IT201800006583A1

IT201800006583A1 - electromechanical instrument for the automatic measurement of sulfur dioxide

Info

Publication number: IT201800006583A1
Application number: IT102018000006583A
Authority: IT
Inventors: Daniele Armando Randazzo; Tommaso Caltabiano; Giuseppe Giovanni Salerno; Filippo Mure'; Mike Burton; Angelo Randazzo
Priority date: 2018-06-22
Filing date: 2018-06-22
Publication date: 2019-12-22

Description

DESCRIZIONE DESCRIPTION

Dalla fine degli anni 80 la misura dell’SO2 emessa dai vulcani veniva effettuata in telerilevamento mediante la tecnica denominata a ‘traverse’, utilizzando uno spettrometro che veniva trasportato al di sotto del gas da misurare, emesso dai vulcani (plume vulcanico). Since the late 1980s, the measurement of SO2 emitted by volcanoes was carried out in remote sensing using the technique called 'traverse', using a spectrometer that was transported under the gas to be measured, emitted by volcanoes (volcanic plume).

Lo spettrometro in questione era denominato COSPEC e veniva installato su veicoli, e.g. automobile, barca, aereo o elicottero, al fine di effettuare dei passaggi al di sotto del gas vulcanico. Ciò consentiva di misurare lo spettro della luce filtrata e risalire alla quantità di gas presente nella sezione del plume. The spectrometer in question was called COSPEC and was installed on vehicles, e.g. car, boat, plane or helicopter, in order to make passages under the volcanic gas. This made it possible to measure the spectrum of the filtered light and to trace the quantity of gas present in the section of the plume.

Tuttavia tale tecnica presentava dei limiti in termini di tempo necessari per effettuare le traverse e per il numero di misure raccolte durante il giorno. However, this technique presented limits in terms of time needed to make the traverses and the number of measurements collected during the day.

Nel 2003, lo sviluppo tecnologico ha offerto sul mercato nuovi spettrometri (CCD) compatti, che accoppiati con nuovi PC ed elettronica a basso consumo, hanno offerto l’opportunità di superare i limiti della tecnica tramite COSPEC. Uno dei vantaggi offerti dalla nuova tecnologia è stato l’opportunità di sviluppare uno strumento robotico per la misura dell’SO2 vulcanica. Scopo della presente invenzione è stato la realizzazione dello strumento di misura denominato “UV-Scanner FLAME (FLux Automatic MEasurement)”. L’installazione di un certo numero di questi strumenti intorno al vulcano o un’area antropica consentono di sviluppare una rete di misure automatica per il rilevamento di SO2. In 2003, technological development offered the market new compact spectrometers (CCDs), which, coupled with new PCs and low-consumption electronics, offered the opportunity to overcome the limits of the technique through COSPEC. One of the advantages offered by the new technology was the opportunity to develop a robotic instrument for the measurement of volcanic SO2. The purpose of the present invention was the realization of the measuring instrument called “UV-Scanner FLAME (FLux Automatic MEasurement)”. The installation of a number of these instruments around the volcano or an anthropogenic area allow the development of an automatic network of measurements for the detection of SO2.

Ogni strumento consiste di uno spettrometro sull’Ultravioletto (UV) installato su una testa rotante che acquisisce uno spettro di luce per posizione angolare, sfruttando la luce del sole come sorgente luminosa nella regione dell’UV. In presenza di concentrazione anomala di SO2 in atmosfera, la radiazione elettromagnetica viene filtrata creando una impronta caratteristica nello spettro. Tramite questa impronta è possibile risalire alla quantità colonnare di S02 presente in atmosfera. Nel caso di reti di misura i dati possono essere trasmessi in tempo reale ad un elaboratore, che fornisce una stima della quantità di gas e la posizione spaziale del piume in atmosfera. Each instrument consists of an Ultraviolet (UV) spectrometer installed on a rotating head that acquires a spectrum of light by angular position, using sunlight as a light source in the UV region. In the presence of an anomalous concentration of SO2 in the atmosphere, the electromagnetic radiation is filtered creating a characteristic imprint in the spectrum. Through this imprint it is possible to trace the columnar quantity of S02 present in the atmosphere. In the case of measurement networks, the data can be transmitted in real time to a computer, which provides an estimate of the quantity of gas and the spatial position of the feathers in the atmosphere.

Il controllo robotico dello strumento è gestito da un circuito denominato ‘SpectraDAR’ mostrato in Fig. 1 , con le seguenti caratteristiche: (1) Microprocessore PIC16F876; (2) Porta seriale RS232 per lo scambio di dati di misura ed informazioni di servizio verso il computer; (3) Porta seriale RS232 verso uno spettrometro UV per lo scambio di dati di misura acquisiti; (4) multiplexer per indirizzare le informazioni all’interno del circuito e permettere al microprocessore di restare sempre in ascolto delle informazioni in transito; (5) porta digitale di uscita per il controllo di un motore passo-passo per il posizionamento dell’ottica; (6) misura della temperatura sulla stessa scheda elettronica; (7) stabilizzatore di tensione switching che accetta in ingresso fra 6V e 24V; (8) connettore di alimentazione con lettura della corrente di carica verso la batteria, per il funzionamento con pannelli fotovoltaici; (9) circuito per lo spegnimento del carico durante la funzione di sleep, per minimizzare il consumo energetico nelle ore notturne; (10) connettore di alimentazione del carico (spettrometro); (11) connettore di servizio per la lettura dei fine-corsa delle ottiche. Il circuito è capace di lavorare sia collegato direttamente al computer tramite porta RS232 che da remoto attraverso rete LAN, mediante un dispositivo esterno di conversione seriale-TCPIP. The robotic control of the instrument is managed by a circuit called 'SpectraDAR' shown in Fig. 1, with the following characteristics: (1) PIC16F876 microprocessor; (2) RS232 serial port for the exchange of measurement data and service information towards the computer; (3) RS232 serial port towards a UV spectrometer for the exchange of acquired measurement data; (4) multiplexer to direct information within the circuit and allow the microprocessor to always listen to information in transit; (5) digital output port for controlling a stepping motor for positioning the optics; (6) temperature measurement on the same electronic board; (7) switching voltage stabilizer that accepts input between 6V and 24V; (8) power supply connector with reading of the charge current towards the battery, for operation with photovoltaic panels; (9) circuit for switching off the load during the sleep function, to minimize energy consumption at night; (10) load power connector (spectrometer); (11) service connector for reading the limit switches of the optics. The circuit is capable of working either directly connected to the computer via the RS232 port or remotely via the LAN network, using an external serial-TCPIP conversion device.

La componente meccanica dello strumento è mostrata in Figura 2. Questa consiste di un cilindro cavo (12) su cui è praticato un foro con alloggiato un filtro UV (13); dentro la cavità una superficie a specchio inclinata di 45° convoglia il fascio di luce all’interno. Il cilindro viene messo in movimento da un sistema cinghia-puleggia (14), spinto da un motore passo-passo (15). A valle della parte rotante un sistema ottico accoglie il fascio di luce e attraverso un telescopio (16) lo mette a fuoco su una fibra ottica (17), che convoglia la luce all’ingresso dello spettrometro. The mechanical component of the instrument is shown in Figure 2. This consists of a hollow cylinder (12) on which a hole is made with a UV filter (13) housed; inside the cavity a 45 ° inclined mirror surface conveys the light beam inside. The cylinder is set in motion by a belt-pulley system (14), driven by a stepping motor (15). Downstream of the rotating part, an optical system receives the light beam and through a telescope (16) focuses it on an optical fiber (17), which conveys the light to the entrance to the spectrometer.

La figura 3 mostra una foto dello strumento in laboratorio: la parte esterna (12) è costituita dalla testa cilindrica rotante; sulla testa si nota il filtro UV-VIS (13) che oltre a filtrare la radiazione nella banda del visibile, isola e protegge lo strumento dall’ambiente esterno. All’interno del box stagno (18), la fibra ottica convoglia la luce UV allo spettrometro (19). Tutti i componenti sono collegati fra loro e gestiti da un computer (20) che, attraverso un software, coordina il movimento dell’ottica e l’acquisizione degli spettri, mediante il circuito SpectraDAR. Figure 3 shows a photo of the instrument in the laboratory: the external part (12) consists of the rotating cylindrical head; on the head you can see the UV-VIS filter (13) which, in addition to filtering the radiation in the visible band, isolates and protects the instrument from the external environment. Inside the watertight box (18), the optical fiber conveys the UV light to the spectrometer (19). All components are connected to each other and managed by a computer (20) which, through software, coordinates the movement of the optics and the acquisition of spectra, through the SpectraDAR circuit.

La figura 4 mostra il percorso del fascio di luce successivo allo scattering in atmosfera e fin dentro al sistema di misura UV-Scanner (18). La scheda “SpectraDAR” (1) gestisce l’angolo delle ottiche tramite lo stepper motor (21) e riceve lo spettro di luce UV misurato dallo spettrometro (19). A sua volta il computer (20) comunica con la scheda ed invia i dati misurati alla centrale operativa tramite modem (22). Figure 4 shows the path of the light beam following the scattering in the atmosphere and into the UV-Scanner measurement system (18). The "SpectraDAR" board (1) manages the angle of the optics through the stepper motor (21) and receives the spectrum of UV light measured by the spectrometer (19). In turn, the computer (20) communicates with the card and sends the measured data to the operations center via a modem (22).

La figura 5 mostra una tipica installazione di una stazione di misura UV-Scanner FLAME, installata sulle pendici dell’Etna, per la misura dell’SO2 vulcanica. Essa viene opportunamente livellata e orientata per permettere la scansione su un piano verticale della porzione di cielo sovrastante intorno al vulcano. Figure 5 shows a typical installation of a FLAME UV-Scanner measurement station, installed on the slopes of Etna, for the measurement of volcanic SO2. It is suitably leveled and oriented to allow scanning on a vertical plane of the portion of sky above around the volcano.

La figura 6 illustra schematicamente due stazioni UV-Scanner limitrofe (18) operanti sotto il flusso dei gas vulcanici, con una possibile sovrapposizione del ventaglio di misure (23). La Figure 7 e 8 mostrano la realizzazione della rete di misura FLAME intorno ai vulcani Etna e Stromboli: i cerchietti (18) sulla mappa indicano la posizione degli strumenti UV-Scanner. Si è scelto inizialmente di installare le stazioni di misura nei punti strategici dove è maggiore la probabilità di rilevare le emissioni gassose, in base alla direzione prevalente dei venti in quota. Figure 6 schematically illustrates two neighboring UV-Scanner stations (18) operating under the flow of volcanic gases, with a possible overlapping of the range of measurements (23). Figures 7 and 8 show the realization of the FLAME measurement network around the Etna and Stromboli volcanoes: the circles (18) on the map indicate the position of the UV-Scanner instruments. Initially, it was decided to install the measurement stations at strategic points where the probability of detecting gaseous emissions is greater, based on the prevailing direction of the winds at high altitude.

Mettendo insieme tutte le misure in cui è stata rilevata la presenza del gas, tramite l'applicazione di tecniche di analisi di spettroscopia è possibile ottenere la stima della quantità di anidride solforosa presente nella sezione del gas emesso dal vulcano. Quindi considerando anche la velocità del vento, che si suppone essere la velocità di spostamento della componente gassosa, si può risalire alla stima del flusso del gas stesso. By putting together all the measurements in which the presence of the gas was detected, through the application of spectroscopy analysis techniques it is possible to obtain an estimate of the quantity of sulfur dioxide present in the section of the gas emitted by the volcano. Therefore, considering also the wind speed, which is supposed to be the displacement speed of the gaseous component, it is possible to go back to the estimate of the flow of the gas itself.

Per gestire il sistema di misura UV-Scanner è stato sviluppato il software “SpectraLanCom” la cui interfaccia grafica è mostrata in Figura 9. Tale software scambia i dati di misura e le informazioni di servizio con la scheda elettronica SpectraDAR. Nella figura si evidenzia lo spettro misurato nell’UV (24). To manage the UV-Scanner measurement system, the “SpectraLanCom” software has been developed, the graphic interface of which is shown in Figure 9. This software exchanges measurement data and service information with the SpectraDAR electronic board. The figure shows the spectrum measured in the UV (24).

Il sistema è attualmente in uso sui vulcani Etna, Stromboli, Vulcano ed è stato usato sul Chaparrastique (El Salvador) nel 2014. Lo strumento permette una scansione (ovvero circa 100 misure angolari di spettro) ogni 4-6 minuti e consente di ottenere una stima del flusso di anidride solforosa in tempo quasi reale. I dati acquisiti sono trasmessi alla sede centrale INGV-Catania tramite modem GPRS oppure mediante rete LAN e/o WiFi. The system is currently in use on the volcanoes Etna, Stromboli, Vulcano and was used on the Chaparrastique (El Salvador) in 2014. The instrument allows a scan (ie about 100 angular spectrum measurements) every 4-6 minutes and allows to obtain a estimation of the sulfur dioxide flux in near real time. The acquired data are transmitted to the INGV-Catania headquarters via GPRS modem or via LAN and / or WiFi.

Nel corso degli anni tale sistema di misura si è rivelato robusto ed affidabile, richiedendo un minimo di manutenzione. Il box stagno (18) permette il funzionamento in tutte le condizioni atmosferiche di lavoro: caldo, freddo, pioggia di acqua o di cenere vulcanica. Attualmente si sta lavorando ad una versione II dello strumento che riguarda: ottimizzazione del consumo energetico, riduzione delle dimensioni e peso, aggiornamento tecnologico con spettroscopia recente e metodi di misura più flessibili. Over the years, this measurement system has proved to be robust and reliable, requiring a minimum of maintenance. The watertight box (18) allows operation in all atmospheric working conditions: hot, cold, rain of water or volcanic ash. Currently, a version II of the instrument is being worked on which concerns: optimization of energy consumption, reduction of dimensions and weight, technological updating with recent spectroscopy and more flexible measurement methods.

Claims

CLAIMS 1. Remote sensing system for measuring the amount of sulfur dioxide (SO2) in the air, this system includes: - an Ultraviolet (UV) spectrometer; - a rotating head; - a control circuitry.

2 . System according to claim 1, characterized in that said spectrometer device can carry out measurements in the frequencies of the Ultraviolet (UV) electromagnetic radiation;

3. System according to claim 1, characterized by the fact that said rotating head device comprises a stepping motor for positioning the optics;

4. System according to claim 1, characterized in that said control circuitry device comprises a microprocessor (2), one or more circuits for transmitting and receiving serial data (3) and (4) and a multiplexer (5).

5. System according to claims 1 and 4, characterized by the fact that said control circuitry device comprises a digital output port for controlling a stepping motor inside the rotating head device;

6. System according to claims 1, 4 and 5, characterized in that said control circuitry device comprises a sensor for measuring the temperature of the same card relative to the control circuitry;

7. System according to claims 1, 4, 5 and 6, characterized in that said control circuitry device comprises a voltage stabilizer which accepts as input a plurality of supply voltages in particular between 5V and 25V;

8. System according to claim 1, 4, 5, 6 and 7, characterized in that said control circuitry device comprises a plurality of connector to allow connection to one or more batteries, to one or more photovoltaic panels, to a spectrometer and to an end-of-stroke sensor of the optics positioning system;

9. System according to claim 1, 4, 5, 6, 7 and 8, characterized in that said control circuitry device comprises a circuit for reducing energy consumption at night;

10. Method for carrying out remote sensing measurements of the quantity of sulfur dioxide (SO2) emitted by volcanoes or produced by anthropogenic infrastructures, including the following steps: A) acquisition of a spectrum of light by angular position using an Ultraviolet (UV) spectrometer installed on a rotating head, using sunlight as a light source in the UV region; B) Extraction of values of columnar quantity of SO2 present in the atmosphere, by analyzing the characteristic imprint in the spectrum of filtered electromagnetic radiation; C) Transmission of data in real time to a computer, in the case of measurement networks, to obtain an estimate of the quantity of gas and the spatial position of the feathers in the atmosphere; there . Method according to claim 10, characterized in that the robotic control of the instrument is managed by a circuit called 'SpectraDAR' shown in Fig. 1, equipped with: A) a Microprocessor with the system management function; Β) a first RS232 serial port with the function of exchanging measurement data and service information towards the computer; C) a second RS232 serial port with the function of exchange of measurement data towards a UV spectrometer; D) a multiplexer with the function of directing the information inside the circuit and allowing the microprocessor to always listen to the information in transit; E) a digital output port with the control function of a stepping motor for positioning the optics; F) a temperature sensor with the function of measuring the temperature on the electronic board; G) a switching voltage stabilizer with the function of allowing an input power supply between 6V and 24 V; H) a power connector with reading of the charge current towards the battery, with the function of allowing operation with photovoltaic panels; I) a circuit for switching off the load during the sleep function, with the function of minimizing energy consumption at night; L) a service connector with the function of controlling the limit switch of the optics.