Lo studio delle caratteristiche del moto ondoso, così come delle correnti marine nel lungo periodo è fondamentale per prevedere le sollecitazioni cui il dimostratore sarà oggetto durante la sua ‘vita’ operativa. Il dimensionamento della struttura e delle relative componenti, così come dei sistemi di ancoraggio, dovrà quindi tenere conto delle forze in gioco. L’osservazione diretta del moto ondoso e delle correnti è necessaria per una corretta previsione e non può basarsi su modelli numerici che generalmente sono più o meno validi solo su larga scala. Fenomeni locali possono creare condizioni che si discostano anche notevolmente dalle previsioni medie non trascurando il fatto che onde e correnti hanno andamenti generalmente indipendenti essendo generati da forze diverse e possono in alcuni casi sommare gli effetti. Per il raggiungimento dell’obiettivo si prevede quindi di installare un misuratore acustico, basato su tecnologia Doppler, sia delle onde che delle correnti che fluiscono a nei diversi strati d’acqua tra il fondo e la superficie. Lo strumento verrà installato sul fondo marino, su opportuna piattaforma di ancoraggio, con i propri trasduttori orientati verso l’alto. Il sistema è capace di operare in modalità autonoma registrando i dati su memoria interna con autonomia di diversi mesi alle frequenze di misura necessarie ad una corretta rilevazione del fenomeno. La profondità di installazione terrà conto delle caratteristiche di operatività dello strumento, è sarà tale da evitare l’interazione fondo tipica del sotto costa. Lo strumento verrà ispezionato periodicamente per lo scarico dei dati e la manutenzione. Il sito potrà essere teatro di sviluppo e di test di un nuovo apparato di misura del moto ondoso basato su tecnologia acustica ma di costo molto più basso dei sistemi doppler per una possibile introduzione sul mercato. I dati acquisiti verranno elaborati per lo studio delle dinamica delle correnti, generalmente periodiche nello Stretto di Messina e suoi dintorni, e la caratterizzazione del clima ondoso dai diversi quadranti e periodi dell’anno, fortemente legato al clima ventoso, al fine conoscere le direzioni prevalenti e dominanti e relative intensità. La stazione di acquisizione è installata in mare, sui fondali compresi nello specchio acqueo antistante il laboratorio di ricerca del progetto MEL, ad una profondità di circa 30 m.
[label style=”success”]
Figura 1: Posizione del punto di acquisizione dei dati ondametrici in località foce Calopinace.
[/label]
Descrizione del sistema di acquisizione per i dati ondametrici
Sonde ultrasoniche con principio di ecoscandaglio inverso – Sistema AWAC
Uno degli strumenti utilizzato per la campagna di misura del moto ondoso è il sistema AWAC (Acoustic Wave Nortek e Current Profiler), ideato e prodotto dalla Nortek. Tale tipologia di strumentazione permette di determinare l’altezza delle onde, la sua direzione di propagazione ed il profilo di corrente basandosi sul principio di ecoscandaglio inverso. L’altezza delle onde ed il periodo vengono determinate dal sistema mediante l’utilizzo di un sensore acustico, basato appunto sul principio di ecoscandaglio inverso, orientato verticalmente e disposto al centro dell’array di celle di cui è costituito lo strumento (fig. 2). Il sensore invia un impulso verso la superficie marina e rilevando poi l’eco riflesso, valuta il tempo impiegato dal segnale sonoro nel percorre la distanza per cui genera una serie temporale dell’elevazione di superficie. La direzione delle onde viene calcolata combinando il monitoraggio acustico della superficie con la misura della velocità orbitale da parte dell’array di celle di misurazione disposte in prossimità della superficie stessa (fig. 2). I dati registrati dai quattro punti di misura che costituiscono la matrice vengono successivamente elaborati con il metodo della massima verosimiglianza per ottenere accurati spettri d’onda direzionali. AWAC è piccolo, robusto e adatto per il funzionamento pluriennale in ambienti difficili. La parte meccanica dello strumento è tutta realizzata in plastica e titanio per evitare la corrosione. Essendo installato al di sotto della superficie del mare, la strumentazione è generalmente protetta dalle complicazioni in superficie, come intemperie, atti di vandalismo e il traffico navale. La registrazione e la trasmissione dei dati può essere gestita in linea o in modalità stand-alone. In uso stand-alone, i dati grezzi sono conservati nel data logger interno alimentato da un sistema di batterie esterne. I sistemi in linea presentano diverse configurazioni di comunicazione. I più comuni sono, cavi off-shore (max 5 km) o modem acustici.
[label style=”success”]
Figura 2. – a) Principio di misura dell’altezza della superficie libera. b) Misura della direzione di propagazione delle onde.
[/label]
Il sistema AWAC è stato inizialmente concepito come un sistema di monitoraggio costiero ma può facilmente essere adattato alla misura del moto ondoso in mare aperto in quanto esiste la versione “Platform Mount AWAC” (fig. 3a), la quale consente allo strumento di essere montato direttamente su una struttura offshore. Tale configurazione permette di installare lo strumento abbastanza vicino alla superficie marina e nello stesso tempo mantenerlo al riparo da tutte quelle operazioni che avvengono attorno alla struttura che potrebbero danneggiarlo. Questa versione impiega quattro trasduttori acustici asimmetricamente disposti su un emisfero in modo tale da assicurare che le direzioni delle onde acustiche puntino lontano dalla struttura di montaggio. Quando invece si desiderano misurazioni delle onde in acque in cui l’elevata profondità di installazione non consente il buon uso del dispositivo (60-100 metri di profondità), e non esistono strutture fisse ove collocarlo, esso può essere posto su una boa subacquea e posizionato dunque alla profondità desiderata, ad esempio, 30 metri sotto la superficie (fig. 3b). Il risultato sarà quello di misurare le caratteristiche dell’onda come se fosse montato sul fondale a 30 metri.
[label style=”success”]
Figura 3. – a) Versione “Platform Mount AWAC”; b) Misurazioni direzionali con AWAC distribuito su una boa del sottosuolo e posizionato vicino alla superficie.
[/label]
La strumentazione è posizionata a largo del sito in cui sorge il laboratorio di ricerca del progetto MEL. In figura 1 vi è riportato il punto di ubicazione.
Altimetro ad ultrasuoni – Sistema PA200-Tritech
Il prototipo che viene utilizzato è un dispositivo in grado di misurare l’elevazione della superficie dell’acqua attraverso un sistema a microcontrollore. Il dispositivo è in grado di ottenere i dati relativi allo spettro direzionale, oltre che alla stima degli spettri a righe e dell’altezza significativa. Il prototipo realizzato è mostrato in figura 4 mentre il suo schema a blocchi è riportato in figura 5. In quest’ultimo possiamo distinguere il sensore a microcontrollore e il centro elaborazione e distribuzione dei dati.
Il sensore a microcontrollore è caratterizzato da:
- un modulo sottomarino formato dalla strumentazione sul fondale per l’acquisizione dei dati: due sensori acustici, la scheda a microcontrollore, la struttura meccanica di supporto, vari cavi e infine il pacco batteria per l’alimentazione;;
- un modem GPRS posto su una piattaforma galleggiante che si occupa di ricevere i dati provenienti dal modulo sottomarino e di ridirigerli verso il centro di raccolta e controllo a terra.
Il centro elaborazione e distribuzione dei dati ha il compito di elaborare i dati registrati sul fondale, salvarli in un database e infine, renderli disponibili in tempo reale sul web.
[label style=”success”]
Figura 4 – Schema del prototipo
[/label]
[label style=”success”]
Figura 5 – Schema a blocchi
[/label]
Il vantaggio principale del sistema proposto è che la strumentazione è situata in sicurezza sul fondale, quindi si riduce il rischio di furti o danneggiamenti per effetto di collisioni con imbarcazioni. Il dispositivo presentato, prevede la trasmissione e l’elaborazione dei dati in tempo reale. Anche se è stata, prevista una funzione di datalogger, così da non perdere i dati nel caso di problemi dovuti alla comunicazione.
Infine, a partire dai dati grezzi che vengono memorizzati, è possibile estrarre anche altre caratteristiche tipiche di uno stato di mare, utilizzando, ad esempio, algoritmi differenti. L’altimetro digitale PA500 della Tritech è in genere utilizzato per effettuare misure sottomarine di distanza, nel nostro caso per effettuare misure di altezza d’onda. L’altimetro PA500 può comunicare dall’ambiente sottomarino attraverso le porte RS-485 o RS-232 a 9600 Baud o fornire le uscite sotto forma di segnali analogici 0-10VDC (o 0-5vDC).
[label style=”success”]
Figura 6 – Altimetri digitali
[/label]
Montato verticalmente dà la profondità del fondo marino, posto diversamente effettua misure di distanza sottomarine.
Caratteristiche fondamentali:
- Opzioni basse tensioni di funzionamento
- Opzione uscite soltanto analogiche
- Opzione uscite soltanto digitali
- Opzione uscite analogiche e digitali simultanee
- Immunità verso il rumore
L’altimetro può essere modificato per applicazioni differenti.
Applicazioni:
- Misura di altezza d’onda
- Integrazione dell’altimetro ai pacchetti batimetrici
- Controllo di strutture sottomarine
- Controllo della raschiatura intorno ai supporti del ponticello Caratteristiche tecniche:
Per quanto riguarda il principio di funzionamento, questi altimetri emettono un fascio impulsivo di ultrasuoni, composto da una o più onde propulsanti che si espandono a partire dalla membrana di emissione. Come tutto ciò che si propaga, il fascio ultrasonoro si espande in forma conica, con un angolo tipico che dipende dal sensore. L’eco riflessa dal bersaglio (superficie) ritorna al trasduttore. La distanza tra il bersaglio ed il sensore viene ricavata dall’intervallo di tempo tra la trasmissione del fascio e la ricezione dell’eco. Il sensore converte l’intervallo di tempo in un segnale digitale che è utilizzato internamente per calcolare la distanza dell’oggetto da rilevare.
Conoscendo la velocità del suono, questi altimetri calcolano tale distanza utilizzando la seguente relazione:
= 2 s
dove:
- Cs è la velocità del suono in metri per secondo;
- t è l’intervallo di tempo totale di andata e ritorno del segnale;
- R è la distanza in metri.
La velocità nominale del suono in acqua è 1.500 m/s. Si consideri che tale velocità è influenzata dalla temperatura, dalla pressione e dal grado di salinità dell’acqua. I sensori utilizzati considerano questa velocità pari a 1473 m/s.
Il fondo scala di ciascun altimetro indicato nel relativo datasheet_n. 9 è pari a 50 m.