Automazione e controllo di un sistema a fluorescenza indotta da laser per misura di inquinanti atmosferici.

Author(s):
F. Giammaria - UNIVERSITÀ DI L'AQUILA
L. Rossi - UNIVERSITÀ DI L'AQUILA
C. Dari Salisburgo - CETEMPS - UNIVERSITÀ DI L'AQUILA
P. Di Carlo - CETEMPS - UNIVERSITÀ DI L'AQUILA
G. Visconti - CETEMPS - UNIVERSITÀ DI L'AQUILA

Industry:
University/Education, Research

Products:
Lookout, LabVIEW, PXI/CompactPCI

The Challenge:
Realizzare un sistema automatico di misura degli ossidi di Azoto in atmosfera, ad altissima sensibilità ed accuratezza, per impiego in aree remote.

The Solution:
Controllo del processo di fluorescenza indotta da Laser su piattaforma NI PXI e LabVIEW Real-Time con sistema di supervisione a standard industriale Lookout.

Introduzione
Nell’ambito dello studio sui cambiamenti climatici la comprensione dei fenomeni atmosferici, nonché lo sviluppo di strategie di controllo dell'inquinamento e di contenimento dei gas serra, richiedono misure accurate degli ossidi di azoto NOx (NO + NO2). Le concentrazioni tipiche dell’NO2 variano da 1-100 ppbv (parti per bilione, 1E-9, di volume) nei centri urbani ad alto tasso di inquinamento, a 1-10 pptv (parti per trilione, 1E-12, di volume) in aree remote. Questi ossidi hanno un ruolo fondamentale nel controllo della produzione di ozono (O3), il principale componente tossico dello smog troposferico. L’esigenza di dover effettuare misure altamente sensibili ed accurate e la non disponibilità di sistemi di misura commerciali equivalenti, hanno indotto lo sviluppo di uno strumento ad altissima sensibilità, con ampio range dinamico ed adatto al funzionamento in modalità continua. L’utilizzo di hardware e software di National Instruments ci ha permesso di raggiungere in tempi rapidi questi obiettivi.

Tecnica di misura
Le misure convenzionali di NOx sono effettuate con diverse tecniche, molte delle quali indirette, con problemi dovuti all’interferenza di altre specie chimiche e con sensibilità non sufficiente per misure in aree remote. Il sistema sviluppato presso il centro di eccellenza “CETEMPS” dell’Università di L’Aquila, permette la misura degli ossidi di azoto in maniera diretta utilizzando la tecnica della fluorescenza indotta da laser (L.I.F.), con una sensibilità di 10 pptv, migliore di qualsiasi altro strumento disponibile in Europa.
Il sistema è costituito da una cella tenuta a bassa pressione ( 5.0 E -1 mBar ) in cui viene introdotta aria prelevata dall’atmosfera mediante una pompa e fatta espandere attraverso un ugello calibrato.
Il flusso di aria viene investito ortogonalmente dal raggio Laser con lunghezza d’onda di 532 nm, pulsato alla frequenza di 5 KHz, con una potenza di 11 Watt. In queste condizioni le molecole di NO2 vengono eccitate con conseguente ri-emissione di radiazione a lunghezza d’onda > 532 nm (fenomeno della fluorescenza). Quest’ultima viene misurata, perpendicolarmente al fascio laser, con un fotomoltiplicatore mediante il conteggio dei fotoni emessi. Per eliminare altri effetti indesiderati (lo scattering elastico e Raman) oltre ai filtri ottici (λ>620 nm), si utilizza un ‘filtro temporale’ con un gate attivo dopo 200 ns dall’impulso laser. La calibrazione è effettuata introducendo nella cella, attraverso i Mass Flow Controllers, quantità note di NO2 (bombola NO2 SIT da 8.22 ppm) diluita in aria pura (bombola Aria 5.5).

Controllo strumento L.I.F.
La natura innovativa dello strumento ha richiesto in primo luogo hardware dotato di grande flessibilità, modularità, ottime performance computazionali e robustezza. Le esigenze di gestione dei canali di conteggio con risoluzione temporale dell’ordine delle decine di nanosecondi e la necessità di avere determinismo nell’esecuzione dell’applicazione, hanno guidato la scelta dell’hardware, sulla piattaforma PXI di National Instruments. Il cuore del sistema di controllo comprende: chassis PXI 1042; controller PXI-8196; scheda conteggio PXI-6602 e scheda multifunzione PXI-6259.
Il ruolo svolto dall’ambiente di programmazione grafico LabVIEW è stato determinante nello sviluppo del controllo del sistema. La rapidità nella generazione, nel testing e nella compilazione degli algortmi di controllo, ha consentito infatti, lo start-up dello strumento con tempi non paragonabili a quelli richiesti da altri ambienti di sviluppo.
La struttura dell’applicativo è costituita da un “time critical loop” in esecuzione parallela ad un “normal priority loop”. Il primo, genera il segnale di trigger per lo start dell’impulso laser, sincronizza il gate di conteggio all’impulso stesso ed effettua il conteggio dei fotoni utilizzando il time-base (80 MHz) della PXI-6602 attraverso le librerie NI DAQmx disponibili in LabVIEW. Al secondo loop è affidata la gestione dei sotto-sistemi costituiti da: Pompe da vuoto, Mass Flow Controllers, Valvole dei gas, Misuratori di pressione, Misura della Temperatura ed Umidità Relativa.
La comunicazione tra il controllore PXI ed il Server di supervisione è stata effettuata utilizzando le librerie NI modbus TCP/IP presenti nell’ambiente LabVIEW.

Architettura di sistema
L’esigenza di garantire la continuità di funzionamento, sia nella fase di sviluppo che nella fase di utilizzo in campagna di misura, ha suggerito l’adozione di una architettura client-server tipica dell’industria di processo.
Si è deciso, quindi, di separare la funzione di supervisione da quella di controllo dello strumento usando un ambiente SCADA tale da permettere l’upgrade di gestione del sistema, senza mai interrompere il processo di misura. L’Utilizzo di Lookout di National Instruments ha soddisfatto pienamente questi requisiti ed ha apportato, inoltre, i seguenti vantaggi:

• Supporto nativo per la ridondanza del server di sistema;
• Driver protocollo MODBUS TCP/IP per intercomparazione con rete di strumenti commerciali;• Gestione nativa di un database storico (Citadel);
• Facilità nella implementazione del web server.

Conclusioni
L’architettura ed i prodotti utilizzati nello sviluppo del sistema L.I.F. ne hanno reso possibile l’utilizzo in una campagna di misura intensiva (funzionamento 24h in assenza di controllo diretto di un operatore per un periodo di oltre due mesi) senza presentare failure di alcun tipo.
L’attendibilità e l’integrità dei dati sono stati verificati con test di intercomparazione, con strumenti commerciali allo stato dell’arte. Le prestazioni, l’affidabilità e la robustezza del sistema hanno suscitato l’interesse della comunità scientifica ed industriale, sia per l’utilizzo dello strumento in aree remote (campagne intensive di misure in foreste), che per l’eventuale sviluppo di strumentazione commerciale basata su questa tecnologia.

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F. Giammaria
UNIVERSITÀ DI L'AQUILA
franco.giammaria@aquila.infn.it

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