Sensori per l automazione di un osservatorio astronomico Marco Bagaglia Dipartimento di Fisica Università degli Studi di Perugina Laboratorio di

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Gianfranco Sorrentino
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1 Sensori per l automazione di un osservatorio astronomico Marco Bagaglia Dipartimento di Fisica Università degli Studi di Perugina Laboratorio di Astrofisica Osservatorio Astronomico di Scheggia e Pascelupo XXII Convegno del GAD Ottobre 2014 Ravenna

2 Tipi di sensori I sensori per l automazione di un osservatorio astronomico possono essere divisi in due categorie: 1) Sensori meteorologici: velocità del vento (anemometro), direzione del vento (anemoscopio), pressione atmosferica, temperatura, pioggia, nuvole 2) Sensori di controllo tecnologico: datalogger (misura delle correnti e delle tensioni principali in telemetria), chiusura/apertura cupola, sky monitor, quality sky meter

3 Il sensore di pioggia è in grado di rilevare le gocce di acqua piovana. La sua funzione è quella di impedire l apertura della cupola e impartire il comando di chiusura in caso di precipitazioni. Deve essere un dispositivo molto affidabile oltre che insensibile ai falsi segnali. Sensore di pioggia

4 Sensore di pioggia ad elevata affidabilità La griglia sensibile ha un trattamento di doratura per evitare ossidazioni

5 Sensori di pioggia da evitare non hanno normalmente la scaldiglia sono sensibili ai disturbi EMI griglia non trattata adeguatamente contro l ossidazione Tipico sensore di pioggia per finestre a tetto

6 L anemometro misura la velocità del vento. Il suo uso principale è di dare o negare consenso all apertura delle falde della cupola. E infatti consigliabile non aprire o chiudere la cupola se il vento supera i 20 m/secondo. 20 m/s = 72 Km/h Anemometro

7 Tipi di anemometro Coppe rotanti Dinamo Tensione d uscita proporzionale alla velocità del vento Ventolina Velocità del vento proporzionale ai giri della ventolina

8 Anemometro ad ultrasuoni E un particolare tipo di anemometro senza parti meccaniche in movimento, quindi molto Trasduttori ad affidabile e ultrasuoni robusto, che si basa sulla variazione di velocità provocata dal vento su impulsi ultrasonori.

9 L anemoscopio, altrimenti comunemente indicato come manichetta del vento, indica la direzione del vento. Anemoscopio

10 Come è fatto l anemoscopio L anemoscopio deve essere in grado di indicare la direzione del vento nel modo più accurato possibile. In genere l intervallo di indicazione della direzione è di almeno 22.5, quindi la banderuola mostra 16 direzioni. Per ottenere questo si usa un circuito con sorgenti di emissione di infrarossi (LED), fotodiodi come ricevitori, insieme ad un encoder con codice GRAY.

11 Encoder di un anemoscopio Codice GRAY Disco codificatore di encoder GRAY

12 Parti dell encoder GRAY Fotodiodi emittenti IR Disco combinatore dell encoder Fotodiodi riceventi IR

13 Sensore di pressione Indica la pressione atmosferica. La sua utilità in un osservatorio astronomico è relativa al sistema di puntamento. La sua misura viene infatti utilizzata nella determinazione della rifrazione atmosferica, parametro essenziale. Sensore di pressione atmosferica professionale VAISALA Chip a basso costo

14 Rifrazione atmosferica: effetti La rifrazione atmosferica è la deviazione della luce o di altra onda elettromagnetica, da una linea retta, mentre passa attraverso l'atmosfera, dovuta al variare della densità dell'aria in base all'altezza. In pratica fa apparire gli oggetti celesti nel cielo più alti di quanto non lo siano nella realtà.

15 Calcolo della rifrazione atmosferica (formula semplificata di Bennet) R = rifrazione = correzione dell altezza dell oggetto da osservare rispetto all orizzonte = minuti d arco h a = altitudine apparente Correzione da applicare per T e P diverse P = pressione T = temperatura

16 Rifrazione/Altitudine

17 Barometro ad acqua di G.B. Baliani e di Capostipite dei barometri, ideato nel 1641 dal matematico e fisico Giovanni Battista Baliani. Lo stesso principio venne poi ripreso da Evangelista Torricelli nel 1643, che sostitui l acqua con il mercurio, ottenendo una maggiore precisione. Torricelli a mercurio Pressione atmosferica h di Hg = 760 millimetri Il mercurio contenuto nel tubo non è soggetto alla pressione esterna, al contrario di quello nella vaschetta.

18 Indicatori di pressione atmosferica storici BAROMETRO A CAPSULA ANAEROIDE E uno strumento molto noto ma piuttosto grossolano. L'elemento sensibile è costituito da un cilindro appiattito, in cui è stato praticato il vuoto, con basi corrugate per avere ampie escursioni in relazione alle variazioni di pressione. Un sistema di leve ed ingranaggi va poi a muovere la lancetta. Indica le variazioni di pressione non tanto la lettura assoluta. Le scritte sul quadrante relative alle possibili condizioni del tempo sono solo indicative. Capsula anaeroide Indicatore di riferimento mobile

19 Principio di funzionamento di un sensore di pressione a piezoresistività I sensori di pressione attualmente più diffusi si basano sul principio della piezorestività, cioè sul fatto che un materiale semiconduttore varia la propria resistività se sottoposto a stress meccanico e quindi a variazioni di pressione. Dal punto di vista elettrico viene realizzato con un circuito a ponte di Wheatstone impiegando dei resistori piezoresistivi. Aspetto di un chip piezoresistivo Ponte di Wheatstone

20 Come funziona il ponte di Wheatstone Vout è zero solo se Rx = R1 = R2 = R3

21 Aspetto di un tipico sensore di pressione piezoresistivo

22 Sensore di temperatura Il sensore di temperatura è in gradi di rilevare la T dell aria circostante. Anche questo dato viene utilizzato nella determinazione della rifrazione. Sensore STS 21 Sensirion Dimensioni mm 2 x 2 x 0.7

23 Tipi di sensore di temperatura I sensori di temperatura più comuni sono: -A termocoppia, costituiti da una coppia di conduttori di metalli diversi che sottoposta a variazioni di temperatura genera un differenza di potenziale -RTD (Resistor Temperature Detector) che sono delle termoresistenze cioè resistenze sensibili alla temperatura -A semiconduttore, che è materiale sensibile alle variazioni di temperatura

24 Aspetto delle termocoppie

25 Aspetto delle RTD Tipi comuni: PT100 (100 ohm a 0 C ) PT1000 (1000 ohm a 0 C )

26 Aspetto dei sensori a semiconduttori

27 Sensori di temperatura più usati in meteorologia In meteorologia i sensori più utilizzati sono quelli a semiconduttore e le termorestenze (RTD) in quanto più precisi e lineari delle termocoppie.

28 Linearità e precisione di un sensore a semiconduttore STS21 Sensirion

29 Non linearità delle termocoppie

Sensore di umidità Capacitivo Il sensore di umidità misura quella relativa esprimendola in percentuale, con campo di misura 0-100 %.

30 Sensore di umidità Capacitivo Il sensore di umidità misura quella relativa esprimendola in percentuale, con campo di misura %. Attualmente i più diffusi sono di tipo capacitivo e resistivo. al variare dell umidità varia la capacita Resistivo al variare dell umidità varia la resistenza

31 Sensore di nubi Il sensore di nubi è sicuramente uno dei più innovativi. Non si tratta di uno strumento ottico di ripresa (telecamera o similare) ma di un dispositivo che permette di misurare la emissione ad infrarosso del terreno e del cielo. Nella sua forma più semplice è costituito da una cella Peltier inserita tra due lastre di alluminio. Una viene esposta verso il terreno, l altra verso il cielo. Quando sono presenti le nubi la cella Peltier non eroga tensione perché la temperatura ad IR delle due lastre è uguale. Viceversa appare tensione.

32 Stazione meteo semiprofessionale Costo attuale circa 120 euro Data collector Pluviometro Anemometro e anemoscopio Temperatura e umidita esterna

33 Schermo solare Per avere una corretta lettura della temperatura il sensore di umidità e temperatura esterno deve essere inserito in uno schermo apposito detto solare, che può essere anche munito di una ventola aspirante. Sensore di T e RH

34 Misure fatte da una stazione meteo semiprofessionale Umidità e temperatura interna Umidità e temperatura esterna Pressione atmosferica Quantità di pioggia Direzione e velocità del vento Allarmi programmabili Interconnessione al PC attraverso USB o seriale Storico delle misure, con grafici

35 Protocollo usato dalle stazioni meteo Queste semplici stazioni meteo usano un protocollo per gran parte dei modelli ormai noto e quindi è possibile comunicare agevolmente. Esiste anche un progetto che si chiama Open2300 dedicato a questo iki/bin/view/open2300/we bhome

Pubblicazione sullo web dei dati della stazione meteo La stazione meteo è in grado di generare uno storico dei dati che può essere letto da Pc a mezzo della USB o della porta seriale.

36 Pubblicazione sullo web dei dati della stazione meteo La stazione meteo è in grado di generare uno storico dei dati che può essere letto da Pc a mezzo della USB o della porta seriale. Con questi dati, attraverso alcuni software, il più noto dei quali è Graphweather, è possibile generare in automatico una pagina web che può essere pubblicata ad intervalli regolari.

37 GRAZIE PER L ATTENZIONE! Alla prossima edizione del GAD Un cordiale saluto Marco Bagaglia IZ0JAW

38 Bibliografia essenziale The Effect of Wind Forces on an Observatory Dome Popular Astronomy, vol. 14, pp Wind-tunnel study of an observatory dome with a circular aperture Astronomical Society of the Pacific, Publications (ISSN ), vol. 103, Nov. 1991, p National Semiconductor Temperature Sensor Handbook The mesurement of wind velocity by sonic means R.M.Schotland N.Y.University Journal of Metereology Vol. 12 pag

39 Bibliografia essenziale The mesurement of wind velocity by sonic means R.M.Schotland N.Y.University Journal of Metereology Vol. 12 pag

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