IT201600077834A1 - Pluviometro elettrodinamico - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un pluviometro per la misura della quantità di pioggia nell’unità di tempo.

Allo stato atuale, i cambiamenti climatici in ato producono una sempre più elevata incidenza di frane e inondazioni che costituisce un pericolo significativo alla sicurezza degli abitanti di molti paesi nel mondo. Molti temporali sono in grado di riversare quantità d'acqua rilevanti in maniera inaspetata e localizzata. Inoltre, variazioni nel flusso di pioggia in tempi dell'ordine di secondi è piutosto comune. Per questi motivi, una rete di strumenti utile a ridurre i pericoli sopra citati, il cui basso costo ne faciliti una larga diffusione, senza necessità di manutenzione e abile a misurare accuratamente il flusso di pioggia anche durante precipitazioni intense, dovrebbe essere densamente distribuita nel territorio.

La soluzione dei radar soddisfa la richieste di un monitoraggio esteso ma a scapito della precisione della quantità d'acqua incidente sul terreno, specialmente nei territori caraterizzati da colline e montagne dove il radar scandaglia a diverse centinaia di metri dal terreno. Inoltre, i radar producono inquinamento elettromagnetico notevole e per essere utilizzati nella vicinanza di centri abitati sono soggeti a numerose restrizioni. In aggiunta i radar sono costosi da realizzare e da mantenere, senza tener conto che in base alle dimensioni producono anche un impato sul paesaggio.

Fino a questo momento i pluviometri convenzionali sono stati basati su meccanismi di raccolta fissi o in movimento per la misura del peso o del volume dell'acqua.

I pluviometri convenzionali a bascula non sono sufficientemente sensibili a precipitazioni molto lievi dato che le poche gocce che raggiungono il raccoglitore evaporano, e sono contemporaneamente inefficaci per precipitazioni molto abbondanti quando la quantità d'acqua versata dalle bascule comincia ad diventare importante.

Anche i pluviometri che effettuano una pesatura non riescono ad evitare l'evaporazione e soffrono del rumore introdotto dalle raffiche di vento.

Questi pluviometri convenzionali hanno entrambi dimensioni e pesi rilevanti e necessitano di manutenzione per assicurare il corretto funzionamento delle parti meccaniche.

I pluviometri non convenzionali sono ora realizzati con trasduttori piezoelettrici della pressione e segnali ottici delle gocce d'acqua, e sui cambiamenti di conduttività elettrica.

I sensori piezoelettrici non hanno sensibilità alle piccole goccioline e gli strumenti ottici a scannerizzazione laser, che sono abili a misurare anche le piccole goccioline di nebbia, sono molto costosi. Le telecamere digitali e i laser all'infrarosso, che stimano la grandezza delle gocce su superfici trasparenti, soffrono di diversi problemi e non riescono a determinare con precisione flussi di pioggia intensi.

I pluviometri basati sui cambiamenti della conducibilità elettrica risultano sensibili alla temperatura e richiedono sistemi elettronici complicati per compensare le variazioni termiche.

Pluviometri che sono in grado di raccogliere e condividere dati di elevata accuratezza sul flusso d’acqua di una precipitazione sono altamente desiderabili, sia in condizioni di pioggia leggera che in condizioni di pioggia eccezionale, in entrambi i casi fornendo il dato ad intervalli di pochi secondi.

Inoltre, nella realizzazione di una densa rete di monitoraggio su un vasto territorio, è auspicabile che il pluviometro sia a basso impatto ambientale, semplice ed economico sia nel montaggio che nella sua manutenzione.

Scopo dell’ invenzione è dunque fornire un pluviometro che ovvi gli inconvenienti lamentati dalle tecniche note.

Questo scopo è conseguito da un pluviometro caratterizzato dal fatto di comprendere un involucro elettricamente isolante, un sensore capacitivo comprendente un condensatore presentante una prima armatura esposta alle gocce di pioggia così da essere sensibile alla variazione di carica elettrica indotta da dette gocce di pioggia, ed una elettronica elettricamente schermata di condizionamento del segnale generato da detto sensore capacitivo posizionata aH’intemo di detto involucro.

Preferibilmente il pluviometro comprende uno schermo elettromagnetico per schermare detta prima armatura da interferenze elettromagnetiche ambientali, costituito da una seconda armatura di detto condensatore o da un altro elemento elettricamente conduttivo collegato a detta seconda armatura di detto condensatore.

Preferibilmente detto involucro si estende lungo un asse longitudinale e presenta una prima estremità disposta in posizione prossimale ad un supporto del pluviometro quando detto pluviometro è in uso ed una seconda estremità disposta in posizione distale da detto supporto quando detto pluviometro è in uso, detto sensore capacitivo essendo collocato in corrispondenza di detta seconda estremità di detto involucro, detto schermo elettromagnetico essendo interposto tra detta prima armatura e detta prima estremità di detto involucro.

Preferibilmente detta elettronica di condizionamento è collocata in un vano presente in detta prima estremità di detto involucro.

In un modo di realizzazione preferito dell’ invenzione detta prima armatura presenta il lato esposto a dette gocce di pioggia rivestito con una pellicola elettricamente isolante.

In un modo di realizzazione preferito dell’ invenzione detta elettronica di condizionamento comprende un amplificatore per aumentare l'ampiezza del detto segnale analogico impulsivo, un convertitore analogico-digitale per digitalizzare detto segnale analogico impulsivo, ed un processore.

In un modo di realizzazione preferito dell’ invenzione il pluviometro prevede un cavo di trasmissione o una antenna di trasmissione collegati a detta elettronica di condizionamento.

In un modo di realizzazione preferito dell’ invenzione detto convertitore analogico-digitale e detto processore sono integrati in un micro controllore.

In un modo di realizzazione preferito dell’ invenzione detto processore è configurato per stimare la precipitazione di pioggia registrata nell’ unità di tempo sulla base di una somma delle componenti dello spettro di potenza di detto segnale opportunamente pesate e comprese in un determinato intervallo di frequenza.

Il pluviometro conforme all’ invenzione comprende quindi un sensore non meccanico per la misura automatica della quantità e del flusso di pioggia.

Il pluviometro conforme all’ invenzione è poco ingombrante, facile da installare ad esempio sul tetto o su una ringhiera di un terrazzo, e può trasmettere i dati rilevati ed elaborati ad un server tramite la rete web.

Il pluviometro conforme all’invenzione non raccoglie acqua, sebbene offra una elevata sensibilità, un ampio intervallo di misura e un’elevata frequenza di campionamento del dato di intensità della pioggia.

In un modo di realizzazione preferito ma non esclusivo dell’ invenzione, il pluviometro comprende un sensore capacitivo piano, un involucro, in plastica o comunque in qualunque altro materiale elettricamente isolante, munito di due estremità sagomate come dei dischi appiattiti diametralmente molto più larghe di una porzione centrale formata da un tubo cilindrico. L’involucro va orientato per l’uso con asse verticale, con il sensore piano posizionato nel vano dell’ involucro ricavato nell’ estremità a disco superiore e Γ elettronica di condizionamento posizionata nel vano dell’involucro ricavato nell’estremità a disco inferiore. L’estremità inferiore dell’ involucro svolge la funzione di ancoraggio attraverso dei fori a qualsiasi supporto di appoggio. I fori nell’estremità inferiore dell’ involucro non comunicano con la cavità interna dell’ involucro e ne sono elettricamente isolati. Il sensore capacitivo piano presenta due armature piane parallele separate da uno strato isolante. Le armature sono costituite da strati metallici di un metallo che sia buon conduttore. La prima armatura è rivolta verso l'alto ed è isolata elettricamente dall'atmosfera attraverso una sottile pellicola di Kapton o qualunque altro materiale capace di mantenere le sue proprietà dielettriche anche se esposto per periodi prolungati ai raggi ultravioletti. Sotto la prima armatura vi è lo strato isolante e quindi la seconda armatura del condensatore, parallela alla prima, e a formare una struttura a sandwich dello spessore di qualche millimetro. L’armatura inferiore del condensatore è collegata a terra e costituisce uno schermo elettrico rispetto alle sorgenti elettriche situate sotto il pluviometro. Anche i campi elettrici che hanno una sorgente al di sopra dello strumento influenzano poco i segnali indotti nel sensore, rendendo questa struttura capacitiva sensibile principalmente alle cariche elettriche che sfiorano l’armatura superiore e vi inducono segnali di intensità misurabili.

Le gocce di pioggia di ogni dimensione portano con loro una certa quantità di carica nel fenomeno delle precipitazioni meteorologiche, ciò è dovuto al processo di separazione di carica che avviene nelle nuvole, dove le gocce subiscono innumerevoli urti con altre gocce in presenza del campo elettrico esistente fra la terra e la ionosfera.

Il segnale analogico indotto elettricamente dalle gocce di pioggia che colpiscono Tannatura esposta alle gocce di pioggia è trasferito all’ elettronica di condizionamento attraverso un cavo schermato. Il cavo schermato connette la capacità del sensore all’ amplificatore per aumentare l'ampiezza del segnale.

Il convertitore analogico-digitale è connesso all'amplificatore per convertire il segnale analogico in valori digitali.

Il processore connesso al convertitore analogico-digitale calcola il tasso di pioggia utilizzando una trasformata di Fourier Veloce e sommando alcune componenti dello spettro di potenza.

L’amplificatore, il convertitore analogico-digitale e il processore sono posti all’ interno del vano dell’estremità dell’ involucro che è elettricamente schermato da ogni sorgente esterna.

Il calcolo del tasso di pioggia è realizzato attraverso la misura degli impulsi elettrici corrispondenti all'impatto delle gocce di pioggia con il sensore anche se un legame proporzionale non esiste fra la quantità di cariche indotte e la dimensione delle gocce, e anche se una carica costante non è sempre trasportata dalle gocce della stessa dimensione.

Ciò è possibile grazie a una funzione della somma dello spettro di potenza delle correnti elettriche non stazionarie indotte nel sensore. Questa invenzione ha molti vantaggi rispetto ai brevetti fino a questo momento presentati.

Infatti, è capace di una misura quasi istantanea basata su un campionamento ad alta frequenza e abile nel rivelare la singola gocciolina che cade sul sensore.

Il sensore e il circuito elettronico sono piccoli, pochi cm in superficie e qualche cm in volume, sono leggeri e robusti, risultando facili da installare su ogni superficie esposta alla pioggia.

Il sensore non accumula acqua ed è perciò esente dal ben conosciuto problema dell'evaporazione.

Il sensore lavora quando viene toccato dalla goccia essendo perciò esente anche dal noto problema dello schizzo che fa perdere una parte dell'acqua della goccia.

Il sensore è però sensibile agli schizzi delle gocce che incidono su altre superficie ed è per questo che viene montato sollevato dalla base di appoggio.

L'intero circuito elettronico è realizzato con pochi componenti tutti di facile reperibilità ed economici, rendendo il dispositivo appropriato a una larga diffusione.

La larga diffusione del dispositivo a basso costo è sostenuta dalla diffusione della rete web, in quanto la connessione ad un server centrale di una rete di suddetti dispositivi nella più semplice configurazione avviene attraverso un utente web. Tuttavia, configurazioni più elaborate permettono la connessione del dispositivo a costi contenuti in qualsiasi altra situazione.

Il basso costo e il basso impatto ambientale dovuto alle ridotte dimensioni del dispositivo permettono di dislocarne in numero elevato anche in aree ristrette. Ad esempio di dislocare un dispositivo per ogni km della viabilità autostradale, così da avere monitorato in tempo reale lo stato di allagamento delle carreggiate e la possibilità di informare gli automobilisti in tempo reale sullo stato della strada che si troveranno ad affrontare.

Quest'applicazione nel campo dell'automotive appare promettente per questo dispositivo anche considerato che esso è in grado di fornire un dato sulla precipitazione istantanea in intervalli di pochi secondi. Inoltre, la sua affidabilità in condizioni di precipitazioni eccezionalmente intense permette di inviare avvertimenti di possibile acqua-planning oppure, la sua affidabilità in condizioni di debolissime precipitazioni permette di inviare avvertimenti di carreggiata viscida.

Sempre nel campo dell'automotive il dispositivo potrebbe essere montato a bordo di un'autovettura con un sensore di dimensioni ridottissime per azionare automaticamente i tergicristalli o qualsiasi altra applicazione utile in caso di pioggia.

Applicazioni sulla protezione legata al trasporto ferroviario sono anche possibili, in quanto le linee ferroviarie attraversano spesso tratti montani dove fenomeni di frana non sono infrequenti con il rischio di deposito di detriti sui binari. Per questo problema il monitoraggio capillare delle precipitazioni lungo particolari tratti ferroviari risulta molto utile valutando la possibilità che si inneschino fenomeni franosi. Il dispositivo può presentare a questo riguardo la possibilità di registrare eventi di pioggia molto intensi ma di brevissima durata, in questi casi l'acqua che scorre in superficie è spesso in grado di muovere i detriti anche se di poco, ma questo piccolo movimento può raggiungere anche distanze notevoli lungo un pendio ripido, e quindi anche i binari di una linea ferroviaria. Un pluviometro con scarsa risoluzione temporale non sarebbe in grado di evidenziare tali eventi.

Una ulteriore applicazione nel campo della protezione civile è quella della valutazione in tempo reale di possibili situazioni di piena in un bacino idrografico, con un anticipo temporale significativo al fine di pianificare un intervento. Il basso costo e il basso impatto ambientale consente di realizzare una rete densa nel bacino e quindi di valutare la quantità d'acqua che cade in ogni zona in maniera molto precisa. Il dato che il dispositivo fornisce ogni pochi secondi da ognuno di questi punti rende possibile valutare la quantità d'acqua che cade istantaneamente in una larga area, il dato può quindi essere integrato per calcolare il flusso che si concentra in ogni ramo del bacino idrografico, così da ottenere in tempo quasi reale una proiezione della portata dei singoli canali a valle del bacino nei minuti successivi. Visto che il movimento dell'acqua sulla superficie è molto lento, anche per bacini di qualche km di lunghezza si possono ottenere stime di piena con anticipi di qualche decina di minuti, tempo più che sufficiente da permettere ai mezzi di soccorso degli spostamenti della stessa lunghezza del bacino, per raggiungere situazioni di pericolo.

L’invenzione sarà meglio descritta con riferimento ad alcuni modi di realizzazione da intendersi a titolo puramente esemplificativo ma non limitativo dell’ ambito di protezione richiesto, in cui:

Figure la e lb rappresentano due varianti del pluviometro di questa invenzione, una che utilizza la connessione senza fili con un piccolo pannello solare per l'alimentazione, mentre l'altra che utilizza un cavo con una connessione USB;

Figura 2 mostra in sezione il pluviometro di figura la;

Figure 3a e 3b mostrano due varianti per il sensore capacitivo, una che prevede un sensore semisferico ed una che prevede un sensore sferico.

Figure 4a, 4b e 4c sono sezioni del sensore capacitivo piano che descrivono il principio di funzionamento dell'induzione delle correnti dovute alle gocce che colpiscono la sua superficie;

Figure 5 a e 5b sono schemi a blocchi di due varianti della configurazione dell’elettronica di condizionamento;

Figure 6a e 6b sono due grafici rappresentativi del tasso di pioggia rispettivamente durante un evento di precipitazione molto debole e durante un evento di precipitazione molto intensa.

Con riferimento alle figure, parti equivalenti nelle varianti del pluviometro 1 verranno indicate con lo stesso riferimento numerico.

Il pluviometro comprende un sensore capacitivo 3 ed una elettronica 4 elettricamente schermata di condizionamento del segnale analogico impulsivo generato dal sensore capacitivo 3. L’elettronica di condizionamento 4 comprende una amplificatore di segnale 28, un convertitore analogico - digitale 29 elettricamente connesso all’ amplificatore di 28 ed un processore 30 elettricamente connesso con il convertitore analogico - digitale 29.

Il processore 30 può essere a sua volta separato (figura 5a) o integrato con il convertitore analogico - digitale in un micro controllore 31 (figura 5b).

Il sensore capacitivo 3 comprende un condensatore presentante una prima armatura 16a esposta alle gocce di pioggia così da essere sensibile alla variazione di carica elettrica indotta dalle gocce di pioggia.

Il condensatore comprende inoltre una seconda armatura 16b, ed uno strato elettricamente isolante 15 di separazione tra le due armature 16a e 16b.

Una pellicola elettricamente isolante 18 è posta a copertura del lato della prima armatura 16a direttamente esposto alle gocce di pioggia.

La pellicola isolante 18 è di un tipo idrofobico, così da facilitare l'allontanamento dell'acqua incidente.

Un cavo schermato 19 presenta un filo che connette la seconda armatura 16b del condensatore 3 a terra e un filo che connette la prima armatura 16a del sensore capacitivo 3 all'ingresso dell'amplificatore 28.

Il pluviometro 1 comprende altresì uno schermo elettromagnetico delle prima armatura 16a per schermare le interferenze ambientali. Lo schermo elettromagnetico è costituito dalla seconda armatura 16b del condensatore (figure la, lb, 2, 3a) o da un altro elemento 16c elettricamente conduttivo (figura 3b) elettricamente collegato alla seconda armatura 16b del condensatore.

Il pluviometro 1 comprende altresì un involucro 2 dove è alloggiata Γ elettronica di condizionamento 4.

L’involucro 2 si estende lungo un asse longitudinale L e presenta una prima estremità 2b disposta in posizione prossimale ad un supporto 100 del pluviometro 1 quando il pluviometro 1 è in uso ed una seconda estremità 2a disposta in posizione distale dal supporto 100 quando il pluviometro 1 è in uso.

Il sensore capacitivo 3 è collocato in corrispondenza della seconda estremità 2a dell’ involucro 2, in un vano dell’ involucro 2 (figure la, lb, 2, 3a) o esternamente all’involucro 2 (figura 3b).

Lo schermo elettromagnetico 16b, 16c è invece interposto tra la prima armatura 16a del condensatore e la prima estremità 2b dell’ involucro 2.

L’elettronica di condizionamento 4 è collocata in un vano presente nella prima estremità 2b dell’ involucro 2.

Nelle forme realizzative di figure la e lb, la seconda estremità 2a dell’ involucro 2 definisce un vano a forma di piato che contiene il sensore capacitivo 3, e la prima estremità 2b dell’ involucro 2 definisce un vano a forma di piato che contiene Γ elettronica di condizionamento 4 munita di un apposito schermo eletrico 5. L’involucro 2 comprende in tal caso una porzione intermedia tubolare cilindrica 2c a diametro inferiore che collega ad una opportuna distanza di separazione le estremità 2a e 2b e connete i vani in cui sono posizionati il sensore capacitivo 3 e Γ eletronica di condizionamento 4.

Nella soluzione illustrata in figura la, è prevista una connessione senza fili del pluviometro 1 ad una unità (non mostrata) di raccolta dei dati. In questo caso Γ alimentazione elettrica dei componenti ativi del pluviometro 1 è fornita da un pannello solare 6 contenente delle batterie e collegato all’ elettronica di condizionamento 4 tramite un cavo elettrico 8. Oltre al cavo schermato 19 che collega la prima armatura 16a del condensatore all'ingresso dell'amplificatore 28 e la seconda armatura 16b del condensatore a terra, un altro cavo schermato 27 connete l’uscita del processore 30 ad una antenna 24.

Nella soluzione illustrata in figura lb, è prevista una connessione cablata, ad esempio tramite porta 7 di tipo USB, del pluviometro 1 ad una unità (non mostrata) di raccolta dei dati. In questo caso Γ alimentazione eletrica dei componenti attivi del pluviometro 1 è fornita diretamente atraverso la porta 7 USB.

Per entrambe le soluzioni sono possibili due metodi di fissaggio del pluviometro 1 sul supporto 100, uno attraverso delle viti 9 inserite in appositi fori 12 dell’estremità prossimale 2b dell’ involucro 2 che stringono una staffa 10, l’altro attraverso dei lacci 11 infilati nei fori 12.

Facendo ora riferimento alla figura 2 viene mostrato più chiaramente l'interno dell'involucro 2 e i principali componenti che costituiscono il pluviometro 1 nella versione a sensore capacitivo 3 piano.

La prima estremità 2b dell’ involucro 2 presenta una base formata da due piastre 13, 13 reciprocamente unite ad una loro estremità da una cerniera regolabile 14 in modo da compensare eventuali inclinazioni del supporto 100 del pluviometro 1.

Il sensore capacitivo 3 contenuto nel vano della seconda estremità 2a dell’ involucro 2 è formato da una armatura piana metallica 16a esterna esposta alle gocce di pioggia, una armatura piana 16b interna, ed uno strato elettricamente isolante 15 di separazione tra le due armature 16a e 16b.

Il sensore capacitivo 3 è meccanicamente inserito in un supporto di materiale elettricamente isolante 17 che blocca la pellicola elettricamente isolante 18 in modo che l'acqua non possa mai entrare nella cavità dell’ involucro 2 dove è alloggiato il sensore capacitivo 3 .

Deve essere sin d’ora rimarcato che il sensore capacitivo 3 può comunque presentarsi sotto diverse altre forme, a partire dalla più semplice piatta illustrata in figura 2, per ottenere misure di pioggia che siano meno dipendenti dal ristagno di acqua sul sensore.

A questo scopo il condensatore può essere realizzato con delle armature parallele non piane, a forma di calotta semisferica o sferica come mostrato in figure 3 a e 3b, in modo tale che l'acqua incidente sulla superficie sia facilitata ad allontanarsi da essa e la misura di pioggia possa avvenire anche in condizioni di precipitazioni estreme.

Il problema della misura in condizioni di vento forte può essere risolta utilizzando il condensatore di forma sferica mostrato in figura 3b e prevedendo una grata sottile ed elettricamente isolante 21 che annulla gli schizzi delle gocce.

Infatti, la forma sferica del sensore capacitivo 3 assicura che la sezione vista dalle gocce incidenti sullo strumento sia sempre la stessa indipendentemente dall'inclinazione rispetto alla verticale. Sempre con riferimento al sensore capacitivo 3 illustrato in figura 3b, esso viene montato nel pluviometro 1 prima descritto semplicemente impegnando nel vano della seconda estremità 2a dell’ involucro 2 lo schermo elettromagnetico 16c, opportunamente rivestito da una pellicola elettricamente isolante 22.

Con riferimento invece al sensore capacitivo 3 illustrato in figura 3 a, esso viene montato nel pluviometro 1 prima descritto identicamente a come viene montato il sensore capacitivo 3 di figura 2.

Facendo riferimento alle figure 4a - 4c, il sensore capacitivo 3 è capace di produrre un segnale analogico proporzionale alla variazione di carica causata da una goccia che colpisce la superficie della pellicola isolante 18 che riveste la prima armatura 16a del condensatore.

Il segnale analogico prodotto dal sensore di capacità 3 ha un'ampiezza molto piccola, data la leggera carica elettrica trasportata dalla goccia.

Tale ampiezza è nel range dei micro Volt e non può essere usata direttamente con i componenti standard di microelettronica che opera nel range di Volt.

Per questo motivo l'elettronica include anche Γ amplificatore 28 elettricamente connesso all’ armatura 16a del sensore di capacità 3. L'amplificatore 28 accresce l'ampiezza del segnale analogico fino al livello che lo rende utilizzabile dagli altri componenti.

Nel caso in cui il convertitore analogico-digitale 29 e il processore 30 sono incorporati in un singolo micro-controllore 31, quest’ultimo è connesso elettricamente all'amplificatore 28c ed il cavo con porta 7 USB o Γ antenna 24 sono connessi elettricamente al micro-controllore 3 1.

Un esempio di micro-controllore 3 1 adatto a questa applicazione è il PIC18C4055 realizzato dalla Microchip Technology Ine. Questo particolare micro-controllore ha un'architettura RISC e un convertitore analogico-digitale da 16 bit che opera a 4 MHz con un oscillatore interno, e a 10 Mhz con un oscillatore esterno. Il primo può eseguire un'istruzione di singolo ciclo ogni 400 ns, e include 128 bytes di dati nella RAM e 2048 bytes di programma EEPROM.

Come evidente a tutti coloro che sono abili in questo campo, altri micro-controllore che soddisfano a queste richieste sono accettabili.

Uno strumento di registrazione esterno può essere connesso attraverso il cavo USB o l'antenna al pluviometro remoto per registrare istantaneamente il rate di pioggia. Se desiderato, tuttavia, l'uscita del pluviometro remoto senza il convertitore analogicodigitale e il processore può essere registrata attraverso la scheda audio di un normale computer per la stima del rate di pioggia.

Il modo di operare del pluviometro è qui di seguito brevemente descritto.

Il processore 30 calcola il rate di pioggia usando i valori digitali fomiti dal convertitore analogico-digitale 29 in un'equazione derivata dalla soluzione di un sistema lineare i cui coefficienti sono ricavati dalla decomposizione spettrale. Per eliminare l'influenza del mmore antropico non tutta la decomposizione spettrale viene utilizzata. Gli intervalli delle frequenze scelte dalla decomposizione spettrale sono definite come l'insieme delle componenti di Fourier che hanno valori frapposti e differenti a ogni coppia di armoniche consecutive della rete di trasmissione elettrica, che costituisce la fonte di mmore principale di origine antropica captata dal pluviometro. Le armoniche fondamentali delle reti di trasmissione elettrica nel mondo sono multipli di 50 Hz e 60 Hz, cosicché gli intervalli scelti per un'applicazione, ad esempio nel territorio italiano dove la frequenza fondamentale è 50 Hz, potrebbero essere Af = 110-140 Hz, 160-190 Hz, 210-240 Hz, 260-290 Hz, 310-340 Hz, ecc.

Le componenti spettrali sotto i 100 Hz sono per il momento scartate nel calcolo della pioggia a causa dell'influenza della nebbia a queste frequenze. D'altra parte, segnali negli intervalli di frequenza Af = 60-90 Hz e 10-40 Hz potrebbero essere utilizzati per rendere il pluviometro qui presentato anche un avvisatore della presenza di nebbia, cioè di goccioline d'acqua talmente piccole da rimanere in sospensione in aria.

Dato un evento di pioggia dove il dato cumulato registrato dal pluviometro nel minimo intervallo di tempo At(i) è M(i) in mm, la somma utilizzata per il calcolo del dato di pioggia con tutte le correzioni necessarie è del tipo:

M(At(i)) = ∑(k=l,...,n) [A(AfkAt(i)) - Ao(Afk)] C(k) (1)

dove A(Afk,At(i)) è il valore massimo dell'ampiezza dello spettro di Fourier nell'intervallo k-esimo del segnale amplificato proveniente dall'armatura 16a del sensore capacitivo. C(k) sono i coefficienti di proporzionalità fra il valore della pioggia in mm e le grandezze elettriche estratte dalla trasformata di Fourier, queste vengono ricavate in fase di taratura attraverso il metodo di Cramer di soluzione di un sistema lineare di equazioni.

Le costanti Ao(Afk) rappresentano il livello di rumore antropico e sono calcolate attraverso il sistema lineare in condizioni di assenza di pioggia:

Mnoise(At(i)) = ∑(k=l,...,n) Ao(Afk) C(k) (2)

dove A0(Afk) sono i valori massimi dell'ampiezza della trasformata di Fourier nell'intervallo k-esimo di frequenze, relativo al segnale di rumore amplificato in assenza di pioggia. La misura cumulata della pioggia al tempo t sarà allora

M(t)=∑(i=l,...,Int(t/At)+l)M(At(i)) (3)

dove Int(t/At) è la parte intera del rapporto tra parentesi. Le equazioni (2) e (3) sono usate per la taratura, attraverso il calcolo di A0(Afk) e C(k) rispettivamente. Il metodo di Cramer applicato alle equazioni (2) e (3) non consuma molta potenza di calcolo dato che con k = 4 i dati sperimentali hanno mostrato che è possibile raggiungere un'ottima precisione, ad esempio nel prototipo sviluppato presso l'Osservatorio Sismico "A. Bina" di Perugia, per i primi quattro intervalli di frequenze sopra citati queste costanti valgono:

C(l) = -5,933 [mm Volts<'1>sec<'1>], A^Afr) = 9,6 IO<'9>Volts;

C(2) = -167,7 [mm Volts<'1>sec<'1>], A^Afr) = 6,4 IO<'9>Volts;

C(3) = 399,4 [mm Volts<'1>sec<'1>], A0(Af3) = 6,0 IO<'9>Volts;

C(4) = -64,26 [mm Volts<'1>sec<'1>], A0(Af4) = 5,2 IO<'9>Volts.

Al fine di calcolare il rate di pioggia, il processore 30 deve essere capace di sommare le componenti selezionate dello spettro di potenza con le appropriate costanti.

L'operazione (2) determina il livello di rumore che dipende dal luogo dove il pluviometro è posto in funzione e non solamente dal rumore dell'elettronica. A causa di ciò, il calcolo di Ao(Afk) deve essere programmato con il processore 30 e essere ripetibile ogni volta che il pluviometro è spostato in un altro luogo. Per realizzare ciò quando k = 4, il processore deve essere capace di campionare le componenti dello spettro selezionato in 4 differenti momenti in assenza di pioggia, in questo modo Ao(Afk) può essere fissato da questi valori. Il processore 30 deve essere capace di calcolare il determinante di una matrice di rango 4.

La risoluzione del pluviometro dipende dal livello di rumore elettrico del luogo dove lavora ma solitamente dei livelli molto bassi di rate di pioggia sono rilevabili con la presente invenzione, anche inferiori a 0,1 mm/h. L'intervallo di campionamento di questo pluviometro è eccezionalmente piccolo e è dato dall'intervallo scelto per il calcolo della trasformata di Fourier veloce. Per una frequenza di campionamento del convertitore analogico-digitale di 10 kHz è possibile raggiungere una risoluzione temporale inferiore al secondo, in questo modo è possibile valutare precipitazioni dell'ordine di 0,00001 mm/sec. Un esempio di evento di precipitazione molto debole, registrato il 24 maggio 2015 presso l'Osservatorio Sismico "A. Bina" di Perugia, è illustrato in Fig. 6a dei disegni, dove l'accuratezza nel rate di pioggia scende sotto 0,1 mm/h. Il pluviometro di questa invenzione non soffre del problema dell'evaporazione delle goccioline, che è un fenomeno che accade comunemente fra gli altri pluviometri di precisione, perciò riesce a stimare una così piccola quantità d'acqua. Infatti, è sufficiente che una gocciolina tocchi il sensore perché sia registrata.

Il pluviometro di questa invenzione non soffre del problema fuoriuscita d'acqua dalle bascule che caratterizza molti dispositivi di precisione in occasione di precipitazioni abbondanti. Il rate di pioggia che questa invenzione nella versione con sensore a calotta sferica o sferico di figure 3a e 3b è capace di misurare supera i 200 mm/h dato che le gocce non sono catturate dal sensore ma lasciano esso immediatamente dopo averlo toccato. Un esempio di evento di precipitazione molto intenso, registrato il 20 giugno 2015 presso l'Osservatorio Sismico "A. Bina" di Perugia, è illustrato in Fig. 6b dei disegni, dove il rate di pioggia raggiunge picchi di 400 - 500 mm/h.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Pluviometro (1) caratterizzato dal fatto di comprendere un involucro elettricamente isolante (2), un sensore capacitivo (3) comprendente un condensatore presentante una prima armatura (16a) esposta alle gocce di pioggia così da essere sensibile alla variazione di carica elettrica indotta da dette gocce di pioggia, ed una elettronica (4) elettricamente schermata di condizionamento del segnale generato da detto sensore capacitivo (3) posizionata all’ interno di detto involucro (2).
2. 2. Pluviometro secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta elettronica di condizionamento (4) comprende un amplificatore (28) per aumentare l'ampiezza del detto segnale analogico impulsivo, un convertitore analogicodigitale (29) per digitalizzare detto segnale analogico impulsivo, ed un processore (30).
3. 3. Pluviometro (1) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto processore (30) è configurato per stimare la precipitazione di pioggia registrata nell’unità di tempo sulla base di una somma delle componenti opportunamente pesate dello spettro di potenza di detto segnale comprese in un determinato intervallo di frequenza.
4. 4. Pluviometro (1) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di presentare un cavo di trasmissione (7) o una antenna di trasmissione (24) collegati all’uscita di detta elettronica di condizionamento (4).
5. 5. Pluviometro (1) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere uno schermo elettromagnetico per schermare detta prima armatura (16a) da interferenze elettromagnetiche ambientali, costituito da una seconda armatura (16b) di detto condensatore o da un altro elemento (16c) elettricamente conduttivo collegato a detta seconda armatura (16b) di detto condensatore.
6. 6. Pluviometro (1) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta prima armatura (16a) è rivestita sul lato esposto alle dette gocce di pioggia con una pellicola elettricamente isolante (18).
7. 7. Pluviometro (1) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto involucro (2) si estende lungo un asse longitudinale (L) e presenta una prima estremità (2b) disposta in posizione prossimale ad un supporto (100) del pluviometro (1) quando detto pluviometro (1) è in uso ed una seconda estremità (2a) disposta in posizione distale da detto supporto (100) quando detto pluviometro (1) è in uso, detto sensore capacitivo (3) essendo collocato in corrispondenza di detta seconda estremità (2a) di detto involucro (2), detto schermo elettromagnetico essendo interposto tra detta prima armatura e detta prima estremità (2b) di detto involucro (2).
8. 8. Pluviometro (1) secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detta elettronica di condizionamento (4) è collocata in un vano presente in detta prima estremità (2b) di detto involucro (2).
9. 9. Pluviometro (1) secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detto sensore capacitivo (3) è alloggiato in un supporto elettricamente isolante (17).
10. 10. Pluviometro (1) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto sensore capacitivo (3) presenta armature piane o semisferiche o sferiche.