Sistema di stazioni idrometriche per controllo fluviale

Stazione idrometrica

Le stazioni idrometriche progettate e installate da Tecnopenta s.r.l. sono generalmente composte da un datalogger d1-FlexLog dimensionato con il numero adeguato di canali (da 2 a 16 modulari), modem GPRS e da uno o più sensori di livello di tipo variabile fra trasduttori di pressione, galleggianti, sensori a ultrasuoni oppure radar.

Stazioni idrometriche su ponti
Esempio di installazioni su ponte

Nel caso dei sensori ad ultrasuoni essi vengono installati su ponti o su strutture arginali e posizionati al disopra del corso d’acqua da monitorare. Le staffe di ancoraggio vengono progettate e realizzate ad hoc’ per potersi adattare perfettamente al luogo dell’installazione e il datalogger viene posizionato nelle vicinanze del punto di ancoraggio o addirittura sullo stesso (a meno della presenza di strutture particolari come ricoveri attrezzi e baracche dove alloggiare l’elettronica).

Datalogger tecnopenta
Data logger per stazione idrometrica. Memorizzazione e invio dati su web server.

Sia il sensore che il datalogger sono dotati di custodie resistenti agli agenti atmosferici e all’ingresso di umidità e polvere (grado IP67). Tutti i cavi installati sono protetti da guaina per esterni. I dati raccolti vengono memorizzati in loco su scheda di memoria rimovibile SD (secure digital) e inviati dal modem su di un web server dedicato dove vengono elaborati e graficati.

Impianto di allarme frane e valanghe con monitoraggio

Sensore Valanghe

Tecnopenta s.r.l. ha progettato e realizzato un nuovo sensore di valanga dedicato alla rilevazione di valanghe e debris flow, in grado di rilevare il passaggio di materiale in movimento.

Sensori di questo tipo sono stati utilizzati per la realizzazione di impianti di monitoraggio e allertamento rapido per colate detritiche e valanghe. Questo modello di sensore di valanghe  utilizza la misura di inclinazione e le vibrazioni per la rilevazione della massa in movimento. Generalmente i segnali forniti dai sensori vengono raccolti da centraline di elaborazione in grado di analizzare il dato e allertare personale preposto, attivare sistemi di allarme o impianti semaforici.

Sensore Valanga Tilt
Sensore di Valanga G1-Tilt

Per un completo controllo dell’area in monitoraggio possono essere installati parallelamente a dei contatti elettrici a strappo posizionati nelle aree di passaggio delle valanghe, a sensori meteorologici e a telecamere o fototrappole in grado di essere interrogate da remoto.

 

 

Prototipo di camera termostatata a celle Peltier

cella termostatata2

Caratteristiche tecniche e costruttive

La camera termostatata è progettata per portare ad un abbassamento della temperatura almeno fino a -10 °C all’interno di un contenitore in acciaio inossidabile di 2254 cm3 (14cm x 14cm x 11.5cm) riempito con liquido resistente al congelamento (ad esempio olio siliconico oppure soluzioni di glicole).

Contenitore

Scatola in acciaio inossidabile di forma quadrata con dimensioni 14cm x 14cm x 11.5cm. Il fondo in acciaio è fissato alla base in PVC, spessa 10 mm, attraverso 4 viti che hanno il duplice scopo di evitare spostamenti della scatola e di assicurare il contatto con il sistema di raffreddamento posto a contatto col fondo. Lateralmente il contenitore è sostenuto dal sistema di dissipazione del calore in alluminio e PVC che verrà descritto in seguito.

Il coperchio è schiacciato sui bordi superiori della scatola metallica da 4 viti a farfalla che assicurano la chiusura del sistema. È costruito in PVC di 10 mm di spessore e presenta una finestra trasparente posta centralmente, per permettere di vedere l’ interno della camera durante l’abbassamento delle temperature.

Inoltre il coperchio è predisposto per permettere l’inserimento dell’ olio nella camera attraverso un foro.

La tenuta termica della camera termostatata è migliorata da alcuni strati di isolante a celle chiuse incollato sui lati non occupati dal sistema di dissipazione del calore.

Sostegno sensori di spostamento

Lateralmente al contenitore su due lati opposti, sono predisposti due sostegni filettati per l’ancoraggio di sensori (ad esempio LVDT). I sostegni laterali sono progettati per adattarsi ad una trave in acciaio inossidabile con aggancio regolabile. Il fissaggio del sensore avviene avvitando la vite laterale, presente sul porta sensore, che causa la riduzione del diametro di un anello in acciaio che schiacciandosi ancora il sensore.

L’alimentazione del sistema di raffreddamento viene trasmessa da cavi con conduttori in rame a sezione 0.75 mm2 e le diramazioni sono ospitate da una scatola di sicurezza in materiale plastico che protegge da possibili cortocircuiti (in ogni caso l’alimentatore è protetto da eventi di questo tipo e interrompe l’erogazione di corrente). I cavi corrono all’esterno del contenitore in acciaio inossidabile e fra i reservoir di raffreddamento in allumino, fino alle celle di Peltier. L’alimentazione del sistema è assicurata da due alimentatori a tensione variabile 8-15 Vdc fino ad un’intensità massima di 20 A (per il funzionamento di questi ultimi si rimanda al manuale del produttore).

Gli alimentatori presentano delle uscite elettriche, per connettore a banana, di colore rosso (collegamento del polo positivo) e nero (collegamento del negativo). Gli stessi attacchi si trovano sulla scatola in plastica che ospita le connessioni elettriche interne. I collegamenti elettrici sono predisposti sullo strumento Tecnopenta esattamente come le uscite degli alimentatori, quindi: connettere, con il cavo di sicurezza in dotazione, l’attacco rosso in alto a destra della camera con quello in alto a destra sul primo alimentatore, quello in basso a destra con quello in basso a destra dell’alimentatore e così via. La potenza erogata può essere gestita dall’operatore.

Collegmenti_camera_peltier
Collegmenti elettrici camera termostata

Sistema di abbattimento della temperatura

Il principio di abbattimento della temperatura sfrutta le proprietà termiche delle celle di Peltier. A grandi linee le celle di Peltier sono piastre con una struttura particolare che se opportunamente alimentate trasferiscono calore da una faccia all’altra attraverso una sorta di pompa di calore elettronica. La camera termostatata è equipaggiata con 12 celle peltier divise in 3 gruppi da quattro e posizionate quindi, sul fondo e su due pareti laterali. La loro “faccia fredda” è in contatto con le pareti della camera metallica mentre la “faccia calda” è in contatto con un sistema di dissipazione del calore costituito da reservoir di alluminio dove viene fatta circolare acqua (descritto in seguito). Il contatto delle facce è migliorato dall’utilizzo di pasta termoconduttiva.

peltier
Cella Peltier

Sistema di dissipazione del calore

La faccia calda delle celle Peltier non deve scaldarsi troppo per due motivi, il primo è che questo impedirebbe al sistema di raffreddare l’interno della scatola di acciaio e il secondo è che potrebbero danneggiarsi le plastiche e i cavi. Le facce più esterne delle Peltier poggiano quindi su dei dissipatori in alluminio all’interno dei quali viene fatta circolare acqua che assicura una rapida ed efficiente dissipazione del calore. A funzionamento normale, la temperatura del dissipatore deve essere simile a quella dell’acqua immessa. I collegamenti del sistema di circolazione dell’acqua sono facilmente smontabili perché le connessioni sono tutte di tipo ad attacco rapido. La presenza dell’acqua è monitorata da un sensore di tipo freatimetrico che fa suonare un allarme se si alimenta il sistema senza far circolare il liquido di raffreddamento. La sensibilità del sensore può essere regolata in base alla conducibilità del liquido utilizzato.
L’entrata dell’acqua nell’impianto di circolazione deve avvenire dal raccordo idraulico ad innesto collocato sul lato opposto a quello con la scatola grigia di derivazione, mentre l’acqua esce dal connettore di tipo rapido, rosso di grandi dimensioni sullo stesso lato. Tutti gli altri raccordi rapidi hanno semplicemente lo scopo di distribuire il liquido di raffreddamento ai reservoir.

cella termostatata
Cella Termostatata

Sistema di inserimento sensori di temperatura

La camera termostatata è predisposta per permettere la misura della temperatura su vari livelli con 4 sonde di temperatura poste su uno dei lati verticali (lato ovest). Le sonde sono ospitate e sigillate all’interno di un tubo in ottone di diametro 4 mm che una volta inserito correttamente nella camera preme su due o – ring e impedisce l’uscita del liquido all’interno.

Per ottenere il giusto posizionamento delle sonde all’interno della camera si devono eseguire in sequenza le seguenti operazioni:

  • 1 inserimento primo o – ring e dado di tenuta esterno sul tubo in ottone
  • 2 inserimento del tubo nella camera con l’o – ring fra parete e dado
  • 3 fissaggio dado esterno
  • 4 lavorare ora sul lato interno della camera e inserire l’ o – ring e poi il dado di tenuta
  • 5 fissare il dado di tenuta

Il fissaggio dei dadi deve essere effettuato a mano senza utilizzare pinze o simili.

A questo punto ambedue gli o – ring sono schiacciati contro la parete piatta delle viti di tenuta, sui due lati della camera e assicurano una doppia tenuta.

Accessori

Gli accessori presenti sono: un porta campione di tipo a treppiede di altezza regolabile e un sistema di dissipatori per la diffusione delle temperature all’interno della camera termostatata. Il sistema di dissipatori va posizionato ad incastro all’interno della camera termostatata e le istruzioni per il posizionamento sono contenute in un video presente nel CD consegnato con il sistema.

Parte delle informazioni ottenute dalla ricerca scientifica per cui questa strumentazione è stata utilizzata sono consultabili a questo link:

https://www.witpress.com/Secure/elibrary/papers/STR17/STR17018FU1.pdf

Monitoraggio di una frana appenninica

Posizione monitoraggio frana

Tecnopenta progetta e realizza impianti di monitoraggio frane. Ecco un esempio recente, ancora in funzione su un tratto di strada provinciale Toscano interessato da un movimento franoso.

Ci troviamo in zona collinare a circa 370 m di altitudine.

Posizione monitoraggio frana
Posizione impianto di monitoraggio frana.

La porzione di strada interessata è lunga circa 60 m e delimitata da due fratture gemelle convergenti verso monte. La frana agisce inoltre anche sulla parte boschiva a lato della strada caratterizzata dalla presenza di diverse fratture e scivolamenti. In questo impianto di monitoraggio frane si è quindi deciso di installare due punti di misura sulla strada e due punti nella zona boschiva a monte delle due carreggiate.

Posizione sensori frana
Posizione scelta per i punti di misura

Sensori di monitoraggio frane

Il monitoraggio del movimento in attoviene affidato a due coppie di sensori estensimetrici: i primi due posizionati a cavallo delle due fratture che attraversano la strada e i secondi locati invece sulle fratture in bosco.

Gli strumenti montati sulle fratture in strada sono estensimetri a filo modello G1-EST CPL, montati su plinti in cemento costruiti appositamente. La parte sensibile dello strumento è un potenziometro rotativo con corsa 100 cm tensionato a molla il quale misura lo spostamento attraverso un cavo d’acciaio agganciato ai lati opposti della frattura. Il corpo principale dello strumento viene ospitato in una scatola Palazzoli IP68 (10x10x10), costituita da materiale plastico e ancorata al plinto posto sul lato della frattura considerato stabile.

Sono stati commissionati all’impresa costruttrice 3 plinti per ogni stazione di misura: uno sul lato considerato non in movimento e due nella parte in frana. Una coppia di lati dei due plinti giace su una linea ideale perpendicolare alla direzione della fratturazione in modo che il monitoraggio vada ad indagare la risultante principale del movimento in atto e che l’installazione risulti precisa.

Plinti sensori strada

L’immagine soprastante mostra la posizione dei plinti rispetto alla frattura. Il terzo plinto, posto ad una distanza maggiore da quello considerato fermo, servirà per il montaggio di un sistema d’allarme di tipo on/off. I plinti sono in calcestruzzo, a base quadrata di lato 40 cm e sono ancorati con barre d’acciaio ad aderenza migliorata fino a 1 m di profondità. Le sommità dei plinti cadono sullo stesso piano quindi essi sono di altezze diverse visto che la frana ha causato la dislocazione del lato della frattura verso valle. I plinti costruiti per l’aggancio dell’estensimetro a filo sono a distanza di circa 250 cm.

Gli strumenti montati sulle fratture in bosco sono invece estensimetri di superficie a filo modello G1-EST S. In questo caso il sistema di tensionamento è costituito da un peso di 8 Kg e la parte sensibile è un potenziometro multigiro con corsa 130 cm. Il filo in acciaio inossidabile che ha il compito di trasferire il movimento al potenziometro scorre su una puleggia in alluminio opportunamente dimensionata. Il corpo principale dello strumento viene montato su palo infisso nel terreno, sul lato della frattura verso monte, mentre il cavo d’acciaio che fa da base di misura viene ancorato dall’altro lato della crepa. Il cavo d’acciaio inossidabile viene mantenuto in posizione da dei guidafili in ottone anch’essi infissi nel terreno, la cui altezza è regolabile. Le scatole utilizzate per la costruzione di tali sensori sono delle Rittal (20 x 11 x 30 cm) in metallo verniciato.

Estensimetro filo supeficie
Schema dell’ estensimetro a  filo superficiale

Acquisizione dati

In ambedue le stazioni di misura, l’acquisizione dati viene affidata ad un data logger modello FlexLog. Il FlexLog è un logger multicanale (il numero di canali viene scelto in base ai sensori), a bassissimo consumo e che può essere dotato di un modulo GPRS per l’invio dati su server remoto. Inoltre i dati vengono memorizzati anche in situ su scheda di memoria SD, estraibile e leggibile con qualsiasi PC senza software particolari.

Il logger assegnato alla stazione in bosco viene ospitato in una scatola Bocchiotti fatta di vetroresina e dotata di serratura a chiave. L’alimentazione viene fornita al logger da una batteria agli ioni di litio da 4.2 V tenuta in tampone da una batteria al piombo da 7 Ah. In aggiunta la stazione è dotata di un modulo fotovoltaico da 5 watt il quale ricarica la batteria al piombo e assicura così una maggiore indipendenza al logger.

Il FlexLog associato alla stazione sulla strada è ospitato in una scatola Bocchiotti simile a quella in bosco ma di dimensioni maggiori perché in essa alloggia anche l’elettronica che gestisce i segnali di allarme provenienti dai contatti on/off di cui parleremo in seguito. Anche questa scatola è dotata di serratura a chiave. L’alimentazione di questo sistema è simile a quella descritta precedentemente, con la differenza però che la batteria al piombo è da 17 Ah e che il modulo fotovoltaico è da 40 Watt (questo perché devono essere alimentate anche le centraline d’allarme).

Sensori di allarme per monitoraggio frane               

Oltre al monitoraggio l’area in frana viene dotata anche di un sistema d’allarme che pilota due semafori posizionati lungo la strada ai lati dell’area interessata dal movimento franoso. I sensori in questione vengono posizionati in strada e agganciati ai plinti costruiti in prossimità della frattura. Per questa installazione si utilizza il plinto sul lato considerato stabile e il terzo plinto fin ora inutilizzato per il monitoraggio. Il sensore è costituito essenzialmente da una barra d’acciaio telescopica riposizionabile che collega i due plinti a cui è collegato un contatto elettrico che viene aperto dallo spostamento relativo fra i due punti di ancoraggio.

Inclinometro per la misura dell’abbasamento

Sulla barra d’acciaio che fa da base di misura per i contatti on – off viene inoltre montato un sensore inclinometrico MEMS modello G1-CLIN. Esso riesce a rilevare le variazioni di inclinazione della barra agganciata ai due lati della frattura consentendo di indagare in modo più preciso la componente verticale del movimento. I dati inviati dall’inclinometro vengono raccolti anch’essi dal data logger della stazione stradale.

Clinometro su barra
Misura dell’abbassamento con clinometro su barra

Conoscendo la variazione di inclinazione relativa (dovuta al movimento franoso) e la lunghezza della barra d’acciaio, è possibile calcolare l’abbassamento del blocco in movimento rispetto alla zona considerata stabile.

Semafori

Vengono installati due semafori a tre luci, su ciascun lato del’area in frana. Essi sono pilotatiti dalla centralina posizionata lateralmente nella piazzola di sosta situata circa 30 m prima della frana sul lato rivolto verso Nord. Per normativa i semafori devono essere alloggiati su palo ad un altezza compresa fra 200 e 300 cm. Il palo standard utilizzato ha un diametro di 10.2 cm ed è lungo 360 cm, viene perciò infisso nel terreno e poi cementato per 60 cm.

I semafori devono regolare il traffico in un tratto di strada a senso unico alternato, sono quindi impostati dei tempi opportunamente scelti, ma modificabili, di accensione delle varie luci semaforiche. I tempi sono così divisi: 30 s verde, 15 s giallo (tempo di sgombero), 60 s di rosso.

In caso di segnale d’allarme da parte dei sensori, scatta il rosso fisso simultaneamente su entrambi i semafori. Nell’ultimo caso descritto viene avvisato anche il tecnico addetto alla verifica dell’area che decide, dopo le valutazioni del caso, se disattivare l’allarme e riaprire il traffico sulla strada.

posizione semafori
posizione semafori

Centralina allarmi per monitoraggio frane

La centralina di gestioni degli allarmi per monitoraggio frane si basa su un microcontrollore che ad intervalli regolari di 25 millisecondi controlla lo stato dei sensori installati. Il contatto da essi fornito è un normalmente chiuso, in tal modo si assicura la sicurezza intrinseca dell’impianto.

In caso di attivazione di uno o di entrambi i sensori o di rottura del cavo, il sistema provvede immediatamente ad attivare la lanterna rossa dei due semafori in modo da bloccare la circolazione stradale. Analogo comportamento si avrà se il microcontrollore della scheda di gestione si rompe o il programma va in crash.

Dopo l’attivazione dei semafori la centralina provvede ad accendere il combinatore telefonico (normalmente spento) e quando viene rilevata la rete GSM, provvede ad attivare le chiamate vocali previste ai numeri inseriti nella rubrica del combinatore.

Il sistema resterà quindi in questa situazione, fino all’arrivo del personale preposto alle operazioni di controllo della situazione della frana.