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Rilevatore di fulmini con Theremino

da | 29 Giu, 21 | Dispositivi, Embedded, Technology & Science, Tests and Measurements |

di Rosario Catania e Giovanni Di Maria

Un rilevatore di fulmini è un sensore in grado di rilevare un fulmine nel momento del lampo, dunque molto prima del tuono, che giunge spesso parecchi secondi dopo. Se consideriamo la velocità della luce, tenendo bene in mente che si tratta di un’onda elettromagnetica, con i suoi 300.000 km/s (>1 mld Km/h), e quella del suono, che si propaga in aria (a 20°C) a 1237 km/h, possiamo facilmente dedurre che, quando vediamo la luce del lampo, la scarica del fulmine è avvenuta solo pochi microsecondi prima, mentre il tuono giunge con un ritardo legato alla distanza del fulmine. Quindi, per stimare la distanza del fulmine basta contare i secondi che intercorrono tra il lampo ed il tuono, e dividerli per 3 (che sono i secondi che impiega il suono per percorrere 1km in linea d’aria). Dunque, se trascorrono 9 secondi, il fulmine è a circa 3 km. Pertanto, un rivelatore di fulmini può essere molto utile per prepararsi in tempo all’avvicinarsi di una tempesta, in modo da poter mettere in atto le opportune precauzioni. In pratica un rilevatore di fulmini è un rilevatore di elettricità statica molto sensibile. Se lo costruiamo con un’antenna formata da uno spezzone di filo è già in grado di rilevare tempeste in arrivo entro un raggio di alcuni chilometri, ma esistono sensori che rilevano i fulmini determinandone anche la distanza. Se invece utilizziamo una bobina, siamo in grado di ricevere la componente magnetica della scarica iniziale.

La scarica di un fulmine – foto Rosario Catania

Sensore di fulmini

Il sensore di fulmini oggetto del presente articolo, è stato progettato dal team del sistema Theremino, che si occupa a tempo pieno di ricerca e sperimentazione. Il progetto originale è stato rivisitato e adattato ad alcune esigenze, modificando le dimensioni del PCB, in origine molto contenute, e su cui ci veniva difficile lavorare. Inoltre è stata sviluppata una elaborazione dei dati ricevuti, per la creazione di un log-file sul quale è possibile lavorare a posteriori, con la sua rappresentazione grafica nel tempo. Il lavoro seguente è stato quello di aggiungere un software personalizzato per poter espletare alcune funzionalità non contemplate nel pacchetto originale.

Immagine della scheda Theremino Master

Obiettivi

Tra i principali obiettivi che può avere un progetto di questo tipo, il più interessante è quello di realizzare un sistema automatico in grado di proteggere le apparecchiature sensibili come quelle elettroniche, quando si manifestano scariche elettriche, che potenzialmente possono danneggiarle. Con un sistema come quello sviluppato, ci si aspetta una risposta tale che, più i fulmini sono vicini, più il segnale si manifesta con precisione.

Disegno rappresentativo di un fulmine che scarica a terra – fonte web

Il sensore è installato alle pendici del vulcano Etna

Dopo i vari test di caratterizzazione e analisi dei primi log registrati, è stato deciso di istallare il sensore alle pendici dell’Etna, in località San Leo a circa 1000 metri sul livello del mare. Il vulcano Etna con la sua elevata percentuale di materiale ferroso incluso nelle rocce magmatiche prodotte in centinaia di migliaia di anni di eruzioni, la presenza di ampie aree boschive e la presenza dello stesso vulcano con le sue attivita parossistiche (eventi eruttivi energetici), che generano alte colonne di cenere, lapilli e gas, che entrano in attrito tra loro, spesso generando scariche elettriche con veri e propri fulmini, rappresenta un laboratorio naturale dove sperimentare e testare un sensore di questo tipo.

La stazione multi-sensore di San Leo sul versante sud dell’Etna, a sinistra è visibile il sensore fulmini

Come funziona

La bobina riceve la scarica e la trasmette al Sistema Theremino, che a sua volta è collegato al PC via USB. Il software genera una mappa grafica, che fornisce una lettura immediata del numero di fulminazioni rilevate dal sensore, in una specifica ora del giorno, e un file che invece raccoglie tutte le informazioni numeriche in formato testo, facilmente utilizzabili per creare un database storico da utilizzare in qualsiasi momento. Per assolvere a questo compito, si è dotato il PC di una interfaccia chiamata HAL (Hardware Abstraction Layer), con la quale l’operatore accede direttamente all’ architettura del sensore via USB. Senza l’HAL comunicare con i sensori e gli attuatori sarebbe complicato.

Diagramma a blocchi di funzionamento del sistema-sensore

Il circuito

La particolarità di questo rivelatore è di fornire una risposta logaritmica, approssimativamente proporzionale alla distanza. In questa nuova versione (V.4) è stato aggiunto R4 che limita la tensione di uscita a 3.3 volt per evitare che il Master mandi in blocco la USB (succedeva raramente ma probabile). Il circuito è esattamente lo stesso del progetto originale ma si è sostituito il circuito integrato SA604 (difficile da reperire) con l’equivalente NE604.

Il PCB originale misura 48 x 38 mm, mentre il PCB modificato misura 111,76 mm x 75,58 mm.

La Bobina (antenna)

Per ottenere una sensibilità uniforme in tutte le direzioni, la bobina ricevente è stata posta con l’asse verticale come in figura. La bobina ha un diametro interno di circa 60 mm. Il filo circa da 0.22 mm e il numero di spire circa 500. L’impedenza finale misurata è di circa 130 mH. La bobina e il sistema convertono le scariche elettriche ricevute in tensione elettrica utilizzabile dall’ADC del microcontrollore di Theremino, che è in grado di gestire tensioni comprese tra 0 V e 3.3 V. Per comodità l’HAL è stato normalizzato nel range 0-1000. In questo modo l’espressione finale non è in Volt, ma in un valore numerico compreso tra 0 e 1000.

Interfaccia grafica

Il grafico giornaliero è ottenuto con il Sistema Theremino, dove si evincono gli eventi locali. Ogni colore rappresenta la forza, e ogni fulmine è un rettangolino che si aggiunge agli altri. Ecco i due link aggiornati (grafico e Log) generati dal Sistema:

http://www.elektrosoft.it/sismologia/fulmini.png

http://www.elektrosoft.it/sismologia/fulmini.txt

Il Kit completo

Qui visibile il prototipo completo, con a sinistra la parte che supporta l’antenna e a destra il contenitore per il circuito. Il cavo di collegamento è schermato, così come l’intero sistema, per attenuare le interferenze con i circuiti elettrici locali. Le connessioni sono state saldate e chiuse con guaina termo-restringente e l’intera struttura verniciata di colore verde militare.

Rappresentazione grafica degli eventi

In questa immagine si vede bene la differenza tra impulsi elettrici (accensione di elettrodomestici) e fulmini veri. I fulmini producono impulsi più larghi. La scala delle distanze è altamente approssimativa. I fulmini sono tutti diversi tra loro, alcuni sono tra nuvola e nuvola, altri sono verticali, alcuni sono deboli (e vengono considerati più lontani del reale), altri più forti (e vengono considerati più vicini del reale). Ci sono fulmini che durano un tempo brevissimo (quindi indistinguibili dai disturbi elettrici) e altri che durano molti secondi.

Infine, grazie alla raccolta dei Logs è possibile osservare con precisione le diverse caratteristiche degli eventi, in un dominio temporale.

Per la pubblicazione sul web viene infine elaborata una grafica a barre dove gli eventi si sommano ogni ora e si colorano in funzionano della loro forza, quindi intensità. La situazione aggiornata delle fulminazioni registrate nei dintorni del vulcano Etna, insieme ad altri sensori dislocati sui vari versanti, è raggiungibile al seguente link

http://www.etna-ero.it/ero-live-sensors.html

Conclusioni e ringraziamenti

Si ringraziano per la redazione del presente documento, Giovanni Di Maria e Rosario Catania, appassionati di elettronica, informatica e costruzioni radio-amatoriali e il team di sviluppo di Theremino per la preziosa collaborazione e per l’utilizzo del progetto. Il prossimo step è realizzare un sistema per la registrazione di scariche durante gli episodi eruttivi dell’Etna, avvicinandosi il più possibile al vulcano, entro i limiti consentiti in termini di sicurezza, dalle autorità competenti. Si tratta di una attività pionieristica, ma affascinante, una vera sfida alla conoscenza dei fenomeni naturali. Di seguito alcuni link ai siti proprietari dei due autori, per chi vuole approfondire:

http://www.elektrosoft.it

http://www.etna-ero.it

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