In Rete si trovano molti progetti che utilizzano l’amplificatore operazionale TL081 per rilevare l’elettricità presente nell’aria circostante. Tale misurazione, sovente, è effettuata per lo studio di eventuali precursori sismici. Molte stazioni di rilevamento presenti nel mondo acquisiscono il segnale d’uscita grezzo, eseguendo previsioni sul possibile verificarsi di un imminente terremoto. Anche se la teoria ancora non è stata confutata dalla scienza, gli esperimenti sono tutt’ora in corso. Vediamo come si devono effettuare correttamente le osservazioni.

Elettricità nell’aria

La nostra atmosfera è satura di cariche elettriche, come mostrato in figura 1. Esse si manifestano per diversi motivi: fulmini, radioattività al suolo, vento, frizioni dei corpi, temporali sono alcune delle cause. Riguardo ai precursori sismici, attualmente vi sono studi sulle anomalie del potenziale del campo elettrico. Spesso, infatti, è stata osservata una importante variazione elettrica in prossimità degli epicentri prima dei terremoti. Tali anomalie sono probabilmente causate dalla ionizzazione dell’aria per svariati motivi.

Figura 1: il potenziale elettrico sul suolo

Il segnale misurato non deve ingannare

Vi sono, attualmente, centinaia di stazioni sparse in tutto il mondo che, con apparecchiature più o meno sofisticate, rilevano il potenziale del campo elettrico. La maggior parte di queste stazioni sono gestite da appassionati e hobbisti che raccolgono il segnale proveniente dal sensore senza effettuare un processo di analisi matematica e di raffronto. In questa maniera i risultati risulteranno errati e le eventuali previsioni fornite potrebbero essere affette da errori.

La temperatura influisce su tutte le apparecchiature elettroniche

Qualsiasi componente elettronico si comporta da termometro, come si può osservare in figura 2: condensatori, transistor, operazionali, mosfet e, perfino, le batterie modificano il proprio stato di funzionamento. Vi sono componenti elettronici creati proprio per questo scopo come, ad esempio, i termistori NTC, PTC ecc. Gli altri componenti, pur espletando funzionalità completamente diverse, risentono della temperatura interna modificando i parametri di funzionamento. Certamente un approccio digitale consentirebbe una precisione più alta, evitando problemi di offset e di derive termiche tipiche dei componenti analogici ma, in definitiva, essa influisce sempre nei circuiti elettronici.

Figura 2: tutti i componenti elettronici si comportano da termometri

Il caso specifico

Uno dei più famosi sensori è quello mostrato in figura 3. Si tratta dell’amplificatore operazionale TL081, configurato come inseguitore di tensione, altrimenti detto voltage follower o buffer o ancora separatore di impedenza. Tale soluzione è utile quando si vuole approfittare dell’elevata resistenza d’ingresso e la bassa resistenza d’uscita dell’operazionale. Il guadagno è unitario. Si usa questo sistema, ad esempio, per realizzare un utile e didattico elettroscopio.

Figura 3: lo schema elettrico del rivelatore di elettricità nell’aria

Questa configurazione è molto utilizzata per rilevare la tensione elettrica presente nell’aria, a scopo previsionale per i terremoti. Il circuito è estremamente sensibile e rileva la più piccola variazione di voltaggio presente all’ingresso non invertente dell’OPAMP, lasciato volutamente libero e con funzionalità di antenna. Anche un avvicinamento in prossimità di una persona influenza il segnale in uscita. La figura 4 mostra una tipica registrazione dei dati forniti dal sensore, relativamente a una stazione di monitoraggio di Caltanissetta.

Figura 4: il grafico delle registrazioni della durata di otto giorni delle tensioni dal sensore

Nel grafico si notano facilmente l’alternarsi del giorno e della notte, rappresentati da picchi e valli relativi soprattutto alla temperatura di esercizio. E’ infatti quest’ultima grandezza a influenzare il TL081. Il grafico della temperatura (di colore rosso) è identico a quello della tensione elettrica (di colore blu), in termini di forma d’onda. Elaborando matematicamente i due segnali e calcolando una correlazione, si ottiene un risultato sbalorditivo superiore a 0.970, che vuol dire corrispondenza perfetta! Solo una variazione esterna della temperatura, dipendente a un possibile ed eventuale precursore sismico, potrebbe modificare tale equilibrio. Molti addetti che gestiscono le stazioni di rilevamento formulano previsioni basate esclusivamente su questo andamento sinusoidale, specialmente quelle estere, arrivando a conclusioni errate. Ripetiamo che l’alternarsi del segnale, che dura esattamente 24 ore, dipende solo dalla temperatura di esercizio. Il TL081, come qualsiasi altro componente elettronico anche passivo, dipende fortemente dalla temperatura. La variazione di tale grandezza non risulta essere eccessiva ma lavorando al livello dei millivolt essa si nota in maniera abnorme. Per valutare correttamente il segnale occorre prima eliminare la componente della temperatura, in modo che la tensione di uscita del sensore risulti pulita ed esente da “rumore”.

Eliminazione del rumore

Esaminiamo, adesso, la procedura per pulire il segnale elettrico dal rumore (temperatura). In questo caso è la matematica che ci viene in aiuto. La prima operazione da eseguire è, ovviamente, quella di affiancare il sensore elettronico a un termometro analogico o digitale (ad esempio l’LM35). L’importante è che esso fornisca un valore di temperatura o di tensione proporzionale a essa, in modo da elaborare le variazioni termiche. Con un sistema basato su Arduino, ad esempio, lo schema generico di funzionamento potrebbe essere quello raffigurato in figura 5. Due ingressi ADC sono dedicati alla rilevazione della tensione in aria e alla temperatura d’ambiente, in modo da poter successivamente confrontare ed elaborare il segnale corretto, esente da variazioni termiche. Allo scopo è importante piazzare il termometro in prossimità dell’amplificatore operazionale.

Figura 5: il sensore dovrebbe essere in grado di rilevare le variazioni di tensione esterna e di temperatura

La procedura di pulizia dovrebbe prevedere, dunque, le seguenti fasi:

• digitalizzazione della tensione elettrica proveniente dall’OPAMP;
• digitalizzazione della temperatura proveniente dall’LM35 (termometro);
• registrazione dei campioni in archivio su memoria di massa;
• calcolo della correlazione tra i due segnali;
• normalizzazione del segnale elettrico;
• normalizzazione del segnale di temperatura;
• calcolo della differenza tra i due segnali normalizzati.

Ricordiamo che la formula della correlazione è quella riportata in figura 6.

Figura 6: una delle formule per determinare la correlazione tra due serie di dati

Per la normalizzazione delle serie di dati vi sono tantissime soluzioni. Quella preferita per il metodo in articolo è riportata in figura 7.

Figura 7: una delle tante formule di normalizzazione dei dati

Con la pulizia del segnale e la discriminazione del “vero” punto di lavoro del sensore, è possibile condurre studi e osservazioni più precise e sicure, senza la presenza del rumore che falserebbe le varie misurazioni. Il segnale vero e proprio è, adesso, visto al “microscopio” con l’andamento realistico e concreto. Il grafico di cui alla figura 8 mostra tre diversi tracciati, sul dominio del tempo:

• il segnale elettrico proveniente dal sensore;
• la temperatura di esercizio che, come si può notare, influisce in modo determinante sul segnale elettrico);
• il segnale risultante pulito proveniente dalle varie elaborazioni matematiche. Su esso è possibile adesso approntare qualche forma di osservazione e di previsione.

Figura 8: il grafico del segnale elettrico, della temperatura e del segnale pulito ed esente da rumore

Conclusioni

Allo stato attuale non è possibile prevedere terremoti. Una previsione corretta, come affermano gli enti preposti, dovrebbe consistere in tre componenti fondamentali:

• prevedere le esatte coordinate dell’epicentro;
• prevedere la corretta data e ora dell’evento sismico;
• prevederne la precisa magnitudo.

Solo con questi tre ingredienti è possibile parlare di corretta previsione. A ogni modo è perfettamente lecito condurre esperimenti di sorta, alla scoperta di qualche indizio di preavviso che potrebbe salvare milioni di vite umane.