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Un conduttimetro da campo

Per noi speleologi è fondamentale poter analizzare le proprietà chimiche delle acque, per identificarle. Uno degli strumenti più comodi da utilizzare è il conduttimetro: si tratta di uno strumento che misura la conducibilità elettrica dell’acqua, che è ovviamente dipendente dalla tipologia e quantità di sali presenti. Se si misurano contemporaneamente diverse sorgenti si può capire (con una certa approssimazione) quali di esse abbiano la stessa acqua e quali invece siano chiaramente diverse.

Il problema dei conduttimetri commerciali è che sono molto costosi, e i fondi a disposizione dei gruppi speleologici per l’acquisto di strumenti di ricerca scientifica non sono molto alti. Un conduttimetro portatile economico costa mediamente intorno ai 500-600 euro. I modelli più costosi superano i 1200 euro.

Nel progetto Meatloaf del Gruppo Speleologico Talpe del Carso, volto a sviluppare nuove tecnologie per le ricerche scientifiche nella speleologia, abbiamo iniziato a sviluppare un conduttimetro portatile, con questi obiettivi:

  • Deve costare intorno ai 200 euro, cella inclusa
  • Deve essere costruito con pezzi facili da reperire, così da poterlo riparare
  • Deve essere facile da trasportare, sia in campagna che in grotta
  • Deve essere facile da utilizzare, il più possibile automatico
  • Deve avere un datalogger
  • Deve essere quanto più accurato possibile

A che punto siamo?

Per il momento è complicato fare una stima precisa del costo, visto che stiamo ancora selezionando la cella conduttimetrica. E il prototipo costa sicuramente più del prezzo finale, perché abbiamo dovuto sovradimensionare la costruzione per sicurezza. Ma speriamo di riuscire a stare sotto i 200 euro in totale.
I pezzi su cui ci basiamo sono Arduino (attualmente Arduino UNO, forse Arduino MEGA in futuro) e alcuni shield prodotti da DFRobot, facilmente reperibili persino su Amazon. Abbiamo dovuto apportare alcune modifiche allo shield per lo schermo, ma si tratta di modifiche minime, facilmente replicabili in meno di un’ora. Provvederemo a descriverle nei dettagli nel manuale.
L’intero dispositivo è contenuto in una classica scatola di derivazione, con dei fori e guarnizioni per far uscire le sonde. Nel complesso è resistente ai colpi e all’acqua, anche se ovviamente non va immersa (IP55 al massimo, waterproof ma non immergibile).
Per quanto riguarda la semplicità, il dispositivo ha solo 5 pulsanti, e appena viene acceso inizia a leggere i dati. La funzione di datalog viene fatta su scheda SD, e può essere attivata in qualsiasi momento tramite il menù. Ad oggi il menù è parzialmente completato, e permette di regolare i parametri fondamentali. Il datalogging avviene memorizzando anche data e ora tramite un orologio interno, che funziona con una pila a bottone e continua a tenere l’ora anche se le pile principali vengono rimosse.
Riguardo l’accuratezza, dobbiamo fare una serie di test, confrontando i risultati ottenuti da questo dispositivo in confronto a quelli commerciali. La precisione si attesta comunque sui 10uS/cm, che per lo scopo di identificazione delle acque ipogee è perfettamente adeguato.

I prossimi sviluppi

I prossimi lavori consisteranno nel completare il menù, soprattutto per quanto riguarda la regolazione di data e ora, la calibrazione della sonda, e il reset della memoria.
Poi sarà necessario decidere se continuare a basarsi su Arduino UNO o puntare su Arduino MEGA, che costa di più ma offre più memoria.
Valuteremo se inserire anche la funzione di pHmetro.
Realizzeremo il case definitivo, cosa che ovviamente dipende dai componenti selezionati.
Infine, faremo una serie di test in varie condizioni per capire quanto possa essere affidabile il circuito sviluppato e quali sonde adottare. Questo, però, sarà possibile soltanto dopo la fine dell’emergenza per il coronavirus.

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Un campionatore automatico per le acque sotterranee

Durante la nostra prima sessione di tracciamenti è immediatamente apparso un problema: per seguire il passaggio della fluoresceina bisogna prelevare l’acqua spesso e da molti punti sparsi sul territorio. È un consumo di risorse umane notevole: fare tre giri di campionamento al giorno per una settimana richiede decine di persone, e considerando che siamo tutti volontari la cosa non è affatto semplice.

Del resto, l’operazione di per se non è troppo complicata: si tratterebbe soltanto di prelevare dell’acqua a intervalli regolari. Una operazione noiosa, e quindi perfetta per le macchine più che per gli uomini. Abbiamo quindi pensato a uno strumento che possa prelevare automaticamente l’acqua per alcuni giorni. Lasciandolo sul posto e tornando a recuperarlo dopo qualche giorno dovremmo fare soltanto due giri, risparmiandoci molta fatica. Strumenti simili esistono, anche non sono facili da comprare perché poco diffusi, ma costano molto perché pensati per ambiti molto più professionali del nostro. Il nostro obiettivo è di realizzare qualcosa di economico, semplice da usare, da costruire, e da trasportare (per portare un macchinario nelle grotte deve poter stare in uno zaino senza rompersi). La soluzione prevede l’uso di Arduino per controllare un servomotore e una pompa a immersione (attivata con un relé).

Il circuito è molto semplice, si può realizzare collegando i vari componenti con un paio di cavi, senza bisogno di schede o saldature, occupando quindi poco spazio:

La struttura del dispositivo è basilare: una scatola di legno che, su un lato, contiene una torretta con in cima il servomotore. Sul motore è fossato il tubo d’acqua proveniente dalla pompa, così si può ruotare il tubo di 180° per dirigere l’acqua in una bottiglia diversa. Sotto al tubo è presente un semicerchio in plastica diviso in spicchi di dimensione uguale (nel prototipo 10 spicchi di cui 8 utilizzati effettivamente). Ciascun settore del semicerchio si comporta come un imbuto, dirigendo l’acqua che riceve in una apposita bottiglia. Questo ci permette banalmente di prelevare l’acqua con la pompa e versarla in un bottiglia, poi spostare il tubo e versare in un’altra bottiglia fino a riempirle tutte.

Il semicerchio è realizzato, per ora, con un foglio di policarbonato pieghevole, e i settori sono costituiti mettendo delle barriere nel semicerchio. Dal fondo di ciascun settore esce un tubo che permette di inserire la bottiglia relativa a quel settore specifico. Il tutto tenuto assieme da colla a caldo.

Il codice è piuttosto semplice:

[code language=”cpp”]
//Codice realizzato da Luca Tringali – G.S. Talpe del Carso
//Rilasciato con licenza GNU GPL3
#include <Servo.h>

Servo myservo;

int start = 150;
int passo = 20;
int wflush = 0;
long timetofill = 60000;
long timetoflush = 10000;
long wait = 30000;

int ServoPin = 9;
int RelayPin = 8;

int pos = 0;

void setup() {
myservo.attach(ServoPin);
pinMode(RelayPin, OUTPUT);
}

void loop() {
for (pos = start; pos >= 0; pos -= passo) {
//Faccio scorrere l’acqua finché si vuota quella vecchia
myservo.write(wflush);
digitalWrite(RelayPin, HIGH);
delay(timetoflush);
digitalWrite(RelayPin, LOW);
//Mi sposto alla posizione giusta
myservo.write(pos);
delay(passo*10);
//Riempio la bottiglia
digitalWrite(RelayPin, HIGH);
delay(timetofill);
digitalWrite(RelayPin, LOW);
//Aspetto per il prossimo turno
delay(wait);
}
}
[/code]

La procedura prevede un ciclo che parte da 180 e sottrae 20 fino ad arrivare a 0, in modo da spostare il tubo di 20 gradi da un capo all’altro del semicerchio. Prima di cominciare a versare l’acqua in ciascun settore del semicerchio (e quindi in ogni bottiglia) si ruota del tutto il motore e si fa scorrere l’acqua per assicurarsi che il tubo sia pulito, in modo da evitare contaminazioni da precedenti prelievi. Poi il tubo ruota sullo specifico settore del ciclo attuale e si comincia a versare l’acqua. Si continua a tenere la pompa accesa per 60 secondi, in modo da essere sicuri che le bottiglie siano piene (in alcune l’acqua traboccherà, ma non importa). Poi si aspetta. Il tempo massimo che è possibile aspettare tra una iterazione e l’altra è 2147483647 millisecondi, cioè 596 ore (24 giorni). Questo è un video del funzionamento del prototipo:

La sperimentazione è appena iniziata, e ci sono sicuramente alcuni punti da chiarire: se il modello della scocca è già pensato per poterci facilmente aggiungere un ancoraggio da parete, visto che in alcune grotte non c’è un pavimento su cui appoggiare il macchinario, non è ancora chiaro quanto facile sia da trasportare. Inoltre, non è ancora chiaro quanto sia affidabile in merito alla durata delle batterie, e se abbia senso usare batterie ricaricabili. Un altro punto cruciale da capire è se si possa produrre facilmente il semicerchio già diviso in settori con una stampante 3D: la costruzione del semicerchio è la parte più lenta e più difficile da mantenere identica su tutti i macchinari che si costruiranno. Con una stampa in serie si potrebbero risolvere i problemi e, rendendo la separazione dei settori più regolare e netta si potrebbero avere molti più settori: al momento è possibile usarne al massimo 8-9, che con tre prelievi di acqua al giorno permettono di fare i campionamenti automaticamente per 3 giorni. Ma se si potesse spostare il tubo di 10° per volta, il numero di settori potrebbe raddoppiare. Tutto sta, quindi, nel capire quanto precisa possa essere la costruzione del semicerchio di imbuti per dividere l’acqua nelle varie bottiglie.