lunedì 23 marzo 2015

TROMOGRAFO sperimentale - gain 300 - 3000 - 10000

Esempi di acquisizione eseguiti con 
diversi fattori di amplificazione



Come già annunciato in post precedenti il tromografo sperimentale Theremino Dolfrang ha una amplificazione di gain 10000 il massimo consentito per avere una elevata sensibilità e contemporaneamente un bassissimo rumore hardware.

La scelta d'implementare il massimo gain è stato dettato dal fatto che con l'aggiunta di una semplice resistenza è possibile ridurre il gain , mentre non sarebbe stato possibile arrivare a valori cosi elevati se progettualmente si fosse scelto un gain 1000 ad esempio.

Il gain 1000 al di fuori di centri abitati, in assenza di vento, lontano da rumori antropici e in zone sismologicamente non attive offre la maggiore sensibilità e pertanto le massime prestazioni per ottenere grafici hvsr che possono interessare profondità anche notevoli rilevate con picchi di frequenza al di sotto di 0.3 / 0.4 hz in condizioni ottimali.

In caso si rumori ambientali - sito in zona sismologicamente molto attiva, in presenza di rumori antropici il segnale potrebbe in parte ( caso 2 o totalmente caso 1 andare in saturazione ) vista l'elevata amplificazione. ( vedere immagine caso 12 caso 2 sotto allegate.)

I tre sondaggi sono stati fatti in un piccolo arco temporale con identiche situazioni vibrazionali generate da un fabbricato di civile abitazione dove si hanno vibrazioni notevolmente più elevate.

Il test di prova è stato fatto in un edificio con solamente 5 minuti di registrazione, esiti migliori si sarebbero avuti con registrazioni di 30- 40 minuti per aumentare statisticamente il numero di finestre maggiore con segnale ancor più pulito.


CASO 1 - GAIN 10000 

presenza di elevatissimi rumori antropici ed ambientali

cliccare sull'immagine per ingrandirla

Nel primo caso si può osservare un segnale totalmente in saturazione


CASO 2 - GAIN 3000 

presenza di elevatissimi rumori antropici ed ambientali

cliccare sull'immagine per ingrandirla

In questo caso la minor amplificazione ha permesso di ridurre parte del segnale in saturazione


CASO 3 - GAIN 300 

presenza di elevatissimi rumori antropici ed ambientali

cliccare sull'immagine per ingrandirla

In questo caso la riduzione di sensibilità di circa 33 volte in meno permette di avere una dinamica tale da non mandare in saturazione, nonostante le notevoli sollecitazioni sismiche.

ATTENZIONE il grafico caso 3 sembra diverso dagli altri in quanto visualizza il segnale da 0,5 hz fino a 100 hz invece di 1 - 100 hz , le piccole differenze sono dovute ell'elevato rumore , lassenza di finestre si 20 secondi con solo rumore dovuro alla struttura ma inquinato dalle azioni antropivhe, lavatrici, motori, ascensori, persone vento ecc


durata acquisizione 5 minuti pertanto si è fatta fatica a recuperare almeno 10 windows, per far ciò di è operato su :

1) variazione durata delle window, aumentando la larghezza temporale delle finestre a 20-60 secondi il numero di finestre diminuisce ( pertanto occorrono acquisizioni di 20 - 30 minuti per questi settaggi ed essere in condizioni ottimati dal punto di vista dei rumori antropici ed ambientalo

Se non si riesce a raggiungere un numero sufficiente di finestre > 10 attivate occorre ridurre i valori impostati a 15- 30 secondi, 

Nel caso di elevato rumore antropico meglio usare il settaggio della lunghezza delle finestra a exacty e usare la durata 1 15 hs , se necessita anche meno

Riducendo tale parametro a meno 10 10 - 15 secondi la parte sinistra del grafico HVSR appare retinato in rosso per avvisare l'utente che parte del segnale acquisito non risponde alla specifiche dell'analisi spettrale per avere risultati validi

2) su badsample thresold

Riducendo il valore di settaggio di bad samplele thresolt dal valore 99% si rifucono il numero di windors ritenute valide dal programma per eseguire il calcolo hvsr.( per avere almeno 10 finestre valide)

Quando è possibile si consiglia di non elaborare con valori > 70% in quanto ciò significa che il sondaggio è stato eseguito in ambietti molto rumorosi e/o con vento ( per avere almeno 10 finestre valide)

Portando il valore di bad sample a 40 - 60 % abbiamo significa che l'ambiente di lavoro non è eccessivamente rumoroso , e si alternano picchi con rumore ad intervalli poco rumorosi con ampiezze temporali maggiori di quelle minime impostate da menu ( per avere almeno 10 finestre valide)

Quando si hanno valori inferiore a 30% vuol dire che si è in presenza di un sito poco rumoroso - ottime condizioni ( per avere almeno 10 finestre valide)

Tali valori non tengono conto del fattore di amplificazione dello strumento

- nel caso di gain 10000 è facile che il segnale vada in saturazione a causa dell'elevata amplificazione.) 

Il segnale verrà tagliato a 160 microvolt valore questo che ben difficilmente viene superato dai microtremori che interessano l'analisi HVSR, pertanto se i picchi di ampiezza maggiore vengono tagliati perché in saturazione è un bene in quanto tali segnali vengono tagliati dall'amplificatore prima di entrare nell'adc e quindi si ottiene un effetto filtrante che taglia parte del segnale rumoroso, 

- ne caso di gain 3000 viene tagliato il segnale > di 500 microvolt, pertanto si aprono le porte ad una gran quantità di rumore che sommandosi al microtremore generano un segnale particolarmente sporco, causa di uno spostamento dell'offset dell'hvsr da 1 a valori che spesso si avvicinano a 2 rendendo poco attendibile la prova.( anche se in parte le anomalie riscontrate possono essere corrette.

- gain 300 necessario per l'analisi su fabbricati e in aree ti tipo vulcanico - dove esiste una intensa azione magmatica nel sottosuolo.

Il gain a 300 porta il valore di saturazione a valori simili a quelli di molti adconverter a 24 bit, solo scoppi nelle vicinanze dei geofoni, rumori intensi mandano raramente il segnale in saturazione.

Ciò si vede controllando le tracce sismiche della figura caso 1 e caso 3)

Il valore di saturazione con gai 300 viene portato attorno a oltre 5000 microvolt .

La maggiore o minore amplificazione porta ad avere alcuni vantaggi ma nello stesso tempo degli svantaggi, pertanto l'ideale è quella di trovare una soluzione intermedia....

vantaggi riducendo il gain strumentale 

_ il segnale è più "vivo" dove si alternano picchi ( segnale da eliminare a zone con ampiezza del segnale molto basso ( microtremori) che interessano all'elaborazione

- facilitare l'individuazione delle windows da non considerare utili a causa dell'elevato rumore.

- segnali graficamente più gradevoli 

- valori di bad sample thresold più bassi che a parità di durata del sondaggio permettono di avere un numero maggiore di windows

svantaggi riducendo il gain strumentale 

introduzione nell' ADC introduce rumori 33 volte superiori in quanto l'amplificatore taglia il segnale solo al di sopra di 5000 microvolt invece che di 160 microvolt, rendendo il segnale più sporco in fase di acquisizione

Un aumento del rapporto del noise tra rumore e segnale , con un potenziale rumore più ampio di oltre 30 - 60 volt rispetto al microtremore ( con gain 300) in situazioni di ambiento particolarmente rumorosi

Si aumenta la complessità hardware strumentale con l'introduzione di commutatori, resistenze, cavi elettrici, saldature che ne aumentano l'effetto "antenna strumentale" a scapito della qualità del segnale specia a gain superiori a 2000 - unità e in particolare a 10000 di gain.

Per ridurre tali effetti occorre utilizzare caci schermati e/o proteggere la parte interna del contenitore con fogli si carta stagnola, carta adesiva ramata, lamine di alluminio o utilizzare un contenitore in alluminio, tali soluzioni hanno lo scopo, in varia misura di schermare il rumore elettromagnetico ambientale uno delle principali cause di anomalie  dannose durante le acquisizioni HVSR.

Tali anomalie si hanno in forme pesanti cicino a antenne radar, antenne tv e radiodonia, linee di alta tensione, pc collegati alla rete 220 volt,  messe a terra, telefonini accesi nelle vicinanzze dello strumento ( Consiglio di tener spento il cellulare se si è in vicinanza dello strumento e in tutti i casi non ricevere o tramettere telefonate ).
  

Nel caso di utilizzo di gain 10000 i vantaggi sono i seguenti:

- migliore rapporto segnale rumore e quindi segnali più puliti

- il segnale che arriva all'adconverter è depurato da rumori di elevata ampiezza per cui il segnale che si otterrà sarà molto più pulito specialmente nella basse frequenze al di sorro dei 4 hz.

Nel caso di utilizzo di gain 10000 gli svantaggi sono i seguenti:

- spesso rimane difficile ottenere le tradizionali 10 windows necessarie per ottenere una buona FFT del segnale e si rende necessario di portare il bad sample thresold a 99°, ridurre ad exaty 10 - 15 secondi la durata massima delle winsows, spesso si rende necessario diasabilitare la funzione Badsample per aumentare il numero di finestre utili ( >10 secondo le ipotesi SESAME)

Le o quasi in saturazione dovuto principalmente a frequenze elevate tra 50 e 250 hz eliminabili con i normali filtri software ma non eliminabili se non con filtri attivi quelle con frequenza > di 250 hz ( nel caso di frequenza di campionamento di 500 hz)

- dal punto di vista grafico il segnale non è senza dubbio ottimo specie per quiei sondaggi dove appare o quasi totalmente in saturazione ( figura Caso i )

Per concludere consiglio di cliccare sulle videate allegate ( per ingrandirle), e confrontare meglio i parametri di elaborazione utilizzati:

_ bad sample thesold

- durata massima e minima delle windows

- numero di windows ottenute

i di ampiezza hvsr non perfettamente sovrapponibili come invece avverrebbe in condizioni con meno rumore al di sotto di 100 microvolt.

La riduzione dell'amplificazione con elevato rumore ambientale non migliora il risultato del sondaggio, permette d'individuare meglio le zone di segnale pulito da quello rumoroso.


COME MODIFICARE LA MECCANICA DEL GEOFONO 3D 
PER VARIARE IL GAIN STRUMENTALE.

I principali possibili utilizzi della strumentazione sono:

- GAIN 10.000 - 
Per l'utilizzo dello strumento in zone con microtremori medio bassi esclusi centri ad elevata concentrazione abitativa, aree sismologicamente attive e/o ventose si consiglia gain 1000 , in questo modo l'elevata sensibilità strumentale e l'assenza di rumori hardware importanti permetterà di indagare fino a frequenze di 0,3/0,4 hz anche con sondaggi di soli 20 - 30 minuti.
Possibile eseguire analisi su fabbricati di 2/ 3 piani...

- GAIN 3.000 - 
Abbina una buona dinamica ed una elevata sensibilità sia per eseguire hvsr dino a frequenz di 0,5 hz, in ambienti rumorosi fino a 1 hz e su fabbricati di 5 - 6 piani se in assenza di vento ( che in tutti i casi non DEVE ESSERE PRESENTE DURANTE I TEST).
Potrebbe essere una soluzione molto valida per lavorare su gran parte delle situazioni logistiche che si possono incontrare sul territorio.

- GAIN 300 - 
soluzione utile se non necessaria per chi vuole eseguire test di valutazione dei fabbricati con altezze superiori ai 5- 10 piani, per lavorare in amienti cittadini fortemente antropizzati e/o in aree con particolari attività vulcanica.
( da tener conto che quasi la gran parte degli strumenti professionali in temini si sensibilità hanno specifiche equivalenti anche se costruttivamente diversi)Esistono inontre tutte le soluzioni intermedie, si consiglia di eseguire a titolo di test prove nei siti nelle condizioni peggiori locali e rendersi conto del rumore presente eseguendo test da 30 minuti, tenendo che il problema rumore antropico e vento si puù ridurre sfruttando orari per fare le prove anche notturne o in giorni di assenza di vento.....

COME MODIFICARE il GAIN E/O AVERE LA POSSIBILITà DI VARIARLO 
A SECONDA DELLE CARATTERISTICHE DEL SITO 

1° soluzione 

terminati i test e trovato il valore ottimale da applicare all'amplificatore di può saldare di opportuno valore tra geofono e amplificatore, meglio usare un tubo termo sensibile o del nastro adesivo per evitare contatti - SOLUZIONE CONSIGLIATA


2° soluzione 

Questa soluzione può eddere provvisoria per poter cambiare facilmente le resistenze per trovare il valore giusto direttamente in campagna senza dover saldare le reistenze oppure per avere in casi particolarei modificare la sensibilità con la sostituzione velove delle resistenze.

Si possono utilizzare collegamenti mammuth, dal lato opposto vanno collegati i cavi rossi che vanno al geofono e all'amplificatore. 

Per facilitare il fissaggio alle boccole è necessario saldare uno spezzone di cavo alle estremità delle resistenze e dei sue cavetti rossi.

In questo modo è possibile cambiare la sensibilità dello strumento se è necessario


3° soluzione


N° 3 commutatori a 1 via 3 / 5 posizioni
( esempio 1x, 10x, 100x, 1000x, 10.000x)

oppure


n°1 commuatatore a tre vie 3/5 posizioni tipo


cliccare qui per altri 

Utilizzo di tre commutatori a 3 posizioni per applicare gain:

con gain 10 - 25 - 50 per usi sismologici

con gain 100 - 250 - 500 per frequenza di risonanza dei fabbricati

con gain 250 - 500 5000 per analisi fabbricati - aree urbane - hvsr in aree poco rumorose 

con gain 500 2000 10000 per hvsr in zone diversamente rumorose

ecc

Questi dati di amplificazione sono riferiti all'acquisitore theremino usato in queste sperimentazioni.

Occorre tenere presente che le soluzioni 2 3 portano ad una piccola perdita di segnale, più accessori , cavi, connettori aggiungiamo portano ad accresce nel sistema il rischio di effetto "antenna " introducendo nel segnale rumori che in tutti i casi non pregiudicheranno i risultati dello strumento che si fanno sentire maggiormente per amplificazioni a 2000 di gain.

Si consiglia di usare tre commutatori separati in modo da non interferite tra di loro.

Per chi non conosce nulla di elettronica, nonostante che l'operazione è facile è meglio contattare un elettricista a " Km zero" 



foto di F.Ardillo



Acquisizione fatta al 7° piano di un palazzo di civile abitazione in assenza di vento e importanti rumori antropici


Le tre tracce z,x,y non sono in saturazione a parte qualche secondo a seguito di qualche rumore antropico o ambientale, l'elaborazione è stata fatta con bad sample thresold = 34, dimensione delle finestre temporali di 18 -26 secondi con la generazione di 12 windows utili per il calcolo.

L'amplificazione dovrà essere inversamente proporzionale all'altezza dell'edifici, all'intensità del vento de di vuole verificare la struttura in presenza di vento e al rumore ambientale presente su sito.


TABELLA  DEI VALORI  DELLA RESISTENZA AGGIUNTIVA

nella prima colonna  ( rossa  ) è indicato  il valore espesso in  k hom

nell'ultima colonna il gain  teorico ( blu)


i numeri in rosso prima colonna rappresenta il valore in Kohm della resistenza da aggiungere per avere il gain intivato alla riga corrispondente dell'ultima colonna


schema di montaggio
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