IT201800006477A1 - Sistema esperto per la determinazione dell’evapotraspirazione reale di una superficie vegetata. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Sistema esperto per la determinazione dell’evapotraspirazione reale di una superficie vegetata"

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un dispositivo per la determinazione dell’evapotraspirazione reale (ETr) di una superficie vegetata naturale o coltivata.

Un sistema noto di determinazione dell’evapotraspirazione prevede l’impiego di un atmometro comprendente un elemento che simula la vegetazione, costituito da un doppio tessuto permeabile al vapore ed impermeabile all’acqua allo stato liquido ed interposto fra una piastra porosa che simula un suolo costantemente irrigato e l’atmosfera. Tale tessuto costituisce un mezzo poroso rigido con permeanza al vapore acqueo fissa e analoga a quella stomatica massima delle piante che costituiscono il prato di riferimento.

Un tale sistema calcola quindi l’ET0, ovvero l’evapotraspirazione di riferimento da cui si può risalire all’ ETr utilizzando coefficienti colturali tabulati, opportunamente aggiustati per tenere conto delle differenti condizioni di umidità dell’aria e ventosità rispetto alla zona dove sono stati ottenuti sperimentalmente i valori tabulati. L’impiego di ulteriori coefficienti di aggiustamento è necessario quando le condizioni di stato idrico del suolo sono diverse da quelle potenziali. La determinazione è quindi alquanto laboriosa e soggetta ad imprecisioni dovute al largo impiego di coefficienti empirici.

Sono inoltre noti sistemi che misurano gli scambi idrici di una superficie vegetata mediante l’impiego di tecnologie micrometeorologiche, ovvero scintillometri e torri “eddy covariance”.

Scopo della presente invenzione è quello di fornire un dispositivo per la determinazione dell’evapotraspirazione reale della superficie vegetata di un terreno, migliorato rispetto a quelli descritti dalla tecnica nota.

Secondo l’invenzione, tale scopo viene raggiunto grazie ad un dispositivo comprendente:

- un evaporatore poroso composito, almeno una porzione del quale ha una resistenza al flusso di vapore acqueo che dipende da un parametro, detto evaporatore avendo una superficie superiore esposta all’atmosfera,

- un serbatoio di acqua liquida sottostante all’evaporatore al quale è connesso da un tubo di aspirazione, e provvisto di un misuratore di livello,

- un sensore di misura dell’umidità del terreno, e - una “central process unit” (CPU) che controlla detto parametro da cui dipende la resistenza al flusso di vapore acqueo attraverso l’evaporatore, in dipendenza dal valore di umidità del terreno rilevata da detto sensore.

Caratteristiche preferite del dispositivo dell’invenzione sono descritte nelle rivendicazioni dipendenti da 2 a 6 che seguono.

Costituisce un ulteriore oggetto della presente invenzione un procedimento di determinazione dell’evapotraspirazione reale mediante l’impiego del suddetto dispositivo, come indicato nelle rivendicazioni da 7 a 9 che seguono.

Un aspetto essenziale del dispositivo dell’invenzione è la capacità di variare la resistenza, ovvero il suo inverso vale a dire la permeanza, al flusso di vapore acqueo attraverso l’evaporatore in dipendenza dallo stato idrico del terreno. In tal modo, il flusso di vapore acqueo uscente dal dispositivo, che è calcolato a partire dalla diminuzione del livello di acqua nel serbatoio, costituisce un’approssimazione molto affidabile dell’evapotraspirazione reale della superficie vegetata del terreno, che dipende dal suo stato idrico, oltre che dalle condizioni atmosferiche alle quali la superficie superiore dell’evaporatore è esposta analogamente al terreno.

Tipicamente, il parametro controllato da cui dipendono la resistenza/permeanza al flusso di vapore acqueo attraverso l’evaporatore è la temperatura, che a sua volta è preferibilmente regolata mediante generazione di calore da parte di un resistore facente parte di un circuito elettrico inserito nell’evaporatore e controllato dalla CPU.

Altri parametri che possono essere controllati in alternativa o in aggiunta alla temperatura sono di natura geometrica, come ad esempio lo spessore dell’evaporatore e/o la presenza di interstizi fra suoi strati costitutivi.

Il dispositivo ed il procedimento dell’invenzione, che si basano su misure reali, hanno quindi il vantaggio di minimizzare, se non annullare, l’impiego di coefficienti colturali tabulati, che debbono essere successivamente corretti.

Il dispositivo dell’invenzione risulta inoltre meno ingombrante e costoso, nonché più semplice dal punto di vista dello schema elettrico e computazionale di sistemi noti basati su tecnologie micrometeorologiche.

Ulteriori vantaggi e caratteristiche della presente invenzione risulteranno evidenti dalla descrizione dettagliata che segue, fornita a titolo di esempio non limitativo con riferimento al disegno annesso, in cui:

la figura 1 è una rappresentazione schematica di un dispositivo dell’invenzione.

Un dispositivo per la determinazione dell’evapotraspirazione reale di una superficie vegetata 10 di un terreno 12, comprende un sensore 14 di misura dell’umidità del terreno 12, un evaporatore poroso 16, un serbatoio 18 di acqua liquida sottostante all’evaporatore 16 al quale è connesso da un tubo 20 di aspirazione, ed una CPU di controllo 22.

Il serbatoio 18 tenuto in depressione per permettere la risalita dell’acqua attraverso il tubo 20 verso l’evaporatore 16, è provvisto di un misuratore 24 di livello 26 dell’acqua, i valori misurati dal quale sono trasmessi alla CPU 22.

L’evaporatore 16 ha una struttura composita comprendente una piastra inferiore 28 di materiale ceramico racchiusa da una capsula 30 di ceramica impermeabilizzata, uno strato superiore 32 di tessuto esposto all’atmosfera ed avente colore ed albedo corrispondente a quelli della superficie vegetata, ed uno strato intermedio 34 avente resistenza al flusso di vapore acqueo che dipende dal parametro temperatura.

Preferibilmente, lo strato superiore 32 è di tessuto acrilico Green Canvas prodotto da Sunbrella Fabrics (1831 N. Park Avenue Glen Raven, NC, USA), di colore verde Erin ed albedo di circa 0,2.

Vantaggiosamente, lo strato intermedio 34 è di un tessuto che ingloba materiale polimerico a memoria di forma che varia la sua geometria a seguito della variazione di un parametro termico quale la temperatura. Preferibilmente, tale materiale polimerico a memoria di forma è poly-NiPAAm/chitosan microgel.

Nello strato intermedio 34 è annegato un resistore 36 facente parte di un circuito elettrico (non illustrato nello schema della figura 1) e la cui generazione di calore è controllata dalla CPU 22 sulla base dei valori di temperatura dello stato intermedio 34 rilevati da un sensore, quale una termocoppia 38.

Viene ora descritto un procedimento di determinazione dell’evapotraspirazione reale della superficie vegetata del terreno mediante l’impiego del suddetto dispositivo ivi installato.

Acqua liquida preventivamente alimentata nel serbatoio 18 è aspirata tramite il tubo 20 nell’evaporatore 16. Attraversando quest’ultimo, l’acqua vaporizza ed infine passa nell’atmosfera uscendo dallo strato superiore 32. Grazie alle misure di livello 26 effettuate dal misuratore 24, la CPU 22 è in grado di calcolare la diminuzione della quantità di acqua presente nel serbatoio 18, che corrisponde alla quantità vaporizzata. La CPU 22 è inoltre in grado di controllare la resistenza, ovvero il suo inverso vale a dire la permeanza, al flusso di vapore dello stato intermedio 34 dell’evaporatore 16 in dipendenza dal valore di umidità del terreno 12 misurato dal sensore 14, in modo tale per cui il flusso calcolato di acqua vaporizzata, ovvero la quantità di vapore fluente nell’unità di tempo attraverso l’unità di superficie, corrisponde sostanzialmente al flusso di evapotraspirazione che ha effettivamente luogo attraverso la superficie vegetata 10 del terreno 12 e che è quindi stimato in modo adeguatamente preciso dal dispositivo.

In particolare, quanto più il terreno 12 è umido tanto più la resistenza al flusso del vapore dell’evaporatore 16 viene diminuita, mentre quanto più il terreno 12 è secco tanto più la resistenza al flusso del vapore dell’evaporatore 16 viene accresciuta.

A questo scopo si sfrutta il fatto che la resistenza/permeanza al flusso di vapore acqueo dello stato intermedio 34 dell’evaporatore 16 dipende dalla sua temperatura. Pertanto, la CPU 22 controlla quest’ultimo parametro, così da far assumere all’evaporatore 16 il valore desiderato di resistenza/permeanza al flusso di vapore in corrispondenza di un dato tasso di umidità del terreno 12.

Specificamente, la temperatura viene controllata dalla CPU 22 regolando la generazione di calore da parte del resistore 36 sulla base dei valori di temperatura rilevati dalla termocoppia 38, secondo principi in sé ben noti di regolazione termica dei sistemi. Ad esempio, se la temperatura rilevata è inferiore a quella desiderata, si accresce la generazione di calore facendo aumentare l’intensità di corrente elettrica fluente attraverso il resistore e/o la resistenza di quest’ultimo, o viceversa, così da compensare lo scostamento del parametro temperature dal valore desiderato.

Naturalmente, fermo restando il principio dell'invenzione, i particolari di realizzazione e le forme di attuazione potranno ampiamente variare rispetto a quanto descritto a puro titolo esemplificativo, senza per questo uscire dall’ambito dell’invenzione come definito nelle rivendicazioni annesse.

In particolare, si potrebbe utilizzare come costitutivo dello stato intermedio dell’evaporatore un qualsiasi tessuto “thermally-driven”, in cui la temperatura indotta attraverso un termo-resistore fa variare la permeanza al flusso di vapore perché supera la cosiddetta temperatura di attivazione dei polimeri costitutivi a memoria di forma. A questa categoria di tessuti appartengono anche le membrane porose a base di nano-fibre di poliuretano sensibili agli stimoli termici, le quali sono inserite mediante l’elettrofilatura ed ivi deposte (Charly Azra et al., 2015; Mondal et al., 2006). Tali polimeri hanno in particolare una permeanza al vapore acqueo variabile in un dominio rappresentativo delle principali colture agrarie, ed in particolare <1000 g*m<-2>*d<-1>, che corrisponde a una resistenza stomatica di circa 100 s*m<-1>.

E’ anche possibile utilizzare come materiali costitutivi dello stato intermedio dell’evaporatore polimeri attivabili attraverso stimoli elettrici a bassa potenza, evitando così la generazione di calore e la conseguente alterazione del bilancio termico nella zona del dispositivo interessato dal processo di scambio idrico: infatti, uno stimolo termico, diverso da quello ambientale, modifica lo stato idrico e quindi il naturale gradiente di concentrazione di vapore del sistema.

Un tale stimolo è ad esempio, rappresentato da una differenza di tensione che non causa il riscaldamento del materiale, ma ne fa variare la porosità in combinazione con lo spessore del materiale stesso. Una variazione combinata di porosità e spessore si traduce in una variazione della tortuosità, molto più efficace rispetto alla variazione della sola porosità ai fini di influenzare la resistenza al flusso di vapore di acqueo.

Ulteriormente, la creazione controllata di un interstizio tra la piastra porosa e lo stato intermedio dell’evaporatore consente di controllare la permeanza globale del dispositivo anche per questa via.

A questo scopo, si possono utilizzare attuatori al grafene o basati su gel di politiofene in grado di convertire uno stimolo elettrico in energia meccanica, così da generare un interstizio tra la piastra porosa e lo stato intermedio dell’evaporatore, variandone la resistenza al flusso di vapore acqueo.

Claims (9)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo per la determinazione dell’evapotraspirazione reale di una superficie vegetata (10) di un terreno (12), comprendente: - un evaporatore poroso composito (16), almeno una porzione del quale ha una resistenza al flusso di vapore acqueo che dipende da un parametro, detto evaporatore (16) avendo una superficie superiore esposta all’atmosfera, - un serbatoio (18) di acqua liquida sottostante all’evaporatore al quale è connesso da un tubo di aspirazione (20), e provvisto di un misuratore (24) di livello (26), - un sensore (14) di misura del valore di umidità del terreno (12), e - una CPU (22) che controlla detto parametro da cui dipende la resistenza al flusso di vapore acqueo attraverso l’evaporatore, in dipendenza dal valore di umidità del terreno (12) rilevata da detto sensore (14).
2. 2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui detto evaporatore (16) comprende una piastra inferiore (28) di materiale ceramico, uno strato superiore (32) di tessuto esposto all’atmosfera, ed uno strato intermedio (34) avente resistenza al flusso di vapore acqueo che dipende dal parametro temperatura, ed in cui è annegato un resistore (36) facente parte di un circuito elettrico che è controllato da detta CPU (22), la quale stabilisce, tramite generazione di calore da parte di detto resistore (36), il parametro temperatura dell’evaporatore (16), e di conseguenza il flusso di vapore acqueo che lo attraversa, in dipendenza dal valore di umidità del terreno (12) rilevata da detto sensore (14).
3. 3. Dispositivo secondo la rivendicazione 2, in cui detto strato intermedio (34) è realizzato in un tessuto che ingloba materiale polimerico a memoria di forma che varia la sua geometria a seguito della variazione della temperatura.
4. 4. Dispositivo secondo la rivendicazione 3, in cui detto materiale polimerico a memoria di forma è un microgel di poly-NiPAAm/chitosan.
5. 5. Dispositivo secondo una qualunque delle precedenti rivendicazioni, in cui detta superficie superiore dell’evaporatore (16) ha colore ed albedo sostanzialmente corrispondenti a quelli della superficie vegetata (10).
6. 6. Dispositivo secondo una qualunque delle precedenti rivendicazioni, in cui un sensore di temperatura, quale una termocoppia (38), rileva il valore di temperatura dell’evaporatore (16), e lo trasmette a detta CPU (22).
7. 7. Procedimento per la determinazione dell’evapotraspirazione reale di una superficie vegetata (10) di un terreno (12) mediante l’impiego di un dispositivo secondo una qualunque delle precedenti rivendicazioni, in cui detta evapotraspirazione è calcolata dalla CPU (22) a partire della diminuzione del livello (26) dell’acqua nel serbatoio (18) rilevata dal misuratore (24), la quale diminuzione è indice del flusso di vapore acqueo attraverso l’evaporatore (16) che ha una resistenza al flusso di vapore acqueo che dipende da un parametro che è controllato dalla CPU (22) in dipendenza dal valore di umidità del terreno (12) rilevata dal sensore (14).
8. 8. Procedimento secondo la rivendicazione 7, in cui detto parametro è la temperatura dell’evaporatore (16) che viene stabilita mediante generazione di calore da parte di un resistore integrato in detto evaporatore (16) e facente parte di un circuito elettrico controllato dalla CPU (22).
9. 9. Procedimento secondo la rivendicazione 8, in cui l’azione di controllo da parte della CPU (22) ha luogo sulla base dei valori di temperatura dell’evaporatore (16) rilevati da un sensore, quale una termocoppia (38).