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terremoti, scala Richter, scala Mercalli, onde sismiche, placche, faglie, sismografi, sismogrammi e pericolosità sismica
IW3SGT waveform drumplot
Eventi registrati dal mio sismografo: 2016 - 2017 - 2018 - 2019
E' nata tanto tempo fa, precisamente nel 1989 quando la rivista Nuova Elettronica, sul numero 130-131, pubblicò il kit di un sismografo molto interessante anche se abbastanza costoso. Il kit LX922/923 era un pendolo tipo Lehman, detto anche "garden gate" o anche "a cancello" per la sua configurazione ed era dotato di una stampante termica. La caratteristica del sensore è che riportava esattamente lo spostamento del pendolo, a differenza dei geofoni e accelerometri dove l'ampiezza del segnale di uscita non è solo funzione dello spostamento ma anche della velocità del movimento.
Nel 1998 Nuova Elettronica propose un altro progetto interessante con il kit LX1358/1359/1360, stavolta si trattava di un pendolo verticale con un sensore quasi identico al precedente kit. Tutti e due i pendoli erano adatti a rilevare la componente orizzontale dei terremoti ed erano anche molto sensibili, la rivista pubblicò più volte sismogrammi di terremoti ricevuti a migliaia di km di distanza.
kit di Nuova Elettronica LX922/923 del 1989 - Principio di funzionamento del Lehman (fonte INGV) - Kit di Nuova Elettronica LX1358/1359/1360 del 1998
breve descrizione del sensore LX1358 di Nuova Elettronica
L'approccio iniziale fu con pendolo verticale simile al noto AS-1 (da un programma didattico negli Stati Uniti). Si tratta di un braccio incernierato da un lato e con una massa nell'altro, il tutto in equilibrio con una molla adeguata.
La mia struttura era composta da profilati in Alluminio della Bosh 45x45mm da recupero, il braccio da un asta filettata da 10mm, la massa era un ciclindro in alluminio forato e filettato in modo da poter essere spostato sull'asta filettata. Le molle (due in serie) provenivano da recupero da una grande lampada da tavolo ed infine il collegamento braccio orizzontale e verticale con una semplice cerniera in ottone con un blocchetto di alluminio con foro filettato per fissare l'asta.
Il sensore era composto da una bobina ricavata da un rele (da 220VAC) in posizione fissa e un magnete molto potente (recupero da hard-disk) fissato sull'estremità del pendolo.
Per lo smorzamento non mi piaceva l'idea dell'olio motore, avevo pensato a due magneti che con il loro campo magnetico andavano ad "abbracciare" una piccola lama di Alluminio, le correnti parassite indotte nell'Alluminio dal movimento dei magneti avrebbero generato una sorta di "attrito magnetico" sufficiente a smorzare il pendolo, rimandai la realizzazione dello "smorzatore magnetico" dopo le prime prove di ricezione dei terremoti.
La bobina era seguita da una scheda National Instruments (entry level) con un ADC a 16bit e oltre 100 kHz di sampling rate con gain regolabile.
progetto molto simile al mio primo prototipo di sismografo (foto perdute, la foto è fonte AS1 Seismic System)
L'alternativa era di passare a sensori quasi professionali sborsando 4-500€, decisamente troppo per un uso "hobbystico".
Dal lato software il mio primo approccio è stato con LabView. Questo linguaggio di programmazione grafico consente di creare dei bei grafici ma praticamente impossibili da sincronizzare con un asse x con data-ora con il risultato di perdere decine di secondi all'ora.
Pensando (sicuro) di commettere "qualche" errore nel disegno dello schematico mi sono fatto aiutare da un amico più esperto. Non abbiamo risolto il problema ... LabView scartato.
LabView - scossa simulata muovendo il magnete a circa 30cm dalla bobina captatrice.
In Alto la tensione istantanea (media di 1000 campioni a 16bit), al centro lo stesso grafico ma con la scala tempo allungata e l'aggiunta dei min e max, in basso uno dei drum da 10 minuti (solo per debug prima di passare a quelli da 1 ora)
Ho anche pensato di accontentarmi temporaneamente di un analisi spettrale usando il software Spectran con una scheda sonora modificata per aumentare la banda passante in basso.
sotto i 10Hz la sensibilità della scheda sonora cala in modo sensibile, per usarla è necessario fare delle modifiche
La soluzione definitiva è giunta nel 2016 quando navigando in rete ho trovato un sensore interessante ad un prezzo da hobby. Si trattava di un geofono da 4.5Hz della Senhe a meno di 40€ in vendita presso il Theremoinostore.
- scheda Master che si occupa di comunicare con il PC via USB;
- scheda ADC-24 che è un ottimo ADC a 24bit con PGA e con una serie di filtri software per contenere il rumore.
E poi passai al download del software:
- HAL che si occupa di comunicare con il PC via USB e gestire le schede aggiuntive;
- Dolquake (in fase di sviluppo) che gestisce l'hardware trasformandolo in un sismografo.
hardware necessario per trasformare il PC in un sismografo: una scheda Master (V5), una scheda ADC-24 (V2), un geofono 4.5Hz verticale e due geofoni 4.5Hz orizzontali
Theremino è un sistema "Open Source" che collega il mondo reale al computer.
A differenza del sistema Arduino, con Theremino non è necessario scrivere software per programmare microprocessori, i moduli funzionano da subito.
I componenti sono arrivati due giorni dopo l'ordine (Theremoinostore) e nel giro di pochi minuti era tutto pronto e funzionante. Ho scelto di iniziare gli esperimenti solo con l' asse verticale (Z) e di lasciare in seguito l'aggiornamento con gli altri due assi orizzontali (Nord-Sud ed Est-Ovest).
Link sito Theremino
Link sul modulo Master
Link sul modulo AD-C24
Link sul software Hal (nella cartella compressa ci sono le istruzioni)
Link sul software Dolquake (in sviluppo, comprende anche il software HAL)
Dopo aver collegato la scheda Master al PC con un cavetto USB, il LED verde comincia subito a lampeggiare. Avviare il software HAL e seguire le istruzioni allegate al pacchetto software, in particolare quelle per il collegamento con il modulo ADC-24.
Sismografo in configurazione sperimentale, in seguito verrà rinchiuso in un contenitore metallico ermetico. Le scatole bianche contengono delle batterie Pb gel e sono usate solo come zavorra, infatti per un ottima sensibilità alle onde sismiche il geofono deve venir fissato sul terreno.
La posizione ideale per un "sismografo casalingo" è al piano terra o meglio in cantina, fissato al pavimento presso un muro portante o nell'angolo del fabbricato (struttura più rigida). Se posizionato in un piano alto sarà sicuramente meno sensibile ma potrà evidenziare eventuali fenomeni di risonanza del fabbricato.
Scossa di magnitudo 2.2 a 75km di distanza e confronto con sismografi professionali broadband (per dettagli sui tipi di sismografi clicca qui per vedere i miei appunti).
Scossa di magnitudo 4.7 a 300km di distanza e confronto con sismografi professionali broadband (per dettagli sui tipi di sismografi clicca qui per vedere i miei appunti). Si nota la scarsa sensibilità sulle onde L.
Scossa di magnitudo 4.5 a 850km di distanza e confronto con sismografi professionali broadband (per dettagli sui tipi di sismografi clicca qui per vedere i miei appunti). Si nota la scarsa sensibilità sulle onde L.
Situazione in presenza di forte rumore antropico
Dolquake è un software in continuo sviluppo. L'autore lo aggiorna costantemente aggiungendo nuove funzioni. Per scaricare l'ultima versione e trovare istruzioni aggiornate sui settings consigliati seguire questo link: Dolquake
Contrariamente a quanto consigliato dall'autore del software e dal progettista Theremino ho preferito lavorare su frequenze di campionamento più basse (50Hz in luogo dei 200/600Hz), attivare il filtro notch dell'AD (velocità FAST in luogo del MAX SPEED), impostare 30 (al posto di 100) nel campo velocità di risposta, disattivare la polarizzazione a Vmax/2 sul secondo pin dell'AD (introduce rumore sul mio dispositivo, sicuramente dovuto al mio PC) e di conseguenza aggiungere due resistenze da 22k verso massa da ogni terminale del geofono (come spesso consigliato nei manuali NI-DAQ).
Schema a blocchi del AD7124-8 (click per il data sheet)
L'AD7124-8 è il cuore del modulo ADC-24 e solo conoscendolo in dettaglio potremo escogitare delle strategie per sfruttare al massimo le sue potenzialità.
Rumore e risoluzione effettiva sono legati alla programmazione del PGA (Programmable Gain Array) e all'output data rate (SPS), per esempio l'aumento del guadagno da 1 a 128 comporta una perdita di quasi 4bit.