.4 ) tromografo digitale
La realizzazione del tromografo differenza tra le applicazioni proposte è la più complessa in quanto occorre acquisire segnali molto deboli fino ad una definizione di +/- 0,000.000.1 mv equivalente alla sensibilità di un 20 bit, pertanto acquisendo con un adc a 10 bit occorre aggiungere un amplificazione adeguata pari a bit = 20 - 10 = 10 bit per cui il gain sarà pari a 1024 circa ( meglio se 2 - 3000 X ) , in attesa della messa in commercio del nuovo Arduino due preannunciato per gennaio 2011 ma ancora in fase di test. Il nuovo Arduino due avrà una dinamica a 12 bit ( secondo quanto anticipato in alcuni forum ), pertanto una sensibilità 4 volte superiore e potrà gestire acquisizioni ed elevata frequenza di campionamento.
Dal punto di vista ardware tromografi si possono dividere in due grandi famiglie:
A) tromografi velocimetrici - Ho potuto constatare che i primi prototipi con determinate specifiche hanno dato risultati compatibili a quelli professionali, vedremo in seguito le specifiche che dogranno avere a livello hardware..
B) tromografi accelerometrici - per il momento il progetto è sospeso in quanto dai test è emerso che l'accelerometro utilizzato ha un rumore, probabilmente occorre filtrarlo come viene illustrato dalle specifiche - chi ha le capacità di approfondire l'argomento si può mettere in contatto con dolfrang@libero.it per scambi d'informazioni. ultimamente ho individuato nuovi accelerometri con caratteristiche migliori a prezzi che dovrebbero essere relativamente contenuti; ne esistono altri triassiali di tipo militare che potrebbero dare risultati anche migliori dei normali geofoni, con rumore quasi assente, ma con un costo notevolmente superiore ad una terna geofonica e quindi con un rapporto costo prestazioni non conveniente per poterli utilizzare. ( in attesa di trovare qualche accelerometro valido a prezzi non superiori a quelli di un normale geofono 3d si consiglia di andare sul tromografo accelerometrico.
Nel caso in cui non siate in possesso di geofoni 3d ( o seplicemente ti tre capsule geofoniche di cui una verticale e 2 orizzontali meglio se da 4,5 hz ) potete utilizzare tre geogoni verticali anche da 14 hz che normalmente si usano per la sismica a rifrazione , in questo modo avrete modo di mettere a punto il sistema a livello hardware.
Nel caso in cui foste sprorvvisti dei geofoni potete utilizzare tre capsule microfoniche .
Solamente dopo aver messo a punto l'hardware si potranno acquistare i geofoni ( solo le capsule geofoniche ( del costo inferiore di un centinaio di euro ) oppure il un geofono 3D molto più costoso ( 250 - 300 euro).
Non tutti sanno che se siete in possesso di un buon sismografo di ultima generazione potete acquisire sondaggi HVSR direttammente con il vostro sismografo, occorre che lo strumento abbia determinate qualità hardware, software e un buon segnale
sufficientemente sensibile.
Come si è già detto in precedenza un buon accelerometro deve essere sufficientemente sensibile per rilevare vibrazioni prodotte dai microtremori di almeno di 0,000.001 microvolt.
Tale sensibilità può variare a seconda dell'ADconverter e all'amplificatore utilizzato; i principali sono i seguenti
1) - utlilizzo di ADC A 10 Bit - E' il caso della serie Arduino uno e precedenti con adc a 10 bit; per avere una sensibilità pari ad un 20 bit occorre amplificare il segnale di 1024.
- Utilizzando amplificatori ad uno stadio non invertenti è consigliabile aumentare ulteriormente il valore di amplificazione fino al limite indicato dall'IC utilizzato, che potrebbe arrivare e superare i 4000 x ( in tutti i casi il segnale non è di ottima qualità ma permette di avere segnali comparabili con strumentazioni professionali
- Utilizzando un amplificatore a 2 stadi non invertente si ha un segnale molto più pulito e lineare ad ogni stadio si può applicare un gain di 50, 70 x per avere un gain complessivo di 2500x - 5000 x circa, 5 volte di più del necessario, ciò permette di migliorare il rapporto rumore segnale ed avere risultati equivalenti con gli strumenti professionali
- Utilizzando amplificatori differenziali il degnale è perfettamente pulito, non occorre amplificare oltre i 1000 x ( normalmente , ciò dipende anche dalle caratteristiche degli IC utilizzati)
2) - utlilizzo di ADC A 12 Bit - E' il caso della serie arduino due o di alcuni microcontrollori simili con adc a 12 bit;
- Utilizzando amplificatori ad uno stadio non invertenti è consigliabile usare Gain 1000 X
- Utilizzando un amplificatore a 2 stadi non invertente si ha un segnale molto pulito e lineare ad ogni stadio si può applicare un gain di 20, 30 x per avere un gain complessivo di 400x - 900 x circa, 5 volte di più del necessario, ciò permette di migliorare il rapporto rumore segnale ed avere risultati equivalenti con gli strumenti professionali
- Utilizzando amplificatori differenziali il degnale è perfettamente pulito, non occorre amplificare oltre i 250 -500 x.
3) - utlilizzo di ADC A 16 Bit - All'Arduino uno e/o due è possibile interfacciare adc a 16 bit ma dato che in tutti i casi occorre realizzare un amplificatore è meglio ( per comodità per chi deve realizzare il circuito passare al 24 bit) lo svantaggio è che in questo modo non si può modulare la sensibilità strumentale a seconda del tipo di sondaggio che si vuole realizzare.;
- Utilizzando amplificatori ad uno stadio non invertenti è consigliabile usare Gain 250 - 500 X
- non è utile usare amplificatori a due stadi per la modesta amplificazione necessatia ( quindi utilizzare amplificatori ad uno stadio - maglio se differenziali.
- Utilizzando amplificatori differenziali il degnale è perfettamente pulito, non occorre amplificare oltre i 50 - 100 x sono normalmente sufficienti
4) - utlilizzo di ADC A 24 Bit - non è necessario amplificare ulteriormente il segnale pertanto non necessita realizzare un amplificatore; questa scelta rende molto semplice il circuito da realizzare, qualche complicazione in più a livello software.
ATTENZIONE : PRIMA DI INIZIARE A MONTAREIL TROMOGRAFO
CONTATTATEMI PER VEDERE SE IL PROGETTO E' STATO NEL FRATTEMPO AGGIORNATO
Tromografo per prove hvsr
Il tromografo è un particolare acquisitore dati con frequenza di campionamento relativamente bassa (80 - 300 hz) capace di registrareper tempi relativamente lunghi (10 - 30 minuti ); i dati vengono acquisiti dai tre canali collegati ai geofoni disposti secondo l'asse X, Y, Z e registrati su un supporto magnetico e/o SD e/o trasmettere in tempo reali i dati ad un PC.
La strumentazione deve essere sufficientemente sensibile per registrare i microtremori presenti nel terreno, pertanto occorre utilizzare adconverter sufficientemente sensibili eventualmente preamplificati.
In base al trasduttore utilizzato i tromografi si possono suddividere in 2 tipologie strumentali:
A) toromgrafi velocimetrici che utilizzano i tradizionali velocimetr ( geofoni )i
B) tromografi accelerometrici che utilizzano un accelerometro 3D
Nelle pagine seguenti si potranno vedere le differenze hardware dei due sistemi, per chi inizia consiglio di utilizzare sistemi velocimetrici ( per il momento ) in quanto quelli accelerometrici sono più complessi e non ancora affidabili a sufficienza, presto verranno eseguiti test per determinare la qualità del segnale acquisito ed applicare determinate tecniche di acquisizione ed elaborazione non ancora perfettamente messe a punto.
una delle prime acquisizioni sperimentali di HVSR
notare la minima dispersione del segnale, la tendenza di andare a 1 il rapporto hv alle basse frequenza
Segue il video demo di youtube che illustra il software in fase di realizzazione che permetterà in tempo reale di ricevere i dati acquisiti dall'Arduino o altro microcontrollore per poterli memorizzare, visualizzare ed eventualmente elaborare.
un interessante tromografo professionale
Caratteristiche tecniche comuni
Alimentazione: 10-16Vdc (batteria interna)
Consumo di energia: < 1 W tore
A/D: 24 bit
Numero canali: 3
Converti(Σ∆) Range dinamico: 124dB @ 100SPS ali
Sampling rates: 10-600
Impedenza d'iCampionamento: simultaneo sui tre canngresso: 300 kOhm
Sensibilità: 2V p-p (119nV/count) me Clock:
GPS via PPS modulato PrecisReal Time Clock: +/-10ppm (-20/+50°C) Sincron.
Real Tiione rispetto a UTC: <50µs Antenna GPS: amplificata con 10mt di cavo e connettore BNC one
Formato dati: protocollo binariCPU: AVR RISC processor @ 11.592MHz
Interfaccia dati sismici: RS232, cavo USB in dotazio SADC20HS
Velocità: 115200 baud Interfaccia dati GPS: RS232
Formato dati: NMEA; 4800 baud, n,8,1 ensori da 4.5Hz: 3100g con Contenitore: Alluminio IP66 Temperatura operativa: -30/+60°C
Dimensioni: 155x140x110 mm
Peso: con sensori da 2Hz: 4400g 5022, EN55011
Certificazioni: CE (EN5
SR04C3 - 3 channels 24 bit digitizer
L'elevata risoluzione e bassissimo rumore per frequenze inferiori a 10Hz caratterizzano questo strumento; esso è basato sul convertitore sismico SADC20 progettato specificamente per raggiungere le prestazioni più elevate in abbinamento a sensori elettrodinamici (geofoni).
Il sensore ideale per il monitoraggio sismico è l'SS20 (frequenza di risonanza 2Hz) del quale il pack di sensori può essere anche incorporato nello strumento; una soluzione più economica ma comunque efficace è l'uso dei sensori da 4.5Hz di frequenza naturale ovvero l'SS45 come unità esterna o SS45PACK come sensori interni.
L'SR04 può essere abbinato anche a qualsiasi altro sensore sismometrico disponibile sul mercato.
Attenzione:
Molti non sanno che con alcuni sismografi moderni per sismica a rifrazione si possono fare sondaggi HVSR.
E' sufficiente collegare al ch1 il geofono da 4.hz verticale e al 2° e 3° geofono i due geofoni orizzontali da 4,5 hz meglio se sono dello stesso produttore e con le medesime caratteristiche del geofono verticale.
Il sismografo deve avere le seguenti caratteristiche:
frequenza di campionamento minima tra 100 -200 hz
durata acquisizione non inferiore a 2 / 4 minuti
dinamica 12,16,24 bit purchè adeguatamente amplificato
- possibilmente avere un filtro passa basso per tagliare frequenze d> di 20 / 30 hx
- salvare in formato txt
- la funzione merge dei files, oppure la possibilità di salvare in tx per fare il merge in maniera manuale
per rendere compatibile il file acquisito con il formato Saf , vedere il capitolo 15.3.3)
Eseguire le necessarie verifiche e comparazioni con un altro tromografo
Spesso i costruttori di sismografi non dimostrano particolare cura all'azzeramento dei segnali acquisiti, ai filtraggi dovuti, e ad acquisire un segnale sufficiente e non superiore a quanto serve ( caso dei 26 bit), per questo motivo necessita fi una puntuale verifica, se si dovessero avere problemi del genere è possibile realizzare un programmino che permette la pulitura ed ottimizzazione del sondaggio.