IT202000012541A1 - dispositivo per la misura di variabili ambientali - Google Patents

Description

Descrizione dell?invenzione avente per TITOLO:

?dispositivo per la misura di variabili ambientali?

Il crescente sviluppo dell?automazione, cos? come l?analisi dei dati e la programmazione degli interventi in agricoltura e nel campo industriale richiedono una sempre maggiore precisione nell?acquisizione di dati ambientali. Questo compito ? relegato a dispositivi in grado di misurare le grandezze fisiche ambientali come le stazioni meteorologiche. E? un problema noto di questi dispositivi l?incapacit? di effettuare misure precise, nel caso specifico di temperatura e umidit?, senza un adeguata schermatura dalle radiazioni solari o dall?irraggiamento notturno. Ci sono numerosi esempi di arte nota che mostrano come siano state trovate soluzioni pi? o meno performanti al problema.

Le soluzioni ?passive? sfruttano dei piatti concentrici distanziati in modo da creare una persiana in grado di evitare che la radiazione incidente raggiunga e riscaldi il sensore, pur consentendo il flusso verticale di aria e quindi lo sfruttamento di moti convettivi. Parimenti durante le ore notturne la soluzione impedisce all?irraggiamento verso lo spazio di poter raffreddare il sensore. Queste soluzioni funzionano molto bene in gran parte dei casi e non richiedono un significativo utilizzo di energia elettrica, purtroppo particolari condizioni, quali ad esempio l?assenza di vento naturale, l?eccessiva insolazione o notti molto lunghe e cielo sereno determinano un errore nella misurazione non trascurabile in quanto spesso le stesse particolari condizioni che generano l?errore sono quelle per cui vi ? il maggior interesse ad avere dei dati precisi ed accurati. Queste soluzioni sono quindi a basso rendimento e non adatte ad un uso professionale, nonostante abbiano un consumo energetico nullo.

Le soluzioni ?attive? prevedono al contrario la combinazione di una schermatura contro la radiazione incidente o l?irraggiamento e dei sistemi di ventilazione forzata nei quali una ventola genera un flusso di aria verticale che, sfruttando i moti convettivi, impedisce il riscaldamento o il raffreddamento del sensore. Numerose soluzioni sono state sviluppate su questa falsa riga, alcune anche molto performanti, tutte hanno in comune la necessit? di utilizzare una sorgente di energia elettrica per far funzionare la ventola. Il problema principale di questa categoria di schermi solari ? che il sensore ? racchiuso dentro un alloggiamento dove il percorso dell?aria ? necessariamente forzato e non naturale. Un grande difetto di queste soluzioni ? che la ventola deve necessariamente funzionare di continuo, anche se a ridotta potenza, il che comporta un notevole dispendio energetico. Anche nel caso in cui vi sia un guasto alla ventola o non vi sia abbastanza energia per alimentarla (si pensi al caso delle alte latitudini come il Nord Europa o il Nord America) la performance di questi schermi solari crolla vistosamente e le misurazioni diventano errate in qualunque condizione atmosferica in quanto il sensore posto in un alloggiamento protetto e isolato dal flusso naturale soffre dell?influenza dell?inerzia termica dell?alloggiamento in cui ? inserito. Alcuni di queste soluzioni, come il brevetto US 6247360 B1 sembrano non tenere conto della velocit? del vento ed in caso di forte intensit? di quest?ultimo vedono invertita la direzione del flusso di aria interno in quanto la pressione esercitata dal vento ? maggiore di quella esercitata dal flusso di aria generata dalla ventola, causando perci? misurazioni errate per via del calore della ventola che andrebbe a investire direttamente il sensore. Tentativi di superare il problema sono stati fatti ad esempio con il brevetto US 7753583 B2 che utilizza un sistema ad effetto venturi abbastanza complicato.

Purtroppo sia gli schermi solari attivi che gli schermi passivi riescono ad utilizzare in piccolissima misura ed in modo per nulla efficiente la ventilazione naturale, questo comporta i suddetti problemi di sovrariscaldamento\sovra-raffreddamento del sensore negli schermi solari passivi e una marcata inefficienza energetica nel caso di schermi solari attivi, la quale comporta un grosso problema laddove per alimentare la ventola vengono utilizzate delle celle solari e l?irraggiamento ? insufficiente per garantire l?energia necessaria ad alimentarla, specie nei casi dove ? richiesta una certa miniaturizzazione e quindi le celle solari sono di piccole dimensioni. In questi casi, in assenza di adeguato irraggiamento, le soluzioni note permettono di utilizzare la ventola solo per alcune decine di ore.

Uno dei punti di forza del dispositivo proposto rispetto all?arte nota ? il fatto che esso pu?, per la maggior parte delle situazioni, funzionare senza utilizzare energia elettrica, esclusa quella utilizzata dal sensore, che ? talmente bassa da essere trascurabile. A titolo di esempio, utilizzando dei materiali di buona fattura per la realizzazione, quando la temperatura esterna ? di 25 gradi centigradi, nel mese di maggio e a medie latitudini, il dispositivo riesce ad effettuare delle misurazioni precise senza l?ausilio dell?elemento aspirante nel caso la velocit? del vento sia maggiore di 2 km\h, ovvero una leggerissima brezza. A latitudini pi? elevate, come quelle del nord Europa, le performance del dispositivo aumentano, cos? come la sua efficienza. Nel caso di alimentazione da pannelli solari questo comporta un vantaggio enorme in quanto le soluzioni ?attive?, ossia dotate di elemento aspirante, proposte dall?arte nota necessitano di una fonte di energia costante ed invariata nel tempo.

Oggetto dell?invenzione ? un dispositivo che permette di effettuare delle misurazioni ambientali, nello specifico di temperatura e umidit?, riducendo quasi del tutto l?influenza della radiazione solare e dell?irraggiamento notturno, utilizzando una quantit? bassissima di energia e permettendo quindi di miniaturizzare notevolmente celle solari e batterie accumulatrici. Questo permette di ridurre notevolmente i costi di produzione ed estende le possibilit? di utilizzo anche in climi particolarmente ostili con scarsa insolazione come le regioni situate ad alta latitudine dove per far funzionare i sistemi attualmente esistenti sarebbero necessarie celle fotovoltaiche di grandi dimensioni, cosanon richiesta nel caso della presente invenzione in quanto il consumo energetico si stima essere significativamente inferiore rispetto all?arte nota.

Nello specifico l?invenzione consiste nell?utilizzo di una camera di misura a base poligonale, nella quale trova alloggiamento un sensore di temperatura e umidit?. Detta camera ? posta, in modo da risultare concentrica, nella parte superiore di un altro solido della stessa forma ma di dimensioni maggiori. Sopra la camera di misura vi ? una copertura di protezione che ha la funzione di isolare per tutta la lunghezza e oltre la camera di misura ed il solido di contenimento dalla radiazione solare, che in caso contrario andrebbe a riscaldare direttamente il sensore. La copertura ha anche la funzione di proteggere il dispositivo dagli agenti atmosferici. L?area immediatamente sopra la copertura ? preferibile che sia ombreggiata per evitare surriscaldamenti della stessa. Nel caso del campo di applicazione tipico del dispositivo, ovvero integrato in una stazione meteorologica, quest?area ? la posizione ideale per situare le altre parti del prodotto, come batterie, celle fotovoltaiche o circuiti stampati utili al funzionamento del sistema cos? come altri sensori meteorologici, in quanto la loro presenza migliorerebbe l?isolamento del dispositivo. In alternativa sopra la copertura di protezione ? possibile situare una o pi? coperture identiche equidistanti che si adopereranno allo stesso scopo oppure uno schermo passivo tradizionale nel caso siano presenti delle batterie al litio per fornire ad esse un?adeguata protezione.

Ogni faccia laterale della suddetta camera di misura ? provvista di almeno un?apertura. Da ciascuna apertura quale si diparte almeno un condotto che sfocia all?esterno della corrispondente faccia laterale opposta del solido di contenimento. Nel presente documento il termine condotto indica qualunque tipo di apertura che mette in comunicazione la camera di misura con l?ambiente esterno. Detto condotto, provvisto di una griglia in una o entrambe delle due estremit? con funzione di protezione contro l?intrusione di oggetti indesiderati dentro la camera, ha la funzione di convogliare la naturale ventilazione orizzontale dalle facce esterne del solido di contenimento fin dentro la camera di misura e quindi nuovamente fuori da essa. La posizione di entrata dei condotti ? tale che essi siano sempre protetti dalla radiazione diretta del sole, almeno fin quando l?elevazione del sole sia maggiore di un certo angolo minimo, definito intersecando la retta passante dal punto estremo della copertura di protezione al punto estremo inferiore del solido di contenimento e calcolando l?angolo tenendo conto dell?inclinazione di quest?ultima rispetto la linea parallela al terreno. La dimensione del solido di contenimento rispetto alla protezione superiore deve essere tale da ottenere un angolo ottimale, generalmente ma non necessariamente inferiore ai 20 gradi. Giacch? le condizioni radiative peggiori si hanno quando il sole ha un elevazione maggiore, rispettando questo parametro l?aria in entrata nei condotti raggiunge la camera di misura senza passare da nessun corpo riscaldato dalla radiazione incidente, mantenendo inalterata la sua temperatura. Essendo il vento un vettore, nel caso in cui la base del solido e della camera sia un ottagono, tre condotti saranno sempre posti in modo da ricevere il vento in entrata e fino a cinque condotti potranno invece permettere al vento di fuoriuscire dalla camera di misura. Il numero di condotti in uscita maggiore scongiura il rischio di un aumento di pressione all?interno della camera di misura, mentre il perimetro (base) poligonale della camera garantisce che, al variare della direzione del vento, anche i condotti varieranno la loro funzione mantenendo comunque lo stesso rapporto di condotti in entrata e condotti in uscita.

Al di sotto della camera di misura vi ? un?altra camera di forma uguale e pressoch? identico volume, delineata da una parete divisoria provvista di due aperture sul lato superiore ed un'altra parete sul lato inferiore sulla quale vi ? montato un elemento aspirante. Questa seconda camera ha la funzione di creare una corrente che simuli il ricambio di aria qualora la ventilazione sia assente o scarsa. Infatti quando l?elemento aspirante viene azionato viene inspirata aria dalla camera attraverso i suddetti condotti: questa azione richiamer? automaticamente aria dall?esterno dagli stessi condotti in cui entrerebbe naturalmente in presenza di vento. Infine, posta all?estremit? inferiore della camera di aspirazione, una griglia ha lo scopo di impedire l?entrata di oggetti indesiderati o insetti dentro il dispositivo.

Le caratteristiche ed i vantaggi della presente invenzione risulteranno evidenti dalla seguente descrizione dettagliata nella sua forma di realizzazione pratica, illustrata a titolo di esempio non limitativo negli uniti disegni, nei quali:

- La figura 1a illustra la sezione verticale di un esempio implementativo del dispositivo descrivendone il principio di funzionamento in condizioni normali.

- La figura 1b integra la figura 1a mostrando le differenze nel percorso di entrata ed uscita dell?aria in condizioni di assenza di ventilazione e attivazione dell?elemento aspirante.

- La figura 2a integra la figura 1 illustra la sezione orizzontale del dispositivo descrivendone il funzionamento in presenza di ventilazione naturale.

- La figura 2b illustra la sezione orizzontale del dispositivo descrivendone il funzionamento in assenza di ventilazione naturale.

- La figura 3 mostra una vista laterale di un esempio implementativo del dispositivo e ne indica i punti salienti.

Descrizione delle singole parti che costituiscono il dispositivo della presente invenzione

Osservando la sezione verticale nella figura 1a ? possibile notare quasi tutti i tratti distintivi che aiutano a comprendere l?invenzione ed il suo funzionamento in condizioni di ventilazione naturale. La direzione del vento viene indicata dalla freccia 10. Possiamo individuare il solido di contenimento Sc, definito cos? in quanto svolge la funzione di contenere la camera di misura Mc, la camera di aspirazione Ac e i condotti C1 e/o C2, che permettono il collegamento tra la camera di misura Mc e l?ambiente esterno, e la copertura di protezione Cp, atta ad isolare dalla radiazione solare incidente R. La camera di misura Mc, contenuta nel solido Sc, ? mostrata lateralmente, dalla quale si dipartono dei condotti C1 e/o C2, in numero tale da poter essere disposti lateralmente alla camera di misura Mc in modo da coprire idealmente tutta la rosa dei venti. Distinguiamo esclusivamente per questa rappresentazione e a titolo di esempio in relazione alla direzione del vento 10, i condotti C1 come quelli prevalentemente investiti dalla direzione del vento 10, a differenza di quelli C2 i quali non sono direttamente investiti dalla direzione del vento 10: senza alcuna generalit? i condotti sono simmetrici e gli stessi ragionamenti a seguire possono essere fatti invertendo i condotti C1 con i condotti C2 ed invertendo la direzione del vento.

I condotti C1 e C2 attraversano il solido di contenimento Sc e mettono in comunicazione la camera di misura con l?atmosfera esterna attraverso un percorso sostanzialmente orizzontale, con una pendenza intermedia sufficiente da impedire agli agenti atmosferici di penetrare con facilit? dentro la camera di misura Mc e di favorirne la fuoriuscita degli stessi nel caso riescano comunque ad entrare all?interno del condotto. A maggior protezione una griglia G1 pu? essere posta ad una od entrambe le estremit? dei condotti C1 e/o C2, con la funzione di barriera contro agenti atmosferici ed intrusione di insetti o animali. All?interno della camera di misura Mc trovano posto uno o pi? sensori di temperatura e umidit? S, posizionati su appositi supporti T. Con questa configurazione la ventilazione naturale 1, si incanaler? attraverso il condotto C1 e finir?, senza ausilio di energia supplementare e senza subire trasformazioni di natura termica o igrometrica, dentro la camera di misura Mc dove un sensore S si occuper? di misurare le caratteristiche atmosferiche dell?aria che saranno del tutto simili a quelle dell?aria all?esterno del dispositivo. I condotti C2 non interessati dal flusso in ingresso avranno la funzione di permettere un flusso di aria uscente 2. La camera di misura Mc ha quindi lo scopo di contenere al suo interno aria con caratteristiche qualitativamente identiche all?aria esterna, che pu? entrare dentro la camera di misura naturalmente in presenza di vento 1, incanalandosi attraverso il condotto C1, per poi sfociare su un lato della camera di misura Mc e continuare per inerzia il suo naturale percorso in direzione orizzontale incanalandosi in questo caso attraverso i condotti C2 che non sono interessati dal flusso di aria in ingresso e sfociando all?esterno 2 dalle aperture situate sui lati del solido di contenimento Sc non colpite dal vento 1.

All?interno del solido di contenimento Sc una parete di separazione Se separa la camera di misura Mc dalla camera di aspirazione Ac, contenente un elemento aspirante V il quale, nelle condizioni descritte in figura 1a, non entra mai in funzione, non consumando quindi energia. Le pareti Se della camera di aspirazione Ac sono comunque provviste di aperture Sa che la mantengono comunque collegata alla camera di misura Mc. Sia che l?aria venga incalanata naturalmente nella camera di misura Mc per azione del vento 1, o che essa venga introdotta artificialmente attraverso l?azione dell?elemento aspirante V e le aperture Sa, essa non verr? mai a contatto con elementi riscaldati dalla radiazione solare incidente R, tranne nei casi dove l?inclinazione solare ? inferiore all?angolo An, definito intersecando la retta passante dal punto estremo della copertura di protezione Cp al punto estremo inferiore del solido di contenimento Sc e calcolando l?angolo tenendo conto dell?inclinazione di quest?ultima rispetto la linea parallela al terreno. ? importante notare che il flusso di aria che si viene a creare tramite i condotti C1 e/o C2 ? assolutamente differente rispetto a quello prodotto dai naturali moti convettivi, generalmente sfruttato da precedenti invenzioni. Questi moti nella struttura proposta non vengono sfruttati e sarebbero anzi controproducenti vista la presenza nel percorso del flusso d?aria 1 e 2 delle sezioni inclinate con angolo An.

La figura 1b rappresenta la stessa sezione verticale della figura 1a mostrando il caso in cui la ventilazione naturale non sia presente e quindi l?aria intorno al dispositivo sia sostanzialmente immobile.

In questa figura ? possibile osservare che l?aria 3 oggetto della misurazione rimarrebbe, in assenza di ventilazione e dell?elemento aspirante V, in posizione statica all?esterno del dispositivo. Per permettere al sensore S di misurare aria qualitativamente identica all?aria all?esterno 3 ? necessario che l?elemento aspirante V venga alimentato e messo in funzione, generando un flusso di aria 4 che aspira l?aria statica 3 attraverso entrambi i condotti C1 e C2 e crea un percorso dall?esterno verso la camera di misura Mc del tutto simile, ai fini di misura tramite i/l sensori/e S a come avverrebbe nel caso di presenza di ventilazione naturale, impedendo alla radiazione R di interferire negativamente sulla qualit? dell?aria da misurare. A variare ? anche il percorso di uscita dell?aria aspirata, che, risucchiata 5 attraverso le aperture Sa dalla camera di misura Mc alla camera di aspirazione Ac viene espulsa 6 dall?elemento aspirante V fuori dal solido di contenimento Sc. ? importante notare che il flusso che si viene a creare tramite la ventola V ? assolutamente differente ed inverso rispetto ai naturali moti convettivi sfruttati da precedenti invenzioni.

La figura 2a, mostra una sezione orizzontale dell?invenzione in presenza di ventilazione naturale vista dal lato inferiore o rivolto al suolo parallelamente.

Il solido di contenimento Sc, definito cos? in quanto svolge la funzione di contenere la camera di misura Mc, la camera di aspirazione Ac e i condotti C1 e/o C2, che permettono il collegamento tra la camera di misura Mc e l?ambiente esterno, dovr? avere una forma sostanzialmente poliedrica o cilindrica.

Distinguiamo esclusivamente per questa rappresentazione e a titolo di esempio in relazione alla direzione del vento 10, i condotti C1 come quelli prevalentemente investiti dalla direzione del vento 10, a differenza di quelli C2 i quali non sono direttamente investiti dalla direzione del vento 10: senza alcuna generalit? i condotti sono simmetrici e gli stessi ragionamenti a seguire possono essere fatti invertendo i condotti C1 con i condotti C2 ed invertendo la direzione del vento. La forma sostanzialmente poliedrica del solido Sc e della camera di misura Mc garantisce per costruzione che il numero di condotti C1 interessati dal flusso di aria in ingresso sar? sempre minore o uguale al numero dei condotti C2 non interessati dal flusso in ingresso,

In figura 2a nello specifico ? possibile osservare la disposizione dei condotti C e la forma ideale della camera di misura Mc, in questo caso a titolo di esempio ottagonale, dove da ogni lato si dipartono un certo numero di condotti C, in questo caso otto, che si fanno strada attraverso il solido di contenimento Sc. La figura mostra il caso in cui sia presente la ventilazione naturale 1, che incanalandosi attraverso i condotti C1 posti in modo da esserne investiti, in questo caso tre, entra dentro la camera di misura Mc, e continuer? la sua corsa orizzontale per inerzia incanalandosi per i condotti C2 non interessati dal flusso di ventilazione naturale 1, in questo caso cinque. Infine l?aria 2 in uscita dalla camera di misura Mc verr? riemessa all?esterno del dispositivo. Essendo l?elemento aspirante non attivo, le aperture Sa non sono interessate da un flusso di aria, o almeno non in misura prevalente.

La figura 2b mostra la stessa sezione orizzontale dell?invenzione rappresentata nella figura 2a, rappresentando il funzionamento del dispositivo in caso di calma di vento.

In questo caso l?aria statica 3, essendo priva di moto e di direzione, non si incanala naturalmente attraverso i condotti C1 e/o C2. Essa viene quindi artificialmente aspirata, creando il flusso d?aria 4 che risulta entrante dentro la camera di misura Mc, e poi attraverso le aperture Sa continuer? il suo percorso attraverso la camera di aspirazione Ac fino ad essere espulsa all?esterno del dispositivo tramite il flusso di uscita 5.

Claims (6)

Rivendicazioni dell?invenzione avente per TITOLO: ?dispositivo per la misura di variabili ambientali?

1. Un solido dalla forma sostanzialmente poliedrica o cilindrica;

sul quale ai lati siano presenti almeno tre aperture disposte simmetricamente in modo da formare un angolo di 360?;

con un alloggiamento ricavato all?interno che definisca una camera dotata di aperture laterali;

dotata di almeno un sensore in grado di misurare grandezze ambientali come temperatura e umidit? posto nella suddetta camera interna;

dei condotti che permettano di incanalare orizzontalmente il flusso di aria naturale che investe i lati del solido fino alla camera interna e poi nuovamente fuori dal solido.

2. Un solido dalla forma sostanzialmente poliedrica o cilindrica definito come nella rivendicazione 1 comprendente in combinazione:

Un alloggiamento ricavato all?interno del solido che definisca una camera adiacente la camera contenente i sensori di misura nella quale ? montata una ventola elettrica e nella quale siano presenti delle aperture dalla forma adatta a far si che il flusso di aria generato provochi lo stesso effetto di ricambio generato dalla ventilazione naturale ed una apertura alla base del solido che permetta la fuoriuscita dell?aria aspirata.

3. Un solido dalla forma sostanzialmente poliedrica o cilindrica definito come nelle rivendicazioni 1 e 2 comprendente in combinazione:

Un sistema di aggancio universale nella parte superiore del solido che permetta il collegamento di un altro dispositivo dotato di funzioni diverse, ed eventualmente a sua volta dotato dello stesso sistema di aggancio universale per connettere un ulteriore dispositivo.

4. Un solido dalla forma sostanzialmente poliedrica o cilindrica definito come nelle rivendicazioni 1 e 2 comprendente in combinazione:

Una griglia di protezione posta su una estremit? o su entrambe le estremit? dei condotti orizzontali di incanalamento della ventilazione naturale..

5. Un solido dalla forma sostanzialmente poliedrica o cilindrica definito come nella rivendicazioni 1, 2 comprendente in combinazione:

Una copertura dalla forma sostanzialmente cilindrica posta sulla base superiore del solido.

6. Un solido dalla forma sostanzialmente poliedrica o cilindrica definito come nella rivendicazioni 1 e 2 comprendente in combinazione:

Un dispositivo, collegato tramite un sistema di aggancio universale posto sulla parte superiore del solido, dotato di pannelli solari, circuito di ricarica e batterie che abbia la funzione di accumulare energia per alimentare la ventola elettrica o i moduli aggiuntivi.