Valorizzazione delle produzioni vitifrutticole valtellinesi mediante
metodi innovativi
INNOVI’
Attività 1
Sistemi portatili per misure rapide e non distruttive di parametri ottici di
mirtillo, uva e mela in pianta
Obiettivo 1.1
Messa a punto e ottimizzazione di un sistema spettrofotometrico sperimentale per la misura
in campo della riflettanza spettrale nella regione del visibile e dell’infrarosso vicino
Unità
Istituto di Ingegneria Agraria
Risultato 1.1
Un sistema spettrofotometrico sperimentale per la misura in pianta della riflettanza
spettrale Vis-NIR
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Nel periodo aprile – giugno 2005 l’Istituto di Ingegneria Agraria ha realizzato un prototipo di
un sistema spettrofotometrico per la misura in pianta della riflettanza spettrale Vis-NIR
nell’intervallo di lunghezze d’onda 360–1000 nm.
I campioni vengono investiti dalla radiazione luminosa prodotta da un sistema di
illuminazione e la componente riflessa viene misurata da uno spettrofotometro e registrata
tramite un software di gestione dello strumento.
Il sistema è composto da cinque elementi:
1- Sistema di illuminazione dei campioni
2- Cavo a fibre ottiche
3- Spettrofotometro portatile
4- PC per l’acquisizione e la gestione dei dati
5- Sistema di alimentazione
1 Sistema di illuminazione
Il sistema di illuminazione è costituito da una lampada alogena da 50 W e da un portalampada
che permette alla sorgente luminosa di affacciarsi in modo stabile alla fibra ottica che, a sua
volta, veicola la radiazione luminosa sui frutti.
La lampada utilizzata è un faretto alogeno OSRAM modello DECOSTAR COOLBLUE con
riflettore dicroico, potenza nominale di 50 W e tensione nominale di 12 V.
Fig 1.1 – Lampada alogena con riflettore dicroico Osram Decostar Coolblue (4500 K). Il diametro del riflettore
(d) è di 50 mm.
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E’ stato scelto questo modello di lampada in funzione della sua temperatura di colore elevata
(4500 K) che permette di avere un picco massimo di emissione intorno ai 500 nm, utile per
massimizzare l’intensità della radiazione luminosa nella regione di assorbimento degli
antociani.
Spettro di emissione Osram Coolblue 4500K
1800
1600
1400
Counts
1200
Osram
Co o lblue 4500K
1000
800
600
400
200
0
380
480
580
680
780
880
980
Lunghezze d'onda (nm )
Fig. 1.2 – Spettro di emissione del faretto alogeno Osram Coolblue 4500 K utilizzato come sorgente luminosa
del sistema.
E’ stato appositamente realizzato un portalampada metallico che permette di fissare ad una
estremità il faretto alogeno mentre all’altra viene connessa la fibra ottica che veicola la
radiazione luminosa sui campioni. In questo modo la lampada si trova ad essere affacciata in
modo rigido alla fibra ottica, evitando quindi fluttuazioni nell’intensità della radiazione
luminosa che investe i campioni.
Fig. 1.3 – Immagine del portalampada utilizzato per alloggiare il faretto alogeno e il cavo a fibre ottiche.
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2 Cavo a fibre ottiche
Il cavo a fibre ottiche utilizzato (fig. 2.1) è il modello FCR-19IR200-2--ME-S1 prodotto
dall’azienda olandese Avantes. Si tratta di un cavo a fibre in silicio con indice a gradino (step
index).
E’ un cavo biforcato che consente di raccogliere la radiazione luminosa prodotta dalla
lampada alogena, di portarla sul frutto e contemporaneamente di raccogliere la radiazione
proveniente dal campione e di trasferirla allo spettrofotometro.
Il cavo è costituito da 19 fibre in totale, ognuna del diametro di 200 µm. Di queste 17 fibre
vengono utilizzate per l’illuminazione mentre 2 fibre portano la radiazione di ritorno dopo
l’interazione con i frutti allo spettrofotometro. Una estremità (a in fig. 2.1) quindi viene
connessa al portalampada mentre l’altra estremità (b in fig. 2.1) è connessa allo
spettrofotometro. All’altra estremità del cavo (c in fig. 2.1) è presente un puntale in acciaio
inox con il quale effettuare la misura a contatto con il frutto in esame.
Il cavo è rivestito interamente con una guaina metallica di protezione allo scopo di evitare
torsioni eccessive.
Fig. 2.1 – Schema del cavo a fibre ottiche FCR-19IR200-2--ME-S1 utilizzato per questo strumento. Estremità a:
connessione con il portalampada (17 fibre); estremità b: connessione con lo spettrofotometro (2 fibre);
estremità c: terminale in acciaio inox (19 fibre).
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3 Spettrofotometro portatile
E’ stato utilizzato uno spettrofotometro portatile modello AvaSpec-2048 prodotto da Avantes
(fig. 3.1).
Il cavo a fibre ottiche è collegato al banco ottico dello strumento. Il banco ottico di questo
strumento è costituito da cinque componenti, schematicamente rappresentati in figura 3.1:
1- Connettore SMA per il cavo a fibre ottiche: collega la fibra ottica in ingresso nello
strumento con il banco ottico.
2- Primo specchio sferico: ha la funzione di collimare la luce e inviarla al reticolo di
diffrazione.
3- Reticolo di diffrazione: in questa zona dello strumento la luce viene scomposta in
radiazioni dalle lunghezze d’onda differenti e inviata al secondo specchio sferico. In funzione
dell’intervallo di lunghezze d’onda di interesse è stato scelto un reticolo (modello VB,
risoluzione 600 linee/mm) in grado di acquisire lo spettro dei campioni nell’intervallo 3601000 nm.
4- Secondo specchio sferico: raccoglie le radiazioni diffratte provenienti dal reticolo
inviandole verso il sensore CCD.
5- Sensore a matrice CCD 2048 pixel: registra l’intensità del segnale a ciascuna lunghezza
d’onda.
Fig. 3.1 – Immagine dello spettrofotometro AvaSpec-2048 e schema del banco ottico dello strumento.
1) Connettore cavo a fibre ottiche. 2) 1° specchio collimatore sferico. 3) Reticolo di diffrazione modello VB.
4) 2° specchio collimatore sferico. 5) Sensore a matrice CCD 2048 pixel.
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4 PC per l’acquisizione e la gestione dei dati
Lo spettrofotometro è collegato tramite una porta USB a un PC portatile sul quale è installato
il software di gestione dello strumento, l’Avasoft FULL - version 5.
Il segnale registrato dal sensore CCD viene digitalizzato e acquisito da un PC portatile tramite
il software di gestione. Il software registra e permette di visualizzare in forma grafica lo
spettro Vis-NIR del campione.
Il programma di gestione inoltre permette di variare alcuni parametri durante le fasi di
acquisizione degli spettri. Le principali funzioni sono quelle di:
- regolare il tempo di integrazione, ovvero regolare la quantità di luce che raggiunge il sensore
CCD in un intervallo di tempo di lunghezza fissata.
- impostare il numero di ripetizioni dell’acquisizione: con questa funzione è possibile
scegliere il numero di acquisizioni spettrali utilizzate per estrapolare lo spettro medio.
Pertanto lo spettro visualizzato e registrato dal software è in realtà uno spettro medio ottenuto
sulla base di un dato numero di acquisizioni spettrali.
E’ stato inoltre appositamente realizzato ed installato sul PC un software che permette di
controllare automaticamente l’accensione e lo spegnimento della lampada durante
l’acquisizione degli spettri. In questo modo i campioni vengono illuminati in modo uniforme
per il tempo strettamente necessario per l’acquisizione dello spettro, evitando quindi sprechi
di energia per una maggiore autonomia del sistema. E’ possibile infatti acquisire senza cali
nell’intensità della radiazione luminosa prodotta dalla lampada gli spettri di più di 300
campioni.
5 Sistema di alimentazione
Il dispositivo è alimentato tramite una batteria da 12 V e 7 A che fornisce l’energia per
l’accensione della lampada durante le acquisizioni degli spettri Vis-NIR dei campioni. Il
sistema di controllo automatizzato per l’accessione e spegnimento della lampada, oltre a
consentire un’elevata autonomia del sistema, permette di standardizzare le operazioni di
misura garantendo il medesimo tempo di illuminazione dei campioni.
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I vari componenti (portalampada con sorgente luminosa, spettrofotometro e batteria di
alimentazione) sono alloggiati in uno zaino per permetterne il trasporto in campo.
Esternamente allo zaino rimangono per l’utilizzo da parte dell’operatore l’estremità di misura
del cavo a fibre ottiche e il PC portatile.
Fig. 5.1 – Il sistema spettrofotometrico per la misura in pianta della riflettanza spettrale nella regione Vis-NIR
al lavoro in campo.
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