Progettazione di un sistema ad ultrasuoni da utilizzare nella rilevazione di inquinamento marino da idrocarburi

The problem of environmental disasters due to oil spills has characterized recent history from the early ‘900, still being an important risk factor for environmental protection. Aim of this research is designing and implementation of a non-contact ultrasonic sensor system capable of providing the liquid level in the marine environment. This system is part of a very low-cost device developed to detect water pollution by non-conductive liquids (i.e. hydrocarbons floating in the sea), exploiting the different conductivity of fluids involved. Generally, equipment and techniques currently used for monitoring marine water pollution are very expensive. On the contrary, this work focuses on the characterization of a low-cost SRF05 ultrasonic sensor and on its implementation inside a floating organ as a result of data obtained from laboratory tests. A number of experimental tests were conducted using a micrometric linear stage, a triangulation laser, a digital oscilloscope and a post-processing software (MATLAB). Moreover, changes of climatic conditions, such as temperature and humidity, were monitored in a climatic chamber, aiming to establish the best operating range in terms of sensor resolution, and architecture of a buoy. The sensor used in this work showed signal anomalies at regular distance intervals due to anticipated flight times, which led to the adoption of a sensor system consisting in the combination of more SRF05 sensors to optimize the measurement system. In addition, it is presented an analytical method based on ultrasonic signal reconstruction, with the aim to improve the accuracy of the measurement method. The final device is managed by an Atmega328p low-power microcontroller (Arduino) through an algorithm, and can detect the level of liquid surface (sea water or contaminant) with a sensibility of about 1 mm.

Il problema dei disastri ambientali dovuti a sversamenti di idrocarburi in ambienti marini ha caratterizzato la storia recente fino dai primi anni del ‘900, e tutt’ora essi rappresentano un importante fattore di rischio per la protezione dell’ambiente. Dallo studio dello stato dell’arte, si è costatato che le numerose tecniche e apparecchiature attualmente utilizzate per il monitoraggio dell’inquinamento delle acque marine, sono assai costose sia per la loro realizzazione che per la loro manutenzione. Lo scopo di questo lavoro di Dottorato è la caratterizzazione e la progettazione di un sistema di sensori senza contatto in grado di fornire il livello dell’acqua in ambiente marino. Tale sistema fa parte di un dispositivo a bassissimo costo ideato e brevettato per rilevare l’inquinamento dell’acqua da liquidi non conduttivi, idrocarburi fluttuanti, sfruttando la diversa conducibilità elettrica dei fluidi coinvolti. In particolare, il lavoro si concentra sulla realizzazione di un di un sistema sensoristico che permetta di determinare la posizione del pelo libero del liquido. A tale scopo sono stati presi in considerazione alcuni tipi di sensori ultrasonici facilmente reperibili sul mercato, a basso costo, programmabili e gestibili tramite una scheda Arduino. Una serie di prove sperimentali è stata condotta utilizzando slitte micrometriche lineari, laser a triangolazione, un oscilloscopio digitale e software per prove in laboratorio, di analisi dati e post-processing. I cambiamenti delle condizioni climatiche, come la temperatura e l’umidità relativa che incidono sugli output degli strumenti utilizzati, sono stati monitorati per mezzo di una camera climatica al fine di stabilire il miglior range operativo in termini di sensibilità del sensore e una possibile architettura per un prototipo virtuale. Il sensore ad ultrasuoni maggiormente analizzato nel presente lavoro è l’SRF05. Sebbene esso presenti caratteristiche che lo rendono adatto allo scopo, ha mostrato delle anomalie inaspettate. Infatti, ad intervalli di distanza regolari, i valori dei tempi di volo dell’onda ultrasonica risultano sensibilmente inferiori rispetto ad una distribuzione attesa degli stessi. Tale fenomeno ha richiesto l’adozione di una combinazione di più sensori SRF05 al fine di ottimizzare il sistema di misura e così ottenere un sistema di rilevamento con una sensibilità dell’ordine del mm adatta agli scopi pratici previsti.