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An alisi dell’a tmo sfera
co n tecn ich e d i telerilevam ento:
tra smisso metro Laser
Asper s.r.l.
www.asper-fi.it
Asper s.r.l., via Carnesecchi 39, 50131 Firenze (IT), Tel/Fax: +39-055-571158
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A nali si del l’ at m o sf er a con
t ecni che di t eler ilev am ent o:
t r asm issom et r o Laser
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Analisi dell’atmosfera con tecniche di telerilevamento:
trasmissometro Laser
Si tratta di un metodo per la misura della concentrazione di un gas in atmosfera. Il metodo è
sufficientemente flessibile e robusto tanto da poter essere utilizzato sia per rilievi occasionali che
per realizzare sistemi di osservazione permanente; trova applicazione su aree con estensione da
qualche decina di metri fino a circa 1-2 Km.
Il campo di applicazione di questa tecnica è abbastanza ampio. A titolo di esempio possono
essere segnalati:
• il controllo delle emissioni inquinanti di aree industriali o aree adibite a discarica (monitoraggio
di confine per evidenziare fughe e concentrazioni di fondo di alcuni gas);
• il controllo di processo in genere e il monitoraggio perimetrale per la delimitazione di aree a
rischio di incidente;
• il monitoraggio della qualità dell’aria nei centri urbani;
• il monitoraggio delle emissioni gassose naturali (ad esempio nelle aree vulcaniche).
Telerilevamento
della composizione atmosferica
Il sistema di telerilevamento ottico basato su laser TDL (Tunable Diode Laser) ricava la
concentrazione di una specie chimica in atmosfera mediante una misura trasmissometrica.
Per misure in campo aperto (open-path) il sistema è composto da una sorgente laser TDL che
emette un fascio di radiazione elettromagnetica (generalmente nell’infrarosso); un retroriflettore
(elemento passivo con la funzione di rinviare la radiazione nella direzione di arrivo); un ricevitore
per la raccolta della radiazione trasmessa; un sistema di analisi dati.
La figura 1 presenta uno schema del sistema di misura trasmissometrico: tutti gli elementi attivi
del sistema (la sorgente laser e l’apparato di ricezione) stanno ad un estremo del percorso ottico
(configurazione monostatica) che è chiuso all’altro estremo da un elemento passivo (il
retroriflettore). In questa configurazione di misura il fascio laser attraversa due volte la massa d’aria
sotto indagine.
Durante l’attraversamento dell’atmosfera da analizzare, la radiazione del laser è parzialmente
assorbita dai gas che compongono la massa d’aria stessa. Scegliendo opportunamente la lunghezza
d’onda del laser nella zona dello spettro elettromagnetico in cui si trova una riga di assorbimento
del gas in analisi, è possibile ricavare la concentrazione media del gas nel tratto di atmosfera
attraversato dal fascio.
TRASMETTITORE (LASER)
RICEVITORE
RETRORIFLETTORE
distanza 2D
figura 1: schema del sistema di misura; la massa d’aria sotto indagine è quella compresa tra laser e
retroriflettore
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Il metodo consente di ricavare la concentrazione complessiva integrata su tutto il cammino
percorso dal fascio laser, espressa in ppm-m (parti per milione in volume metro), ovvero la
concentrazione media, espressa in ppm (parti per milione in volume), riferita al tratto di atmosfera
attraversato dal fascio laser.
figura 2: schema di una possibile configurazione di misura. La nuvoletta intende rappresentare una zona in cui è
concentrato il gas da analizzare. Misure eseguite da diverse posizioni consentono di localizzare le zone a più alta
concentrazione.
La sorgente laser può venire agevolmente accoppiata con cavi in fibra ottica ad alta trasmissione,
in questo modo la luce proveniente da un’unica sorgente laser può essere ripartita su diversi
connettori in fibra ottica, permettendo sistemi multipli di misura con un’unica sorgente laser. Ogni
fibra ottica porta ad un’unità di trasmissione e ricezione del segnale ottico (testa laser), il segnale
ricevuto è registrato da un sensore accoppiato all’unita di controllo tramite un cavo coassiale. Allo
stato attuale è possibile l’installazione di sistemi multicanale che permettono sino ad 8 canali di
misura.
Una coppia trasmettitore-ricevitore laser misura la concentrazione della specie chimica di
interesse su percorsi ottici rettilinei.
Utilizzando percorsi ottici multipli dislocati su un’area estesa è possibile realizzare un insieme di
misure simultanee che permettano di ricostruire il campo di concentrazione 2D e 3D sopra l’area di
interesse per mezzo di opportune tecniche di elaborazione dati a carattere tomografico.
Sensibilità della misura
La sensibilità del sistema di misura rappresenta la minima quantità di sostanza misurabile: è il
valore di concentrazione, espresso in ppm-m, al di sotto del quale lo strumento fornisce una
concentrazione pari a zero.
Dato il valore di sensibilità, la quantità minima di sostanza misurabile dipende dalla
localizzazione della sostanza stessa o meglio, dalla lunghezza del tratto percorso dal fascio laser
all’interno della nube. Se la nube della sostanza in analisi è localizzata su una piccola area, è
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necessaria una concentrazione più elevata di quanto non lo sia se la nube è estesa su tutta l’area
attraversata dal fascio.
La tabella 1 riassume per alcuni gas la sensibilità, il valore minimo di concentrazione misurabile
su un percorso del fascio laser pari a 100 m e l’intervallo di misura.
tabella 1: Limiti di rilevabilità dei principali gas (altri gas a richiesta)
Gas
C2H2
C2H4
CH4
CO
CO2
H2S
HCl
HCN
HF
NH3
Intervallo di misura
[ppm-m]
0 - 5.000
0 - 5.000
0 - 5.000
0 - 5.000.000
0 - 5.000.000
0 - 100.000
0 - 3.000
0 - 5.000
0 - 1.000
0 - 5.000
Sensibilità
[ppm-m]
1
1
1
500
500
20
0,3
1
0,1
1
Riepilogo delle principali caratteristiche
Sensibilità su 100m
[ppm]
0,01
0,01
0,01
5
5
0,2
0,003
0,01
0,001
0,01
del metodo
Di seguito sono elencati alcuni vantaggi e svantaggi del sistema in modo da evidenziarne alcuni
aspetti positivi e alcune limitazioni, pensando ad esempio al monitoraggio della concentrazione di
un gas in area urbana o industriale.
Vantaggi:
• tempi di risposta veloci: tipicamente i tempi di risposta sono dell’ordine del secondo;
• l’utilizzo di un laser cioè di una sorgente di luce concentrata permette di realizzare misure su
lunghezze dell’ordine anche del Km;
• la dinamica di misura può essere superiore a tre ordini di grandezza;
• la presenza di una cella interna di riferimento assicura una auto-calibrazione del sistema;
• l’apparato di emissione e ricezione può essere installato fuori dalla zona di osservazione; questo
può consentire, ad esempio in un’area industriale, di installare lo strumento in una zona sicura o
non esposta alla contaminazione di agenti corrosivi;
Limitazioni:
• un solo gas può essere misurato con uno strumento;
• la misura è basata sulla attenuazione di un fascio laser: tutti gli ostacoli che interrompono il
fascio (come persone, veicoli o altri oggetti che attraversano la zona di osservazione) possono
causare l’interruzione dei rilievi; problemi sulla misura si possono avere anche in condizioni di
scarsa visibilità a causa di nebbie dense o vapori che non consentono la propagazione del fascio;
• la presenza del gas può essere rilevata ma non localizzata lungo il percorso del fascio; per avere
una localizzazione della perdita è necessario fare osservazioni da punti diversi in modo da poter
avere un incrocio dei fasci.
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