Inclinometri wireless: guida al monitoraggio della rotazione strutturale

Un inclinometro è un sensore che restituisce un angolo. Tutto il resto, dagli spostamenti ai profili di deformazione agli allarmi, viene calcolato a partire da quell'angolo, di solito moltiplicandolo per un braccio di leva geometrico tra il sensore e il punto di interesse.

Anche se il concetto è semplice, questo dato può essere usato in tanti modi per il monitoraggio strutturale di palazzi, ponti, cantieri o dighe.

Cosa misura un inclinometro

La misura nativa è la rotazione attorno a uno o due assi ortogonali, espressa in gradi, microradianti o milligradi. Gli inclinometri MEMS che si trovano oggi in commercio risolvono abitualmente 0,001°, che corrisponde a circa 17 microradianti. I sensori elettrolitici di precisione arrivano invece a 0,0005°.

Quando un report di inclinometria riporta uno "spostamento al top di 0,17 mm", quel valore viene calcolato e non misurato direttamente. Si prende l'angolo misurato (0,001°), lo si moltiplica per la distanza verticale tra il sensore e il punto di interesse (un braccio di leva di 10 metri) e si ottiene lo spostamento orizzontale equivalente al top dell'elemento.

La conseguenza pratica è che la sensibilità effettiva di un inclinometro dipende dalla geometria della struttura tanto quanto dal sensore stesso. Lo stesso strumento, posto su un pilone di 2 metri e su uno di 20 metri, produce sensibilità al top molto diverse: sub-millimetrica nel secondo caso, sub-decimo di millimetro nel primo. Sulla carta gli 0,001° sono identici, ma sul campo le differenze sono ben visibili.

Le quattro famiglie tecnologiche

Gli inclinometri in uso commerciale si dividono in quattro famiglie.

MEMS

Ovvero micro-electro-mechanical systems, in pratica sono una massa di silicio sospesa su un sistema capacitivo. Sono compatti, a basso consumo, tolleranti alle vibrazioni, compensati in temperatura di fabbrica, con risoluzione corrente di 0,001°. Sono lo standard per il monitoraggio strutturale civile, dove coprono la grande maggioranza dei deployment.

Elettrolitico

Questi inclinometri sfruttano un fluido conduttivo racchiuso tra elettrodi: quando l'inclinazione varia, cambia la conducibilità e il segnale si adegua di conseguenza. Le risoluzioni dichiarate arrivano fino a 0,0005° in laboratorio. Il rovescio della medaglia è che risultano sensibili a shock termici e meccanici, e quindi vanno trattati con più attenzione in fase di installazione.

Force-balance

In questo tipo di sensore c'è un pendolo mantenuto in posizione da un loop di retroazione attivo. Le risoluzioni sono nell'ordine del nanoradiante, il che li rende adatti al monitoraggio tettonico e geofisico. Sono strumenti costosi e decisamente fuori scala per il monitoraggio strutturale corrente.

Vibrating-wire

Il principio è una corda tesa la cui frequenza di risonanza cambia con l'inclinazione. Sono robusti in ambienti ostili e compatibili con i data logger geotecnici tradizionali, anche se il sampling è più lento rispetto al MEMS.

Nella pratica italiana, per ponti, edifici, gallerie e versanti, il MEMS copre la quasi totalità dei progetti nuovi. L'elettrolitico sopravvive in installazioni dove serve una precisione estrema. Il force-balance appartiene al mondo della sismologia e della ricerca. Il vibrating-wire viene usato dove l'infrastruttura di acquisizione è già vibrating-wire.

Perché il wireless ha cambiato l'economia del monitoraggio

Fino alla metà degli anni 2010, installare un inclinometro significava prima di tutto pianificare il cablaggio. Percorsi in canalina, junction box, data logger centrale, alimentazione stabilizzata, talvolta un UPS. Su un viadotto di media luce, due o tre settimane di lavori civili erano la norma. E il costo dei sensori era solo una frazione del costo totale del sistema, tipicamente il 20-30%. Tutto il resto se ne andava in infrastruttura di contorno.

L'inclinometro wireless ha ribaltato questa proporzione. Un sensore alimentato da batteria LiSOCl₂ da 19 Ah comunica via LoRaWAN, mesh LoRa proprietario o LPWAN cellulare per chilometri in campo aperto, dura anni senza intervento e si installa con quattro bulloni o un incollaggio strutturale. Il data logger diventa un gateway singolo posizionato dove c'è copertura. L'alimentazione esterna sparisce e le tempistiche di lavori civili necessari per installare il sistema collassano.  

In questo modo un programma di monitoraggio che prima richiedeva 2-3 settimane di cantiere si installa oggi in una giornata. Su un viadotto di 300 metri con otto piloni, una squadra di due persone posa i sensori, verifica la connessione al gateway, registra i sensori sulla piattaforma e consegna il primo dato entro sera. Chi ha già progettato un sistema cablato riconosce subito la differenza nel preventivo.

Naturalmente il wireless introduce variabili che il cablato non aveva. La qualità del link radio, la vita della batteria come funzione del sampling rate, la gestione dei firmware in campo. Un sampling aggressivo a 3,9 Hz in event mode consuma batteria molto più rapidamente di un sampling statico a 1 campione ogni 10 minuti. Il dimensionamento della campagna deve tenere conto di questo trade-off già in fase di progetto, prima della posa dei sensori.

Dove gli inclinometri trovano il loro posto

Gli inclinometri compaiono in quasi ogni portfolio di monitoraggio infrastrutturale perché rispondono a una domanda molto specifica: "questo elemento sta ruotando?". Gli ambiti applicativi principali sono sei.

Ponti e viadotti

Viene usato per monitorare la rotazione dei piloni, il basculamento degli appoggi, la torsione dell'impalcato e la rotazione degli imposti d'arco sotto carico. Sui ponti classificati ad attenzione Alta secondo le Linee Guida Ponti del CSLP, l'inclinometro è spesso il primo sensore permanente che viene installato: riesce a rilevare la lenta evoluzione di un cedimento fondazionale prima che il danno visibile faccia la sua comparsa.

Edifici e strutture in elevazione

Aiuta a misurare la verticalità delle colonne durante costruzioni adiacenti, i cedimenti differenziali e il drift residuo post-sisma. Se si dispongono inclinometri su piani diversi si forma una catena che permette di ricostruire il profilo deformativo in altezza.

Dighe

Monitora la rotazione del paramento di monte al variare dell'invaso, il creep lento delle spalle in roccia e il movimento delle soglie di tracimazione.

Gallerie e opere in sotterraneo

Qui l'inclinometro viene usato per: convergenza del rivestimento, cedimenti degli edifici soprastanti durante l'avanzamento di una TBM, rotazione delle strutture di imbocco.

Frane e versanti

Viene usato per monitorare la rotazione superficiale come precursore di collasso superficiale e le catene in foro per ricostruire la deformazione sotterranea in funzione della profondità.

Patrimonio storico

Serve a misurare l'inclinazione di torri campanarie, facciate storiche, statue, monumenti e tutti casi in cui il montaggio non invasivo e la rimovibilità sono vincoli progettuali non negoziabili.

In sostanza, l'inclinometro ricorre in tutte le categorie di opere civili monitorate, dalla diga in calcestruzzo al campanile cinquecentesco.

Dal singolo punto al profilo di deformazione

Un inclinometro singolo restituisce lo stato angolare di un punto. Ma su una paratia di scavo profondo, su una facciata in rotazione differenziale, in un sondaggio verticale che attraversa un versante in movimento, non vogliamo sapere se un punto sta ruotando ma piuttosto vogliamo capire qual è la forma della deformazione lungo tutta l'altezza o la profondità.

E quindi viene usata la catena. Si prendono più inclinometri e li si dispone in una geometria nota (verticale in un tubo inclinometrico, orizzontale lungo una trave, distribuita sui piani di un edificio), ognuno dei quali misura il proprio angolo locale. Integrando gli angoli segmento per segmento, un software ricostruisce lo spostamento cumulato lungo la catena. Il risultato è un profilo di deformazione che evolve nel tempo.

Move Solutions ha sviluppato il Tiltmeter Chain Tool, un modulo della piattaforma MyMove che converte i dati angolari grezzi di una catena di sensori in profili di spostamento cumulato, analisi differenziale segmento per segmento ed evoluzione temporale. La logica sottostante è la stessa che gli inclinometri manuali in foro applicano da decenni: discretizzare la struttura in elementi, assegnare a ogni elemento l'angolo del sensore associato, sommare gli spostamenti. Quello che cambia è che la lettura avviene in continuo e da remoto, invece di una volta al mese con un operatore in campo.

Come leggere un datasheet senza farsi ingannare

Tre termini compaiono su ogni datasheet di inclinometri e possono confondere: risoluzione, ripetibilità, accuratezza.

Risoluzione è il più piccolo cambiamento che il sensore riesce a distinguere. Se la risoluzione è 0,001°, vuol dire che il sensore vede la differenza tra 10,000° e 10,001°.

Ripetibilità è quanto affidabilmente il sensore restituisce la stessa lettura nelle stesse condizioni. Se si pone il sensore su un riferimento fisso e si ripete la lettura cento volte a temperatura costante, la deviazione standard di quelle cento letture ci dà la ripetibilità.

Accuratezza è quanto la lettura è vicina al valore vero. Un inclinometro può avere una risoluzione eccellente (0,001°) e un'accuratezza mediocre (lo zero assoluto spostato di 0,01° rispetto al vero). Per il monitoraggio strutturale, nella maggior parte dei casi, la ripetibilità conta più dell'accuratezza: quello che interessa è la variazione rispetto alla baseline, non il valore assoluto.

Ed è un punto non ovvio. Sensori scelti inseguendo la risoluzione più bassa ma con una ripetibilità mediocre finiscono per oscillare di più del segnale che dovrebbero catturare. Una specifica seria chiede la ripetibilità dichiarata in condizioni operative reali (range di temperatura, tempo di integrazione, banda passante), non solo la risoluzione misurata al banco.

Ci sono altri due elementi da leggere con attenzione.

Compensazione in temperatura. Ogni inclinometro, anche un MEMS compensato in fabbrica, mostra un residuo di deriva termica. Su un pilone esposto al sole, il ciclo diurno produce oscillazioni di qualche millesimo di grado che somigliano a un movimento reale. Per questo la pipeline di processing deve includere una correzione termica, che può essere empirica oppure basata sul canale di temperatura interno del sensore.

Baseline e zero operativo. Lo "zero" di un inclinometro installato non coincide con il valore di fabbrica. È la media delle prime N letture dopo l'installazione sulla struttura reale, una volta che il sensore si è assestato termicamente e meccanicamente. Tutte le variazioni successive vanno riferite a quella baseline.

Cosa un inclinometro non fa

Un inclinometro non misura:

• Spostamento lineare diretto. Lo spostamento è sempre inferito dall'angolo moltiplicato per un braccio di leva. Se il braccio di leva non è noto con precisione, lo spostamento non lo è nemmeno.

• Vibrazioni e frequenze modali. Quello è il dominio dell'accelerometro. Un inclinometro campiona troppo lentamente e la sua risposta dinamica è dominata dall'effetto gravitazionale, non dall'accelerazione strutturale.

• Deformazione del materiale (strain). Per quello servono estensimetri a resistenza o sensori a fibra ottica.

• Posizione assoluta nello spazio. Un inclinometro non sa dove si trova. Per la posizione assoluta servono GNSS o stazioni totali robotizzate.

• Cedimento verticale in rotazione rigida. Se un elemento trasla verticalmente senza ruotare, l'inclinometro non vede nulla. E lo stesso vale se l'intera struttura ruota come corpo rigido: l'inclinometro misura la rotazione, ma non ci dice se la base si è abbassata.

L'inclinometro, insomma, è parte di un portfolio di monitoraggio più ampio. In una campagna completa convive con accelerometri (per la dinamica e la risposta sismica), vibrometri (per le sorgenti di vibrazione esterne), sensori di spostamento dinamico, sensori ambientali (temperatura, umidità, vento). La scelta giusta è quasi sempre un sottoinsieme ben calibrato, non un singolo strumento.

Una nota terminologica. In italiano "inclinometro" copre sia il sensore fisso o wireless installato permanentemente sulla struttura (che è l'oggetto di questa guida), sia lo strumento manuale in foro (tubo inclinometrico più sonda) usato nelle campagne geotecniche. Sono due dispositivi con architettura e caso d'uso diversi, anche se condividono il nome.

Le prossime release degli inclinometri MEMS in sviluppo lavorano lungo tre direttrici parallele: estensione della vita batteria oltre il decennio in regime di sampling lento, integrazione nativa del canale di temperatura nel modello di compensazione, riduzione del rumore di banda larga per spingere la ripetibilità operativa più vicina alla risoluzione di datasheet. È in questo spazio che si giocherà la prossima generazione di campagne di monitoraggio strutturale.

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