IT201800006583A1

IT201800006583A1 - strumento elettromeccanico per la misura automatica di anidride solforosa

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

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

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.

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.

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).

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.

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.

Claims

RIVENDICAZIONI 1 . Sistema per misurare in telerilevamento la quantità di anidride solforosa (SO2) nell’aria, detto sistema comprende: - uno spettrometro sull’Ultravioletto (UV); - una testa rotante; - una circuiteria di controllo.
2 . Sistema secondo la rivendicazione 1 , caratterizzato dal fatto che detto dispositivo spettrometro possa effettuare misure nelle frequenze della radiazione elettromagnetica Ultravioletta (UV);
3 . Sistema secondo la rivendicazione 1 , caratterizzato dal fatto che detto dispositivo testa rotante comprenda un motore passo-passo per il posizionamento dell’ottica;
4 . Sistema secondo la rivendicazione 1 , caratterizzato dal fatto che detto dispositivo circuiteria di controllo, comprende un microprocessore(2), uno o più circuiti per la trasmissione e la ricezione di dati seriali (3)e(4) e un multiplexer (5).
5 . Sistema secondo la rivendicazione 1 e 4, caratterizzato dal fatto che detto dispositivo circuiteria di controllo, comprende una porta digitale di uscita per il controllo di un motore passo-passo all’interno del dispositivo testa rotante;
6 . Sistema secondo la rivendicazione 1 , 4 e 5, caratterizzato dal fatto che detto dispositivo circuiteria di controllo, comprende un sensore per la misura della temperatura della stessa scheda relativa alla circuiteria di controllo;
7 . Sistema secondo la rivendicazione 1 , 4, 5 e 6, caratterizzato dal fatto che detto dispositivo circuiteria di controllo, comprende uno stabilizzatore di tensione che accetta in ingresso una pluralità di tensioni di alimentazione in particolare comprese tra 5V e 25 V;
8 . Sistema secondo la rivendicazione 1 , 4, 5, 6 e 7, caratterizzato dal fatto che detto dispositivo circuiteria di controllo, comprende una pluralità di connettore per consentire il collegamento ad una o più batterie, ad uno o più pannelli fotovoltaici, ad uno spettrometro e ad un sensore di fine-corsa del sistema di posizionamento delle ottiche;
9 . Sistema secondo la rivendicazione 1 , 4, 5, 6, 7 e 8, caratterizzato dal fatto che detto dispositivo circuiteria di controllo, comprende un circuito per la diminuzione del consumo energetico nelle ore notturne;
10 . Metodo per effettuare misure in telerilevamento della quantità di anidride solforosa (SO2) emessa dai vulcani o prodotta da infrastrutture antropiche, comprendente le seguenti fasi: A) acquisizione di uno spettro di luce per posizione angolare mediante uno spettrometro sull’Ultravioletto (UV) installato su una testa rotante, sfruttando la luce del sole come sorgente luminosa nella regione dell’UV; B) Estrazione di valori di quantità colonnare di SO2 presente in atmosfera, mediante analisi della impronta caratteristica nello spettro della radiazione elettromagnetica filtrata; C) Trasmissione di dati in tempo reale ad un elaboratore, nel caso di reti di misura, per ottenere una stima della quantità di gas e la posizione spaziale del piume in atmosfera; li . Metodo secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che il controllo robotico dello strumento è gestito da un circuito denominato ‘SpectraDAR’ mostrato in Fig. 1, dotato di: A) un Microprocessore con la funzione di gestione del sistema; Β) una prima Porta seriale RS232 con la funzione di scambio di dati di misura ed informazioni di servizio verso il computer; C) una seconda Porta seriale RS232 con la funzione di scambio di dati di misura verso uno spettrometro UV; D) un multiplexer con la funzione di indirizzare le informazioni all'interno del circuito e permettere al microprocessore di restare sempre in ascolto delle informazioni in transito; E)una porta digitale di uscita con la funzione di controllo di un motore passo-passo per il posizionamento dell’ottica; F) un sensore di temperatura con la funzione di misurare la temperatura sulla scheda elettronica; G) uno stabilizzatore di tensione switching con la funzione di consentire una alimentazione in ingresso compresa tra 6V e 24 V; H) un connettore di alimentazione con lettura della corrente di carica verso la batteria, con la funzione di consentire il funzionamento con pannelli fotovoltaici; I) un circuito per lo spegnimento del carico durante la funzione di sleep, con la funzione di minimizzare il consumo energetico nelle ore notturne; L) un connettore di servizio con la funzione di controllo del fine-corsa delle ottiche.