規分布 をしているので、長時間の平均気温の誤差（データロガーによる誤差）は0.02℃以下 と見なしてよい。
通風温度計の取付け支柱（3687円）の内訳
パラソル三脚スタンド―1197円：NorthEagle, 販売店はロッジ（NE911）
アルミ伸縮柄―2490円：TERAMOTO（TM*FXハンドル）
81.3 通風筒の改造
直径2.3ｍｍのセンサー、通風速度＞5m/s を用いた場合、放射の影響を0.02℃以下に 小さくするには通風筒を3重以上（直射除け＋2重通風筒も含む）とする必要がある。
購入した上記の通風筒は3重構造であるが、日射量1000W/m
2
の条件で0.2℃ の誤差があると記載されているので、通風筒内部にさらに外径21ｍｍの通風筒を取り付 け、その内部の中心軸に沿って2.3ｍｍのPtセンサーを糸で吊るす。糸で吊るす方法は、
「K70．気温観測用の電池式通風筒」
の図70.7の方法に 類似する。
図81.1 内部に追加する通風筒の工作過程（その1）、写真の下が吸気口の方向である。
（1）アクリルパイプ、長さ＝1ｍ、外径＝21ｍｍ、内径＝18ｍｍ
（2）アクリルパイプを長さ150ｍｍに切断、絹糸を通す小穴8か所と、中穴4か所を開ける。 中穴2か所は互いにパイプの反対側に対になり、他の中穴2か所は10ｍｍほどずれた 位置に開ける。
（3）吸気口の内壁をヤスリで削り、空気を滑らかに吸引する。
（4）センサー端のシリコン収縮保護チューブ（φ5）に対応する小穴8個に絹糸を通し 井型に張る。導線（φ2.9）に対応する中穴2個に絹糸を2列縦に張り、他の中穴2個に 絹糸を2列横に張る。
（5）カップリング：（6）が（7）に固定された後、（6）を通して（7）の中へ 挿入する。
（6）センサーを通風筒付属品のセンサー固定具（7）に固定する。固定具の中は空気 が通る隙間が開いている。センサー先端から155ｍｍ±3ｍｍの位置が固定具の止め ねじで固定される位置となる。
図81.1の（6）がセンサーPt1000である。センサーの先端20ｍｍがSUS304測温シース （内部先端にPt封入）、SUSスリーブ（シリコン充填）とシリコン熱収縮チューブ （φ5）の長さは20ｍｍ、その上方15ｍｍはチューブ（φ3.5）、それに続くのは シリコンジャケットキャプタイヤ線（φ2.9）である。キャプタイヤ線の内部の導線 はφ0.8×3pFEPコアー（導体：7p/0.16mm-Cu）、キャプタイヤ線は長さ3ｍである。 このキャプタイヤ線の端はデータロガーに付属するPtモジュール（PTM-3010、 Pt1000-3線式）に結線され、モジュールを経てデータロガー（TR-55i）に接続する ようになっている。
（5）（6）（7）ができ上がったのち、（4）に張った井型の絹糸の中へセンサー部 を通し、固定する。糸で吊るすのは、センサー先端の感温部に他から熱が伝わり難く するためである。
Young社製の通風筒に、新しく作った追加用の内部通風筒を入れて気温観測中に、 その外側と接触しないよう、図81.1の（4）の外面に4か所の小突起（アクリル樹脂） を接着しておく。接着後の写真は図81.2の（8）である。もし、接触したとしても 1～2点のみで接触する。
図81.2 内部に追加する通風筒の工作過程（その2）。
（8）内部通風筒の外壁に小突起を付ける。付属品のセンサー固定具（7）に（5）を 差し込み、加工追加する内部通風筒を差し込む。
（9）付属の通風筒内の穴（9）に内部通風筒を差し込む。その仕上がりは（10）。
（10）に付属品（11）と（12）の順序で取り付ける。
（12）の上端にはネジが切られており、時計まわりに回して取り付けるようになって いる。
図81.3 内部に追加する通風筒の工作過程（その3）。
左：横からの写真、コードが出る上部にはファンモータなどを取り付ける。
右： 吸気する方から撮影した通風筒入口の写真。赤矢印は加工追加した内部通風筒 を示し、その外壁に付けた小突起（8）は外側の通風筒にほとんど接触しない程度の 大きさである。小突起は外壁のまわりに４個ある。
図81.4 通風筒の仕上がり。通風筒の中部～上部の1重部分（細い部分）に断熱シート を5重に巻く。
図81.5 通風筒の設置の方法。
（左）ポールに取り付ける場合（長期観測用）。
（右）三脚に取り付ける場合（短期観測用）。三脚の端に帯が付いていて、 金属ペグで固定する。風が強いときはさらに砂袋の重石、あるいは支線を張る。
図81.6 電源。左は12ＶのＡＣアダプターを使う場合の電源、右は単一乾電池8個の 電源。赤と黒のばななジャックにファンモータから出ている電源コードの端（ばなな ジャック）を差し込む。
備考１：ヤング通風筒のファンモータ電線の絶縁
今回購入した通風筒のファンモータ用DC12V 導線の接続回路基板（天蓋を開けると 見える）では、導線がむき出しの裸線になっている。雨天日や霧日には、裸線と端子に 水滴が付着する。通風排気口であるので微粒子も付着する。特に海岸の近くでは、 塩分が付着し絶縁不良となる可能性がある。
絶縁するために、ホームセンターで入手できるコニシ株式会社製の ①「シリコン補修剤－バスボンドQ」（50ml、390円）、あるいはインターネット で入手できる信越シリコン製の②「一液型RTVゴム」（KE-45-W)(100g、1007円)、 または③（KE-45-WS）で絶縁する。これら絶縁材は、いずれも硬化後はゴム弾性体と なる。筆者は、①と②を使いテストの結果、良好であることを確認した。 ③は立山科学のPtセンサー1000オームの導線端末部分にも使われている。
81.4 比較検定
当初、新通風筒は図81.7（右）のように、少しだけ水平から斜めに取り付けて戸外で 比較検定を行った。ところが、夜間には2台の旧水平通風筒による気温に比べて 0.02℃ほど低めの温度となることに気づいた。これは、夜間は高度が低いほど低温で、 新通風筒はやや下方の空気を吸引していると考えられたので、そのデータは不採用 とした。
図81.7 通風温度計の比較検定、各通風筒には直射除けが取り付けられている。
（左）全体の写真。下方に白く見える2つのボックス内は電源（DC12V用のACアダプター） とデータロガー（Pt1000用8個）。上方の白板は直射除け、吸気口の地上高＝1.15ｍ （ただしK3号～K8号を束ねて入れた新通風筒は少し斜めのため、吸気口の地上高 ＝1.2ｍ）。
（右）新通風筒の取り付け説明用の写真。上方の２本の塩ビパイプのうちの下パイプは クランプの位置で左右に滑るようにしてあり、通風筒の角度は自由に変えられる。
同じ高さの空気を吸引すべく、以後の新通風筒は旧通風筒と同じように水平に取り 付け、高さも同じ1.2ｍに揃えて比較検定した。新通風筒の両側に２つの旧通風筒 （センサー：ｋ1、ｋ2）を設置し、ｋ1とｋ2の平均温度を真値とした。新通風筒内部 にセンサー6個（ｋ3～ｋ8）を束ねて挿入してある。放射除けとして白色のプラダン （ポリプロピレン）（ダンボールの構造）を通風筒の上の塩ビパイプにほぼ水平に 取り付けた。
戸外では16℃以下の範囲、室内では7～35℃の範囲について比較検定した。室内では エアコンにより室温を調節した。等温になるよう2台の扇風機をまわした。天井付近 と床上1ｍの気温差を市販のデジタル温度計でモニターしながら、温度差が小さい 状態で比較検定した。戸外と同様に、新通風筒（センサーｋ3～ｋ8)の両側から 旧通風筒（センサーｋ1）と旧通風筒（センサーｋ2）で挟むように設置した。
20秒間隔でサンプリングした200個の平均値を1データとした。
センサーk1とセンサーk2の温度差は、全データ数の80％が±0.03℃以内に分布して いた。室内外の延べ9日間の比較検定の結果を図81.8に示した。
図81.8 センサー6個の比較検定、ただしk1補正とk2補正の平均値を真値とした。
縦軸を器差補正値としたとき、「真値＝指示値＋器差補正値」によって真値を求める。
補正すべき器差を直線近似で表したとき、各プロットのバラツキは±0.02℃である。 この器差を補正して気温の真値を求める計算式は次の通り。温度（真値、指示値） を℃で表して、
〇ｋ8真値＝0.9999×ｋ8指示値＋0.059℃
〇ｋ7真値＝0.9984×ｋ7指示値＋0.080℃
〇ｋ6真値＝0.9975×ｋ6指示値＋0.107℃
〇ｋ5真値＝0.9963×ｋ5指示値＋0.139℃
〇ｋ4真値＝0.9973×ｋ4指示値＋0.115℃
〇ｋ3真値＝0.9972×ｋ3指示値＋0.134℃
なお、k8の器差は温度依存性がほとんど無視できるので、次式でもよい。
〇ｋ8真値＝ｋ8指示値＋0.06℃
備考2: センサーを束ねた比較検定
(1) Ptセンサーは細いので、k3～k8は束ねて１つの通風筒に入れて検定した。 もし、各センサー（k3～k8）を各々の通風筒に入れて検定すると、場所による 気温・室温の0.1℃程度の違いが生じ、ばらつきが大きくなり、検定に要する 延べ時間が数倍必要となる。
真値（基準値）とは、k1の補正された値とk2の補正された値の平均値のことである。
なお、k1とk2の器差は
「K69．気温観測用 Pt センサーの安定性 と器差」
の図69.2と図69.3、式（３）（４）に示してある。
(2) センサーによって器差が異なるのは、Pt素線ごとのわずかな違いと回路（モジュール） によるわずかな違いによるものである。したがって、使用に際しては「センサー」と 「モジュール」の組み合わせを変えてはならない。
組み合わせを変えたときの器差は、
「K69.気温観測用Ptセンサー の安定性と器差」
の付録に掲載してある。
参考文献
Kondo, J., 1962:Observations on wind and temperature profiles near the ground. Sci. Rep. Tohoku Univ., Ser.5, Geophys., 14(2), 41-56.
近藤純正、1982：大気境界層の科学．東京堂出版、pp.219.
村上雅則・木村富士男，2010：可搬型簡易自作強制通風式気温計作成マニュアル． 筑波大学陸域環境研究センター報告，
11
：29‐33.
福岡峰彦・桑形恒男・吉本真由美・山田幸則、2011：建築資材を活用した 低コスト強制通風筒「NIAES-09」の製作法．生物と気象、11: A10-16．
付録 鉛直通風筒と水平通風筒による気温
ファンモーターを用いた強制通風式温度計を大別すると、空気を下から吸い上げる鉛直 通風筒と、ある高度の空気を水平に吸引する水平通風筒がある。前者では、どの高度の 気温を測っているか、正確には不明である。
図81.9に例示すように、夜間の安定時（左端の分布）や日中の不安定時（右端の分布） では、地上からの高度が0.1ｍ違うと気温は約0.1℃の割合で変る。このことを意識して 観測データを比較し、理解しなければならない。
図81.9 大気安定度ごとに分類したときの高度２ｍ以下の気温鉛直分布6例。 見やすくするために、互いに重ならないように横軸はずらし、高度２ｍ 以下の高度範囲みを示してある。Kondo(1962)のO'Neill-1956データのシリーズ２、 ４、・・・17のプロット（安定から不安定の順番）。
今回、Young社製の通風筒（Model43502)の改良加工品１台を鉛直に取り付けた場合 （鉛直通風筒）と、同改良加工品３台を水平に取り付けて試験を行った。鉛直通風筒 の吸気口の高さを1.5ｍとした。水平通風筒の高さは１ｍ、1.2ｍ、1.4ｍ、1.9ｍなど 変化させた。
その結果、鉛直通風筒は実質的に吸気口高さ1.5ｍより0.1ｍ低い空気の温度、つまり 高度1.4ｍの気温を測っていることがわかった。昼夜による違いは見出せなかった。
参考：通風筒の取り付け方法
Young社製の正規取り付けは鉛直通風筒の仕様となっている。長期間の観測では、しっかり したポールに取り付ける。しかし、１日ないし数日間の短期間観測では簡単な 軽量三脚に取り付けるほうが便利なことがある。
軽量三脚の場合、通風筒の重心が中心ポールから0.22ｍ～0.25ｍほどズレ、三脚が 風で倒れる可能性がある。もちろん、三脚には長さ0.2～0.25ｍの鉄製ペグを打ち込む のだが、風速が８m/s以上では、安心できないので、支線を張るなど対策を行う。
通風筒の重心を中心ポールから離れないようにする対策の一つとして、通風筒 を斜めに取り付ける方法がある。その例を図81.11に示した。水道管に使われる塩ビ管 は、ガスコンロなどで暖めれば自由な角度に曲げることができる。この部材を中心ポール に取り付け、それに通風筒留め具を固定すればよい。
図81.10 鉛直通風筒と斜め通風筒（手前の写真）の取り付け。
図81.10の手前の写真は、塩ビ管を１２０°ほど曲げ、それに通風筒を斜めに取り付け た例である。
水平通風筒、斜め通風筒で観測する場合の観測誤差
Young社製通風筒を非正規の水平または斜めに取り付けた場合、風向が排気側から吸気 口側に向かう場合、高温な排気を吸引するために気温は0.1～0.2℃ほど高めに観測 される。
したがって、吸気口は必ず風上側に向くように設置し、かつ太陽直射光が吸気口内壁 に射し込まないよう注意しなければならない。
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