Sensori Meteorologici

Sensori meteorologici

Non è difficile auto costruire i sensori ma devono essere semplici, in modo che siano affidabili, precisi e facili da pulire. Anche su eBay si possono trovare sensori con prezzi ragionevoli.

Una comune errore, in questo campo, è cercare di ottenere una precisione esagerata. Dato che i sensori stanno all’aperto e si sporcano facilmente, quello che conta più di tutto è la semplicità e la affidabilità. La precisione può essere facilmente corretta e resa lineare dal software. Ricordiamo anche che le precipitazioni e i venti sono talmente variabili, che spostare il sensore di pochi metri, potrebbe dare misure totalmente diverse. Per cui non esageriamo a rincorrere l’1%, a spese di tutto il resto.

Qui vedremo alcuni esempi, scelti tra i più furbi e interessanti.

Anemometri

Gli anemometri sono semplici ed efficaci. Contengono un contatto magnetico che invia un segnale impulsivo ad ogni rotazione del rotore azionato dalla forza del vento. In genere hanno un grado di protezione IP44 e per una velocità del vento pari a 10 km/h forniscono 4 impulsi al secondo. Per collegarli si usano due fili, senza alimentazione e un PIN configurato come Counter con Pullup.

Sensori di pioggia

Queste immagini mostrano una delle migliori implementazioni, realizzata da Yoctopuce: www.yoctopuce.com/EN/article/how-to-build-an-usb-pluviometer

Molti auto-costruttori e sistemi commerciali, usano questa soluzione, che è semplice e affidabile. Con una buona costruzione meccanica, questo tipo di sensore può dare un’ottima precisione.

Collegare i sensori meteorologici

Praticamente tutti i sensori per il vento e la pioggia hanno un contatto che apre e chiude, si possono quindi, impostare i pin di input come DigIn_Pu (ingresso digitale con pull-up) e collegare i due fili del sensore, tra massa e segnale (lasciare il pin del +5 Volt non connesso)

Molti progetti (ad esempio Yoctopuce), consigliano di usare fotodiodi, ma i loro collegamenti sono inutilmente complessi, si deve anche alimentare il led e non si ottengono vantaggi. Inoltre con i fotodiodi, basta un pezzetto di foglia o di polvere, per creare problemi. Meglio usare un magnete e un contatto magnetico sottovuoto (reed relè). Oppure, ancora meglio, un magnete e un chip, che misura il campo magnetico (vedere www.theremino.com/hardware/inputs). –

Collegare i sensori meteorologici via radio

Sia i sensori auto-costruiti che quelli commerciali, possono facilmente inviare i dati, via radio. La soluzione che stiamo preparando, decodifica i pacchetti di bit, completamente in software (Software Defined Radio). In questo modo si potranno ricevere i segnali, da tutti i sensori metereologici, di qualunque costruttore, e su qualunque frequenza (normalmente 169MHz, 433MHz e 868MHz). L’hardware si riduce a un economico adattatore USB per radio e TV (RTL2832U, una decina di Euro, spedizione compresa). Niente da saldare o da preparare, si collega all’USB e funziona. Per maggiori informazioni su queste tecniche, visitare il sito: http://sdrsharp.com

Non saranno quindi necessari, un ricevitore e uno Shield specifico, per ogni nuovo modello di stazione meteorologica (come è usuale con Arduino). Basterà invece, qualche riga di software in più, per decodificare ogni nuovo sensore.

Script Theremino Logger V5

Questo è solo un piccolo esempio basato su Theremino Script. Per costruire un datalogger è meglio usare il Theremino Logger che si scarica da questa pagina.

In attesa delle versioni definitive di Theremino Meteo, abbiamo preparato un esempio per Theremino Script che legge, converte e fa il log di più sensori di vario tipo, tra cui anche gli UV, le temperature e anche le tensioni in Volt o in Millivolt. L’esempio sarà disponibile nelle prossime versioni di Theremino Script. Nel frattempo si può scaricarlo da qui:

Versione inglese: ThereminoLogger_V5_ENG.vb
Versione italiana: ThereminoLogger_V5_ITA.vb
I due file compressi in uno ZIP: ThereminoLogger_V5_ITA_ENG.zip

I file vanno copiati tra gli esempi di Theremino Script, aperti con Theremino Script, configurati per il numero e tipo di sensori e Slot collegati e infine si deve creare il file EXE.

La versione 5 è semplificata e più potente. Contiene formule per i più comuni sensori. Il numero di canali viene automaticamente determinato da quanti slot si scrivono. In questo modo diventa possibile registrare su più colonne lo stesso sensore, in formati diversi (ad esempio Temperatura e Millivolts)

Applicazione Theremino_Meteo

Questa applicazione è solo uno scheletro iniziale. Visualizza solo i dati dei sensori e non produce un log. La pubblichiamo perché contiene le funzioni di decodifica dei fulmini. Presto aggiungeremo anche la lettura del sensore di polvere.

I valori mostrati in “Min distance” e “Mean distance”, considerano tutti gli eventi avvenuti negli ultimi 60 secondi. Forse nelle prossime versioni, allungheremo questo tempo a 10 minuti.

Per vedere i dettagli dei fulmini, si deve mantenere selezionato il tastone a sinistra, relativo ai fulmini. La parte destra della applicazione dovrebbe mostrare i dettagli e i grafici dei sensori selezionati, ma questa applicazione NON E’ FINITA, qualcuno dovrebbe adottarla e finire la visualizzazione dei grafici per tutti i tipi.

Note per le versioni
Versioni 0.4 e 0.5 – Questa applicazione è in costruzione, non fa il log dei dati.
Versione 0.6 – Ora il grafico scorre correttamente verso sinistra anche su Windows Vista.
Versione 0.7 – Eliminato un piccolo errore che accadeva raramente.
Versione 0.8 – Aggiunti i tipi “Velocità del vento in nodi” e “Indice UV”

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Download di Theremino Meteo – Versione 0.8
Theremino_Meteo_V0.8.zip
Theremino_Meteo_V0.8_WithSources.zip (versione per programmatori)

Sensore di fulmini

La particolarità di questo rivelatore è di fornire una risposta logaritmica, approssimativamente proporzionale alla distanza. Per un confronto, tra scale logaritmiche e scale lineari, leggere questa pagina.

In questa nuova versione (versione 4) abbiamo aggiunto R4 che limita la tensione di uscita a 3.3 volt per evitare che il Master mandi in blocco la USB (succedeva raramente ma poteva succedere).

Non stiamo facendo concorrenza alle utilissime mappe dei fulmini su WEB. Noi siamo interessati solo ai fulmini locali, nel raggio di 50 Km o poco più. E non ci interessa la direzione e la posizione, solo la distanza.

In questa immagine si vede bene la differenza tra impulsi elettrici (accensione di elettrodomestici) e fulmini veri. I fulmini producono impulsi più larghi.

L’intento è di avere un segnale automatico per proteggere le apparecchiature sensibili e in questo il nostro misuratore, funziona molto meglio delle mappe su WEB. Le mappe su web non riescono a vedere i fulmini locali, specialmente se sono deboli e bassi. Invece il nostro misuratore, i fulmini locali li segnala tutti. E più sono vicini e più li segnala con precisione. Esattamente quello che serve per proteggere le apparecchiature delicate.

Download del progetto completo in formato Eagle e del file GCode per la fresa:
uploads/files/Theremino_LigtningDetector_V4.zip

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Precisione ottenibile

Attenzione: La scala delle distanze è altamente approssimativa. I fulmini sono tutti diversi tra loro, alcuni sono tra nuvola e nuvola, altri sono verticali, alcuni sono deboli (e vengono considerati più lontani del reale), altri più forti (e vengono considerati più vicini del reale). Ci sono fulmini che durano un tempo brevissimo (quindi indistinguibili dai disturbi elettrici) e altri che durano molti secondi.

Il massimo che si può ottenere è un ordine di grandezza tipo: 100 Km / 10 Km / 1 Km.

La precisione è adeguata per quello che vogliamo ottenere, essere avvertiti del pericolo. Quando si sente il tuono la distanza è inferiore ai 20 Km e si ricevono impulsi fortissimi. Se il temporale si avvicina molto, si fa scattare il relè che isola le apparecchiature, quando si allontana si ripristina il relè. Questo è lo scopo di questo sensore, il resto lo lasciamo alle mappe sul web, che sono fatte apposta per fare statistiche e determinare posizioni.

Tutto quello che è oltre i 100 Km, ci interessa solo durante i test di funzionamento. Le probabilità che un temporale cammini nella direzione giusta per 100 Km, fino a colpirci, sono praticamente zero.

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Video preliminari

Questi sono video fatti durante le prime prove, tenete conto che:

La posizione del sensore è al centro della mappa, indicato con “Bollengo”
Il programma meteo era in costruzione e alcune caselle non funzionavano ancora
Le mappe “blitzortung” arrivano in ritardo da 5 a 10 secondi
Le mappe “blitzortung” non indicano tutti i fulmini. Molti fulmini locali vengono rivelati dal nostro sensore ma nelle mappe su Web non appaiono.

https://www.theremino.com/files/Strikes_1.avi

https://www.theremino.com/files/Strikes_2.avi

Nel primo e nel secondo video si vedono fulmini molto vicini e facendo attenzione si sente anche il tuono (registrato dal microfono). In tutti e due i video la mappa sul web li ha individuati correttamente.

https://www.theremino.com/files/Strikes_2Km_not_25Km.avi

In questo terzo video il tempo tra impulso e tuono indica una distanza di circa 2 Km, ma la mappa sul web colloca erroneamente il fulmine a 25 Km dal nostro laboratorio.

Le distanze sono sempre molto approssimative, non tutti i fulmini hanno la stessa energia. Però abbiamo potuto verificare, con il tempo tra impulso e tuono, che per i fulmini vicini, il nostro rivelatore è più preciso delle mappe Blitzortung.

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Direttività della bobina di ricezione

Per ottenere una sensibilità uniforme in tutte le direzioni, la bobina ricevente deve avere l’asse verticale, come nella immagine qui sotto a sinistra. Se invece la si disponesse come nella immagine a destra, i fulmini davanti e dietro darebbero segnali più forti del reale. Mentre i fulmini sui lati darebbero segnali debolissimi.

Asse verticale – OK Asse orizzontale – NON VA BENE
Sensibilità omnidirezionale Sensibilità bidirezionale

Se non ci fosse il terreno, i lobi di radiazione avrebbero una forma più tondeggiante e regolare. Ma il terreno agisce come un enorme piano di massa, che distorce i lobi e li spinge verso l’alto.

Potrebbe venire naturale pensare di “migliorare” questo sensore, aumentandone la sensibilità. Ma questo progetto si propone di misurare le distanze con buona precisione, non di rivelare i fulmini a migliaia di chilometri.

Un’altra idea potrebbe essere di mettere la bobina in piedi e renderla direzionale in una sola direzione, con qualche schermatura metallica. Non ci provate, l’unico effetto sarebbe di schermare la bobina e non riuscire più ad arrivare ai normali 300 Km. Una struttura in grado di modificare la direzionalità dovrebbe avere dimensioni paragonabili alla lunghezza d’onda. Le frequenze che riceviamo sono approssimativamente intorno ai 100 KHz, quindi la lunghezza d’onda è circa 3000 metri. Per ottenere qualche effetto sulla direzionalità, gli elementi (riflettori e direttori) dovrebbero essere enormi, e spaziati centinaia di metri uno dall’altro.

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Costruzione della bobina di ricezione

L’immagine a sinistra è un rocchetto di filo elastico per bigiotteria (nelle mercerie o su eBay). L’immagine a destra mostra invece una bobina ritagliata dal centro di una “rolla” (bobine grandi 16 cm su cui si avvolgono i componenti SMD). Consigliamo di comprare i “rocchetti per bigiotteria” su eBay da francesina80 e di specificare che devono essere vuoti. Vi farà un prezzo speciale: 2 per 2.5 Euro, oppure dieci per 4.5 Euro, spedizione compresa.

L’importante è che il diametro interno sia circa 60 mm. Il filo circa da 0.18 o 0.22 mm e il numero di spire circa 500. L’impedenza finale deve essere circa 25 mH.

Con una bobina larga appena 60mm, si misura con buona precisione la distanza dei fulmini fino a 300 km. Non sono necessarie antenne esterne, perché si capta solo la componente magnetica, la quale attraversa i muri senza attenuazione.

Immagini delle bobine usate durante le prove:
www.theremino.com/wp-content/uploads/files/Lightning_Sensor_Coils.zip

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Schermare la bobina dai campi elettrici

La bobina deve essere schermata sul lato superiore e inferiore con due grandi rondelle di rame adesivo. Qui è mostrata solo la rondella superiore e il suo filo di collegamento (in verde) ma anche la rondella inferiore deve essere uguale, e anche essa collegata a massa.

Per non diminuire la sensibilità le due rondelle devono avere un foro centrale molto grande e devono essere tagliate, in modo da non costituire una spira in corto. Ingrandire la immagine cliccandola e guardare il punto indicato dalla freccia verde.

Il polo esterno della bobina deve essere collegato a GND. In questo modo, le spire esterne della bobina fanno da schermo a quelle interne. Questo accorgimento riduce molto i disturbi provocati dall’impianto elettrico.

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Posizionare la bobina e il circuito amplificatore

La bobina va collocata ad almeno due metri da ogni filo dell’impianto elettrico. Non si consiglia però di posizionarla in soffitta (o peggio ancora all’aperto). Abbiamo studiato questo rivelatore per essere piccolo e semplice, una giusta collocazione della bobina permette di evitare impianti complessi e di mantenere il tutto nel raggio di pochi metri dal computer.

Inizialmente consigliavamo di posizionare la bobina vicino al circuito amplificatore, collegarla ad esso con un breve cavo schermato e schermare sia il circuito che la bobina. Con questa disposizione, tra il circuito ricevitore e il Master si userebbe un lungo cavo a tre conduttori, come specificato qui.

Recentemente abbiamo fatto nuovi esperimenti e trovato una soluzione migliore. Si chiude il circuito amplificatore in una scatola di alluminio (o rivestita di rame adesivo), collegata a GND. La scatola può stare vicino al PC e al Master. Dalla scatola parte un cavo schermato che va alla bobina ricevente. Per non abbassare troppo la frequenza di risonanza, la capacità del cavo non dovrebbe superare i 200, 300 pF al massimo. Con un cavo per TV, da 75 ohm (RG56 o RG59 da 53 pF per metro) si potrebbe arrivare fino a 3-5 metri. Oppure si potrebbero usare gli RG179 e RG187, che sono molto sottili pur avendo solo 65 pF per metro. Con cavi a bassa capacità si potrebbe arrivare anche a 10 metri.

La bobina ricevente va posizionata per tentativi in modo da diminuire il più possibile il rumore. Ottimo se si riesce a scendere sotto a 100, ma va ancora bene, se si riesce a stare sotto a 150 o 200.

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Controllo del funzionamento

Nella applicazione HAL si deve configurare il Pin come: Adc_16, MinValue = 0, MaxValue = 1000, Response Speed = 100 e pulsante Response Speed disabilitato (non arancione).

L’immagine di sinistra mostra una scala di distanza approssimativa e un livello di fondo minore di 80. L’immagine di destra mostra un disturbo elettrico e un fulmine. Si noti che il fulmine produce impulsi più larghi. Se il sensore è lontano da fili dell’impianto elettrico, i disturbi elettrici dovrebbero essere abbastanza deboli, da non venire conteggiati. La applicazione Theremino Meteo scarta gli impulsi stretti e deboli.

Il livello della linea di base indica il buon funzionamento del circuito rivelatore. Non si dovrebbe superare il valore di 200, meglio se si riesce a stare sotto a 100. Cambiando posizione alla bobina ricevente, allontanandola da ogni oggetto (anche i tavoli in legno conducono) e eventualmente diminuendo la sensibilità con il trimmer, si dovrebbe riuscire ad abbassare questo livello.

Si potrebbe anche schermare la bobina con due fogli di alluminio o di rame, uno sopra e uno sotto, collegati a GND. I due fogli dovrebbero avere un foro centrale ed un taglio radiale, in modo da non costituire una spira in corto, che ridurrebbe la sensibilità. Controllare che il generatore di prova venga rivelato, fino a 100 – 120 cm di distanza.

Per un confronto, tra scale logaritmiche e scale lineari, leggere questa pagina.

In futuro miglioreremo questo progetto, con istruzioni dettagliate. Per ora pubblichiamo le immagini grezze, fatte durante le prove. In queste immagini si vede come si confronta il segnale del nostro sensore, con la distanza indicata dalle mappe Blitzortung:
www.theremino.com/wp-content/uploads/files/Lightning_Distance_Scales.zip

Eventualmente scrivete a Lello, a questo indirizzo, per consigli sulla costruzione e sul funzionamento.

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Generatore di fulmini di prova

Ogni volta che si preme il pulsante il generatore produce un impulso con durata di 200 mS e con frequenza di circa 10 kHz, che si trova nel mezzo della banda passante del rivelatore di fulmini (da 700 Hz a 30 KHz) banda dove i fulmini producono la massima energia.

Con questo generatore è possibile verificare la sensibilità del sensore di fulmini. I fulmini vengono simulati solo come ampiezza. La durata di questi impulsi è più breve di quella dei fulmini veri.

Il generatore è composto da:

Una pila da 9 Volt
Un connettore per pila da 9 Volt
Un resistore da 100 K
Un condensatore da 1 uF 16 Volt
Un pulsante (nelle immagini un microswitch)
Una bobina da 220 uH avvolta su un piccolo nucleo di ferrite aperto (non deve essere chiuso in un barilotto) (circa 50 spire su nucleo da una decina di mm)

La pila mantiene carico il condensatore da 1 uF attraverso un resistore da 100 K. Quando si preme il pulsante il condensatore viene chiuso sulla bobina. La bobina e il condensatore oscillano per un breve istante e generano un’onda elettromagnetica, simile a quella dei fulmini (ma più breve come durata)

La bobina dovrebbe essere simile alla nostra, altrimenti potrebbe dare impulsi magnetici molto più forti o più deboli e falsare il test. Se con 58 spire si ottiene una impedenza molto diversa da 220 uH, allora il tipo di ferrite non è adatto.

- Altezza ferrite = 11 mm
- Larghezza (esterna) = 15 mm

Larghezza (interna) = 7 mm
Spire = 58 (circa)
Diametro filo: 0.5 mm (circa)
Impedenza: 220 uH

Eventualmente scrivete a Lello, a questo indirizzo, per consigli sulla costruzione e sul funzionamento.

La bobina va tenuta con l’asse verticale (e anche quella del rivelatore fulmini deve essere verticale). Un metro di distanza corrisponde a circa 300 Km. Dieci centimetri corrispondono a circa 30 Km. Un centimetro corrisponde a circa 3 Km. Con le due bobine vicinissime si dovrebbe ottenere il massimo segnale (quasi 1000 di valore Thereminico).

Misuratore di campi elettromagnetici

Questo misuratore è una variazione del sensore di fulmini. Ringraziamo Luciano Orsetti per averci dato l’idea. Il circuito stampato è lo stesso, ma il valore di alcuni componenti è stato modificato. Il rivelatore di fulmini lavora da 700 Hz a 30 KHz (banda dove i fulmini producono la massima energia), invece questo rivelatore, lavora da 7 Hz a 300 Hz (banda dei disturbi prodotti dagli impianti elettrici, elettrodomestici e apparecchi elettrici).

A differenza dei normali misuratori EMF, questo apparecchio ha una uscita logaritmica, per cui non necessita di un commutatore delle portate. Per un confronto, tra scale logaritmiche e scale lineari, leggere questa pagina.

La sua grande dinamica (circa 80 dB) permette di misurare, in un’unica gamma, dai segnali più deboli (equivalenti a qualche uV/metro) fino ai più forti (equivalenti a decine di Volt per metro). Abbiamo scritto “equivalenti”, perché normalmente non misuriamo la componente elettrica del campo, ma quella magnetica.

In questo schema (versione 4) abbiamo aggiunto R4 che limita la tensione di uscita a 3.3 volt per evitare che il Master mandi in blocco la USB (succedeva raramente ma poteva succedere).

Componenti
Tre dei condensatori da dieci microfarad (C1, C2 e C5) possono essere elettrolitici. Gli altri tre (C3, C4 e C6) “dovrebbero” essere ceramici (esistono dei ceramici SMD da 10 uF che costano pochissimo). In mancanza di essi si potrebbero usare gli elettrolitici. Gli elettrolitici, teoricamente, potrebbero rovinarsi nel tempo, aumentare la propria corrente di perdita e, dopo molti anni, causare un malfunzionamento del circuito. In pratica, molto probabilmente, funzionerebbero per sempre, o quasi.

Circuito di campionamento
A differenza dei misuratori EMF classici, questo circuito rivela anche gli impulsi brevi. Il circuito composto da T1, T2, R1, R2, R3, R4, C10 e C11, costituisce un “Sample Hold”. Questo permette di vedere (in un grafico) gli impulsi prodotti dalla corrente di spunto dei motori. Nonché i brevi, ma intensi impulsi, prodotti dagli interruttori e dagli alimentatori a commutazione (alimentatori dei PC, cellulari e lampade a risparmio energetico).

Misurare la componente elettrica al posto di quella magnetica
Si potrebbe sostituire la bobina captatrice con una antenna (un filo rigido verticale lungo dieci centimetri). Non abbiamo provato, ma sicuramente sorgerebbero problemi, dovuti al campo elettrico, generato dal misuratore stesso. Molto probabilmente il tutto si metterebbe ad auto-oscillare, mascherando i campi più deboli. Sconsigliamo quindi questa soluzione.

Schermare il misuratore
In tutti i casi (sia che si misuri il campo elettrico che quello magnetico) è bene schermare il circuito stampato, con un contenitore in alluminio sottile (uno o due millimetri). Da un lato, una prolunga standard a tre fili verso il Master e dall’altro lato, un cavo schermato verso la bobina captatrice o l’antenna.

Taratura
Si consiglia di usare una bobina captatrice molto piccola (altrimenti la sensibilità sarebbe esagerata). Un centinaio di spire su nucleo di ferrite da 1 o 2 centimetri, dovrebbero andare bene. Quello che si dovrebbe raggiungere è un campo di misura centrato sui valori “normali”. Cioè una uscita (in valori thereminici da 0 a 1000), che valga meno di 100, all’aperto e lontano da ogni fonte di disturbo. E che arrivi ad un massimo di circa 900..1000, quando si avvicina la bobina a trasformatori o grossi motori. Fissata la bobina captatrice, si dovrebbe infine andare in un istituto o in un negozio, e fare una taratura per confronto, con un apparecchio commerciale.

Taratura con generatore di segnali
Facendo passare una corrente alternata di entità conosciuta, in una bobina con caratteristiche note, si potrebbe generare un campo magnetico con ampiezza precisa. Lo stesso si potrebbe fare con una tensione alternata, su due piastre di grande area e distanti tra loro. Per semplificare i calcoli, sia l’induttore che le due piastre (condensatore), dovrebbero avere dimensioni trascurabili, rispetto alla lunghezza d’onda. Le onde elettromagnetiche “normali”, generate ad esempio da Radio Vaticana o dagli elettrodotti ad altissima tensione, contengono sia il campo elettrico che quello magnetico. Invece i campi prodotti da un induttore puro (molto piccolo), o dalle piastre (molta area ma lunghezza trascurabile), sono quasi esclusivamente magnetici, oppure elettrici. Per cui, se si usa una bobina, come elemento sensibile, si deve tarare con un generatore di corrente e un induttore. Altrimenti si dovrebbero usare generatore di tensione e un condensatore (due piastre conduttive).

Come generatore la rete elettrica a 50 Hz è perfetta. La sua tensione e frequenza sono stabili e la lunghezza d’onda è infinitamente grande (rispetto a qualunque aggeggio costruibile in casa). Attenzione solo a non fulminarsi e a non fornire troppa corrente alle bobine. Per le bobine si potrebbe usare un trasformatore da 12 Volt, e un grosso resistore in serie all’induttore, per stabilire una corrente precisa. Oppure, al posto del resistore, si potrebbe usare una lampadina da faro di automobile. Per le piastre invece si potrebbe usare il 220 Volt diretto, ma qui si deve fare veramente attenzione!!! Il prossimo paragrafo spiega un metodo sicuro per farlo.

Generare un campo elettrico di taratura
Innanzi tutto, anche per semplificare i calcoli, è bene che una delle due piastre stia ferma, cioè la collegheremo alla terra dell’impianto elettrico. Per alimentare la seconda piastra useremo invece un alimentatore sicuro, una normale spina per il 220 Volt, contenente 5 resistori in serie da 220 Kohm (5 in serie danno sicurezza, nel caso che uno dei resistori vada in corto). Si parte da uno solo dei due poli della spina, si attraversano i resistori, e si esce dalla spina con un filo singolo isolato, che andrà alla piastra. La spina andrà infilata nella presa nel senso giusto, cioè con i resistori sulla fase (non sul neutro). Si potrebbe cercare la fase con un cerca-fase, oppure si potrebbe inserire una piccola spia al neon, con il suo resistore in serie, nella spina stessa. La spia va collegata tra la fase (il lato dove sono collegati i resistori) e la terra. Questo sistema è sicuro, dato che i resistori limitano la corrente a un livello non pericoloso, ma NON E’ A PROVA DI INESPERTO!!!

NON COLLEGATE NIENTE ALL’IMPIANTO ELETTRICO – SE NON AVETE BEN CHIARO – CON ASSOLUTA CERTEZZA – OGNI PARTICOLARE DI QUELLO CHE STATE FACENDO.

L’IMPIANTO ELETTRICO E’ GROSSO E CATTIVO – APPENA SI SBAGLIA… ZACK !!!

Il calcolo dei Volt per metro è semplice. Se le due piastre sono di grande area e si trovano ad un metro una dall’altra, allora ci dovrebbe essere un campo elettrico pari a 110 Volt per metro, esattamente a metà tra le due piastre (questo calcolo potrebbe essere sbagliato, io solitamente misuro con spanne e pezzetti di corda).

Espandere la banda passante in alto
Modificando un singolo condensatore (C7), si può ampliare la banda passante in alto, dai 300 Hz proposti, fino a un massimo di circa 30 MHz (limite dovuto allo NE604).

1 uF = 300 Hz
100 nF = 3 KHz
10 nF = 30 KHz
1 nF = 300 KHz
100 pF = 3 MHz
nessun condensatore = 30 MHz

La banda fino a 300 Hz, include i disturbi prodotti, dagli apparecchi elettrici comuni (elettrodomestici, motori, rete elettrica a 50-60Hz, interruttori, lampade a risparmio energetico, etc..)

La banda fino a 30 MHz, copre anche le onde radio, fino a tutte le onde corte comprese (radio commerciali a onde lunghe, medie e corte, trasmissioni marittime, segnali morse, radioamatori e CB). Le più potenti (che possono veramente preoccupare), sono le trasmittenti “broadcast”, in onde lunghe e medie. Alcune di esse trasmettono con potenze assurde, si parla di centinaia di Mega Watt, e sarebbe bene spegnerle (non siamo più nel 900, ci sono modi migliori, e meno inquinanti, per farsi sentire).

Più si amplia la banda passante e più diventa difficile, schermare bene il misuratore. Se i disturbi prodotti dallo stesso misuratore, anche solo pochi microvolt, raggiungono la antenna, o il cavo schermato di ingresso, allora il tutto si mette ad auto-oscillare. In presenza di auto-oscillazioni, il valore minimo si alza, e diventa impossibile misurare i segnali più deboli.

Sensore di pressione atmosferica MPXH6115A

Questi sensori possono essere collegati a un PIN standard configurato come Adc16 con questo semplice adattatore. Abbiamo usato nastro di rame adesivo, tagliato con le forbici e incollato su un pezzetto di plastica. La plastica usata è morbida e biancastra e NON resiste alle alte temperature (probabilmente polipropilene). Alcune piste sono piccolissime, per cui bisogna essere abili e saper saldare bene.

Il segnale di uscita dipende dalla tensione di alimentazione. Quindi se si desidera la massima stabilità si deve stabilizzare l’alimentazione con un adattatore.

Alimentazione con adattatore a 5 Volt
Con questo adattatore si ottiene un 5 Volt molto stabile: hardware/adapters#regulator5

I resistori R1 e R2 adattano segnali da 5 Volt agli ingressi da 3.3 Volt del sistema Theremino. Per questo sensore si consiglia di usare R1 = 3.9k e R2 = 10k. Si consiglia anche di eliminare IC1 (come spiegato nei commenti dell’alimentatore), perché la stabilizzazione prodotta da IC2 è più che sufficiente.

Calcolare i Bar
Partendo dal numero da 0 a 1000, letto da un pin di tipo Adc16, si calcolano i millibar, con una moltiplicazione e una somma:

millibar = ValoreLetto * 1.02 + 105.5

I due coefficienti di questa formula sono stati calcolati, tenendo conto del partitore formato da R1 e R2, del fatto che gli ADC leggono una tensione da 0 a 3.3 Volt e delle caratteristiche del data sheet del sensore MPXH. Con questi due valori si arriva entro il 10% del valore di pressione “locale”.

La pressione locale va poi corretta considerando l’altitudine della stazione e la temperatura dell’aria. Per questa correzione si modifica leggermente il primo coefficiente. Come esempio per una stazione a 255 metri e una temperatura di 20 gradi il coefficiente 1.02 diventerebbe 1.05.

Infine si dovrebbero fare piccole correzioni di ambedue i coefficienti in modo da far corrispondere esattamente i millibar alla media delle stazioni più vicine. Questo sito potrebbe aiutare: http://www.starpath.com/barometers/baro_cal.php

Modulo sensore di umidità HR31

Questo modulo è collegabile direttamente ai pin del sistema Theremino ed è reperibile presso molti rivenditori e su eBay, per circa 9 Euro, spedizione compresa. Cercare “Modulo HR31”.

Il quarto pin è un segnale ON/OFF regolabile con il trimmer. A noi questa uscita non serve (molto meglio fare le elaborazioni e le soglie di scatto nel software piuttosto che con un trimmer) per cui collegheremo solo il pin del segnale analogico, il +5Volt e la massa.

Caratteristiche del modulo Sensore di Umidità HR31
Il modulo fornisce il segnale analogico così come è rivelato dal sensore HR31 e un segnale digitale generato dalla comparazione del segnale del sensore e una soglia regolabile.

Specifiche
– Tensione di alimentazione da 3 a 5V
– Componente base HR-31 seguito dal comparatore LM3943
– Uscita livello TTL (generato dal comparatore)
– Uscita a livello analogico

Connessioni
Pin-1 Segnale Analogico di uscita
Pin-2 Massa
Pin-3 Segnale Digitale di uscita
Pin-4 Tensione di Alimentazione

Modulo sensore di umidità SY-HS-220

Questo modulo è collegabile direttamente ai pin del sistema Theremino ed è reperibile presso vari rivenditori, ad esempio il seguente: http://www.tme.eu/en/details/sy-hs-220/humidity-sensors/syhitech

Sensori di umidità di precisione – HIH4000 e HIH4030

Esistono tre versioni di questo sensore, lo HIH4000 che ha i terminali ThruHole, lo HIH4300 che è SMD e lo HIH4301 anche lui SMD, ma con un filtro per usarlo in ambienti con umidità molto alta e possibile condensazione.

Sono sensori molto precisi e abbastanza economici (dai 12 ai 15 Euro a seconda del fornitore). Un possibile fornitore è RobotItaly: http://www.robot-italy.com/en/hih-4030-humidity-sensor-breakout.html

Questi sensori possono essere collegati direttamente a un PIN standard configurato come Adc16.

Il segnale di uscita dipende dalla tensione di alimentazione. Quindi se si desidera la massima stabilità si deve stabilizzare l’alimentazione con un adattatore.

Alimentazione con adattatore a 5 Volt
Con questo adattatore si ottiene un 5 Volt molto stabile: hardware/adapters#regulator5

I resistori R1 e R2 adattano segnali da 5 Volt agli ingressi da 3.3 Volt del sistema Theremino. Con questo sensore l’adattamento non è necessario quindi è meglio eliminare R2. Si consiglia anche di eliminare IC1 (come spiegato nei commenti del regolatore), perché la stabilizzazione prodotta da IC2 è più che sufficiente.

Alimentazione con adattatore a 4.2 Volt
Un adattatore semplice è illustrato qui: hardware/adapters#regulator4

Con 4.2 Volt di alimentazione, si ottiene una escursione della tensione di uscita da 0.6 Volt a 3.3 Volt, che è perfetta per i PIN del sistema Theremino, configurati come Adc16.

Calcolare l’umidità relativa
Partendo dal numero da 0 a 1000, letto da un pin di tipo Adc16, si calcola la percentuale di umidità relativa, con una moltiplicazione e una somma:

RelativeHumidity% = ValoreLetto * 0.08182 + 18.18

I due coefficienti di questa formula sono stati calcolati, tenendo conto che gli ADC leggono una tensione da 0 a 3.3 Volt e delle caratteristiche del sensore. Chi volesse ottenere una taratura più precisa dovrebbe affinare questi valori e eventualmente anche tenere conto della temperatura.

Sensore di umidità e temperatura ultra-preciso

Questo sensore costa oltre trenta Euro ma è precisissimo (+/-2% di umidità relativa e +/-0.6 gradi di temperatura) e può misurare temperature da -20 a +80 gradi centigradi. Inoltre contiene un filtro che protegge gli elementi sensibili dalla corrosione e lo si può alimentare da 3 a 5.5 Volt. Quindi si può usare il 5 Volt non stabilizzato che arriva dall’USB, e che è presente su tutti i PIN del sistema Theremino, senza interporre adattatori.

I segnali di uscita sono:

Umidità relativa    Tensione    Valore standard (0 - 1000)
     0%             0 Volt        0
   100%             1 Volt      333

Temperatura        Tensione     Valore standard (0 - 1000)
 -50 gradi            0           0
   0 gradi          250 mV       83
  50 gradi          500 mV      166
 100 gradi          750 mV      250
 150 gradi            1 Volt    333

Per ulteriori informazioni consultare il data-sheet: T9600920-579A-HR

Non è facile procurarsi il T9600-L (L = lineare), Mouser e RS non lo tengono a catalogo, e su eBay non si trova. Esiste nel catalogo Farnell, ma solo in Inghilterra: http://uk.farnell.com/ge-sensing-thermometrics/t9600-l/sensor-humidity-temp-0-1vdc-lin/dp/2114182

Fare attenzione che non sia la versione digitale, T9600-D che richiederebbe di riscrivere il firmware apposta per lui. Inoltre i sensori digitali hanno sempre una scarsa risoluzione a causa delle limitazioni degli ADC integrati nel sensore. Ad esempio in questo sensore, pur essendo uno dei più costosi, l’ADC interno è solo da 8 bit per l’umidità e solo da 10 bit per la temperatura.

La versione giusta è il T9600-L, lineare e quindi direttamente collegabile a due pin del sistema Theremino, senza adattatori e senza riscrivere il firmware.

Sensore di umidità del terreno

Questo sensore può essere collegato direttamente ai PIN del sistema Theremino

Cercare “Sensore umidità terreno” su eBay, dovrebbe costare circa 7 euro spedizione compresa.

Sensore di raggi ultravioletti – UVM-30A

Questo sensore può essere collegato ai PIN del sistema Theremino ma attenzione: l’ordine dei fili non è lo stesso dei nostri Pin e anche i nomi cambiano. Quindi si deve collegare il “-” al nostro GND e si devono scambiare i fili Signal e + 5 Volt.

Disposizione fili del sensore UVM-30A:  -  / SIGNAL / +
Disposizione fili dei Pin thereminici: GND / +5 / SIGNAL

Cercare UVM-30A su eBay, dovrebbe costare circa 15 euro, spedizione compresa.

Convertire la tensione di uscita in indice UV

La precisione dichiarata è di circa +/- 1 indice UV, quindi è inutile fare calcoli troppo precisi. Per ottenere l’indice UV basta approssimare il grafico con due segmenti rettilinei, il primo da 0 a 1 e il secondo da 1 a 11. Il calcolo è il seguente:

' Il valore "val" viene letto da uno Slot e varia da 0 a 1000

' ----------------------------- si calcolano i millivolt 
mV = val * 3.3
' ----------------------------- si convertono in indice UV
If mV < 227 Then
    UV = v / 227
Else
    UV = 1 + 10 * (v - 227) / (1170 - 227)
End If

' Il valore di UV calcolato è un numero con i decimali
' per averlo intero si potrebbe convertirlo con CInt
' ma meglio ancora sarebbe mantenerlo con tutti i decimali
' e stamparlo con un decimale solo, con ToString("0.0")

Per questo sensore e altri può essere utile Theremino Logger, un piccolo programma di Theremino Script che converte più sensori di vario tipo e li scrive in un file di LOG.
Theremino Logger si scarica da qui: hardware/inputs/meteorology-sensors#logger

Sensore di pioggia e livello acqua

Questo sensore può essere collegato direttamente ai PIN del sistema Theremino

Cercare “Sensore pioggia” su eBay, dovrebbe costare meno di 2 euro spedizione compresa.

Sensori di temperatura

Per leggere la temperatura facilmente e con grande precisione si consiglia di guardare questo video:
https://www.youtube.com/watch?v=0erUqTAiixs

e di leggere questo post:
www.theremino.com/blog/comment-page-1#comment-12891

I sensori collegati con fili lunghi potrebbero inviare extratensioni ai moduli Master e farli scollegare dalla USB. Per consigli su come riconnettere i Master automaticamente leggere questa pagina:
https://www.theremino.com/downloads/foundations#halcommands

Sensore LM35

Il sensore “LM35” è reperibile facilmente, anche su eBay, per circa 2 Euro

Questo sensore non richiede calibrazione, misura la temperatura ambiente entro +/- 0.25 gradi centigradi, da 0 a +150 gradi centigradi, ed è direttamente collegabile, ai nostri connettori standard a tre fili.

Per misurare temperature da -55 a +150 gradi si deve utilizzare uno schema di collegamenti più complesso.

Esistono varie versioni di LM35, elettricamente sono tutte uguali e tutte potrebbero misurare da -55 a +150 gradi centigradi. Però le varie versioni hanno differenti limiti di temperatura operativa:

LM35 e LM35A possono funzionare da -55 a + 150 gradi centigradi
LM35C e LM35CA possono funzionare da -40 a + 110 gradi centigradi
LM35D possono funzionare da 0 a + 100 gradi centigradi

Elettricamente anche le versioni C e D potrebbero funzionare al di fuori dei loro limiti. Ma si avrebbero caratteristiche di precisione degradate e si potrebbero anche rischiare rotture meccaniche.

Collegamenti lunghi

Se si utilizzano collegamenti lunghi (oltre qualche decina di centimetri) si potrebbero raccogliere disturbi per via capacitiva o induttiva. Ad esempio un fulmine, anche se lontano centinaia di metri, può produrre notevoli correnti e tensioni istantanee sui cavi di collegamento. E si potrebbero verificare perdite di comunicazione della USB o anche rotture di componenti.

Per evitare ogni problema si dovrebbe utilizzare un cavo schermato con due fili interni (meglio se rosso e bianco per riconoscerli), ed effettuare i collegamenti come nei due schemi seguenti.

Questo primo schema può misurare solo temperature positive

Questo schema può anche misurare temperature negative

Nel secondo schema la tensione di zero è stata spostata in alto di 1.2 volt per mezzo di uno zener di precisione (LM385-1.2) e quindi si possono misurare anche le temperature sotto allo zero. La tensione risulta spostata di 1.2 volt in alto e si dovrà sottrarla nella calibrazione del sofware di misura.

In tutti e due gli schemi il resistore da 2.2k vicino allo LM35 serve per evitare auto-oscillazioni causate della capacità del cavo. Forse si potrebbe anche eliminarlo ma il data-sheet dello LM35 dice espressamente di aggiungerlo. Invece il resistore da 22k vicino al Master serve per evitare che disturbi provenienti dal cavo possano bloccare la comunicazione USB.

Altri sensori di temperatura

Sensore “AD592” – Mouser 584-AD592ANZ o eBay – da 5 a 8 Euro

Non richiede calibrazione, misura la temperatura con precisione e ottima linearità, da -25 a +105 gradi centigradi. Il segnale di uscita è una corrente di 1 uA per ogni grado centigrado a partire dallo zero assoluto. Quindi a zero gradi fornisce 273 uA. Per ulteriori informazioni leggere il data sheet: AD592 data sheet (PDF)

Questo sensore fornisce una corrente indipendente dalla tensione di alimentazione, per cui lo si alimenta con il 5 Volt disponibile su tutti i pin e lo si collega a massa con un resistore da 10K. Il punto di collegamento tra sensore e resistore è il segnale da leggere. Lo si collega al punto “SIGNAL” di un PIN e lo si configura come Adc16.

Sensore “TMP36” – www.Solarbotics.com/product/35045 – circa 3 Euro
Non richiede calibrazione. Misura la temperatura ambiente entro +/-1 grado centigrado, da -40 a +125 gradi centigradi ed è direttamente collegabile ai nostri connettori standard a tre fili. La disposizione dei pin di collegamento è la stessa dello LM35.

Sensore “501F” – Farnell 2191831 – circa 8 Euro
Non richiede calibrazione, misura la temperatura da -10 a 60 gradi ed è direttamente collegabile ai nostri connettori standard a tre fili.

Questo sensore è molto preciso, copiando dal datasheet: “With an accuracy of ±0.1K in a range of 40K (e.g. 5°C to 45°C), the sensor is more accurate than a class F0.1 (DIN EN 60751) platinum sensor. Extended long wires (> 10m) will not influence the accuracy”

Convertire i valori thereminici (da 0 a 1000), in gradi centigradi
Tra gli esempi di Theremino Script, c’è il file “TempMeter.vb”, che contiene le formule per lo LM35 e il 501F. Usatele come esempio. Per aggiungere altri sensori, basta aggiungere due righe con formule simili. Oppure le stesse formule possono essere copiate, e usate in altri linguaggi.

Estendere le temperature misurabili
Per temperature da -80 a +300 gradi si consiglia di usare sensori di tipo NTC, PTC, PT100 o, meglio di tutto, le PT1000 del capitolo seguente.

PT1000

Le PT1000 sono resistenze al platino con coefficiente di temperatura positivo (PT). Il 1000 significa che a zero gradi hanno una resistenza di 1000 ohm esatti.

Al loro interno c’è un piccolo elemento resistivo, che è normalmente incapsulato in un cilindro di acciaio. Le sonde sono corredate con fili di collegamento adatti alle alte temperature. Fare click sulle immagini per ingrandirle.

Esistono anche le PT100 e le PT 500 (rispettivamente da 100 e 500 ohm a zero gradi) ma è preferibile usare le PT1000 perché è più facile misurarle. Le PT1000 possono essere usate fino a temperature molto alte (normalmente 300 gradi e fino a 650 gradi alcuni modelli). La precisione di misura e la stabilità sono ottime. Infine le PT1000 non richiedono gli accorgimenti speciali (giunto freddo) e i materiali speciali, che servono per le termocoppie.

Tabelle per le PT100, PT500 e PT1000:
Theremino_PT100_500_1000.pdf

Un rivenditore che ha molti modelli di sensori PT1000:
http://www.tme.eu/en/katalog/?art=PT1000-TO92

Quando si comprano fare attenzione che siano veramente PT1000 al platino, e che quindi rispettino la tabella standard di valori resistenza / temperatura.

Collegare le PT1000 ai Pin del sistema Theremino

Il metodo più semplice è collegare la sonda a un Pin configurato come Res_16, e poi calcolare la temperatura in software, con una formula adeguata. Con questa semplice soluzione si sfrutta solo una piccola parte dell’ADC, per cui la risoluzione di misura è molto scarsa. Anche con la migliore taratura, la precisione sarà intorno a +/-10 gradi (che non è poi così male considerando che si misurano temperature molto alte).

In questa soluzione si configura il PIN come ADC 16 e si alimenta la PT1000 con un resistore da 1.5 kohm, partendo dai 5 Volt. I 5 Volt non sono stabilizzati, per cui la taratura resta valida, solo a patto di non cambiare computer e porta USB. Comunque la risoluzione è ottima, si parla di frazioni di grado centigrado, da -100 a +100 gradi, e fino a due gradi, alle più alte temperature.

Questa è la soluzione che consigliamo. Si configura il PIN come ADC 16 e si collega un resistore da 1 kohm ai 3.3 Volt. La risoluzione è ottima, si parla di frazioni di grado centigrado da -100 a +100 gradi, e fino a due gradi, alle più alte temperature. La stabilità e la precisione sono perfette, dato che si usano i 3.3 Volt stabilizzati. L’unica difficoltà è che il 3.3 Volt non è disponibile sui Pin di InOut. Si potrebbe aggiungere un regolatore, oppure collegare un filo ai 3.3 Volt del connettore ICSP.

In quest’ultima soluzione si configura il PIN come ADC 16 e si alimenta la PT1000, con una corrente costante di 1 mA, generata da un integrato regolatore, a partire dal 5 Volt presente su tutti i Pin. Basta un piccolo adattatore, costruibile con il nastro di rame adesivo, o anche saldando direttamente i tre componenti, uno all’altro. Questa soluzione è più complessa, ma ha una risoluzione costante inferiore al grado centigrado, fino alle più alte temperature (500 gradi e oltre).

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Con i nuovi moduli Adc24 si ottiene maggiore precisione. Un modulo Theremino Adc24 può leggere fino a 4 PT1000, configurate a quattro fili, cento volte al secondo e con grande precisione.

Taratura con due coefficienti o con tabella

Nel software si possono usare due coefficienti di taratura, uno per tarare lo zero e l’altro per tarare la pendenza. Oppure, per ottenere la massima precisione, prima si calcola la resistenza con una formula e poi la si confronta con la tabella delle PT1000, in un array di numeri float.

Il software può essere scritto in VbNet, o più semplicemente con Theremino Script, oppure con il semplicissimo Theremino Automation.

Sensori di Temperatura a termocoppia

Usare le termocoppie è difficile. Si devono usare giunzioni di metalli specifici ed è anche necessario compensare la temperatura del giunto freddo, misurandola con un sensore di temperatura ambiente. Anche la taratura e il calcolo della temperatura sono difficili. Consigliamo quindi di usare al loro posto le PT1000, illustrate nel capitolo precedente.

Le termocoppie possono essere collegate a un pin standard di input del sistema Theremino attraverso il millivoltmetro differenziale, configurato con i valori seguenti: R1=100k / R2=100k / R10=1k.

Qui si trovano ottime tabelle per le termocoppie: www.ni.com/white-paper/4231/en

Per le termocoppie potrebbe anche essere utile dare una occhiata qui: www.phidgets.com/products.php?product_id=1048

Limitatamente alle sole termocoppie di tipo K (le più usate) è possibile una soluzione semplice con gli AD597 – Farnell 1438419 – circa 4 Euro Questi cip fanno internamente la compensazione del giunto freddo. Sono direttamente collegabili ai pin standard del sistema Theremino per misurare temperature da 0 a 330 gradi centigradi. Per misurare temperature da -200 a 1250 gradi centigradi basta usare un adeguato partitore in modo da riportare la tensione nel range da 0 a 3.3 Volt. Per le temperature negative il partitore deve comprendere anche un resistore verso il 3.3 Volt stabilizzato.

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Con i nuovi moduli Adc24 si potrebbe ottenere maggiore precisione. Un modulo Theremino Adc24 può leggere fino a 8 termocoppie, cento volte al secondo, con grande precisione.

Termometri e Termostati

Con il sistema Theremino è facile misurare e stabilizzare le temperature. Il lavoro sporco lo fanno la applicazione HAL e il firmware che c’è sul Master, per cui con poche righe di software si possono costruire termometri e termostati da laboratorio, su misura per le proprie esigenze.

Il software di controllo potrebbe essere scritto con Theremino Script, con Theremino Automation oppure in VbNet, in CSharp o anche in altri linguaggi di programmazione meno usati, come Java, C++, Phyton, Pascal etc…

Ecco, come esempio, un interessante e utile termometro e termostato scritto da Marco Russiani.

Questi sono i file di documentazione:
Theremino_TempController_ENG.pdf
Theremino_TempController_ITA.pdf

Download di Theremino Temp Controller – Versione 1.5
Theremino_TempController_V1.5.zip
Theremino_TempController_V1.5_WithSources.zip (versione per programmatori)

Sensori Meteorologici