ERI S.r.l. Figura 1 Particolare di un allestimento iniziale di studio

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1 1. ATTIVITÀ 1 Titolo: Camera della pioggia Descrizione attività La prima fase è consistita nella progettazione e realizzazione della camera della pioggia. Sono stati sviluppati studi e calcoli teorici, allestite strutture provvisorie con finalità di studio corredate di idonea strumentazione di acquisizione. Figura 1 Particolare di un allestimento iniziale di studio Su queste strutture si sono eseguite sperimentazioni, riprese fotografiche e riprese video. Il tutto finalizzato ad individuare le modalità più opportune con cui riprodurre un evento meteorico di caratteristiche note R05-1NPEE 1

2 Figura 2 Test preliminari finalizzati alla definizione delle caratteristiche delle gocce e delle modalità di acquisizione. Sono state definite le caratteristiche degli eventi meteorici da riprodurre (dimensione e velocità delle gocce, durata dell'evento). È stato affrontato il problema del vento e della modalità più opportuna per riprodurlo. Figura 3 Tipologie di aghi sottoposti a test R05-1NPEE 2

3 Sono state testate diverse tipologie di aghi con cui ottenere le gocce in funzione delle dimensioni e dell'intensità di pioggia volute. È stato progettato e realizzato il sistema con cui modulare la portata d'acqua in ingresso e verificare la portata in uscita. In seconda fase, la validazione della camera della pioggia è stata eseguita da parte di un ente esterno esperto ed indipendente, incaricato di sottoporre la camera a test, fornire le proprie indicazioni per il suo perfezionamento e produrre un documento di validazione ATTIVITÀ 1.1 Titolo: Progettazione e realizzazione della camera Descrizione attività Sono stati presi in considerazione e classificati gli eventi meteorologici da riprodurre in camera della pioggia. Sono stati studiati in via sia teorica, sia sperimentale, i meccanismi di formazione delle gocce. Figura 4 - Caratterizzazione sperimentale delle gocce prodotte E stata a tal fine preliminarmente realizzata una struttura provvisoria con la quale eseguire le sperimentazioni necessarie. La cameretta provvisoria si compone di una vasca superiore fissa, di sezione quadrata, accessoriata di lastre di fondo R05-1NPEE 3

4 intercambiabili di lato 30 cm, sulle quali sono stati montati aghi di diverso diametro, che sono stati sottoposti a diversi carichi idraulici. Figura 5 Vasca di carico della camera della pioggia provvisoria Figura 6 Parte inferiore della camera della pioggia provvisoria nel corso di alcune prove preliminari R05-1NPEE 4

5 Le prove eseguite hanno consentito di individuare le forme, le dimensioni e i materiali con cui realizzare la camera vera e propria. Figura 7 Alcune sagome di prova realizzate per individuare le modalità con cui ricavare gli ugelli e le guide per lo scorrimento delle sfere portanti di appoggio della vasca di carico. Figura 8 Assemblaggio della struttura portante definitiva R05-1NPEE 5

6 Sulla base di quanto emerso si è redatto il progetto costruttivo della camera, completo dei dispositivi con cui regolare le portate, far ruotare la vasca di carico, misurare la portata in entrata ed in uscita dal sistema. E stata quindi realizzata la camera. Figura 9 Allestimento della camera della pioggia in versione definitiva. Montaggio del motore. Le immagini che precedono e che seguono illustrano alcuni momenti dell allestimento della camera della pioggia R05-1NPEE 6

7 Figura 10 - Allestimento della camera della pioggia in versione definitiva. Predisposizione del sistema di alimentazione ATTIVITÀ 1.2 Titolo: Validazione della camera della pioggia Descrizione attività Il dipartimento ICEA dell Università di Padova ha testato e validato la funzionalità della camera della pioggia. La camera è stata analizzata al fine di determinare, in funzione della tipologia e numero degli aghi installati, l intensità di precipitazione che è possibile realizzare in funzione del battente idraulico e verificando la sua uniformità spaziale R05-1NPEE 7

8 La camera da pioggia è risultata rispondere alle necessità avendo dimostrato: capacità di produrre una prefissata intensità di precipitazione con una appropriata combinazione di tipo e numero di aghi; assenza di deriva nella riproduzione degli esperimenti, adottando opportuni accorgimenti; coefficiente di uniformità spaziale sempre maggiore al 90% in una circonferenza di 60 cm di diametro interna alla camera. Figura 11 Vista complessiva della camera della pioggia montata presso il laboratorio di idraulica dell Università di Padova (A). Lastra forata (B). Griglia posizionata al di sopra della vasca di raccolta per alloggiare i dispositivi di misura (C) R05-1NPEE 8

9 Figura 12 Immagine dei 25 pluviometri disposti secondo una griglia regolare. Figura 13 Esempio di immagine ad alta risoluzione della distribuzione delle gocce di pioggia (a sinistra) e relativa analisi automatica (a destra). Il dipartimento ICEA ha prodotto un proprio documento di validazione e di sintesi delle attività svolte e delle indicazioni per il perfezionamento della camera. Dette indicazioni sono state tutte recepite R05-1NPEE 9

10 2. ATTIVITÀ 2 Titolo: WFRG Pluvio Descrizione attività Sono state individuate le migliori modalità con cui eseguire la misura e, conseguentemente, si è passati a progettare l hardware di acquisizione dello strumento. Al tempo stesso si è proceduto con lo sviluppo dei software di gestione dei sensori utilizzati (telecamere lineari e matriciali) e ai test con diversi tipi di sorgente luminosa (LED nel visibile, LED nel vicino infrarosso, lampade al tungsteno sia con emissione spettrale prevalentemente nel visibile che nel vicino infrarosso). Figura 14 Nella foto di sinistra è mostrata l elettronica per l integrazione e la conversione AD del segnale proveniente dal sensore Hamamatsu usato per rilevare la radiazione di back-scattering prodotta dall interazione di un raggio laser con le gocce. Nella foto centrale è mostrato il laser usato, con lunghezza d onda nel verde, con un beam expander per allargare il fascio e interessare un maggior numero di gocce. L ultima foto mostra il sensore Hamamatsu ad ampia area sensibile per la rilevazione della radiazione di back-scattering. Davanti al sensore è stato montato un filtro interferenziale con picco sulla lunghezza d onda del laser. Si sono inoltre testate varie configurazioni ottiche sensore-illuminatori in modo da massimizzare il contrasto e la profondità di fuoco delle immagini R05-1NPEE 10

11 Figura 15 I test per la rilevazione della radiazione di back-scattering sono stati effettuati con la camera oscurata e in condizione di buio ambientale. E stato individuato e applicato un modo alternativo di studiare gli effetti del vento, non essendo la galleria del vento utilizzabile per necessità di messa a norma dei motori. D altra parte l effetto del vento è quello di inclinare la traiettoria delle gocce rispetto alla verticale: questo è stato riprodotto inclinando strumenti e piano di misura ATTIVITÀ 2.1 Titolo: Progettazione dell hardware Descrizione attività Le attività eseguite per la progettazione dell hardware sono state: assemblaggio dei componenti per l acquisizione delle immagini nel frame di supporto del pre R05-1NPEE 11

12 prototipo della camera della pioggia; test di acquisizione tramite sensori di diversa natura; test di ottiche con diversa apertura focale; test di acquisizione con illuminatori di diversa natura e posizionamento rispetto ai sensori d immagine; test preliminari con riproduzione degli effetti del vento. Figura 16 Uno dei test eseguiti sul pre-prototipo di camera della pioggia. Tipi di sensori testati: telecamere CMOS matriciali e CCD lineari. Tipi di lampade testate: LED rossi, bianchi, infrarossi; lampade al tungsteno con picco spettrale nel visibile e nel vicino infrarosso R05-1NPEE 12

13 Figura 17 In primo piano è visibile la sorgente laser, usata per la rilevazione della radiazione di backscattering, e di fronte alla quale è stato posizionato un assorbitore per evitare retro-riflessioni del fascio. A sinistra si intravede il setup ottico di rilevazione e conteggio delle gocce formato da una telecamera e due illuminatori. Individuata la migliore configurazione ottica e il migliore accoppiamento illuminatore-sensore, si è proceduto con la calibrazione ottica e temporale del sistema, in modo da ricavare le effettive velocità di caduta delle gocce acquisite dalla telecamera. E stato sviluppato il software di gestione sia dei sensori deputati alla rilevazione della radiazione di back-scattering che della telecamera per l acquisizione e conteggio delle gocce R05-1NPEE 13

14 Figura 18 Sono mostrati entrambi i sistemi usati nei test: sistema di rilevazione della radiazione di back scattering e sistema di rilevazione delle gocce R05-1NPEE 14

15 2.2. ATTIVITÀ 2.2 Titolo: Realizzazione prototipo Descrizione attività Si è provveduto all allestimento del prototipo principale progettato nella precedente fase di lavoro. Esso si compone di: telecamera lineare installata su supporto in alluminio idoneo ad essere fissato a due dei montanti della camera della pioggia, sfondo bianco di dimensioni 80 cm x 80 cm montato all interno dei due montati della camera della pioggia opposti alla telecamera, due illuminatori puntati sul volume di misura, notebook collegato alla videocamera con installato il software di acquisizione ed elaborazione delle immagini sviluppato nelle fasi precedenti. Figura 19 Prototipo dello strumento WFRG Pluvio montato sulla camera della pioggia R05-1NPEE 15

16 Con questo prototipo sono stati eseguiti i test necessari alla messa a punto del software di elaborazione delle immagini acquisite, sviluppando un algoritmo per il riconoscimento e conteggio delle gocce. Figura 20 Una schermata del software di acquisizione e conteggio delle gocce R05-1NPEE 16

17 Figura 21 Una fase di lavoro. Sono stati eseguiti dei test con ripresa di una pioggia reale, finalizzati alla verifica del buon funzionamento in campo del prototipo modificato con applicazione di uno sfondo scuro ed in assenza di illuminatori. Figura 22 Prototipo montato in ambiente esterno R05-1NPEE 17

18 Figura 23 Allestimento e prova di diversi tipi di sfondo. Figura 24 Postazione di lavoro mobile per acquisizioni in ambiente esterno R05-1NPEE 18

19 2.3. ATTIVITÀ 2.3 Titolo: Taratura e validazione dello strumento Descrizione attività Con la camera della pioggia si sono riprodotti eventi di diverse intensità all interno del range compreso fra 10 mm/h e 200 mm/h, modificando sia il diametro degli ugelli montati, sia la frequenza del gocciolamento. Il set di prove definitivo prescelto per la calibrazione è: 200 mm/h, 150 mm/h, 100 mm/h, 90 mm/h, 50 mm/h, 30 mm/h, 15 mm/h. Figura 25 Realizzazione di prove per la taratura e validazione dello strumento R05-1NPEE 19

20 Figura 26 Lastra di fondo della vasca di carico con gli ugelli ripresa nel corso di una prova. Si è quindi provveduto a definire l impronta a terra dell area ripresa dalla videocamera e ad eseguire dei test di calibrazione per la definizione delle dimensioni del pixel e, quindi, delle dimensioni delle gocce associate a ciascun diametro degli ugelli installati in camera della pioggia R05-1NPEE 20

21 Figura 27 Impronta a terra dell area ripresa. Sulla base dei parametri così definiti, attraverso l elaborazione delle immagini acquisiste, si è pervenuti ad una stima dell intensità di pioggia che è stata poi correlata con il dato di input impostato nella camera con cui si è riprodotto l evento. Si è quindi definita l accuratezza dello strumento R05-1NPEE 21