Presso il nostro Osservatorio è conservato un piranometro CM11 della Kipp & Zonen, ormai ritirato dal servizio da almeno vent'anni. Non avendo familiarità con questo tipo di sensore, ho condotto diverse ricerche per approfondire l'argomento. Spero che le informazioni raccolte possano essere utili o interessanti anche ad altri.
Fig. 1 - Piranometro CM11, come figura sulla brochure
Cos’è un piranometro? Un po' di teoria
La World Meteorological Organization (WMO) descrive il piranometro come uno strumento "per misurare la radiazione solare da un angolo solido di 2π steradianti (un angolo tridimensionale) su una superficie piana”.
In parole più semplici, il piranometro misura quanta energia solare arriva sulla superficie terrestre in un dato momento, espressa come potenza per unità di superficie (W/m2). Questo è diverso da concetti più intuitivi come la luminosità (quanto "brilla" la luce) o la temperatura (quanto è caldo qualcosa). Il piranometro non misura quanto è luminoso o caldo, ma quanta energia solare sta ricevendo una superficie. In altre parole, un piranometro misura la potenza solare istantanea per unità di superficie. Va aggiunto che lo strumento misura l'intensità della radiazione solare globale, cioè della radiazione solare diretta più quella diffusa dal cielo (o più propriamente dall'atmosfera) tenendo conto dell’angolo di incidenza della radiazione rispetto alla superfice.
Fig. 2 - Il modello conservato all'Osservatorio
Fig. 3 - Sensore privo dello schermo solare
Fig. 4 - Dimensioni esterne, in millimetri
È importante il rispetto delle unità di misura in gioco. L'unità di misura standard della radiazione solare è il Watt per metro quadrato (W/m2), quindi una potenza su unità di superficie. Per ottenere l'energia totale, serve considerare il tempo di esposizione. Non è raro trovare, in meteorologia, l’utilizzo di unità di misura non relative al Sistema Internazionale con riferimento alle calorie, il Langleys (Ly), ricordando che 1 caloria = 4,184 Joule e quindi 1 caloria/secondo = 4,184 Watt. Per finire di complicare le cose alcune stazioni esprimono la radiazione solare come “decimi di calorie al centimetro quadrato e al minuto”.
Valori indicativi di un irraggiamento solare in una giornata primaverile possono essere di 400..600 Watt/metroquadro ovviamente in funzione della latitudine e della limpidezza del cielo.
Fig. 5 - Sensore con sensibilità in evidenza (4,83 microVolt per Watt su metroquadro)
Fig. 6 - Come il sole vede il sensore
Categorie costruttive
Una buona descrizione, decisamente la migliore che ho trovato, è presente su "Investigations in Pyranometer Design" (D. J. Beaubien, A. Bisberg, and A. F. Beaubien - 01 Jun 1998): “I piranometri adatti alle misurazioni dell'energia solare si possono dividere in due categorie: quelli a conversione termica, che misurano l'aumento di temperatura di una superficie nera riferita a una massa termica (o a una superficie bianca riflettente) e quelli che convertono l'energia radiante direttamente in energia elettrica, ovvero i tipi fotometrici.
I piranometri a superficie nera offrono in genere una risposta uniforme a livello spettrale e alcuni soddisfano o superano le specifiche WMO suggerite per strumenti di alta qualità adatti all'uso come misurazioni standard secondarie. I tipi fotometrici, sebbene meno costosi da produrre, hanno risposte spettrali governate da materiale semiconduttore, in genere silicio, e non sono classificati dalla WMO per applicazioni di grado di riferimento, pertanto non saranno considerati.
Tutti i tipi di piranometri a conversione termica utilizzano caratteristiche comuni: una superficie nera di assorbenza uniforme per ottenere la conversione di energia e una struttura termica controllata. Il flusso di energia radiante in arrivo viene convertito in un flusso termico nella superficie nera; la temperatura di questa superficie aumenta fino a quando il flusso di calore che lascia la superficie è in equilibrio con il flusso radiante in arrivo.” Per fare un esempio se lasciamo la macchina al sole la sua superficie si scalderà fino ad arrivare ad una certa temperatura, raggiunta la quale la capacità di dispersione del calore equilibrerà l’energia che riceve. L'aumento di temperatura della superficie di rilevamento al di sopra della temperatura dell'ambiente circostante è quindi una misura del flusso di calore e quindi è una misura dell'energia radiante in arrivo. L'aumento di calore nella superficie di rilevamento causato dall'energia radiante fluisce verso l'ambiente circostante per mezzo di conduzione attraverso il supporto sul quale è montato il sensore, che funge da dissipatore verso l'atmosfera circostante. Questo però lega la misura alla temperatura dell’ambiente in cui si trova il sensore.
Per rendere la misurazione indipendente è necessario misurare una differenza di temperatura in modo tale che venga rilevato solo l'aumento dovuto alla radiazione in arrivo. “Un approccio consiste nell'utilizzare superfici nere e bianche alternate in una struttura meccanica altrimenti identica e quindi misurare la differenza di temperatura tra queste due superfici. Ciò ha il vantaggio che l'esposizione delle superfici all'ambiente può essere resa virtualmente identica in modo tale che i cambiamenti nella temperatura dell'aria ambiente dell'ambiente esterno abbiano lo stesso effetto sia sulle superfici di rilevamento che su quelle di riferimento. Di conseguenza, tale strumento può essere reso relativamente libero dall'influenza dei cambiamenti di temperatura transitori ambientali esterni.
Nei progetti di strumenti che utilizzano una singola superficie di rilevamento nera uniforme (non segmentata) per ottenere simmetria assiale e buone caratteristiche di risposta ai vari angoli di incidenza, alcuni aspetti della simmetria termica della superficie di rilevamento e di riferimento sono compromessi. La temperatura dell'aria direttamente sopra e a contatto con la superficie di rilevamento è influenzata dalla temperatura della cupola di vetro, che a sua volta è influenzata dalle fluttuazioni della temperatura dell'aria ambiente esterna. Mentre la struttura termica di riferimento è progettata per vedere la stessa influenza termica, è difficile ottenere la simmetria termica che si ottiene con le superfici segmentate nere e bianche. Di conseguenza, due emisferi concentrici (l'equivalente di una finestra a doppio vetro) sono generalmente utilizzati nei piranometri a superficie nera per ridurre l'influenza dei transienti della temperatura esterna. È importante ottenere uniformità assiale nel progetto della superficie di rilevamento perché la riflessione dalla cupola forma una caustica ottica o cuspide, che influenza la misurazione, e qualsiasi non uniformità nella risposta assiale è influenzata da questa area di maggiore radiazione. Per riassumere, entrambi i tipi di piranometri presentano vantaggi e svantaggi. Gli strumenti che utilizzano sia superfici nere che bianche devono fare i conti con l'uniformità e il deterioramento finale delle caratteristiche riflettenti e assorbenti di entrambe le superfici di lavoro. I piranometri neri e bianchi soffrono di una risposta assiale asimmetrica a meno che non venga fornita un'adeguata segmentazione nera e bianca nella progettazione delle superfici. Tuttavia, i piranometri neri e bianchi sono meno costosi da produrre perché possono essere costruiti con una singola cupola protettiva in vetro ottico poiché le variazioni della temperatura dell'aria ambiente e il riscaldamento dell'interno influenzano entrambe le superfici allo stesso modo. I piranometri a superficie nera singola possono essere realizzati senza errori assiali ma richiedono due cupole concentriche con rettifica ottica: una per proteggere lo strumento dalle intemperie e una seconda per isolare la superficie ricevente dal riscaldamento locale. Poiché le cupole ottiche sono i componenti più costosi dello strumento, ciò aumenta il costo di questo tipo di piranometro.”
L’elemento sensibile caratteristico (ovvero il sensore che trasforma la temperatura/radiazione solare in grandezza elettrica) è la termopila, ovvero una serie di termocoppie collegate fra loro. Possiamo definire una termocoppia come un dispositivo composto da una giunzione di metalli differenti (tipicamente rame costantana) che, se sottoposta a calore, sviluppa ai suoi capi una debole tensione grazie all’effetto Seebeck. Le termopile producono una uscita nell’ordine dei 5..10 microVolt per Watt su metroquadro con una notevole impedenza di uscita. Inoltre, la risposta di una termopila non è lineare ed è influenzata dalle variazioni della temperatura dell'aria ambiente. Queste influenze sono solitamente corrette tramite circuiti di compensazione a termistore.
Il CM11
Alla luce di queste informazioni basta uno sguardo per catalogare il CM11 come piranometro a superficie nera singola, sia per la natura della superficie sensibile che per la presenza della doppia cupola. Anche se ora la normativa ISO 9060 (aggiornata al 2018) sia cambiata rispetto al 1997, possiamo già annoverare il sensore come appartenente alla categoria più elevata, ovvero di “standard di riferimento secondario”. Il notevole peso della carcassa metallica (blocco acciaio fresato dal pieno) trova giustificazione nella necessità di dissipazione termica (in riferimento al sistema termico bilanciato).
Fig. 7 - Sensore smontato: chassis, bolla, cupole ed elemento sensibile
Il datasheet ci conferma quanto riscontrato, ma pone ulteriori interrogativi:
“Il piranometro CM11 è progettato per la misura ad alta precisione della radiazione solare globale totale o diffusa del cielo su una superficie piana o livellata. Il CM11 è pienamente conforme alla categoria di prestazioni degli strumenti di tipo Secondary Standard specificata dalla norma ISO-9060, che rappresenta i criteri di prestazione più elevati per un piranometro. La risposta al coseno e la dipendenza dalla temperatura dello strumento vengono verificate e documentate durante la sua fabbricazione.”
La "risposta al coseno" è un criterio di progettazione e prestazione dei piranometri. Misura quanto il dispositivo è in grado di rilevare correttamente la radiazione incidente da ogni angolazione, in proporzione al coseno dell'angolo di incidenza. L'irradianza solare incidente su una superficie è massima quando il sole è perpendicolare ad essa (angolo di incidenza 0°, coseno = 1) e diminuisce con l'aumentare dell'angolo, seguendo la legge del coseno. E' nulla quando il sole è allineato con il piano della superficie (angolo 90°, coseno = 0) o dietro di esso (angolo > 90°, considerata nulla per irraggiamento diretto).
Qui viene introdotta però una novità tecnica fino ad ora sconosciuta:
"Il CM11 include un secondo elemento sensibile integrato (elemento di compensazione della temperatura) oltre al rilevatore/elemento ricevente nero. Questo elemento di compensazione è calibrato per avere la stessa sensibilità del rilevatore ricevente ed è collegato in anti-serie con quest'ultimo. Il segnale di uscita dello strumento viene misurato sull'intero circuito anti-serie. Qualsiasi variazione della temperatura del corpo dello strumento, dovuta a shock termico o a effetti di gradiente termico, viene rilevata rapidamente dall'elemento di compensazione integrato, il quale applica un segnale di correzione al segnale di uscita dello strumento.” In pratica l’elemento sensibile è posto in serie ad un secondo elemento di compensazione. Il termine anti-serie non è altro che una grossolana traduzione di “polarità opposta”. Infatti, sia l’elemento sensibile che l’elemento di compensazione sono termopile, ma poste in serie in modo che il positivo del sensore sia collegato al negativo del “compensatore” che ovviamente non è esposto alla radiazione solare. Il tutto trova giustificazione nello schema elettrico presente nel manuale.
Fig. 8 - Schema elettrico del sensore
In serie ai due generatori è posta una resistenza Rs mentre in un ramo parallelo troviamo un partitore composto da Rv e un resistore NTC (YSI44001A). NTC è l’acronimo di Negative Temperature Coefficient, ovvero un resistore che varia il suo valore (da alto verso basso) all’aumentare della temperatura. Il suo valore nominale è 100 Ohm a 25 gradi centigradi. Mentre il resistore Rs ha il compito di condizionare proporzionalmente la caratteristica di uscita, il ramo Rv/NTC ha il compito di linearizzare la risposta delle termopile (quello che prima veniva citato come “circuito di compensazione a termistore”).
Fig. 9 - Collegamenti del sensore: è possibile distinguere le coppie dei cavi M+M-, C+C-
Fig. 10 - Retro del sensore, Rs a 6 bande. Rv e la NTC sono poste nel retro
Fig. 11 - Ulteriore vista del sensore
In relazione a quanto detto precedentemente, risulta più chiaro quanto riportato nel manuale.
“L’energia radiante viene assorbita da un disco dipinto di nero, caratterizzato da una notevole capacità di assorbimento. Il calore generato si propaga attraverso una resistenza termica verso il dissipatore di calore (il corpo del piranometro). La differenza di temperatura lungo la resistenza termica del disco viene convertita in un segnale di tensione. Questo processo estremamente delicato è facilmente influenzato da fattori esterni, come vento, pioggia e perdite di radiazione termica verso l'ambiente circostante (ad esempio, un "cielo freddo"). Per proteggerlo, il rilevatore è schermato da due cupole di vetro di eccellente fattura.”
.. e ancora:
L’elemento sensibile del piranometro CM11 è un disco ceramico (Al₂O₃) verniciato di nero, scelto per la sua elevata stabilità termica e durabilità. Su questo disco sono impressi, mediante tecniche avanzate a film spesso, ben 100 termocoppie, che formano un’elegante e funzionale termopila. Solo il bordo del disco è in buon contatto termico con il corpo del piranometro (il dissipatore di calore), e lungo questo bordo sono collocate le giunzioni fredde delle termocoppie. Le giunzioni calde, invece, sono situate in prossimità del centro del disco, in una disposizione simmetricamente radiale.
Questa struttura altamente raffinata, unita a una livellazione accurata del sensore rispetto alla bolla di livello integrata, riduce al minimo l’errore di azimut, garantendo misurazioni incredibilmente accurate. Quando il piranometro è illuminato, la radiazione assorbita genera un flusso di calore radiale verso il bordo del disco. La temperatura al centro del disco aumenta proporzionalmente alla resistenza termica, consentendo una rilevazione stabile, affidabile e straordinariamente precisa.”
Sul disco nero di diametro 20 millimetri sono presenti quindi 100 termocoppie disposte in modo radiale, con una disposizione caratteristica delle giunzioni calde e fredde. Non oso immaginare a livello costruttivo quanto possa essere impegnativo realizzare un componente del genere!
Fig. 12 - Elementi costruttivi del CM11
Gamma spettrale
Un’altra problematica da non trascurare è la risposta del sensore alle diverse lunghezze d’onda. La metodologia della misura virtualmente permette di catturare l’energia in tutto lo spettro della radiazione (sia esso visibile o meno), l’unico vero ostacolo è costituto dalle cupole di vetro, che inevitabilmente producono una attenuazione caratteristica (anche perché sono due, concentriche). Le indicazioni ISO definiscono un intervallo spettrale da 0,3 a 3,0 μm (ovvero da 300 a 3000 nanometri) che è piuttosto ampio. Tuttavia, non ci si devono aspettare errori significativi di selettività spettrale perché il vetro utilizzato è di tipo Schott K5. Schott K5 è un tipo di vetro ottico prodotto dalla Schott AG, un'azienda tedesca leader nel settore della produzione di vetri specializzati e materiali avanzati. Il vetro K5 appartiene alla categoria dei vetri crown, che sono caratterizzati da una bassa dispersione ottica (numero di Abbe elevato) e una trasmittanza luminosa eccellente. Questo spiega perché un vetro di una trentina d’anni di cui dieci a esposizione diretta al sole, dopo una passata di panno, sembra nuovo.
Offset
Come ogni sensore, anche il piranometro può essere soggetto ad errori di offset, ossia fornire un valore di uscita diverso da zero anche quando non è esposto a nessuna radiazione. Sebbene il manuale del CM11 tratti ampiamente il tema dell'offset, per questa sede non ritengo opportuno approfondire ulteriormente l'argomento. Come già detto l'offset si riferisce al fenomeno per cui il sensore può fornire un valore di uscita diverso da zero anche in assenza di radiazione incidente, valore che comunque è dell’ordine di 4..6 Watt su metroquadro.
Fig. 13 - Caratteristiche del CM11
Ulteriori elementi
I piranometri di elevata classe sono dotati di diverse caratteristiche progettuali per garantire misurazioni accurate. Tra queste, un essiccatore a sali sostituibile, che previene la formazione di condensa all'interno del dispositivo, che inevitabilmente, causerebbe l’opacizzazione della cupola interna. Sono inoltre provvisti di una bolla integrata, che facilita un allineamento planare preciso rispetto alla superficie desiderata. Infine, il sistema a tre piedini di livellamento consente un'installazione stabile e accurata, permettendo regolazioni fini per ottenere la massima precisione nell’esposizione dell’elemento sensibile.
Fig. 14 - Cartuccia a sali igroscopici e bolla
Conclusioni
Spero che questo breve articolo abbia contribuito a chiarire alcuni aspetti di un sensore che per molti può risultare misterioso o di cui è difficile reperire documentazione. Come sempre, se chi legge desidera aggiungere informazioni, proporre correzioni o condividere ulteriori dettagli, può contattarci tramite la mail dell'Osservatorio (info@ossmeteoimperia.org). Ogni contributo è sempre ben accetto, sia per arricchire la conoscenza comune sia per mantenere viva la memoria di strumenti che, forse, un giorno non saranno più in produzione.
Sitografia
manuale d’uso
brochure
Investigations in Pyranometer Design
