RALMAG FLUXGATE MAGNETOMETER

E’ ben noto come il campo magnetico terrestre, geomagnetismo, sia profondamente influenzato dal Sole: l’attività della nostra stella perturba l’ambiente elettromagnetico che circonda la Terra provocando un complesso di fenomeni che comprendono, ad esempio, le perturbazioni magnetiche e ionosferiche, le aurore polari e le variazioni nell’intensità della radiazione cosmica. Un costante monitoraggio delle fluttuazioni geomagnetiche è, quindi, un ottimo indicatore dell’attività solare: per questo scopo è stato sviluppato il magnetometro fluxgate a 3 assi RALMAG che, tuttavia, trova numerose applicazioni in vari settori, scientifici e industriali. La direzione e l’intensità di un campo magnetico si misurano con un magnetometro, strumento equipaggiato con sensori tecnologicamente differenti in base alle esigenze di sensibilità, accuratezza e alle necessità di misurare campi magnetici statici o variabili. Il più semplice rivelatore di campo magnetico statico è la bussola magnetica. Il classico magnetometro a induzione è adatto alla misura dei campi magnetici variabili: utilizza come sensore un solenoide che genera una differenza di potenziale indotta dalle variazioni del campo, amplificata e visualizzata. Gli strumenti più sensibili, adatti alla misura continuativa del campo magnetico terrestre, sono il magnetometro a protoni e il magnetometro fluxgate. RALMAG utilizza tre sensori fluxgate ortogonali (X, Y, Z) per misurare vettorialmente le variazioni del campo magnetico terrestre. Le potenzialità dei magnetometri fluxgate sono dovute alla loro compattezza, alla semplicità di utilizzo e alla loro sensibilità che li rende adatti a catturare minime fluttuazioni del campo dovute, ad esempio, alle perturbazioni solari. Purtroppo sono altrettanto sensibili alle variazioni di temperatura: nelle applicazioni pratiche è necessario isolare il dispositivo per minimizzare l’influenza delle escursioni termiche sulla risposta.

L’immagine mostra il RALMAG 3-Axis Fluxgate Magnotemer.
Lo strumento è composto da due unità:

• il modulo sensori, una scatola stagna comprendente: i 3 sensori fluxgate ortogonali orientati secondo le direzioni principali, ciascuno sensibile alla rispettiva componente del campo magnetico locale (X, Y, Z);
• un sensore di temperatura che misura la temperatura interna del modulo.

E’ possibile calibrare il sistema iniettando correnti di valore noto nel solenoide che avvolge il sensore della componente orizzontale Y tramite l’alimentatore fornito in dotazione (seguendo opportuna procedura indicata nel manuale).

Il modulo di acquisizione comprendente il circuito elettronico di controllo dello strumento, l’alimentatore e l’interfaccia USB per la connessione al computer di gestione. Viene fornito il software dataRALMAG che controlla lo strumento, acquisisce e salva i valori delle misurazioni, visualizza e memorizza i risultati come un registratore grafico. Lo strumento comunica con un generico host esterno attraverso un protocollo seriale proprietario (nel manuale sono riportati i dettagli del protocollo).

Le due unità sono collegate tramite un cavo che consente l’installazione del modulo sensore (che dovrà essere protetto e isolato dagli sbalzi di temperatura) distante dal circuito di acquisizione in modo da ottimizzarne il posizionamento e l’orientamento. Per il corretto funzionamento dello strumento è opportuno non superare 30 metri di lunghezza del cavo.

I sensori fluxgate devono essere posizionati lontano da potenziali sorgenti artificali di disturbo (esempio trasformatori e linee di ditribuzione dell’energia elettrica, veicoli, abitazioni residenziali…) dato che le frequenti variazioni di corrente distrurbano il campo magnetico locale.

I segnali acquisiti dai sensori fluxgate sono elaborati dall’unità centrale secondo periodi di campionamento selezionabili (1-10 secondi), da scegliere in funzione della variabilità del fenomeno da osservare e della sensibilità richiesta: con identica periodicità, il processore trasmetterà sul canale seriale USB il valore misurato al computer di gestione. L’impostazione ad elevata risoluzione dei 10 secondi è ottima per il monitoraggio continuo delle perturbazioni geomagnetiche indotte dall’attività solare.

E’ possibile alimentare il magnetometro attraverso una connessione alla rete elettrica monofase a 230Vac – 50/60Hz (con cavo dedicato), oppure attraverso una sorgente di alimentazione continua a bassa tensione 12-15Vdc (ad esempio batteria esterna) attraverso l’apposito jack di alimentazione.

Queste immagini si riferiscono al programma dataRALMAG sviluppato per il controllo dello strumento e per l’acquisizione delle misure.

Si tratta di una consolle dove sono presenti i comandi e una finestra grafica che visualizza gli andamenti nel tempo del campo magnetico associato alle tre componenti (tracce di colore rosso, blu e nero) ed i suoi valori nelle unità di misura scelte (caselle di colore giallo in alto).

Nota bene: dopo aver installato il programma dataRALMAG e creato il collegamento sul computer, per poter avviare il programma e procedere con l’acquisizione, è necessario eseguire il file come amministratore (tasto destro sul collegamento e scegliere l’opzione “esegui come amministratore”).

Dopo aver abilitato la connessione seriale fra lo strumento e il PC (menù con lista per la scelta della porta virtuale COM fra quelle disponibili e conferma tramite il pulsante Connect), quando è attivata l’acquisizione continua dei dati (pulsanti ON-OFF), le tracce si muovono come un registratore grafico da destra verso sinistra, al ritmo di 1 misura al secondo (quando è selezionato il pulsante 1 SEC MIS in alto) oppuer 1 misura ogni 10 secondi (pulsante 10 SEC MIS). Le scale dei grafici possono essere aggiustate tramite gli appositi comandi.

Tramite i comandi Count, nT, nT/h (in basso), è possibile scegliere l’unità di misura (campo espresso in unità non calibrate [count] o calibrate [nT]), oppure la misura delle variazioni del campo (in [nT/h]) rispetto al valore mediano, calcolato sul numero di campioni specificato nella casella MEDIA.

Il programma visualizza la temperatura interna del modulo sensori (in [°C]) e salva i dati acquisiti in un file di testo, previa abilitazione del comando SAVE.

In basso, sulla consolle, sono presenti le caselle e i comandi necessari per inserire i dati di calibrazione ed attivare il solenoide che genera un incremento noto di campo magnetico sul sensore Y.

Nella prima immagine è stata selezionata la misura delle variazioni campo (nT/h), nella seconda è stata selezionata la misura calibrata standard (nT).

I parametri di calibrazione e di media sono salvati nei file di testo (modificabili) RALMAG_log1.txt e RALMAG_log10.txt (rispettivamente per la modalità di campionamento 1 secondo o 10 secondi), residenti sulla cartella dove è presente il programma Data_RALMAG.

Di seguito è riportato un esempio di un file di testo RALMAG_giorno_mese_anno che contiene i dati salvati dal programma DataRALMAG.

E’ presente un’intestazione che riporta i valori dei parametri operativi selezionati, la data di inizio della sessione di misura e le colonne di dati, separate da spazi, relative agli istanti di acquisizione dei campioni ( TIME in ore:minuti:secondi:millisecondi), ai valori del campo misurato nelle tre direzioni principali (MX, MY, MZ espressi nell’unità di misura selezionata e indicata nell’intestazione) e alla temperatura interna del modulo sensori (TEMP) espressa in [°C].

L’immagine è un esempio del file di configurazione RALMAG_log1.txt e RALMAG_log10.txt (rispettivamente per la modalità di campionamento 1 secondo 0 10 secondi), residenti sulla cartella dove è presente il programma DATA_RALMAG.

I file contengono i parametri di calibrazione dello strumento con il seguente significato (partendo dall’alto verso il nbasso): MX0, MY0, MZ0 (valori di fondo del campo nelle direzioni principali, in [nT]), mgx, mgy, mgz (valori non calibrati, in [count], corrispondenti alle risposte dello strumento ai rispettivi valori di fondo del campo nelle direzioni principali), mgy1 (risposta dello strumento, in [count], al campo magnetico applicato durante la calibrazione lungo la direzione Y), m (coefficiente angolare della retta di calibrazione, identico per tutti i sensori fluxgate), qx (termine noto della retta di calibrazione lungo la direzione X), qy (termine noto della retta di calibrazione lungo la direzione Y), qz (termine noto della retta di calibrazione lungo la direzione Z), Nmedia (numero di campioni utilizzato per il calcolo delle mediane nella misura delle variazioni del campo). Tutti i valori sono modificabili e sono aggiornati al termine di ogni procedura di calibrazione (vedere specifico paragrafo nel manuale).

L’ultimo parametro Nmedia (deve essere sempre un numero dispari) è inserito dall’utente in funzione del periodo di campionamento scelto e dalla variabilità del fenomeno da osservare (valori di default: Nmedia = 11 per un campionamento di 1 secondo, Nmedia = 361 per un campionamento di 10 secondi).

Ogni volta che si avvia il programma Data_RALMAG sono letti i corrispondenti file di configurazione, caricati e visualizzati i parametri di calibrazione nelle apposite caselle di testo.