Sensore di interfaccia tra materiali BLESS




In collaborazione con il Politecnico di Milano, GHT Photonics ha realizzato un sensore capace di identificare la posizione dell’interfaccia tra due materiali. Una prima applicazione è stata quella del sedimetro: applicandolo su uno dei piloni del ponte sul Po di Borgoforte (MN), è stato possibile tenere una traccia in tempo reale e anche in condizioni ambientali difficili dello stato di erosione del letto del fiume in corrispondenza del punto d’appoggio del pilone stesso.




  1. Materiali e metodi

    • Sensore di temperatura di Bragg in fibra ottica


    • Il sensore di temperatura è forse la più semplice realizzazione della tecnologia di Bragg. Si tratta in pratica di una normale fibra ottica per telecomunicazioni entro la quale viene inciso un pattern (reticolo) periodico, che funge secondo la legge di Bragg da specchio per una specifica lunghezza d’onda, dipendente dal periodo del reticolo stesso. Detta periodicità a sua volta dipende sia dal processo di costruzione che da alcuni parametri esterni, come appunto la temperatura o la tensione. Un package adeguato mantiene la fibra ottica allentata per renderla immune agli effetti indotti dalla tensione, allo stesso tempo garantendo la protezione necessaria. Si ottiene così un sensore di temperatura piccolo, resistente, accurato e facilmente impilabile: lungo la stessa fibra ottica è infatti possibile collegare fino a 80 sensori. Non sono richiesti per il funzionamento altri collegamenti a parte la fibra ottica, che funge contemporaneamente da sensore e da linea di comunicazione.

    • Generatore di tensione


    • Il sensore BLESS basa il suo funzionamento sulla differente velocità di dissipazione del calore di due diversi materiali, dei quali si voglia misurare la posizione d’interfaccia. Per eseguire questa misura sono necessari, oltre ai sensori di temperatura, anche una fonte di calore. Per questo BLESS fa uso di un generatore di tensione capace di fornire, attraverso una serie di resistenze, la stessa quantità di calore a ciascun sensore di temperatura.

    • Interrogatore per sensori di Bragg in fibra ottica

    • Si tratta dello strumento che rende possibile estrarre dai singoli sensori i rispettivi valori di temperatura. Tramite un laser con sweep in frequenza coprente l’intervallo spettrale tra 1510nm e 1590nm si può determinare la posizione del picco di riflessione dei sensori e quindi la temperatura dell’ambiente ad essi circostante. Si noti che i sensori possono essere costruiti con reticoli di passo diverso in modo da riflettere frequenze diverse e ben spaziate. L’interrogatore dispone di 4 canali, ognuno dei quali è collegabile ad una fibra con fino a 80 sensori. In questo caso si è utilizzata una frequenza di lettura di 1000Hz ma altri modelli permettono velocità ancora maggiori. L’interrogatore funziona anche con sensori di tensione e tensione con correzione di temperatura.
      Lo strumento è in grado di dialogare via ethernet con altri dispositivi e rende possibile il collegamento LAN ad uno o più PC adibiti all’analisi e al data-logging.

  2. Realizzazione dell’esperimento

  3. Il sensore BLESS è stato costruito su licenza di un brevetto del Politecnico di Milano a partire dagli strumenti descritti. La fibra con 34 sensori di temperatura in serie è stata racchiusa assieme ai cavi a resistenza variabile in un’armatura che garantisse allo stesso tempo buona protezione dagli agenti fisici e buona trasmissione del calore.
    Si è ottenuto in questo modo un sensore della lunghezza di 30 metri, lo si è immesso in un tubo d’acciaio parzialmente aperto, collegato al pilone ed in buona parte interrato nel letto del fiume, fino ad una profondità di 20 metri circa. È stato infatti dimostrato che durante i fenomeni di piena l’erosione del terreno sul quale poggia il pilone può arrivare anche alla decina di metri, mentre per un valore di 15 metri l’intera struttura potrebbe già essere instabile.
    L’unità di interrogazione è stata posta in una cabina metereologica vicina al pilone ed è anche stata predisposta un’interfaccia wireless per la lettura dei dati in remoto.

    Il sistema è stato messo in funzione e confrontato con le misure fatte da metodi tradizionali, evidenziando un’ottima precisione e ripetibilità. In più, BLESS si è dimostrato funzionare anche durante fenomeni di piena, dunque in presenza di detriti vaganti e forti correnti, che invalidano o danneggiano strumenti di tipo diverso.

  4. Conclusioni

  5. Lo strumento BLESS ha trovato un’ottima applicazione come sedimetro ed in particolare per il monitoraggio della quota di fondo fiume. In questo modo può essere usato per la previsione di eventuali cedimenti del ponte dovuti alla mancanza di fondamenta, oltre che per dare una rapida indicazione dello stato di salute della struttura dopo eventi di piena, senza dover effettuare costose analisi visive. Il comune di Borgoforte e la provincia di Mantova, committenti dei lavori, sono stati soddisfatti dell’allestimento.

  6. Ulteriori applicazioni

  7. Applicazioni simili per il sensore BLESS si trovano sia nella sua configurazione di sedimetro, ad esempio come:

    • sensore di erosione localizzata prodotta dall’acqua
    • sensore del livello dei detriti negli alvei cittadini per prevenzione del sovralluvionamento
    • sensore di saturazione per le briglie di montagna

    BLESS può inoltre essere usato per misurare la posizione dell’interfaccia liquido/liquido o liquido/gas ed è in paricolare naturalmente immune a disturbi EMI, ha una buona resistenza chimica e offre la possibilità di posizionare l’interrogatore anche a distanze di centinaia di metri. Questo lo rende utilizzabile ad esempio come sensore di livello all’interno di reattori chimici, o dei fanghi in impianti di depurazione, o in discariche dove può anche monitorare i processi di trasformazione sotterranei ed eventuali infiltrazioni o stagnazioni di acqua. La dipendenza della velocità di dissipazione del calore dalla velocità del fluido circostante suggerisce anche applicazioni come flussimetro o anemometro.


Se si desidera maggiori informazioni su questa e altre possibili applicazioni degli strumenti offerti da GHT Photonics, lo staff del settore monitoraggio sarà lieto di rispondere alle vostre richieste.

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