mercoledì 12 settembre 2018

STAZIONE SISMICA CON GEOFONI - SISMOGRAFO A PENDOLO

STAZIONE SISMICA CON GEOFONI - SISMOGRAFO A PENDOLO 
SVANTAGGI - VANTAGGI

In questa pagina  si è sperimentata la risposta in frequenza di una stazione sismica che utilizza geofoni con i risultati ottenuti con un sistema a pendolo verticale, due sistemi di acquisizione molto diversi  e per diversi usi di utilizzo.
Esistono altri sistemi basati su  sistemi  con risultati diversi.


caso 1 ) stazione sismica che utilizza i geofoni
nel caso in oggetto si è utilizzato il sistema THEREMINO - DOLFRANG


Caratteristiche del Theremino Adc24
per utilizzo in differenziae
misure microtremori e Sidmologia

Il Theremino Adc24 è basato sul convertitore AD7124-8 di Analog Devices. 
( si rimanda a questa pagina per avere le specifiche hardware complete)

Si tratta di un
convertitore Sigma Delta ad altissime prestazioni, progettato nel 2015, al culmine di decenni di
esperienza di Analog Devices in questo campo. Oltre al basso rumore e alla grande flessibilità
questo Adc consuma pochissimo, circa 900 micro Ampere. 

La velocità di campionamento è selezionabile in un campo molto vasto (da 10 fino a 19200
campioni al secondo) e sono disponibili 8 livelli di filtraggio, per scegliere il migliore compromesso
tra velocità di risposta e riduzione del rumore. Le varie configurazioni di ingresso (Differenziale,
Pseudo o Single Ended), permettono di collegare sensori di ogni tipo

Connettività e modularità - L'Adc24 è un modulo compatibile con il sistema Theremino, che è
intrinsecamente modulare e componibile. Questo permette di rivalutare le apparecchiature nel
tempo e modificarle a piacere, aggiungendo nuovi moduli e nuove funzioni. Software, firmware,
schemi e progetti sono completamente gratuiti e Open Source.


Applicazioni - Il Theremino Adc24 è finalizzato alla rilevazione e registrazione di segnali a bassa e
media frequenza. La sua flessibilità e il suo rapporto segnale/rumore sono superiori a ogni altro
strumento simile. Per cui è lo strumento ideale per la registrazione di microtremori (HVSR) e
terremoti, ma anche di segnali provenienti da altri trasduttori come: potenziometri lineari per la
rilevazione di spostamenti e fratture, celle di carico, bilance analitiche, misuratori di pressione,
sensori di flessione, fotodiodi per illuminazioni debolissime, magnetometri, microbarometri,
analizzatori di spettro a fenditura, termocoppie, misuratori di pH, datalogger, ecc...

Sincronizzazione - Se richiesta, la sincronizzazione con l'orario UTC si effettua con ricevitore GPS,

collegato via USB. Il software che legge l'Adc, legge anche il GPS e unisce i due dati.


specifiche tecniche

Alimentazione: 5 Vdc

Consumo di energia: < 5 millesimi di Watt (900 uA a 5 Volt)

Numero di canali: Da 1 a 16 canali a 24 bit (Σ-Δ) (8 differenziali, 15 pseudo o 16 single ended)

Range dinamico: 127 dB @ 100 SPS (con tre canali contemporanei e guadagno 1)

Campionamento: Configurabile da 1 a 16 canali “Differenziali”, “Pseudo” o “Single Ended” 

Sampling rate: Da 10 a 19200 campionamenti al secondo

Fondo scala: +/- 3.3 Vpp (Differenziale) oppure da 0 a 3.3 Volt (Pseudo e Single)

Adc step (x 1): 0.4 uV (Differenziale) - 0.2 uV (Pseudo e Single)

Adc step (x 128): 3.2 nV (Differenziale) - 1.6 nV (Pseudo e Single)

Impedenza di input: Praticamente infinita (> 100 mega ohm)

Corrente di input: Inferiore a +/- 4 nA

Corrente di input: Variazione con la temperatura +/-25 pA/°C

Tensione Massima: Da -0.3 Volt a +3.6 Volt (tensione massima applicabile agli ingressi)

Corrente Massima: +/-10 mA (corrente massima applicabile agli ingressi)

ESD Rating HBM: Human Body Model = 4 kVESD 

Rating FICDM: Field-Induced Charged Device Model = 1250 

VESD Rating MM: Machine Model = 400 V

Uscita 3.3 Volt: Fino a 300 mA, accuratezza (1%), stabilità (48 ppm/°C).

Uscita 2.5 Volt: Fino a 10 mA, accuratezza (0.2%), stabilità (2 ppm/°C tipica).

Uscita 1.6 Volt: Solo per polarizzare i sensori (accuratezza e stabilità pari al 3.3 Volt / 2).

Interfaccia dati: SPI a tre fili, QSPI™, MICROWIRE™ e DSP

Formato dati: Protocollo di Analog Devices (vedere data-sheet dello AD7124-8)

Velocità linea seriale: Da 30 baud a 5 mega baud

Precisione di tempo: Circa 500 uS o inferiore 

Temperatura: Da −40°C a +105°C (funzionale)

Temperatura: Da −65°C a +150°C (in magazzino) 

Dimensioni: 60 x 34 x 12 mm

Conformità: Nessuna certificazione, è un componente quindi non certificabile


GEOFONI da 4,5 HZ

( tre capsule geofoniche ) di cui 1 verticale e due orizzontali



CARATTERISTICHE DEL GEOFONOS S- 4, 5 N
Frequenza naturale (Hz)4,5  < ± 10,0%
Resistenza della bobina ()350 - 400 < ± 10%
Aperto smorzamento del Circuito0,5 -0,7  < ± 10 %
Attenuazione con shunt/
Circuito Aperto Sensibilità Tensione intrinseca (v / m / s)25 / 30 < ± 10 %


Usare geofoni con frequenza propria di 4,5 hz

Non utilizzare geofoni con frequenza propria inferiore a 4,5 hz, più costosi, difficili da settare, molto fragili, possibili derive del segnale con il tempo, che obbligano frequenti ritaratura del sistema di acquisizione e con un tempo di smorzamento troppo lungo, sia per la strumentazione sperimentale che per quelle professionali
Spesso vengono consigliati per  compensare la bassa sensibilità dello strumento se non è amplificato in quanto i geofoni  aumentano il segnale di un fattore  6 - 10 unita in ampiezza.

PROGRAMMA UTILIZZATO:    DOLQUAKR v 4.095
per la prova sono stati  utilizzati  due acquisitori  posizionati nel medesimo punto e utilizzati i dati sismica acquisiti durante lo stesso evento sismico  avvenuto in provincia di Campobasso con magnitudo 4,2 - I dati dono stati registrati a Montegiorgio stazione appartenente alla rete Theremino dolfrang  (si ringrazia l'amico Valerio Vita che ha realizzato sia il sismografo che l'ottimo sismografo -pendolo  posizionati a poca distanza tra di loro.)

 1) acquisizione con terna di geofoni da 4,5 hz

Dall'esame  del grafico FFT  a tre componenti con geofoni a 4,5 hz è emerso  che la componente in frequenza  rilevata  va da 1 a 7 hz circa  con picchi  oscillanti tra i 2 e 4 hz 


1) acquisizione con terna di sismografo a pendolo


In questo caso è emerso  una distribuzione delle frequenze proprie distribuite tra 0,5 - 2,5 hz, il picco a 2,8 hz ( da verificare) potrebbe essere la frequenza di risonanza del pendolo utilizzato.
quasi nulle le frequenze oltre i 3 - 3,5 hz

vantaggi - geofono 
- massima veridicità del segnale se non viene trattato a livello hardware per cui il segnale acquisito e registrato NON DEVE ESSERE FILTRATO per poter utilizzare il segnale acquisito  con possibilità di equalizzarlo e filtrarlo solo in post acquisizione.
- minore sensibilità a parità di gain applicato per cui meno adatto  per registrare  eventi lontani a meno che non si applichino sistemi  di oversamplig -  amplificatori , filtri e riduzione del filtraggio  hardware sotto i 3 -5 hz che ne esaltano  le frequenze basse ma impediscono di avere segnali totalmente diversi da quelli prodotti  dal sisma e quindi rendere inutili.
- un segnale di ottima qualità e di elevata sensibilità se lo strumento oltre ad essere un 24 bit è anche amplificato
- importante la velocità di risposta  all'inizio , durante  l'evento
- velocità di smorzamento elevata se si usano geofoni da 3,5 hz, l'uso dei geofoni da 2 ha  hanno una maggiore  inerzia di risposta primi arrivi e uno smorzamento mediamente lento , fattori questi ultimi con l'utilizzo  di geofoni da 1 hz  che  hanno un maggiore ritardo  nel superare il valore di soglia a causa della passa e un lungo periodo smorzamento terminato l'evento sismico  per cui la registrazione del sisma è parte quella  che genera il sisma medesimo ma in coda del medesimo è lo smorzamento del geofono e non movimenti prodotti dal sisma.
svantaggi - geofono
il problema più grosso del geofono è il fatto che al di sotto dalla frequenza propria (16 nz 4,5 hz. 2 hz 1 hz ) la risposta in ampiezza del segnale tende a diminuire e quindi  sottodimensionare la risposta in frequenza al di sotto della frequenza propria  fino alla frequenza 0,01.
    
Tale  problema è spesso  dimenticato , nel caso dall'analisi hvsr non esiste in quanto si opera non su valori assoluti di velocità - accelerazione ma con il rapporto  azioni orizzontali / azioni verticali.


Per risolvere il problema + sufficiente equalizzare il segnale per passare da un segnale equalizzato da  frequenza propria del geofono  fio a 100 e + hz a frequenze di 0,1 hz a 100 + hz  sa dui con la derivazione del segnale ottenuto si possono ottenere sismogrammi accelerometri migliori di quelli ottenibili con accelerometri anche molto costosi.
vantaggi stazione a pendolo verticale
- Il segnale che si acquisisce in termini di frequenza non è quello reale ma ricalca molto spesso la curva risonanza  del sistema di acquisizione generalmente intrinseca del pendolo  che dipende da;
1) dalle  caratteristiche della molla tensionale  utilizzata  
2) dalla viscosità del liquido usato per lo smorzamento
3) dalla lunghezza del pendolo 
4) inclinazione  sull'orizzontale della molla
5) del momento prodotto dal sistema pendolo con eventuali pesi di taratura. 
regolando tali parametri si potrà avere una fft molto più vicina a quella reale ma  MAI precisa come quella ottenibile con il geofono.
svantaggi stazione a pendolo verticale
Non è possibile ottenere ottenere alcun parametro utile  dell'evento sismico
- instante di arrivo del sismo a causa un elevata inerzia che può portare a seconda dell'intensita dell'evento sismico a ritardi anche elevati
- non è possibile eseguire il calcolo della magmitudo in quanto il sistema non lavora secondo certe modalita richieste e normati dalla sismologia ufficiale  e non si conosce la curva   di risposta sismiva Hz - ampiezza. a meno che non venga fata dal costruttore che però potrebbe essere manomessa  al cmbiamento dell'elixticita dell amolla  dal liquido  dalla posizione dei pesi di regolazione ecc.
- PER LA FREQUENZA PROPRIA FEL SISTEMA CHE VARIA DA 0,001 A 3-4 HZ max  per cui i la componente sismica in ampiezza viene  in parte alterata o azzerata e filtrata 
- altre pblematiche secondarie

Trascorro altri sistemi ibridi che sommano  gli svantaggi del sistema geofoni e pendolo verticale per cui non è il caso di parlarne .....!!!!

Quanto scritto potrà essere  confermato o meno, per cui invito  coloro che hanno espsrienza in tal campo di dare un giudizio   e parere tramite il forum al fondo si queste pagine pagine , via email indicando il link di questa pagina o su facebook

https://www.facebook.com/groups/geologiageofisica/

 grazie per la collaborazione se è costruttiva.

QUESTO ARGOMENTO VERRA' APPROFONDITO CON APPOSITI TEST.
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