4) Sismografo sperimentali - GENERALITA'

Per sismica a rifrazione e riflessione ,   

MASW, REMI, ESAC e tomografia sismica

progetto superato

Parte 1° generalità

l'idea iniziale di un sismografo a 12 canali low cost
questo progetto ora è superato

Nelle seguenti pagine, come in un diario , verranno indicati gli sviluppi della progettazione e realizzazione di un sismografo per indagini sismiche attive e e passive utilizzando come acquisitore il Theremino del costo di soli 10 euro....

La finalità è quella di mettere a disposizione a chi vorrà partecipare al progetto indicazioni, modalità di esecuzione delle prime acquisizioni, tipologie di stendimenti possibili e piccoli manuali per descrivere le principali funzioni di acquisizione  e destinate con l'avanzamento del progetto a subire variazioni

Solo al termine della sperimentazione se si otterranno risultati validi si potrà redigere un manuale completo sia per l'assemblaggio dell' hardware che per l'utilizzo del software.

Molte sono le problematiche da superare, molte le cose da sfatare e da sperimentare, molti i cambiamenti hardware, software e modalità d'uso rispetto ai sismografi tradizionali, un sistema economico, auto assemblabile, facile da montare e di piccole dimensioni con schemi elettrici e software messi a disposizione gratuitamente a tutti come è nello spirito di WWW.Theremino.com .

Chi è interessato partecipare alla sperimentazione può contattare dolfrang@libero,it - ( è possibile che per imprevisti incontrati per strada la cosa non sia fattibile , in tal caso sarà sufficiente a ripiegare su altri acquisitori più performanti e costosi maggiormente adatti alla sismica a rifrazione, per quanto riguarda Masr e sismica passiva è meglio il theremino in quanto permette di acquisire anche a 24 canali per ore a 500 hz.

AVVERTENZE:  
le annotazioni son sono inserite secondo un ordine logico e le stesse con il proseguo del lavoto potrebbero essere modificate, in tal caso  le informazioni precedenti non sono più da considerare valide.
Si fa inoltre presente che le versioni beta fornita a chi le richiederà sono copie di laforo non finalizzate ad un uso definitivo ma possono contenere parti ancora in faese di realizzazione, perti non funzionanti, hanno solo lo scopo di permettere a chi vuole partecipare al proetto di fare le prime prove, poco per volta il programma miglioreà...

18 9 2015
è da tempo che vengono fatte sperimentazioni  per testare la fattibilità del progetto con l'acquisitore Theremino
nelle figure seguenti  si vedono alcune tracce acquisite a 500 hz , (i segnali sono piatti perchè non sono collegati i geofoni) :

 6 canali, 1 Theremino

12 canali, 2 Theremino

18 canali - 3 Theremino

24 canali - 4 Theremino

Le acquisizioni sono state fatte con il programma di acquisizione in dotazione al tromografo sperimentale

La soluzione ottimale è quella a 12 canali  fino ad arrivare ad un numero massimo di 16 - 18 canali, 24 mi sembrano eccessivo ,  i costi aumentano proporzionalmente al numero di canali, i tempi di realizzazione diventano più lunghi, un tempo maggiore per eseguire il sondaggio.

Sismografo sperimentali - Il trigger

Sismografo sperimentali - Il trigger

Per sismica a rifrazione e riflessione , 

MASW, REMI, ESAC e tomografia sismica

Il progetto è superato
lo schema è ancora più semplice

seguirà un terzo prototipo ancora più semplice e meno costoso da realizzare.

Parte 2° IL TRIGGER

in questa seconda parte ci occuperemo del trigger  elemento fondamentale per sincronizzare l'inizio dell'acquisitore con la mazzata di starter

23-09-2015

Campo di sperimentazione

foto di Simone Sette

Per eseguire le sperimentazioni occorre un luogo come questo

1) immerso nella natura 

2) assenza di rumori antropici

3) pianeggiante e privo di asperità morfologiche 

4) stratigrafia senza inversioni di velocità e omogeneo in senso orizzontale

5) suolo soffice per permettere di approfondire gli spyke dei geofoni senza fatica. 

6) un suolo sufficientemente morbido per  fissare i geofoni 

 primo prototipo di sperimentazione 6 canali

foto di Simone Sette

La strumentazione sarà costituita  da 2 - 3 cavi a 6 canali per ottenere 12- 18 cnali, andare oltre potrebbe essere inutile ma possibile.

Ogni cavo sarò autonomo , costituito da
6 geofoni  ( meglio se da 4,5 hz)
6 dviatori per geofono,  2 -3 cavi USB,
6 geofoni con bracciolo da 1m.
1 scatola per ogni cavo contenente theremino ed amplificatori

1 piastra in alluminio
2 - 3 avvolgitori piccoli per il cavo
1 - 2 rotelle metriche
1 bauletto per contenere tutto il materiale
1 tablet window da 100 euro   con monitor > 8 pollici meglio se > di 10 e/ o pc o pc-tablet

sondaggio eseguito da Simone Sette

Prima traccia geofono start  con gain  40

CASO 1) start contatto mazza piastra , il dt massimo è  pari al tempo di campionamento del dato acquisito  

CASO 2 start eseguito con geofono starter, il grafico fa vedere che lo starter  con geofono ha un ritardo dT rispetto all'analogo test eseguito con il contatto meccanico piastra - mazza.

Nel caso di utilizzo di starter piezoelettrici esiste un dT , ma in questo caso molto più piccolo di quello ottenuto con un geofono trigger

Seconda traccia - 5° geofono a distanza di una quindicina di metri dal punto di battuta,

durata di acquisizione  1500 m.sec secondi, frequenza di campionamento 1000 hz.

28-09-2015

Spesso  si usa come starter il geofono  fidandoci che inneschi il processo di acquisizione nell'esatto istante in cui si è dato lo start, non sempre la cosa è sempre vera.

Si consiglia di provare il sistema  prima con uno starter ON / OFF poi con il geofono per  vedere se il tempo del primo arrivo è sempre lo stesso, consiglio di dare mazzate deboli,  medie , forti e fortissime per verificare che i tempi siano sempre gli stessi

Consiglierei lo starter Piezo che da valori bassi sempre e supera il 500 solo durante il colpo.

http://www.theremino.com/hardware/inputs/piezoelectric-sensors#adapters

In questo modosi potrà usare un qualunque input digitale ( DigIn )

che è valido per tutti i PIN di tutti i moduli (anche fino agli 11 e 12 dei nuovi master)

In questo modo con n° 2 Theremini  è possibile  realizzare un 12 canali in quanto come canale trigger può essere utilizzato il pin 7,8,9,10,11,12 deni nuovi master > V 4.0

Come funziona ?

il geofono  quando è in quiete genera un segnale di ampiezza molto piccola, quando viene eccitato da una mazzata produce segnali di ampiezza elevata  mandando spesso in saturazione il segnale se non ben regolato.

Il funzionamento è quello di sfruttare questa proprietà, quando il segnale supera il valore di soglia il software se ne accorge e da l'ordine al sismografo di far partire la procedura di acquisizione, nel caso contrario rimane in attesa.

Senza addentrarci  nelle diverse tecniche  utilizzate nel gestire via software o via hardware lo starter, l'operatore deve conoscere  i limiti del metodo per non rischiare di ottenere risultati errati.

Importante è in valore di soglia  che determina il valore in  cui deve avvenire  lo starter dell'acquisizione, se ci riferiamo alla figura precedente traccia superiore che mostra il grafico dell'andamento del segnale generato da un geofono eccitato da una mazzata posizionato nelle vicinanze della piastra di battuta si possono ipotizzare diversi comportamenti.

1) ipotizziamo ( caso rarissimo ) dove il rumore ambientale = 0, e di aver impostato il valore di soglia = 0,01,  nell'esatto istante  in cui  si a da mazzata scatta la procedura di acquisizione come si vede in figura ( tacca rossa )

Il geofono posto ad una certa distanza evidenzierà il primo arrivo delle onde P dopo un certo intervallo di tempo dT che è quello trascorso dall'istante  0 e il tempo Tr  ritardo.
Per eseguire questa prova nel software è stato inserito un pretrigger che mostra il segnale prima dello starter ( parte  sinistra della linea rossa )

 caso 2)  normalmente il rumore di fondo del sito non avrà mai un valore = 0 , i microtremori  ce lo insegnano, quindi se imponiamo un il valore di soglia indicato  nel caso 1 di 0,01  avviata la procedura  di attesa della mazzata al primo tremolio del terreno avviene il superamento della procedura di acquisizione senza aver dato  la mazzata rendendo nulla l'acquisizione fatta.

caso 3)  Nel caso  della figura precedente dovessimo impostare  un  valore di soglia pari a 15, valore superiore almeno di 5 volte del rumore ambientale che varia nell'esempio varia tra +/- 2 avremo l'avviamento dell'acquisizione ma con un piccolo ritardo valutabile fra 1 e 5 millisecondi, tale errore produce  una sottovalutazione del tempo di arrivo  della onda P, di conseguenza una sovrastima della Vp.

caso 4) Nel caso in cui la parte positiva dell'esempio fosse stata quella rivolta verso il basso  e con valore di soglia = 30 si ottiene un tempo di starter  errato che genera un errore grossolano nella determinazione del tempo T0, il dT si sarebbe praticamente dimezzato rispetto al dT reale con conseguente sovrastima della vs anche in questo caso.

caso 5)   A livello di software e in maniera più complicata a livello di Hardware è possibile usare il modulo del valore di soglia, ciò permette  al trigger di funzionare anche con polarità invertite del segnale di starter.
Se la polarità dei geofoni nei casi 1 - 4 fosse stata invertita, usando i valori di soglia precedentemente indicati non avrebbero fatto partire l'acquisizione in quanto un valore  -30 , ad esempio, non avrebbe soddisfatto le condizioni di avvio dell'acquisizione.
Usando il modulo ciò viene resa possibile ma senza migliorare il risultato finale

caso 6)  aumentando a 60 il valore soglia , è evidente che ci troviamo in una condizione sempre peggiore a quelle precedenti il tempo To  sarebbe  maggiore al tempo di arrivo del segnale registrato dal geofono con conseguente perdita della parte iniziale del segnale.

caso 7) L'ultimo caso  è duello di usare un valore di soglia più alto del valore massimo prodotto dal geofono starter, in tal caso l'acquisizione  non parte in quanto la relazione  che avvia l'acquisizione non viene verificata.

CONCLUSIONI SULL'USO DEL GEOFONO START

Come si è visto i migliori dati  si hanno quando il valore di soglia si pochissimo il rumore del sito quel tanto che basta per far scattare il trigger a causa di un rumore antropico.

Per migliorare la funzionalità del geofono trigger  è possibile inserire un circuito che abbia il compito , facendo ruotare una manopola per regolare la sensibilità del trigger in modo da evitare partenze dell'acquisizione, in tutti i casi ciò  fa comportare uno delle problematiche  dei casi 2-7 precedentemente descritti.

Quanto detto va contro a quanto spesso viene consigliato di dare la mazzata vicino al geofono che si vuole usare  come punto di start, in particolare per la mazzata centrale che si solito va data tra il 6 e 7 geofono.

Non è possibile neanche settare il trigger per determiati valori di soglia perchè dipendono

1) dalla caratteristiche del geofono - sensore usato
2) amplificazione e sensibilità del sistema usato
3) intensità della mazzata
4) rumore ambientale
5) energia sviluppata del mezzo battente ( forza applicata )
6) tipo di terreno
7) tipo e dimensioni della piastra
8) distanza dal centro della piastra e il geofono
9 valore di soglia impostato
10) sall'algoritmo utilizzato per gestire l'evento a livello Hardware che software
11) .......... altro ...............

Per ottimizzare ciò occorrono algoritmi software (che penso non vengano utilizzati nei normali strumenti) che eseguano test e verifiche in fase di acquisizione e l'individuazione del vero istante  T0 con l'analisi post acquisizione del dato prima della sua visualizzazione, saranno tecniche sperimentate nel programma di acquisizione, in pratica occorre realizzare un " triggeraggio intelligente".

Anche se in maniera meno evidente tutti le tecniche do triggeraggio chi più e chi meno hanno questi problemi più o meno evidenti, per tanto tecniche di triggeraggio intelligenti possono ridurre i margini di errore.

sondaggio eseguito da Simone Sette

Il sondaggio rappresenta la registrazione di circa  20 msec in contemporanea di 5 geofoni verticali posti con distanza intergeofonica di 3 metri, non è stato energizzato il terreno, per misurare l'entità in ampiezza del rumore sismico del sito ( assenza di rumori antropici e vento ).

09-09-2015

L'amico Simone Sette in data odierna mi ha mandato  alcune acquisizioni eseguite   sul campo di prova,

Il programma ha ancora molte cose da sistemare, si è usato un tabellone elettronico per visualizzare il sondaggio , questo è il risultato ( fatto con acquisitore da 10 euro e una manciata di resistenze e piccoli integrati - un particolare grazie a Simone ) :

cliccare sull'immagig

ne per ingrandirla

12-10-2015

CONSIGLI SULL'USO DEI TRIGGER STARTER

dalle prove fatte scarterei i geofoni perché hanno una elevata inerzia per superare il valore di soglia impostato, è possibile a livello di software è possibile ricostruire il tempo To della mazzata ma in condizioni di rumore ambientale o per segnali con ampiezza simile ai rumori ambientali è possibile ottenere risultati errati.

STARTER GEOFONICO

SI SCONDIGLIA DI NON UTILIZZARE  I GEOFONI COME STARTER ANCHE CON STRUMENTAZIONI PROFESSIONALI, provate con un geofono e poi con uno starter meccanico e controntate i tempi di arrivo con un geofono medio- lontano......

STARTER MECCANICO

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Un eventuale starter meccanico va collegato tra SIGNAL e GND e SENZA collegare il +5V

Poi si deve impostare il PIN come DigIn-PU (il PU vuol dire PULL-UP e ci pensa il Theremino a dare la tensione che serve all’interruttore)

  

STARTER PIEZOELETTRICO

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Consiglio questa versione perché costa poco e da un segnale forte e pulito.

In questo caso il segnale partirebbe da numeri bassi (da 5 a 20) e sicuramente sotto al 500.

E salirebbe a 800 o 900 in tempo brevissimo ad ogni mazzata.

Adattatori per i sensori piezoelettrici
da theremino.com

Gli adattatori che proponiamo sono semplici da costruire e funzionano meglio dei molti schemi che si trovano su internet.

Attenzione: Il principio di funzionamento dei nostri sensori non è lo stesso di quelli delle batterie commerciali. I segnali non sono intercambiabili. 

Per ottenere le massime prestazioni, i nostri sensori non trasmettono un segnale audio, ma un valore proporzionale alla pressione esercitata. 

Questo ci ha permessi di ottenere un controllo del suono e una dinamica, superiori a quelli delle batterie elettroniche commerciali, con i classici Pad non alimentati.

continua nel sito

per ulteriori informazioni si rimanda alla seguente interessantissima pagina
http://www.theremino.com/hardware/inputs/piezoelectric-sensors#adapters

Attenzione a girare il dischetto piezo fisicamente nel senso giusto in modo che dia il segnale al fronte di salita del colpo e non al fronte di discesa, che arriverebbe qualche millisecondo dopo.

esecuzione di acquisizione Remi di durata 10 minuti ottenuta in continuo  - a 2 canali senza interruzioni con visualizzazione del segnale acquisito in tempo reale - frequenza di campionamento
500 hz   - progetto in fase di sperimentazione e test

giugno 2018 sperimentazioni  fatte dall'amico Salvatore 

da www.theremino.com

Sismografo sperimentali - L'ACQUISITORE

Parte 3) L'ACQUISITORE

La figura sopra evidenziata rappresenta lo schema del sistema di acquisizione costituito da una o più unità cavo

Ogni utità cavo è costituita da sei geofoni da collegare al cavo collegato a sua volta al Master Theremino, si possono collegare fino ad un massimo di 3 - 4 cavi per un totale di 12, 18, 24 canali

( nel caso di 18 - 24 canali non sono stati ancora fatti test specifici )

L'ACQUISITORE:  MasterDIL-V4

(nuova versione migliorata)

Si tratta della parte più importante dello strumento, nel PIC 24FJ64GB002 avviene la trasformazione da segnale analogico in digitale, e l'invio dei dati acquisiti in tempo reale al PC.

Ogni Mater può gestire fino ad un massimo di 6 ADC16 e uno o più Trigger , per cui se volgliamo realizzare un 12 canali occorrono 2 Master, 16 canali 3 master, con pc particolarmente veloci è possibile arrivare al 24 canali con 4 master, si consiglia per cominciare una combinazione a 12 canali, in seguito viste le prestazioni si potrà pensare ad aumentare i componenti fino a 16 canali. 

Individuare le posizioni dei Pin ora è più facile perché sono rappresentati da un cerchio. Sono indicati anche i numeri dei nuovi Pin 7, 8, 9, 10, 11 e 12.

Il PCB è semplificato e il numero di componenti ridotto per facilitare e rendere più economico il montagggio.

In futuro nuove versioni di firmware implementeranno anche i Pin 11 e 12 (che saranno solo digitali, niente ADC e tasti capacitivi).

Non si deve imparare niente di nuovo, si usa esattamente come la Versione 3, la disposizione dei Pin è quasi identica e il Firmware è intercambiabile.

Descrizione del prodotto

Il Master DIL - V4 Theremino (con una presa di corrente) monta il PIC 24FJ64GB002.

Su questa versione tutti gli input / outupt sono di sesso maschile.

L'orologio è generato da un quarzo a 8 MHz e moltiplicato internamente dal PLL all'interno del PIC per soddisfare il requisito per la massima velocità di standard USB 2 (massima velocità a 480 Mbit / s, per maggiori dettagli andate qui: https: // en.wikipedia.org/wiki/USB#USB_2.0).

L'interfaccia USB è HID ed è riconosciuto automaticamente dal sistema operativo più diffuso.

Theremino Maestro V4 è stato testato su:

Windows XP, 

Windows Vista, 

Windows 7, 

Windows 8, 

Windows 8.1 

Windows 10 tutte le versioni.

Altro sistema operativo:

si prega di vedere qui: http://www.theremino.com/en/downloads/linux/

Per maggiori informazioni andare sul sito ufficiale di Theremino.com

http://www.theremino.com/technical/schematics
altre informazioni qui:
http://comunitadigeologia.blogspot.it/2015/10/da-oggi-il-sito-di-vendita.html



AGGIORNAMENTI 1/12/2015
MasterDIL-V4 verrà presto sostituito con i MasterDIL-V5 più performante



la soluzione con gli amplificatori è superata  se si attivano  12 - max 15 canali in modalità  "PSEUDODIFFERENZIALE"

Potrebbero servire in modalità sigle per attivare  16 canali , con gain  300-500  ad un solo stadio  con partitore  ( con il 24 bit )

Gli amplificatori: 

gli amplificatori non sono più necessari con dinamica 24 bit

E' consigliabile  utilizzare  sistemi di acquisizione con dinamica inferiore ai 24 bit per poter modulare il gain di ogni singolo canale in maniera personalizzata per amplificare i singoli canali quanto basta ed ottenere segnali il più puliti possibili.

Serve realizzare un amplificatore per ogni canale ad uno stadio, invertente  oppure non invertente, con partitore, meglio de dotato di commutatore  a più posizioni con gain  5, 10, 50, 100, 250,  500, dando priorità a quelli indicati in rosso. 

Nel nostro caso le possibilità sono le seguenti:

1) REALIZZARE L'AMPLIFICAZIONE 

Operazione relativamente semplice per chi ha un minimo di manualità in elettronica,  on line si trovano numerosi schemi elettrici da adattare alle esigenze di filtraggio e di amplificatore

Alcuni schemi elettrici da adattare

2) ACQUISTARLO ON LINE GIA' REALIZZATO 
Soluzione più semplice e veloce sfruttando tecnologie costruttive professionali , in questo caso basate su componenti SMD che lo rendono molto piccolo e di elevata qualità.

Il modello presentato è anche esageratamente amplificato in quanto supera i 1000 - 5000 x di gai ma è sufficiente aggiungere una resistenza per modificare il gain  a valori adatti per la sismica a rifrazione.

Per maggiori notizie  cliccare qui