Camera climatica per fisiologia vegetale: una nuova concezione progettuale

Author(s):
A. Materassi - CNR ISTITUTO DI BIOMETEREOLOGIA
G. Fasano - CNR ISTITUTO DI BIOMETEOROLOGIA

Industry:
Research

Products:
Data Acquisition, LabVIEW, PID Control Toolkit

The Challenge:
Realizzare una camera climatica a basso costo di facile gestione e manutenzione, in cui siano possibili le più disparate combinazioni dei diversi parametri ambientali che interagiscono con la fisiologia delle piante: radiazione (visibile e ultravioletta), temperatura e umidità dell’aria, concentrazione di Anidride carbonica e di Ozono.

The Solution:
Contrariamente a quanto fatto fino ad oggi, in cui nella realizzazione di camere climatiche veniva privilegiato l’hardware rispetto al software, utilizzare un software di alto livello per gestire attuatori commerciali di costo medio-basso, che consentono realizzazioni meno costose e di più immediata manutenzione-riparazione.

Breve riassunto
La costruzione delle costose camere climatiche richiede un’elevata componente tecnologica. I progressi della tecnologia elettronica consentono oggi di utilizzare più efficacemente gli attuatori e i trasduttori del commercio, senza pregiudizio per la qualità del controllo, purché il sistema sia supportato da un software di alta qualità. In questo modo i costi di realizzazione possono essere assai ridotti rispetto a un recente passato quando, con le camere, venivano realizzati anche specifici attuatori, per meglio integrarli nell’hardware, che erano, di solito, governati da software di bassa capacità gestionale. I risultati previsti sono stati ottenuti sviluppando il software in ambito LabVIEW con l’ausilio delle schede NI USB-6008 e AT-MIO-16E10.

Articolo

L’HARDWARE
L’ambiente controllato realizzato è una camera climatica (2.3 x 1.8 x h 2.5 m) alloggiata in un box prefabbricato che la protegge dall’ambiente esterno. La zona del box non occupata dalla camera ospita una parte della strumentazione, di controllo e di misura, e costituisce uno spazio utile per l’operatore (Figura 1 A) computer con gruppo di continuità e monitor; B) termometri e manometri del circuito di raffreddamento; C) pompa del liquido refrigerante; D) servovalvola; E) trasmettitore per allarme remoto; F) quadro elettrico di controllo; G) misuratore di CO₂; H) abbattitore di O₃; I) condizionatore; L) termostato di sicurezza).
Al soffitto della camera sono istallate lampade fluorescenti e a vapori di alogenuri, a radiazione diurna, per un totale di 2000 W e sette plafoniere per tubi fluorescenti con emissioni in bande spettrali particolari (rosso-blu, UVB, ecc.). La regolazione dell’intensità radiativa è ottenuta con variatori elettronici comandati dal software di gestione che consente anche la simulazione dell’alba e del tramonto.
Laddove gli studi prevedano l’aggiunta di lampade UV, si possono avere concentrazioni di ozono, O3, superiori a 0,1 ppm (livello massimo compatibile con l’attività biologica). Per mantenere la quantità di O3 a un valore prestabilito, al di sotto di 0,1 ppm, sono stati utilizzati un sensore e un abbattitore, che mantengono la concentrazione di O3 a 0,02 ppm al di sotto del valore impostato.
L’umidità relativa dell’aria nella camera può essere regolata fra 30 % e 80 % con una precisione di ± 5 %. Ciò è ottenuto tramite un apparato di umidificazione-deumidificazione, ubicato all’interno della camera. Quando il valore di umidità dell’aria si allontana del 5 % dal valore prestabilito, il sistema di controllo fa intervenire, l’umidificatore o il deumidificatore fino al ripristino delle condizioni desiderate. Gamma di oscillazione e valore di umidità dell’aria sono impostati tramite il computer di controllo di tutto il sistema.
Per la misura della anidride carbonica, CO2, è utilizzato un sensore all’infrarosso: quando la CO2 scende di 30 ppm sotto a un livello prefissabile fino a 3000 ppm, si attiva una elettrovalvola che immette nella camera una miscela di azoto e CO2 fino a ripristinare il livello impostato con una precisione del 5 %.
Gli attuatori termici sono un ventilconvettore e un gruppo frigorifero, il sensore è una Pt100 inserita nel ventilconvettore. La gamma termica impostabile è compresa fra 5 °C e 40 °C e il sistema riesce a mantenere la temperatura con una precisione di ± 0,2 °C. Il sistema consente programmare cicli termici che simulano le variazioni giornaliere della temperatura dell’aria.
Il movimento dell’aria all’interno della camera è indispensabile per rendere omogenee le sue caratteristiche; a ciò provvedono i diversi ventilatori e aspiratori di cui sono dotati gli attuatori precedentemente descritti.
L’impianto possiede alcuni sistemi di sicurezza.
- Se sono presenti lampade UV, all’apertura della porta, esse vengono spente automaticamente e il loro ripristino è manuale. In caso di superamento del livello prefissato di O3, le lampade UV vengono spente e si attiva un allarme.
- Se la temperatura massima prevista viene superata il computer manda in blocco la camera. In parallelo al computer, per maggior sicurezza, opera anche un termostato a dilatazione. Il blocco della camera si ha anche in caso di guasto del sensore di temperatura o della pompa di circolazione del refrigerante.
- Se la temperatura del fluido refrigerante, normalmente tenuto fra 1 e 5 °C, supera i 15 °C un termostato blocca il funzionamento della camera e viene attivato l’allarme.
- L’allarme viene attivato anche se il valore dell’umidità dell’aria si discosta dal set-point più del 15 % e se la concentrazione di CO2 scende più di 50 ppm al di sotto della soglia impostata.
- Per evitare il rischio di falsi allarmi, che potrebbero avvenire durante i transitori, è stato implementato uno specifico algoritmo.

IL SOFTWARE
Per la gestione di tutto il sistema è stato sviluppato, con linguaggio LabVIEW (provvisto dell’add-on PID Control Toolkit), un apposito software installato su un computer (Pentium III) dotato di sistema operativo Windows 2000. Per l’interfacciamento con sensori e attuatori si sono utilizzate sia le schede National Instruments AT-MIO-16E10 e USB-6008, sia l’interfaccia parallela del computer.
Il software realizzato controlla la concentrazione di CO2 e l’umidità dell’aria con logica ON-OFF, mentre la temperatura dell’aria è controllata con logica PID. Questa logica, nei suoi aspetti essenziali, è schematizzata in figura 2.
Il software ottimizza automaticamente i parametri del controllo PID, in funzione della potenza dissipata dagli attuatori, prendendo come riferimenti i valori ottenuti in sede di messa a punto. La determinazione di questi parametri è effettuata per mezzo della routine che pilota gli attuatori del controllo termico con un segnale a gradino (PID Autotuning).
Il software consente inoltre di programmare cicli giornalieri di temperatura e di radiazione. Per entrambe queste grandezze le variazioni, a rampa, possono essere intervallate di 15 minuti. L’attuazione dei controlli e l’acquisizione dei dati avvengono con un intervallo di 10 s e, di questi ultimi, ogni 15 minuti ne viene memorizzato il valore medio, in un file su disco. Anche i dati istantanei vengono memorizzati su disco fino alla mezzanotte; in questo momento i dati istantanei registrati vengono cancellati e inizia un nuovo ciclo di memorizzazione fino alla mezzanotte successiva. In un file di log vengono memorizzati gli eventi di allarme con indicazione della causa.
Una routine di se-tup permette un’agevole programmazione, da parte dell’utente, sia dei cicli di temperatura e di illuminazione sia dei set-point di umidità e di CO2 (Figura 3).
In figura 4 è riportata la schermata durante il funzionamento della camera; in essa sono indicati i valori attuali e i set-point di tutte le grandezze ed eventuali indicazioni di allarme.Nel grafico è stato selezionato l’andamento temporale della temperatura, nelle 24 ore, reale (linea gialla) e di set point (linea verde).

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