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Acquisizione dati e controllo di un sistema di calibrazione di strumenti pluviometrici in laboratorio

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"La flessibiltà di LabVIEW ha permesso di realizzare i moduli di interfaccia all’interno di un unico ambiente di programmazione."

- L. G.. Lanza, UNIVERSITA' DEGLI STUDI DI GENOVA

The Challenge:
Effettuare la caratterizzazione metrologica di 38 strumenti pluviometrici allo scopo di verificarne la rispondenza agli standard WMO (World Meteorological Organization). Per ogni tipologia di strumento e modalità di comunicazione, realizzare un software di interfaccia che consenta di acquisire le informazioni desiderate.

The Solution:
Condurre una serie di test di calibrazione in laboratorio ricavando la curva di errore e di taratura dinamica associata ad ogni strumento. Realizzare i moduli di interfaccia all’interno di un unico ambiente di programmazione che, in virtù della sua versatilità, è stato individuato in LabVIEW di National Instruments.

Author(s):
C. Canepa - UNIVERSITA' DEGLI STUDI DI GENOVA
A. E.. Lovato - UNIVERSITA' DEGLI STUDI DI GENOVA
L. G.. Lanza - UNIVERSITA' DEGLI STUDI DI GENOVA
M. Galiani - UNIVERSITA' DEGLI STUDI DI GENOVA
G. Cassini - UNIVERSITA' DEGLI STUDI DI GENOVA

Breve riassunto
L’indagine sperimentale, inquadrata nell’ambito di un progetto internazionale promosso dal WMO e denominato “Laboratory Intercomparison of Rainfall Intensity Gauges”, ha riguardato la valutazione comparativa di 38 pluviometri captatori, con differenti principi di misura e diverse modalità di acquisizione e trasmissione del dato, in condizioni note.
La calibrazione è stata effettuata nel Laboratorio del Dipartimento di Ingegneria Ambientale (DIAM) dell’Università degli Studi di Genova.
Il sistema utilizzato è in grado da un lato di generare automaticamente opportune intensità di riferimento costanti per intervalli di tempo predefiniti e dall’altro di acquisire le intensità misurate dal pluviometro sotto osservazione.
Dal confronto tra le intensità di riferimento e quelle misurate è stato possibile ricavare, per ogni strumento, l’errore percentuale relativo e la curva di calibrazione e quindi confrontare i risultati, avendo sottoposto tutti i pluviometri alle stesse condizioni di prova.

Articolo
La misura della precipitazione liquida al suolo è cruciale per la maggior parte delle applicazioni idrologiche, in quanto la soluzione delle tipiche problematiche di progetto e di verifica delle costruzioni idrauliche è legata ad una corretta stima dei parametri caratterizzanti il processo di pioggia.
La stima delle precipitazioni è tuttavia affetta da differenti sorgenti di errore e lo scostamento tra il valore reale e quello misurato varia a seconda della tipologia dello strumento utilizzato e delle relative condizioni operative.
Lo strumento di misura della pioggia è il pluviometro: tale strumento restituisce generalmente una misura dell’altezza di pioggia cumulata su un dato intervallo di campionamento da cui, ipotizzando una distribuzione uniforme del processo di precipitazione nell’intervallo considerato, viene dedotta l’intensità media di precipitazione.
Oggetto del presente articolo è la valutazione delle prestazioni di 38 pluviometri sottoposti a test di calibrazione dinamica.
Tale indagine si inquadra nell’ambito di un progetto internazionale, promosso dal WMO, denominato “Laboratory Intercomparison of Rainfall Intensity Gauges”. In tale contesto sono stati fissati gli obiettivi principali, i tre laboratori riconosciuti per l’esecuzione delle prove (Istituto Meteorologico Reale Olandese, Mètèo-France e DIAM), le regole, la metodologia in base alla quale condurre le analisi, la durata della fase sperimentale e la modalità di presentazione dei risultati.
Il progetto si è svolto in tre fasi ed ha previsto una rotazione degli strumenti in maniera tale che ogni pluviometro fosse calibrato in ciascun laboratorio.
Gli strumenti presi in esame (due individui per ciascun modello) appartengono a tre differenti categorie:

12 pluviometri a vaschette basculanti
5 pluviometri a pesata
2 pluviometri basati sulla misura di livello

I pluviometri a vaschette basculanti (figura 1) forniscono una misura dell’intensità di pioggia attraverso il conteggio del numero di rovesciamenti nell’unità di tempo di una vaschetta di raccolta posta in equilibrio su di un perno di rotazione. Tali strumenti sono affetti da un errore sistematico meccanico che, in corrispondenza delle alte intensità (200 mm/h) può condurre ad una sottostima dell’intensità di pioggia dell’ordine del 15% negli strumenti non calibrati.
Riguardo alle altre tipologie, l’intensità viene ricavata a partire dalla misura della precipitazione cumulata. Essi sono in media più precisi rispetto ai sistemi a vaschette basculanti per quanto riguarda la valutazione della precipitazione totale, ma sono contraddistinti da tempi di risposta dovuti al filtraggio del rumore che possono raggiungere i diversi minuti, rendendo in tal modo poco precisa la misura dell’intensità di precipitazione sulle scale di riferimento suggerite dal WMO (un minuto).
Analizzando il funzionamento dello strumento sull’intero intervallo di misura, ed in particolare in corrispondenza di una serie di intensità di riferimento predefinite, è possibile derivare la curva di errore dello strumento e la corrispondente curva di correzione; quest’ultima, interpretabile generalmente tramite una legge di potenza, esprime la relazione tra l’intensità effettiva e l’intensità registrata dallo strumento. La curva può essere utilizzata per la correzione online della misura, oppure applicata ai dati misurati tramite operazioni di post-processing.

La campagna di misure che ha permesso di realizzare la valutazione comparativa (intercomparison) degli strumenti è stata condotta utilizzando il sistema automatico di calibrazione (figura 2) descritto in un articolo precedente (cfr. “Modulo di qualificazione della strumentazione per la taratura dinamica di pluviometri a vaschette basculanti” A. Vallebona, D. Cerisola, G. Cassini, NIDays 2002-2003 pagg. 68-69).

Tale modulo, nella sua versione originale, è stato sviluppato per la calibrazione dei pluviometri a vaschette basculanti.
E’ stato pertanto necessario apportare alcune modifiche all’algoritmo che ne controlla il funzionamento per poterne generalizzare il comportamento, consentendone l’utilizzazione con riferimento alle diverse tipologie e modalità di comunicazione degli strumenti sottoposti a prova. Gli strumenti partecipanti al presente progetto potevano infatti dialogare con un protocollo seriale oppure generare impulsi (TTL compatibili) con caratteristiche associabili al valore della grandezza oggetto di misura.

Il modulo riguardante la generazione di portate costanti e la misura delle intensità campione sono rimasti invariati.

Dovendo confrontare strumenti che hanno caratteristiche e modalità di misura diverse, si è reso necessario modificare l’algoritmo di acquisizione in più aspetti. Ad esempio, per quanto riguarda i criteri necessari a generare intensità di riferimento con incertezza inferiore agli errori che si intende valutare, e per controllare la durata della prova, si è agito sul numero dei rovesciamenti per i pluviometri a vaschette basculanti, mentre si è imposta una soglia sul peso dell’acqua utilizzata nella calibrazione per le altre categorie di strumenti.
Per ogni tipologia di pluviometro è stato infine necessario provvedere ad un’adeguata interfaccia HW-SW in grado di consentire la corretta acquisizione delle intensità di pioggia misurate dagli strumenti:

 Contatto reed e pluviometri a bascula:
il contatto reed, opportunamente alimentato, fornisce un impulso in corrispondenza di ogni rovesciamento della bascula: tali segnali sono stati inviati ad un optoisolatore (al fine di uniformare gli impulsi generati dai vari strumenti, rendendoli TTL compatibili) prima di essere catturati dal sistema di acquisizione.

 Pluviometri con data logger:
per ogni tipologia di strumento si è realizzato un protocollo di comunicazione tra il data logger del pluviometro e NI LabVIEW: gli strumenti virtuali costruiti operano secondo due modalità: ad interrogazione oppure in attesa del dato (figura 3).

 Pluviometro che fornisce semplicemente il peso attuale dell’acqua nel contenitore tramite un segnale codificato in frequenza:
in questo caso si è realizzato uno strumento virtuale funzionante come un frequenzimetro; l’informazione acquisita, a partire da un treno d’impulsi reso TTL compatibile (sempre ricorrendo all’uso di un optoisolatore) è stata correlata al peso dell’acqua utilizzando formule fornite dal costruttore dello strumento.

Nella fase di analisi successiva alla sperimentazione si sono confrontate le curve di errore associate ad ogni pluviometro: ciò ha permesso di valutare gli strumenti, sia all’interno di ogni categoria che tra categorie diverse, in base alle relative prestazioni.
Il rapporto finale del progetto è disponibile online all’indirizzo:
http://www.wmo.int/web/www/IMOP/intercomparisons.html

Author Information:
L.G.. Lanza
UNIVERSITA' DEGLI STUDI DI GENOVA
luca@diam.unige.it

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