ITBO20100710A1 - Misuratore di campo elettrico. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

annessa a domanda di brevetto per INVENZIONE INDUSTRIALE avente per titolo

MISURATORE DI CAMPO ELETTRICO.

La presente invenzione concerne un misuratore di campo elettrico ed in particolare uno strumento per misurare il campo elettrico atmosferico e la corrente ionica.

Già dagli inizi del 1800 è noto che l'atmosfera terrestre è sede di un campo elettrico. L'origine del campo elettrico e le cause della sua stabilità sono state a lungo dibattute e una teoria universalmente accettata non è al momento ancora disponibile. In base alle più recenti esperienze e teorie sembra che l'origine del campo elettrico terrestre risieda nell'attività temporalesca a livello planetario.

Osservazioni basate su misure effettuate da satellite e mediante rilevatori di fulminazione indicano che in ogni istante sono attivi mediamente più di un migliaio di temporali. Questi temporali, grazie a dei complessi meccanismi microfisici, attuano al loro interno la separazione delle cariche elettriche. In particolare cariche elettriche positive vengono portate verso l'alto in quota, mentre le cariche negative restano in prossimità del suolo. L'effetto combinato di tutti questi temporali agisce come un'enorme forza elettromotrice che mantiene mediamente costante la differenza di potenziale tra superficie terrestre e la sovrastante atmosfera. Il risultato è un campo elettrico rivolto verso il basso con un'intensità, nei pressi della superficie e in condizioni di cielo sereno, di ca.

100 V/m.

L'intensità del campo elettrico terrestre in normali condizioni di bel tempo può variare sia con andamento diurno sia, e soprattutto, in prossimità dei temporali. In questi casi il campo elettrico raggiunge valori di decine di migliaia di V/m ed è caratterizzato da repentine e brusche variazioni associate sia alle scariche elettriche che avvengono tra le nubi e il suolo che alle varie fasi di vita e all'evoluzione del temporale stesso.

Gli aspetti principali di queste variazioni sono facilmente individuabili e permettono di ricavare delle informazioni sulla distanza e fase di vita del temporale che le ha prodotte.

Sono noti strumenti, comunemente denominati "field mill", che permettono la misura del suddetto campo elettrico; tali strumenti comprendono, in genere, quattro sensori ciascuno dei quali montato su un corrispondente supporto di materiale isolante ed installato sul fondo di un contenitore cilindrico. I quattro sensori sono collegati elettricamente in modo da formare due coppie contrapposte e collegate ad una circuiteria elettronica, che tramite una serie di amplificatori fornisce una tensione in uscita proporzionale al valore del campo elettrico misurato. Sopra i sensori è posto un otturatore rotante, calettato sull'asse di un motore che gira ad una velocità di circa 4000 giri al minuto, che mediante la sua rotazione copre alternativamente le coppie di sensori. Tutto ciò permette ai sensori di ricevere alternativamente le linee del campo elettrico in modo che i circuiti elettronici, che amplificano e filtrano il segnale, possano eliminare la maggior parte dei disturbi intrinseci dello strumento. Il calcolo del campo elettrico atmosferico è basato, in estrema sintesi, sul differenziale delle misure che si ottengono con i sensori schermati o non schermati.

Tali soluzioni presentano alcuni inconvenienti.

Il motore utilizzato per movimentare l'otturatore deve ruotare con continuità assorbendo energia e pertanto richiede un allacciamento ad una linea di alimentazione. Tale allacciamento impedisce una disposizione favorevole nelle aree di interesse di uno o più misuratori di campo proprio per le difficoltà di alimentazione.

Il funzionamento continuo del motore elettrico rende poi tali misuratori intrinsecamente più soggetti ad usura e conseguenti guasti, rendendo più gravose quindi le operazioni di manutenzione, specialmente se operate in siti remoti e/o difficilmente accessibili.

Non è quindi possibile, utilizzando i misuratori di campo noti, realizzare network di dispositivi che permettano l'acquisizione di informazioni combinate relative al campo elettrico atmosferico.

In questo contesto compito tecnico precipuo della presente invenzione è proporre uno strumento per la misura del campo elettrico atmosferico che permetta di ovviare ai suddetti inconvenienti.

Uno scopo della presente invenzione è proporre un misuratore di campo elettrico che non debba necessariamente essere collegato ad una rete di alimentazione elettrica.

Un altro scopo della presente invenzione è fornire un misuratore di campo elettrico atmosferico che possa lavorare abbinato ad altri misuratori simili definendo una rete di misurazione.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione appariranno maggiormente chiari dalla descrizione indicativa, e pertanto non limitativa, di una forma di realizzazione preferita ma non esclusiva di un misuratore di campo elettrico atmosferico come illustrato negli uniti disegni in cui:

- la figura 1 illustra uno schema di principio del misuratore di campo elettrico secondo la presente invenzione, in una prima configurazione operativa, con alcune parti asportate per maggiore chiarezza;

- la figura 2 illustra uno schema di principio del misuratore di campo elettrico secondo la presente invenzione, in una seconda configurazione operativa, con alcune parti asportate per maggiore chiarezza;

- la figura 3 illustra uno schema circuitale di una porzione di una prima forma realizzativa di un misuratore di campo elettrico secondo la presente invenzione;

- la figura 4 illustra uno schema circuitale di una porzione di una seconda forma di realizzazione di un misuratore di campo elettrico secondo la presente invenzione;

- la figura 5 illustra il misuratore di campo elettrico di cui alla figura 4 in una vista prospettica schematica in esploso parzialmente a blocchi e con alcune parti asportate per maggiore chiarezza;

- la figura 6 illustra il misuratore di campo elettrico di figura 5 in una vista in esploso parzialmente a blocchi e con alcune parti asportate per maggiore chiarezza;

- la figura 7 illustra uno schema circuitale di una porzione di una terza forma di realizzazione di un misuratore di campo elettrico secondo la presente invenzione.

Conformemente ai disegni allegati, con particolare riferimento alle figure 5 e 6, con il riferimento 1 è stato indicato un misuratore di campo elettrico atmosferico o strumento per la misura del campo elettrico atmosferico secondo la presente invenzione. Il misuratore 1 consente di misurare il campo elettrico atmosferico tenendo in considerazione, come sarà di seguito meglio chiarito, la presenza, sui sensori, di una carica dovuta dalla cosiddetta corrente ionica.

Nel sistema atmosfera esiste un ciclo continuo di scarica e carica delle cariche; la scarica classica è la fulminazione; quando viene a mancare una quantità di carica nella parte superiore o un accumulo sul terreno o viceversa in funzione del campo elettrico la variazione deve essere compensata da un flusso di cariche che definisce la corrente ionica.

In generale, il misuratore 1 comprende un sistema 2 di acquisizione di dati o front-end ed un sistema 3 di elaborazione dei dati o back-end o sistema di controllo. Tali sistemi 2, 3 sono realizzati su una rispettiva scheda elettronica 2a, 3a.

Nella prima forma realizzativa illustrata nella figura 3, il sistema 2 di acquisizione comprende un primo ed un secondo sensore 4, 5 per raccogliere, con le modalità descritte in seguito, una quantità di carica dovuta al campo elettrico atmosferico.

I sensori 4, 5 comprendono preferibilmente una rispettiva piastra 4a, 5a discoidale metallica dotata ciascuna di un rispettivo morsetto 4b, 5b di uscita dal quale è prelevabile la quantità di carica dovuta al campo elettrico atmosferico.

I sensori 4, 5, in particolare le piastre 4a, 5a, sono allineati secondo una direzione Di, illustrata ad esempio nella figura 5.

I sensori 4, 5 sono opportunamente isolati dal corpo dello strumento 1, e dal suolo, ad esempio mediante interposizione di spessori 4c, 5c in teflon .

II sistema 2 di acquisizione dei dati comprende uno stadio 6 amplificatore di carica, previsto sulla scheda 2a, posto a valle dei sensori 4 e 5 e a monte del sistema 3 di elaborazione che riceve in ingresso i segnali derivanti dai sensori 4, 5.

Uno schermo o "shutter" 7 comprende una porzione mobile collegata a terra e mobile fra una prima posizione operativa, illustrata schematicamente nella figura 1 e nella figura 5, ed una seconda posizione operativa, illustrata schematicamente nella figura 2, in cui scherma i sensori 4, 5 dal campo elettrico atmosferico causando, come sarà chiarito, la scarica della carica accumulata sugli stessi.

In pratica, nella prima posizione operativa, posizione aperta, la porzione mobile dello schermo 7 è allontanata dai sensori 4, 5 che risultano direttamente interessati al campo elettrico atmosferico ovvero definiscono essi stessi una piastra del condensatore avente l'altra armatura definita dalla ionosfera. Con lo schermo in tale posizione, pertanto, i sensori 4, 5 si caricano di una quantità di carica Q.

Nella seconda posizione, posizione chiusa, di schermatura, lo schermo 7 definisce la seconda armatura del condensatore avente come prima armatura il sensore 4, 5.

Nella preferita forma di realizzazione illustrata, lo schermo 7 la porzione mobile è definita da una paletta 8 presentante due lobi 9, 10 destinati a sovrapporsi, nella seconda configurazione operativa, ai sensori 4, 5. La paletta 8 è girevole attorno ad un asse R, ortogonale alla citata direzione DI, di rotazione fra le citate prima e seconda posizione operativa.

La paletta 8 è collegata ad un riferimento equipotenziale di terra tramite una treccia 11 conduttrice.

Il misuratore 1 comprende un motore 12 di azionamento della paletta 8 per muoverla fra le citate prima e seconda posizione operativa.

Nella preferita forma di realizzazione illustrata, la paletta 8 è collegata all'albero del motore 12 tramite un albero di trasmissione 8a accoppiato tramite un giunto 8b assiale all'albero del motore 12.

Vantaggiosamente, la citata treccia 11 presenta un'estremità collegata all'albero di trasmissione 8a ed una seconda estremità collegata al corpo dello strumento, tramite una flangia 30 di testa illustrata nella figura 5, attraverso il quale raggiunge il riferimento equipotenziale.

Preferibilmente, il motore 12 è un motore passo passo dai ridotti consumi opportunamente pilotato mediante una scheda 13 elettronica di pilotaggio descritta limitatamente alla comprensione della presente invenzione in quanto sostanzialmente nota.

Schematicamente, le piastre 4a, 5a sono periodicamente esposte al campo elettrico atmosferico in modo da caricarsi elettricamente per induzione a causa del condensatore naturale formato fra l'atmosfera e la terra.

Periodicamente, le piastre 4a, 5a devono essere scaricate per misurare il valore del campo elettrico atmosferico.

Per ottenere il passaggio delle cariche dai sensori 4, 5 allo stadio 6 amplificatore di carica si induce una variazione del campo elettrico atmosferico ruotando la paletta 8 nella seconda posizione operativa.

In altre parole, ruotando la paletta 8, ovvero schermando i sensori 4 e 5, si induce una scarica nei sensori 4 e 5 la quale scarica va poi in ingresso allo stadio 6 amplificatore.

Vantaggiosamente, la rotazione dello schermo 7 è discreta e non continua il che consente un considerevole risparmio energetico rispetto alle soluzioni note nelle quali lo schermo ruota di continuo.

Tale soluzione è implementabile in quanto lo stadio 6 amplificatore di carica è opportunamente dimensionato. Schematicamente, osservando la figura 3 si osserva che lo stadio 6 comprende un operazionale 14, referenziato con una tensione V, con una retroazione 15 comprendente una resistenza 16 ed una capacità o condensatore 17.

La resistenza 16 determina, in pratica, la costante di scarica del condensatore 17.

Preferibilmente, la scheda 13 di pilotaggio del motore 12, opportunamente provvista di un driver, elabora il segnale generato dallo stadio 3 di elaborazione e comanda le rotazioni della paletta 8.

Più precisamente, il motore 12 è comandato da un microcontrollore a bordo della citata scheda 3a. Il driver installato sulla scheda 13 agisce in sostanza da interfaccia tra microprocessore e motore.

Preferibilmente, la paletta 8 compie rotazioni orarie ed antiorarie per passare fra le citate prima e seconda posizione operative.

Preferibilmente, il motore 12 viene azionato per 250ms ogni 40 secondi così da ridurre al minimo gli intervalli di lavoro e contenere i consumi.

Nella preferita soluzione illustrata a titolo di esempio le piastre 4a e 5a vengono esposte al campo poi oscurate mediante una rotazione di 90 gradi sessagesimali dello schermo 7 così da scaricare.

Vantaggiosamente, lo strumento 1 presenta 2 sensori per simmetria costruttiva e per avere più area di raccolta della carica indotta.

Lo strumento 1 è in grado di funzionare anche con un solo sensore.

Si osservi che nell'impiego all'aperto i sensori 4 e 5 si caricano anche della corrente ionica che sale dal suolo, in pratica raccolgono la corrente ionica che è in movimento per ristabilire il citato equilibrio atmosferico delle cariche.

La carica dovuta alla corrente ionica si deposita sulle piastre oltre a quella indotta dal campo elettrico atmosferico ed è dovuta, in pratica, ad una carica trasferita.

Per misurare il campo elettrico atmosferico interessa solo la carica indotta e nella forma di realizzazione della figura 3, il transito della corrente ionica, che è continua, è impedito mediante una capacità 18 di schermo.

In pratica, a valle dei sensori 4 e 5 è inserita la capacità 18, in ingresso all'operazionale 14, che blocca la corrente ionica continua.

In generale, la retroazione 15 è dimensionata per allungare il più possibile la costante di tempo che determina il tempo di scarica del condensatore 17.

Nell'esempio preferito, come accennato, per un tempo di esposizione dei sensori 4, 5 pari a 40 secondi occorre una scarica ovvero una costante di tempo tre o quattro volte superiore rispetto al tempo di esposizione.

Preferibilmente, la resistenza di retroazione è 10 giga ohm o, più preferibilmente 30 giga ohm o, ancor più preferibilmente 50 giga ohm per evitare una scarica troppo repentina della capacità 17.

Il misuratore 1 comprende un sistema 19 di alimentazione del motore 12 e della circuiteria elettronica.

Vantaggiosamente, il sistema 19 di alimentazione comprende un pannello solare ed una batteria, non illustrati, sufficienti all'alimentazione dello strumento 1, in virtù dei bassi consumi dello stesso, che può essere quindi installato anche in luoghi desolati, in modalità "stand alone", avendo alimentazione autonoma.

Per quanto riguarda la seconda forma di realizzazione, una cui porzione di schema è illustrata nella figura 4, si osserva che il sistema 2 di acquisizione dati comprende una seconda coppia di sensori 20, 21 aggiuntivi dotati di rispettive piastre 20a, 21a.

Preferibilmente, le piastre 20a, 21a sono posizionate secondo una direzione D2 ortogonale alla citata direzione DI e ortogonale all'asse R.

In tal modo le coppie di sensori 4, 5 e 20, 21 sono alternativamente schermate dai lobi 9, 10 della paletta 8 in seguito alle citate preferite rotazioni di 90° sessagesimali della paletta 8 stessa.

Parallelamente, lo stadio 6 amplificatore di carica comprende un primo ed un secondo ramo 32, 33 di amplificazione della carica.

Più in particolare, i due rami 32 e 33 sono identici in tutto e per tutto, per cui fungono da amplificatori di carica sia per il campo elettrico (carica indotta), sia per la corrente ionica (carica trasferita).

Tale configurazione è cosiddetta "differenziale" e i rami 32 e 33 sono fra loro identici ed entrambi sprovvisti della capacità 18 che blocca la corrente ionica continua (o lentamente variabile nel tempo) nella forma di realizzazione illustrata nella figura 3.

Il primo ed il secondo ramo 32, 33 sono collegati in ingresso ad un amplificatore 34 operazionale o operazionale 34 la cui uscita è in ingresso al sistema 3 di elaborazione.

La corrente ionica viene eventualmente stimata prelevando una delle due uscite dei due preamplificatori 14, 14a di carica, cioè l'uscita del ramo 32 o 33, a monte del differenziale 34.

Quanto prelevato viene quindi elaborato nel sistema 3 di elaborazione dati.

Più in particolare, preferibilmente, il sistema 3 comprende uno stadio di amplificazione del campo elettrico ed uno stadio di amplificazione della corrente ionica.

Preferibilmente, lo stadio di amplificazione della corrente ionica ha banda di frequenza più limitata rispetto a quella dello stadio di amplificazione del campo elettrico.

Ancora più in dettaglio è la Fmax dello stadio di amplificazione della corrente ionica che è molto più bassa della Fmax dello stadio di amplificazione del campo elettrico e quindi le variazioni veloci della corrente dovute alla movimentazione della paletta 8 non vengono avvertite.

In generale, la corrente ionica diventa particolarmente percettibile in prossimità dei temporali, dove il campo subisce per sua natura delle variazioni repentine, indipendentemente dai movimento della paletta 8.

Il campo elettrico viene invece stimato dall'uscita dell'amplificatore 34 operazionale.

Si osservi che il primo ramo 32, e quindi, preferibilmente, anche il secondo ramo 33, è sostanzialmente analogo allo stadio 6 amplificatore di carica descritto per la prima forma di realizzazione a meno della capacità 18 in ingresso all'operazionale 14. II ramo 32 comprende una resistenza 16 ed una capacità 17 che definiscono la retroazione 15 dell'operazionale 14 opportunamente referenziato.

In questa configurazione l'amplificatore 34 operazionale deve essere differenziale in modo da cancellare la componente continua (o lentamente variabile nel tempo) dovuta alla corrente ionica che è uguale nei rami 32, 33, essendo questa indipendente dalla posizione della paletta 8.

In altre parole, nella configurazione differenziale, l'amplificatore operazionale 34 elimina il contributo della corrente ionica, che genererebbe un offset nella misura del campo elettrico, in quanto è comune ai due rami 32 e 33.

In una ulteriore forma di realizzazione, illustrata nella figura 7, nello stadio 6 amplificatore di carica il primo ramo 32 comprende, disposta a valle dei sensori 4, 5, la citata capacità 18, schematizzata in linea tratteggiata nella figura 4.

Inoltre, i rami 32 e 33 entrano direttamente nel sistema 3 di elaborazione dati.

In pratica, il ramo 32 risulta analogo a quanto illustrato nella figura 3 ed è utilizzato per la stima del campo elettrico atmosferico.

Il ramo 33 invece è soggetto anche alla corrente ionica, ovvero viene amplificata anche la carica trasferita, che viene quindi successivamente stimata dal sistema 3.

Preferibilmente, la stima della corrente ionica avviene come descritto in precedenza, quando il corrispondente segnale è prelevato dall'uscita del ramo 32 o del ramo 33.

In pratica, in questa ultima forma di realizzazione dello strumento 1 la coppia di sensori 4, 5 rileva il campo elettrico la cui misura non risulta perturbata dalla corrente ionica bloccata dalla capacità 18 mentre l'altra coppia di sensori 20, 21 misura la corrente ionica.

In altre parole, il contributo della corrente ionica viene bloccato dalla capacità 18 per la coppia di sensori 4 e 5, che quindi misurano il solo campo elettrico. La coppia 20 e 21, senza capacità 18, serve a misurare solo la corrente ionica.

In generale, per entrambe le soluzioni, sia la differenziale che quella con i due rami 32, 33 entranti direttamente nel sistema 3 di elaborazione, il ramo 33 comprende una resistenza 16a ed una capacità 17a che definiscono una retroazione 15a di un operazionale 14a opportunamente referenziato.

Nella forma preferita di realizzazione illustrata, il misuratore di campo elettrico 1 comprende 8 canali di acquisizione.

Preferibilmente, un primo ed un secondo canale sono destinati all'acquisizione del campo elettrico.

Preferibilmente tali primo e secondo canale utilizzano 2 differenti scale, una prima ad alta sensibilità e bassa dinamica, preferita in caso di bel tempo, ed una seconda a bassa sensibilità ed alta dinamica, preferita in caso di tempo perturbato.

Vantaggiosamente e preferibilmente, la prima scala arriva a 1,5 kV mentre la seconda arriva a 15 kV.

Un terzo canale è preferibilmente utilizzato per l'acquisizione della corrente ionica.

I restanti canali sono utilizzati, preferibilmente, per acquisire, ad esempio, la temperatura, la carica della citata batteria o altri strumenti eventualmente presenti in una stazione meteo dotata del misuratore 1.

Tali strumenti comprendono, ad esempio, un pluviometro, un anemometro, per la misura dell'intensità del vento, un anemoscopio, per la registrazione della direzione prevalente del vento, uno o più sensori di campo magnetico, in modo da poter correlare più informazioni, ad esempio in occasione di un terremoto.

Alla luce di quanto sopra, in generale, lo strumento 1 secondo la presente invenzione consente di effettuare una misura assoluta del campo elettrico atmosferico mediante l'amplificatore 6 di carica.

La misura del campo è ottenuta come differenza fra la misura del campo quando il sensore è scoperto e la misura del campo quando è coperto dallo schermo 7; nel momento in cui si induce la scarica in uscita dall'amplificatore si ha il valore del campo elettrico. I substrati della citata scheda 2a sono ad alta resistività superficiale e di volume, di ordine di grandezza superiore a quello della resistenza 16 di retroazione in modo da non generare resistenze parassite che potrebbero scaricare verso massa rendendo di fatto più veloce la scarica del condensatore 17.

Nelle preferite forme di realizzazione illustrate, con particolare riferimento alla figura 6, si osserva che lo strumento 1, avente indifferentemente, lo stadio 6 amplificatore di carica come illustrato nella figura 3 o 4, comprende un modulo di memorizzazione schematizzato con un corrispondente blocco 22.

Preferibilmente, il modulo 22 è previsto nella scheda 3a elettronica ed è definito da una scheda di memoria, preferibilmente di tipo SD sostanzialmente nota.

Nella preferita applicazione stand alone del misuratore 1, il modulo 22 di memoria consente l'immagazzinamento dei dati raccolti per una successiva consultazione o per una trasmissione degli stessi come sarà di seguito chiarito.

Lo strumento 1 comprende un sistema 23 di comunicazione per la trasmissione dei dati raccolti e delle misure. Preferibilmente, il sistema 23 di comunicazione comprende una porta di comunicazione, schematizzata con un blocco 24, preferibilmente definita da un'interfaccia seriale RS232 o RS485, predisposta sulla scheda 3a, tramite la quale il misuratore di campo elettrico 1 è collegabile ad una unità computerizzata non illustrata per la trasmissione dei dati alla stessa.

Preferibilmente, il sistema 23 di comunicazione comprende un modem, schematizzato con un blocco 25, in comunicazione con la scheda 3a tramite la porta 24.

II modem 25 è preferibilmente del tipo GSM, GPRS e/o UMTS sostanzialmente noto e consente la trasmissione dei dati anche a postazioni remote, ad esempio ad un server ftp.

Data la preferita applicazione stand alone, lo strumento 1 comprende un modulo GPS, preferibilmente integrato nella scheda 3a e schematizzato con un blocco 26, che permette una "marcatura" spazio-temporale dello strumento 1 essendo in grado di fornire le coordinate geografiche e orario.

Più in particolare, il modulo 26 GPS comprende un'antenna, non illustrata, installata esternamente allo strumento per non essere schermata dall'involucro metallico dello strumento 1.

Vantaggiosamente, il modulo 26 è interconnesso con il sistema 23 di comunicazione per la trasmissione delle coordinate geografiche e dell'orario.

Si osservi che nel caso di realizzazione di una rete di strumenti 1, la presenza dei moduli 26 GPS permette agevolmente il coordinamento di tutti gli strumenti.

Secondo quanto illustrato, lo strumento 1 comprende un guscio 27 esterno di protezione della circuiteria elettronica.

Preferibilmente, lo schermo 7 comprende altresì un coperchio 28, fisso rispetto ai sensori, per la copertura della paletta 8.

Secondo quanto illustrato, il coperchio 28 presenta una serie di fori 29, preferibilmente di dimensione sostanzialmente analoga a quella dei lobi 9, 10 della paletta 8, per permettere, da un lato, la carica dei sensori 4, 5 e dall'altro, un'efficace schermatura delle piastre 4a, 5a quando la paletta 8 è nella citata seconda posizione operativa.

In altre parole il coperchio 28 copre i sensori 4, 5 e presenta i fori 29 in corrispondenza dei sensori 4, 5 stessi. La paletta 8 è posizionata fra il coperchio 28 ed i sensori 4, 5 per la schermatura degli stessi.

Il coperchio 28 presenta 4 fori 29 nella citata versione "differenziale", in quanto tutte e due le coppie 4, 5, 20, 21 devono essere esposte al campo elettrico.

Nella configurazione con solo misura del campo con un solo amplificatore di carica (quindi una sola coppia di sensori), illustrata nella figura 3, i fori 29 sono solo 2 perché gli ioni che definiscono la corrente ionica si depositano sulle piastre 4a, 5a, 20a, 21a sia che siano esposte, sia che siano coperte.

Il legame fra la tensione Vo misurata all'uscita dello stadio 6 amplificatore di carica e la quantità di carica Qmindotta sulle piastre 4a, 5a dal campo elettrico atmosferico è data da:

m cui

Q„ —<£>oAsEeffcon A area delle piastre 4a 5a

permettività elettrica nel vuoto

A0(f) è la risposta dell'operazionale 14 in anello aperto Ra= valore della resistenza 16

Ca= valore della capacità 17

Eef= valore del campo elettrico che interessa i sensori 4, 5

H(f) descrive un filtro passa banda con frequenza di

taglio pari a

In virtù della presenza dello schermo 7, il campo elettrico effettivo che interessa il sensore è dato da:

Eeff{f)=Em(f)®F(f)

dove Em(f) è il campo elettrico atmosferico e F(f) è una funzione espressione della effettiva esposizione al campo elettrico atmosferico dell'area del sensore 4, 5 che assume 1 con lo schermo 7 completamente aperto e 0 con lo schermo 7 chiuso.

Il campo elettrico misurato £misè ottenuto dividendo la tensione misurata Vo per la lunghezza caratteristica

dell'amplificatore 6 di carica da cui si ricava:

Sulla base di tali misure, il sistema 3 di elaborazione ricostruisce l'andamento del campo elettrico atmosferico .

Un esempio di algoritmo di ricostruzione è dato da

in cui (n-l)T < t< nT

Per ottenere una stima del campo elettrico atmosferico, occorre quindi combinare il valore "puntuale" e il valore del campo elettrico misurato durante la scarica del condensatore 17.

Risultati sperimentali e simulazioni hanno evidenziato che la ricostruzione del campo è possibile in maniera semplice, se lo shutter 7 viene chiuso con periodicità minore di Tf-RfCf.

Il transitorio del campo elettrico effettivo a cui è sottoposto il sensore 4, 5 indotto dal movimento dello shutter 7, induce un picco nel valore del campo elettrico misurato uguale al valore del campo elettrico atmosferico nell'istante in cui lo schermo 7 si muove. Quando lo schermo 7 è aperto, il sensore segue le variazioni del campo elettrico mentre, essendo il front end un filtro passa banda, il valore medio del campo non è avvertito.

Qualora la costante di tempo T—— -— —RaCa (con Cavalore

<2>C

della capacità 17 e Ravalore della resistenza 16)del sistema assuma valori maggiori del tempo di misura in cui lo schermo è aperto e il sensore esposto al campo elettrico esterno, il campo elettrico stimato fornisce una buona stima dell'andamento del campo elettrico atmosferico.

ESEMPIO 1

Costante di tempo di 82s con Ra=50 G ohm e Ca=1640 pF Sistema alimentato da celle solari e batterie

Nella preferita forma di realizzazione, lo strumento 1 comprende una flangia sulla quale sono inseriti tutti gli elementi necessari al fissaggio delle due schede 3a e 13.

L'elettronica del misuratore di campo elettrico 1, allo start-up, inizializza i moduli di I/O e le strutture dei dati quindi procede al riscontro della presenza dell'unità computerizzata esterna, del modem 25, del modulo GPS 26 e del modulo 22 di memoria.

Vantaggiosamente, una routine verifica se lo strumento 1 è collegato ad un PC oppure è stand alone.

Preferibilmente nel caso in cui lo strumento 1 non sia in grado di collegarsi al GPS (dopo un opportuno intervallo, programmabile in sec, necessario al GPS per agganciarsi ai satelliti), l'elettronica scheda entrerà in modalità "non sincronizzata".

Una volta effettuati i controlli preliminari, il misuratore 1 imposta le inizializzazioni per le variabili di funzionamento. I valori tabulati sono modificabili via seriale (RS232 o RS485) e PC con l'invio di un opportuno comando.

Preferibilmente, per l'acquisizione dati il software lancia un comando collegato ad un timer di attivazione ad una frequenza standard preferita di 100ms (10Hz).

Il timer viene sincronizzato dal segnale PPS proveniente dal GPS ed i dati grezzi sono memorizzati nel modulo 22 di memoria e/o inviati all'unità computerizzata remota. In questa fase, preferibilmente, i dati sono associati ad una precisa marca spazio-temporale, derivata dalla lettura del GPS

Nel caso di memorizzazione su memoria SD, i dati sono preferibilmente memorizzati in blocchi e al riempimento di un array temporaneo si attiva un processo (normalmente sleeping) di scrittura sulla SD card.

Lo strumento 1 esegue il campionamento dei dati dei due canali ad alta e bassa dinamica allo stesso modo, indicando tuttavia se il campionamento sta avvenendo con lo schermo 7 chiuso o aperto.

L'azionamento dello schermo 7, alternativamente in senso orario e antiorario, avviene periodicamente per intervalli di tempo di durata pre-impostata.

L'azionamento del motore 12 passo a passo è controllato dal micro-controllore sulla scheda 3a tramite l'interfaccia offerta dal driver montato sulla scheda 13.

Preferibilmente il misuratore di campo elettrico lavora con i sensori rivolti verso il suolo per evitare che possa essere danneggiato dall'acqua; lavorando a testa in su, ovvero con i sensori rivolti verso l'alto, o a testa in giù, ovvero con i sensori rivolti verso il basso, si ottengono sostanzialmente gli stessi valori di campo.

Risultati sperimentali hanno dimostrato che lo strumento 1 montato a testa in su è più sensibile perché ci sono più linee di campo che si chiudono direttamente sulle piastre.

A testa in giù è meno sensibile perché le linee di campo si devono ripiegare all'insù per potersi chiudere sulle piastre.

Tra una misura con sensori rivolti verso l'alto ed una misura con sensori rivolti verso il basso, il fattore di scala è circa 2.5, cioè se a testa in su leggo 1000V/m, nelle stesse condizioni, a testa in giù leggo 400V/m. Preferibilmente, questo fattore correttivo viene calibrato, ad esempio effettuando una misura con i sensori verso l'alto ed una misura con i sensori verso il basso, e poi se ne tiene conto o aumentando del fattore calcolato il guadagno degli amplificatori della scheda analogica di front end o in post-processing, moltiplicando il valore ricavato dai sensori per il fattore correttivo.

L'invenzione come descritta consegue importanti vantaggi.

L'utilizzo di un motore passo passo pilotato come descritto, consente un importante risparmio energetico rispetto ai misuratori di campo elettrico noti.

Il basso assorbimento di energia consente l'impiego del misuratore di campo elettrico in modalità stand alone senza alimentazione esterna da rete.

Tale autonomia unita alla presenza del GPS che permette precise marcature spazio-temporali dei dati acquisiti consente l'impiego di più sensori fra loro sincronizzati a definire una rete di strumenti che permette di determinare, ad esempio, la direzione da cui arriva una perturbazione o se la cella temporalesca è in arrivo o in formazione.

Tali reti, o anche strumenti singoli, trovano vantaggiose applicazioni in aeroporti, funivie (installazione a quote elevate), per il monitoraggio dell'inquinamento atmosferico o per la prevenzione di terremoti .

Il misuratore di campo elettrico come descritto inoltre assicura, rispetto agli strumenti noti, migliori performance in termini di sensibilità e larghezza di banda .

Claims (11)

1. RIVENDICAZIONI 1. Misuratore di campo elettrico comprendente un sistema (2) di acquisizione dati dotato di almeno un sensore (4, 5) di raccolta di una carica indotta dal campo elettrico atmosferico, uno schermo (7) collegato a terra mobile fra una prima posizione operativa allontanata da detto sensore (4, 5) ed una seconda posizione operativa di schermatura di detto sensore (4, 5) per determinare una scarica delle cariche accumulate su detto sensore (4, 5), detto misuratore comprendendo un sistema (3) di elaborazione dati in comunicazione con il sistema (2) di acquisizione per ricevere in ingresso almeno una tensione espressione di detta carica, detto sistema (3) di elaborazione ricavando il valore del campo elettrico da detta tensione, detto misuratore essendo caratterizzato dal fatto di comprendere dei mezzi (14a, 15a, 18, 34) di considerazione della corrente ionica per eliminare il disturbo dovuto alla corrente ionica nella misura del campo elettrico.
2. 2. Misuratore di campo elettrico secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto sistema (2) di acquisizione comprende almeno un secondo sensore (20, 21) di campo, uno stadio (6) amplificatore di carica comprendente un primo ramo (32) amplificatore di carica in comunicazione con detto primo sensore (4, 5) ed un secondo ramo (33) amplificatore di carica in comunicazione con detto secondo sensore (20, 21), detti mezzi (14a, 15a, 18, 34) di considerazione della corrente ionica comprendendo un terzo amplificatore (34) operazionale di tipo differenziale avente in ingresso detti primo e secondo ramo (32, 33) per eliminare il contributo della corrente ionica comune a detti primo e secondo ramo (32, 33), detto schermo (7) determinando una scarica delle cariche accumulate su detto secondo sensore (20, 21).
3. 3. Misuratore di campo elettrico secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto sistema (2) di acquisizione comprende una uscita per la misura di detta corrente ionica (2) in detto primo e/o secondo ramo (32, 33) a monte di detto terzo amplificatore (34) operazionale
4. 4. Misuratore di campo elettrico secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto sistema (2) di acquisizione comprende uno stadio (6) amplificatore di carica comprendente un ramo (32) amplificatore di carica comprendente un operazionale (14) avente un ingresso in comunicazione con detto sensore (4, 5) ed una retroazione (15) comprendente una capacità (17) ed una resistenza (16), detti mezzi (14a, 15a, 18, 34) di considerazione della corrente ionica comprendendo una capacità (18) di disaccoppiamento inserita fra detto sensore (4, 5) e detto operazionale (14) in modo da bloccare la corrente ionica a monte di detto operazionale (14) e di detta resistenza (16).
5. 5. Misuratore di campo elettrico secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detto stadio (6) amplificatore di carica comprende almeno un secondo sensore (20, 21) di campo, detto stadio (6) amplificatore di carica comprendendo detto primo ramo (32) amplificatore di carica ed un secondo ramo (33) amplificatore di carica in comunicazione con detto secondo sensore (20, 21), le uscite di detti primo e secondo ramo (32, 33) essendo direttamente in ingresso a detto sistema (3) di elaborazione dati.
6. 6. Misuratore di campo elettrico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere un sistema (19) di alimentazione autosufficiente .
7. 7. Misuratore di campo elettrico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere un sistema (23) di comunicazione per la trasmissione delle misure a unità remote.
8. 8. Misuratore di campo elettrico secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che detto sistema (23) di comunicazione comprende un modem (25) GSM, GPRS e/o UMTS.
9. 9. Misuratore di campo elettrico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere un modulo (26) GPS per determinare le coordinate geografiche del misuratore e l'orario di acquisizione dei dati.
10. 10. Misuratore di campo elettrico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto schermo (7) comprende una paletta (8) presentante almeno un lobo (9, 10) per la copertura di detto sensore (4, 5).
11. 11. Misuratore di campo elettrico secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che detto schermo (7) comprende un coperchio (28) di copertura di detto sensore (4, 5), detto coperchio (28) presentando un foro (29) in corrispondenza di detto sensore (4, 5), detta paletta (8) essendo posizionata fra detto coperchio ;28) e detto sensore (4, 5;