Prototipo al laser per la Prototipo al laser per la determinazione delle polveri sottili determinazione delle polveri sottili

in ariain aria

A.S. 2009/2010Liceo “L. Ariosto Ferrara”Indirizzo Sc. Tecnologico

Autori: Trevisani EnricoPaolo MenegattiFabio NegriFerri Fabio

Per risolvere le difficoltà di misurazione degli attuali metodi di rilevamento meccanico (impattori) delle polveri sottili abbiamo pensato ad un nuovo metodo di analisi basato sulla diffrazione della luce che discriminasse in base alle dimensioni il particolato aerodisperso.

L’idea del prototipoL’idea del prototipo

Principio di funzionamentoPrincipio di funzionamento

A volte capita di poter vedere la luce del sole filtrare attraverso la foschia ottenendo un effetto simile a quello della foto. Questo effetto è causato dalla dispersione della luce quando questa attraversa dei corpuscoli di dimensioni paragonabili a quella della lunghezza d’onda. Secondo questo fenomeno (effetto Tyndall) all’aumentare della concentrazione o delle dimensioni dei corpuscoli attraversati si ottiene un aumento della diffrazione.

Se si utilizza un normale diodo laser, o una luce di bassa intensità, non sarà possibile vedere il raggio.

Puntatore laserPuntatore laserFascio non visibile Luce visibile

sul muro

Ma aumentando la potenza del fascio, o facendogli attraversare una nebbia, il raggio diventa a tratti visibile

Principio di funzionamentoPrincipio di funzionamento

Il raggio diventa visibile in quanto si ha un fenomeno di diffusione, che dipende appunto dall’intensità della luce e dalla concentrazione dei corpuscoli.

Posizionando un fotorilevatore vicino al raggio del laser, si potrà rilevare la quantità di luce dispersa, e di conseguenza avere una stima della quantità di pulviscolo.

Principio di funzionamentoPrincipio di funzionamento

Utilizzando un laser all’argon, regolato ad una potenza abbastanza elevata, si è diretto il fascio all’interno di un tubo.In un tratto il tubo metallico è interrotto, e vi è al suo posto un tubo in plastica, che impedisce il passaggio dell’aria, ma non quello della luce. Una macchina fotografica ed un fotorilevatore sono sistemati in corrispondenza del tubo in plasticaA intervalli di tempo regolari si scatta una foto, e si legge la quantità di luce che colpisce in quell’istante il fotorilevatoreUsando il programma ImageJ (o senza) si contano il numero di particelle.Si costruiscono infine dei grafici particelle-tempo e particelle-quantità di luce.

Principio di funzionamentoPrincipio di funzionamento

Schema del laserSchema del laser

Schema del laserSchema del laser

LaserLaser

Fotorilevatore

Tubo metallico

Tubo in plastica

Approfondimento sull’effetto TyndallApprofondimento sull’effetto Tyndall

Secondo l’effetto Tyndall la luce viene riflessa non solo in base alla quantità di pulviscolo, bensì anche secondo la lunghezza d’onda.

Infatti se la lunghezza d’onda si dimezza, la quantità di luce diffusa aumenta di 16 volte!Quindi la luce con lunghezza d’onda minore, come il viola, o l’azzurro viene diffusa in misura molto maggiore, colorando il cielo, mentre la luce gialla o con lunghezza d’onda minore passa indisturbata.

Approfondimento sull’effetto TyndallApprofondimento sull’effetto Tyndall

Al tramonto a luce del sole attraversa una quantità maggiore di atmosfera, e viene diffusa anche la luce gialla.

Infatti al tramonto gli oggetti appaiono rossi (l’unica lunghezza d’onda che riesce a passare), mentre il cielo resta praticamente blu.

Documentazione dell’esperimentoDocumentazione dell’esperimento

Messa a punto dell’oscilloscopio Dispositivo costruito

Fascio di polveri impattato dal laser

Elaborazione datiElaborazione datiRappresentazione grafica delle particelle impattate

con una tensione elettrica determinata

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0 20 40 60 80 100 120

Numero di particelle

Diffe

renz

a di

pot

enzi

ale

(mV)

Elaborazione datiElaborazione dati

La quantità di luce riflessa (interpretata dall’oscilloscopio come millivolt) e il numero di particelle sono legati da una funzione lineare, descritta dalla curva. Ossia all’aumentare della quantità di polveri, la luce riflessa aumenta in proporzione.

Elaborazione datiElaborazione datiGrafico delle particelle rilevate in funzione del tempo

0

20

40

60

80

100

120

140

0 5 10 15 20 25 30 35

Tempo (min)

Num

ero

di p

artic

elle

Elaborazione datiElaborazione dati

Il legame fra il tempo e il numero di particelle è più complesso.

Il numero di particelle diminuisce in proporzione alla quantità di polveri presenti. Se per esempio la quantità di polveri si dimezza (in quanto cadono per gravità) ogni 5 minuti, la quantità di polveri totale diminuirà sempre più lentamente .

Si avrà quindi sul grafico un’iperbole

Conclusioni sull’esperimentoConclusioni sull’esperimento

Questo metodo non è nato con l’intento di essere il migliore, bensì come prototipo di un principio che un giorno potrà essere sfruttato al meglio, ottenendo rilevatori di polveri rapidi, efficienti ed economici.

Partendo da ciò speriamo quindi di ottenere un giorno una possibile alternativa agli impattore attualmente usati.