ITTO20110473A1 - Metodo e dispositivo per misurare le caratteristiche della neve, in particolare la densita? - Google Patents
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Description
“METODO E DISPOSITIVO PER MISURARE LE CARATTERISTICHE DELLA NEVE, IN PARTICOLARE LA DENSITA’â€
DESCRIZIONE
Campo di applicazione dell’invenzione
La presente invenzione riguarda un metodo ed un dispositivo per misurare le caratteristiche della neve, in particolare la sua densità .
Stato della tecnica
E’ sentita l’esigenza di ottenere misure affidabili su determinati parametri caratteristici della neve, possibilmente senza danneggiare il manto nevoso e con una stratigrafia la più accurata possibile.
In particolare la misura della densità della neve presenta particolare utilità in diversi campi applicativi, tra cui:
- studio delle caratteristiche della neve per scopi di ricerca pura e applicata;
- studio del flusso dell’acqua in campo idrogeologico derivante dallo scioglimento della neve (cosiddetto Snow Water Equivalent);
- studio della stratificazione della neve per la prevenzione delle valanghe;
Per queste misurazioni si utilizzano diversi approcci noti nella tecnica, normalmente non ottimizzati, ad esempio per quanto concerne l’utilizzo di persone e mezzi di misura.
Sono noti prodotti commerciali diffusi ad esempio nelle stazioni meteorologiche attuali. Tra questi si annoverano i seguenti.
- Utilizzo di una cella di carico (Snow pillow). Si predispone una cella di carico di ampie dimensioni (ad es. 3 x 3 m) su di una determinata area geografica, sulla quale si deposita la neve cadente, e che permette di calcolare il peso totale della neve incidente sulla sua area. Un sensore a ultrasuoni permette poi di misurare l'altezza del manto nevoso. Combinando peso e volume si ottiene la misura della densità . Si ottiene però un valore di densità media e non la sua stratigrafia. Questo strumento non à ̈ portatile ma solo fisso, ed à ̈ di costo elevato e di difficoltosa installazione. Inoltre lo strumento stesso impedisce il percolamento dell'acqua che si genera con lo scioglimento parziale della neve. Esso quindi non potrebbe essere usato per determinare la dinamica dello scioglimento della neve per capire dove l'acqua si infiltra nel terreno e con quale legge temporale, oppure quanta parte di neve evapora.
- Sistema basato sul calcolo della costante dielettrica della neve al fine di effettuare una stratigrafia della neve stessa, commercialmente denominato SPA (Snow Pack Analysing System). Un certo numero di bandelle fisse vengono tese a diverse altezze e con un determinato passo tra di loro, e una certa lunghezza (ad es. 5 m). Lo strumento misura la capacità tra i fili immersi nella neve, da cui si ricava la costante dielettrica, e quindi la densità della neve. Esso à ̈ molto costoso e in grado di analizzare solo pochi strati di neve; inoltre la densità misurata non à ̈ puntuale, ma mediata su tutta la lunghezza del filo: questo metodo à ̈ talvolta inadeguato se le caratteristiche della neve cambiano da punto a punto (ad. es. ogni metro). Il potenziale vantaggio à ̈ nella possibilità di meglio discriminare la componente acquosa dalla componente ghiaccio. Date le sue elevate dimensioni, può provocare l'effetto barriera nella neve, con la possibilità di danneggiamento per scivolamento causato dai movimenti della stessa.
- Pluviometri riscaldati, e dotati di appositi strumenti raccoglitori di neve. Questi ultimi possono però causare errori di misurazione, dovuti al fatto che la neve portata dal vento può non cadere tutta dentro al raccoglitore, ed una parte di essa può rimanere fuori.
- Un ulteriore metodo per la misura della densità della neve consiste nel prelevare un campione di volume di neve noto, previo scavo di una buca, con notevole dispendio di energie e rischi in caso di presenza di valanghe potenziali, lungo la verticale, per poi pesarlo e così ottenere la densità .
Il brevetto US-6313645-B1 descrive un metodo per l’utilizzo di conduttori elettrici al fine di misurare la costante dielettrica della neve, con un principio simile a quello utilizzato nel dispositivo commerciale denominato SPA.
Il brevetto EP-0729026-A1 descrive un metodo per l’utilizzo di sorgenti radioattive (ad es. torio) per determinare il profilo di densità di uno strato di neve.
Il brevetto JP-06288888-A rivela l’utilizzo di un sensore capacitivo elettrostatico per misurare la permettività specifica della neve.
Il brevetto RU-2004106088-A descrive l’utilizzo di onde elettromagnetiche di diversa frequenza per misurare da una opportuna distanza, ad esempio da un satellite, lo spessore del manto nevoso.
I brevetti JP-8159962-A, JP-0019771-A , JP-10142146-A, JP-102677837-A descrivono varianti di un metodo che si basa sull'utilizzo di un campione di neve introdotto o lasciato cadere dentro un contenitore. Il campione viene illuminato con luce alle frequenze dell'infrarosso: si illumina con una prima frequenza (1,5 micrometri) e poi con un'altra di valore superiore per poter distinguere la neve dal ghiaccio e dall’acqua da un punto di vista spettroscopico. Tramite un calcolo basato sul rapporto tra le due lunghezze d'onda, si stabilisce quanta acqua c'à ̈ dentro la neve , per poi risalire alla determinazione della densità della neve stessa. L’uso di luce infrarossa rende la realizzazione complessa, dato l'eccessivo assorbimento della neve all'infrarosso e quindi le elevate potenze richieste per l'irradiazione delle frequenze. Non si bada alla stratigrafia.
Le metodologie su descritte presentano limitazioni relative alle possibilità di ottenere valutazioni approfondite della densità della neve ad esempio riguardanti la stratigrafia, oltre a vari tipi di difficoltà di utilizzo ed elevato costo. In generale i metodi noti usati finora non permettono di effettuare rilevazioni stratigrafiche della neve puntuali da un punto di vista sia spaziale che temporale e a costi ridotti. E’ anche difficile o impossibile negli approcci di tipo noto realizzare strumenti portatili e in grado di seguire il profilo del terreno.
Sommario dell’invenzione
Pertanto scopo della presente invenzione à ̈ quello di superare tutti gli inconvenienti suddetti e di indicare un metodo ed un dispositivo per misurare le caratteristiche della neve, in particolare la sua densità , che sia sufficientemente versatile nelle possibilità di installazione e di impiego, oltre ad essere di basso costo e di facile realizzazione ed installazione.
L’idea alla base dell’invenzione à ̈ quella di utilizzare il principio, noto in sé, che la neve risulta avere un assorbimento di luce, nel campo del visibile, inversamente proporzionale alla sua densità , inserendo nella neve uno o più fotoemettitori che emettono luce nel campo del visibile verso corrispondenti fotorivelatori, e misurare l’attenuazione tra fotoemettitori e fotorivelatori, posti a distanza determinata, da cui si ricavano i dati di densità .
E’ oggetto della presente invenzione un metodo per la misura di caratteristiche della neve, in particolare la sua densità , comprendente le fasi di: porre nella neve uno o più fotoemettitori che emettono luce nel campo del visibile verso corrispondenti fotorivelatori posti nella neve a distanza determinata dai fotoemettitori; misurare l’attenuazione di luce tra fotoemettitori e fotorivelatori; determinare la densità della neve tra fotoemettitori e fotorivelatori da dette misure di attenuazione.
E’ ulteriore oggetto della presente invenzione un dispositivo per la misura di caratteristiche della neve, in particolare la sua densità , comprendente: almeno una coppia di pali affiancati ad una determinata distanza relativa; almeno una sequenza di fotoemettitori, ed almeno una corrispondente sequenza di fotorivelatori, installati su pali opposti di ogni coppia, detti fotoemettitori essendo conformati in modo tale da emettere luce nel campo del visibile in direzione tale da illuminare detti fotorivelatori; mezzi per controllare l’accensione di detti fotoemettitori e la ricezione da parte di detti fotorivelatori, detti pali essendo atti ad essere posti nella neve in modo che questa si frapponga tra detti fotoemettitori e fotorivelatori.
E’ particolare oggetto della presente invenzione un metodo ed un dispositivo per misurare le caratteristiche della neve, in particolare la sua densità , come meglio descritto nelle rivendicazioni, che formano parte integrante della presente descrizione.
Breve descrizione delle figure
Ulteriori scopi e vantaggi della presente invenzione risulteranno chiari dalla descrizione particolareggiata che segue di un esempio di realizzazione della stessa (e di sue varianti) e dai disegni annessi dati a puro titolo esplicativo e non limitativo, in cui:
nelle figure 1, 2 e 3 sono mostrati esempi di realizzazione del dispositivo oggetto dell’invenzione.
Gli stessi numeri e le stesse lettere di riferimento nelle figure identificano gli stessi elementi o componenti. Descrizione di dettaglio di esempi di realizzazione
Come sopra detto, l’idea alla base dell’invenzione à ̈ quella di utilizzare il principio, noto in sé, che la neve risulta avere un assorbimento di luce, nel campo del visibile (350-750 nm) inversamente proporzionale alla sua densità , in particolare con un andamento esponenziale.
Infatti una maggiore densità della neve determina un maggiore passaggio di luce attraverso essa: ciò poiché diventando più densa diventa più simile al ghiaccio che à ̈ più trasparente della neve normale, la quale à ̈ composta di fiocchi tra i quali si frappone aria che determina fenomeni di dispersione (scattering) della luce.
Questa proprietà à ̈ nota in letteratura: ad esempio si veda Mellor, M.(1963), “A Brief Review of the Thermal Properties and Radiation Characteristics of Snow†, Polarforschung, 33, 1/2, 186-187.
L’idea alla base dell’invenzione à ̈ dunque sfruttare in modo innovativo queste proprietà ottiche, inserendo nella neve uno o più fotoemettitori che emettono luce nel campo del visibile verso corrispondenti fotorivelatori, per poi misurare l’assorbimento di luce attraverso la neve che si frappone tra fotoemettitore e fotorivelatore , e quindi l’attenuazione tra fotoemettitore e fotorivelatore, posti a distanza determinata, da cui si ricavano i dati di densità .
I fotoemettitori e relativi fotorivelatori possono essere situati nella neve in punti diversi, a profondità uguali o diverse. Inoltre essi possono essere fissati al terreno prima che inizino le nevicate, oppure essere inseriti nella neve già presente.
Ponendo i fotoemettitori a diverse profondità nella neve, si possono ricavare facilmente dati relativi alla stratigrafia della neve stessa.
Inoltre con accensioni degli emettitori ad intervalli temporali successivi, si possono anche misurare facilmente caratteristiche dinamiche della neve, ad esempio non solo la stratigrafia dinamica, ma anche la luce solare o lunare che attraversa il manto nevoso e quindi l’insolazione e la nuvolosità , l'altezza della neve depositata al suolo (che solitamente viene misurata con sensori suppletivi), il suo peso sul suolo (e quindi sui tetti) oltre ai parametri idrogeologici per cui à ̈ stato progettato lo strumento.
La stratigrafia dinamica si può riferire a variazioni di densità lente, relative ad esempio a nevicate in corso, o nevicate successive, oppure a variazioni rapide o repentine, come valanghe.
Nel seguito si descrivono esempi di dispositivi per la realizzazione del metodo.
Con riferimento alla figura 1, un dispositivo secondo l’invenzione comprende due pali P1, P2, affiancati ad una determinata distanza relativa, dotati di una certa lunghezza, sui quali sono installate sequenze di fotoemettitori E1, … En, e rispettivi fotorivelatori R1, …Rn, su pali opposti. Una opportuna circuiteria elettronica controlla l’emissione dei fotoemettitori e la ricezione dei fotorivelatori nel tempo. Applicando i pali nella neve, i vari fotoemettitori e fotorivelatori vengono a trovarsi a diverse profondità nel manto nevoso. I pali possono essere posizionati in modo fisso sul terreno, ad esempio tramite un basamento B, anche prima che si verifichino le nevicate, oppure essere inseriti successivamente nella neve esistente.
I pali possono essere mutuamente connessi tramite opportuni raccordi di tenuta, non visualizzati in figura, per essere mantenuti a mutua distanza fissa.
In una prima forma di realizzazione i due pali sono in plexiglass pieno, a sezione quadrata (ad es. 40 x 40 mm) con una lunghezza ad es. di 2,7 m, con una rientranza, ad esempio una fresatura F1, F2, sul lato che si affaccia all’altro palo, dove si applicano rispettive sequenze di fotoemettitori e fotorivelatori, con relativo circuito di alimentazione, ad esempio a distanza di 3 cm uno dall'altro. Sui pali, davanti ai fotoemettitori e fotorivelatori si applica un coperchio di plexiglass incollato anteriormente, per tenuta e protezione. L’utilizzo di plexiglass risolve alcuni problemi, tra i quali: - la condensa dell’aria di fronte ai fotodiodi e fotorivelatori: l'aria a bassa temperatura che à ̈ contenuta nell’intercapedine della fresatura dei pali fa condensare il vapore acqueo contenuto in essa, che tende quindi a ghiacciare e ad oscurare le finestrelle su cui sono applicati i fotodiodi e fotorivelatori. La copertura in plexiglas permette di risolvere il problema determinando il vuoto nelle cavità in cui si applicano fotodiodi e fotorivelatori, e/o riempiendo la cavità di azoto.
- il ponte termico causato dal materiale del palo: la parte del palo che fuoriesce dalla neve viene scaldata dal sole, il calore scende nel palo e tende a sciogliere la neve intorno al palo; anche il freddo, ad es. di notte, tende a far gelare la neve intorno al palo, formando un colletto sul palo, quindi alterando la misura in modo pesante. L'ideale quindi à ̈ avere un coefficiente di trasmissione termica uguale a quello della neve, in modo che il calore si trasferisca nello stesso modo sia nella neve che nel palo. In verità il coefficiente di trasmissione termica della neve varia nel tempo in funzione della sua composizione. Il plexiglass ha un coefficiente di trasmissione termica simile a quello della neve dopo un po' di tempo che à ̈ caduta. Questa à ̈ una condizione accettabile, in quanto per condizioni ulteriori, man mano che passa il tempo dopo una nevicata, il coefficiente di trasmissione termica della neve aumenta, quindi il calore passa più facilmente attraverso la neve che attraverso il palo, minimizzando il problema. Al fine di ridurre poi la trasmissione per convezione lungo le parti fresate del palo (a meno che sia stato praticato il vuoto) à ̈ preferibile porre dei setti trasversali a distanza ad es. di 3 cm, al fine di rendere molto difficile la formazione di celle convettive.
Su di un palo à ̈ posizionata una sequenza di emettitori di luce monocromatica E1, …En, , ad es LED, ad esempio in triplette a luce rossa, verde e blu, accesi in sequenza per avere la risposta nelle varie bande nel visibile . Sono ad esempio posizionati affiancati a triangolo. I tre colori consentono di effettuare l’analisi spettrale. Si possono usare anche tipi di LED a bande specifiche per specifiche esigenze, sempre nel visibile.
Ad esempio se si sa che la neve in una determinata area contiene sostanze diverse, quali inquinanti, che hanno un determinato spettro di assorbimento di luce, allora si possono inserire diodi LED che emettono a quelle frequenze, magari in aggiunta a quelli per misurare la neve a frequenze diverse dall’assorbimento dell’inquinante.
Sull’altro palo sono presenti rispettivi fotorivelatori R1,…Rn, ad es. fotodiodi, più precisi ma più lenti, oppure fotoresistenze, meno precise ma più veloci, a seconda del costo, e della banda passante di rivelazione, che misurano su ampio spettro, comprese le bande dell’infrarosso e dell’ultravioletto vicine al visibile.
La banda larga dei rivelatori (o l’eventuale presenza di rivelatori multipli sensibili ciascuno in una propria banda di frequenze) serve ad esempio per effettuare misure preventive al fine di eliminare i contributi all’illuminazione della neve derivanti da fonti esterne, quali il sole o altre, nel campo del visibile ed eventualmente anche nei campi vicini di infrarosso ed ultravioletto. Non essendo infatti gli emettitori attivi al di fuori della banda del visibile, eventuali contributi ad esempio nell’infrarosso vicino potrebbero essere utilizzati per la validazione dei dati anche in presenza di forte illuminazione solare esterna.
I tempi di accensione dei LED sono preferibilmente brevi, per non provocare riscaldamento della neve che altererebbe le misure. E’ preferibile accendere più LED contemporaneamente per ottimizzare tempo di circolazione delle correnti ed assorbimento.
Si possono effettuare misure in condizioni dinamiche in tempo reale, con neve in movimento rapido, ad esempio durante valanghe, oppure misurazioni in condizioni statiche, con costanti di tempo variabili in ampio spettro. Le condizioni di nevicata in corso si considerano assimilabili a condizioni statiche, poiché variabili lentamente nel tempo.
I LED vengono accesi preferibilmente in sequenza, e comunque in modo tale che l'emissione di ogni LED sia captata solamente dal rispettivo fotorivelatore, e non interferisca con gli altri. Ad esempio si possono accendere contemporaneamente i LED a distanza relativa fissa, ad es. uno ogni tre, anche per evitare effetti di anomale riflessioni nella neve. D'altro canto un'emissione troppo direzionale potrebbe creare problemi di disallineamento con il rispettivo rivelatore, quindi la direzionalità dell’emissione dei LED avrà un certo andamento, né eccessivamente stretto né troppo largo.
In condizioni statiche à ̈ preferibile accendere i LED in sequenza, come detto sopra, perché c’à ̈ tempo per completare la misurazione. In questo caso possono essere usati fotodiodi come fotorivelatori.
Si può usare un bus seriale, a due fili, ad esempio il bus industriale I2C, su cui si trasmette un segnale già numerico: si invia un comando di lettura comprendente l’indirizzo del LED che deve essere letto, il quale restituisce un segnale numerico di misura.
Invece per condizioni dinamiche, à ̈ preferibile accendere i LED contemporaneamente. In questo caso à ̈ meglio usare fotoresistenze più veloci, anche se richiedono una parte elettronica più costosa, ad esempio per il bus che deve garantire il trasporto contemporaneo, quindi in parallelo, di un numero elevato di segnali e di canali; infatti sono normalmente presenti molti fotoemettitori sul palo(ad es. 90). Inoltre nel caso di condizioni dinamiche, à ̈ preferibile usare metallo, ad es. alluminio, ad esempio a sezione a C, come materiale per i pali, più resistente del plexiglass. Inoltre in questo caso il problema del ponte termico à ̈ irrilevante, data la velocità di scorrimento della neve intorno ai pali. Quindi con il dispositivo dell’invenzione à ̈ possibile seguire le variazioni temporali di densità e di temperatura della neve, che normalmente si compatta , e si formano strati anche con presenza di ghiaccio; la neve superficiale può sciogliersi di giorno e l'acqua che percola altera la struttura e la densità della neve degli strati sottostanti; poi di notte la neve può gelare formando uno strato crostoso su cui può scivolare uno strato superiore di neve fresca causando una valanga.
Non à ̈ necessario che la sequenza di diodi sia rettilinea e verticale. E’ sufficiente che i diodi siano situati in diversi punti del manto nevoso, a profondità uguali o diverse. Quindi i pali possono essere applicati non solo in verticale, ma anche con inclinazioni diverse. I pali possono essere anche non rettilinei, bensì curvi. La condizione di pali verticali e rettilinei corrisponde generalmente ad una minore interferenza con la neve, specialmente se i pali vengono introdotti nel manto nevoso successivamente ad una o più nevicate.
La realizzazione dei circuiti elettronici di controllo dei fotodiodi e dei fotorivelatori e di alimentazione, ad esempio con batterie apposite per basse temperature esterne, non costituisce problema per il tecnico del ramo, così come la memorizzazione e trasmissione dei segnali rivelati, che può essere effettuata ad esempio con opportune antenne disposte sui pali.
Sono possibili varianti realizzative all'esempio non limitativo descritto, senza per altro uscire dall’ambito di protezione della presente invenzione, comprendendo tutte le realizzazioni equivalenti per un tecnico del ramo.
Sono chiari i vantaggi derivanti dall’applicazione della presente invenzione.
- la flessibilità di impiego in numerosi ambiti (i sensori possono essere dispiegati in orizzontale, verticale o seguendo il terreno, con geometrie variabili a seconda delle necessità , oppure ancora possono essere resi portatili);
- il costo di costruzione limitato, dovuto anche al principio fisico adottato, che non richiede una elettronica particolarmente sofisticata;
- la capacità di fornire dati al momento non facilmente ottenibili o non ottenibili del tutto (quali ad esempio una stratigrafia molto accurata, anche durante la nevicata stessa, oppure la possibilità di effettuare sondaggi manuali mediante dispositivi portatili in tempi ridotti).
Dalla descrizione sopra riportata il tecnico del ramo à ̈ in grado di realizzare l’oggetto dell’invenzione senza introdurre ulteriori dettagli costruttivi.
Claims (10)
- RIVENDICAZIONI 1. Metodo per la misura di caratteristiche della neve, in particolare la sua densità , comprendente le fasi di: - porre nella neve uno o più fotoemettitori (E1, … En) che emettono luce nel campo del visibile verso corrispondenti fotorivelatori (R1, …Rn) posti nella neve a distanza determinata dai fotoemettitori; - misurare l’attenuazione di luce tra fotoemettitori e fotorivelatori; - determinare la densità della neve tra fotoemettitori e fotorivelatori da dette misure di attenuazione.
- 2. Metodo per la misura di caratteristiche della neve come nella rivendicazione 1, comprendente la fase di effettuare misure preventive di attenuazione a banda larga della luce rivelata da detti rivelatori, nel campo del visibile ed eventualmente anche nei campi vicini di infrarosso ed ultravioletto, al fine di eliminare contributi all’illuminazione della neve derivanti da fonti esterne.
- 3. Metodo per la misura di caratteristiche della neve come nella rivendicazione 1, comprendente la fase di porre detti fotoemettitori e relativi fotorivelatori in punti diversi e/o a diverse profondità nella neve.
- 4. Metodo per la misura di caratteristiche della neve come nella rivendicazione 1, in cui detti fotoemettitori sono accesi ad intervalli temporali successivi, ottenendo caratteristiche dinamiche della neve.
- 5. Metodo per la misura di caratteristiche della neve come nella rivendicazione 1, comprendente la fase di effettuare misure preventive di attenuazione a banda larga della luce rivelata da detti rivelatori, nel campo del visibile ed eventualmente anche nei campi vicini di infrarosso ed ultravioletto al fine di eliminare contributi all’illuminazione della neve derivanti da fonti esterne.
- 6. Dispositivo per la misura di caratteristiche della neve, in particolare la sua densità , comprendente: - almeno una coppia di pali (P1, P2), affiancati ad una determinata distanza relativa; - almeno una sequenza di fotoemettitori (E1, … En), ed almeno una corrispondente sequenza di fotorivelatori (R1, …Rn), installati su pali opposti di ogni coppia, detti fotoemettitori essendo conformati in modo tale da emettere luce nel campo del visibile in direzione tale da illuminare detti fotorivelatori; - mezzi per controllare l’accensione di detti fotoemettitori e la ricezione da parte di detti fotorivelatori; detti pali essendo atti ad essere posti nella neve in modo che questa si frapponga tra detti fotoemettitori e fotorivelatori.
- 7. Dispositivo per la misura di caratteristiche della neve come nella rivendicazione 6, in cui detti mezzi per controllare l’accensione di detti fotoemettitori ne determinano l’accensione in sequenza ad intervalli temporali successivi, oppure in contemporanea.
- 8. Dispositivo per la misura di caratteristiche della neve come nella rivendicazione 6, in cui detti fotoemettitori (E1, … En) emettono luce monocromatica, eventualmente disposti a triplette a luce rossa, verde e blu.
- 9. Dispositivo per la misura di caratteristiche della neve come nella rivendicazione 6, in cui detti fotorivelatori (R1, …Rn) sono fotodiodi oppure fotoresistenze.
- 10. Dispositivo per la misura di caratteristiche della neve come nella rivendicazione 6, in cui detti pali sono in plexiglass, con una rientranza (F1, F2) sul lato che si affaccia all’altro palo, in detta rientranza essendo applicate rispettive sequenze di detti fotoemettitori (E1, … En) e fotorivelatori (R1, …Rn), davanti a dette sequenze di fotoemettitori e fotorivelatori essendo applicati rispettivi coperchi di plexiglass, in detta rientranza essendo realizzata una condizione di vuoto d’aria, oppure di riempimento con azoto.
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