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Sismometro : Elettronica di Lettura

Sensore LVDT

Il sensore di posizione del sismometro è un trasduttore del tipo LVDT (trasduttore di spostamento induttivo). Questo trasduttore è un dispositivo elettrico che permette la misura di uno spostamento lineare.

Il trasduttore è realizzato solitamente mediante un tubo composto da tre avvolgimenti disposti con assi paralleli e con all’interno un nucleo cilindrico ferromagnetico mobile, normalmente caratterizzato da un’alta permeabilità magnetica. L’avvolgimento centrale è detto primario e gli altri due secondari: quello primario è collegato ad un generatore di tensione AC, ai capi dei secondari invece si misura la tensione d’uscita. Quando è applicata la tensione al primario, sugli altri due viene indotta una forza elettromotrice per via delle mutue induzioni tra gli avvolgimenti.

Quando il nucleo è al centro, la tensione indotta sugli avvolgimenti secondari, essendo questi avvolti in senso discorde è uguale ma opposta, di modo che il segnale di tensione misurato sia praticamente nullo. Allo spostarsi del nucleo, invece, le mutue induttanze cambiano, e a seconda che si sposti a sinistra o a destra risulterà maggiore l’accoppiamento induttivo con il secondario rispettivamente di sinistra o destra. Di conseguenza il segnale in uscita varierà proporzionalmente allo spostamento del nucleo.

Per tradurre il segnale di uscita del LVDT si usano i cosiddetti demodulatori discriminatori di fase. Questi sono dei dispositivi elettronici che permettono di estrarre il valore efficace della tensione che rappresenta lo spostamento, e interpretare da quale parte dello zero avviene lo spostamento. Il più noto di tutti utilizza un doppio ponte di Graetz che raddrizza il segnale alternato proveniente dagli avvolgimenti secondari e ne fa la somma algebrica. A seconda del segno della somma si è in grado di capire da quale parte dello zero è avvenuto lo spostamento.

L’LVDT è un trasduttore molto sensibile in grado di misurare spostamenti dell’ordine delle frazioni di micròmetro. A seconda della frequenza di alimentazione del primario e della massa del nucleo si hanno frequenze di taglio di alcune centinaia di hertz e quindi buone risposte dinamiche a spostamenti velocemente variabili nel tempo.

Nel nostro caso sono state utilizzate due bobine primarie (eccitatrici) e due bobine secondarie (rivelatrici). L’immagine sotto mostra il nucleo di ferrite, solidale con il braccio mobile, libero di muoversi all’interno delle bobine di eccitazione e di rilevazione.

Il disegno sotto mostra lo schema di principio del trasduttore LVDT ed i collegamenti con il circuito integrato che effettua l’operazione di demodulazione del segnale.

L’immagine sotto mostra il nucleo di ferrite, le bobine del sensore ed i collegamenti con il circuito di demodulazione e preamplificazione del segnale.

Demodulatore & Preamplificatore

Il sensore LVDT viene gestito dall’integrato NE.5521 che pilota le due bobine eccitatrici L2 e demodula il segnale captato dalle bobine rivelatrici L1. Quello che si ottiene è una tensione continua proporzionale allo spostamento del nucleo di ferrite. Il segnale ottenuto dal componente demodulatore viene applicato al filtro passa-basso costituito dai componenti R4, R5, C5 e C6 che danno una frequenza di taglio di 20 Hz. All’uscita dell’operazionale presente nell’integrato avremo quindi una tensione continua. A circuito bilanciato, cioè con il nucleo di ferrite perfettamente centrato all’interno delle bobine, troveremo una tensione continua di 6 V. Se il nucleo di ferrite si spostasse a destra o a sinistra, la tensione avrebbe un valore minore o maggiore di 6 V.

In presenza di una onda sismica, il nucleo di ferrite, sollecitato da questa vibrazioni, si muoverà rispetto alle quattro bobine di pochi millesimi di millimetro, determinando in uscita una tensione che rispecchierà fedelmente la frequenza dell’onda sismica.

Le immagini sotto mostrano lo schema del circuito elettrico ed un disegno con lo schema dei collegamenti. I dettagli con le spiegazioni del circuito si trovano sul numero della rivista “nuova elettronica” : Nuova Elettronica 130. Rispetto al circuito originale sono state apportate alcune modifiche migliorative secondo quanto descritto ai seguenti link :

Amplificatore & Condizionamento del Segnale

Il circuito di condizionamento del segnale è stato realizzato prendendo spunto del circuito presentato nel numero della rivista “nuova elettronica”: Nuova Elettronica 195. Lo schema è riportato nella immagine sotto. In pratica si tratta di un filtro passa-alto che elimina la componente continua del segnale. Il filtro è costituito da un parallelo di 5 condensatori al poliestere da 1μF (noi abbiamo montato un solo condensatore da 4,7 μF) seguito da un amplificatore a guadagno regolabile con il trimmer R4, il guadagno è regolabile da 1 a 5 volte. Questo amplificatore porta il segnale centrato attorno al valore medio di 2,5 V. Lo stadio successivo è un filtro passa-basso da 12dB per ottava con frequenza di taglio di 10Hz in modo da lasciare passare solo le frequenza subsoniche delle onde sismiche.

Il segnale (range 0 – 5 V)) viene successivamente inviato allo stadio di conversione ADC. La frequenza di campionamento del segnale dovrà essere da 50 a 100 Hz in modo da coprire tutto il range di frequenze del segnale filtrato.

Conversione ADC & Logging

L’acquisizione dei segnali del sismometro è basata sul componente PSoC. PSoC è la sigla di Programmable System oChip, ovvero chip che integrano un microcontrollore e dei componenti analogici e digitali a logica programmabile. In questo modo è possibile avere in un singolo chip tutto il necessario per svolgere compiti complessi.
Come per i loro stretti parenti FPGA (i quali sono però limitati ai soli componenti digitali), i tool di sviluppo disponibili permettono di programmare il chip come se si stesse procedendo al disegno di un circuito elettronico, collegando tra loro amplificatori, convertitori, ADC e DAC, filtri, comparatori e quant’altro necessario.
Una volta programmato, il chip si comporta come se fosse un componente hardware a tutti gli effetti. Inoltre, la presenza del microcontrollore permette di integrare una logica sequenziale ed eventualmente anche di riprogrammare le funzioni hardware.

La sigla PSoC è relativa ai circuiti integrati prodotti dalla Cypress Semiconductor. Nella nostra applicazione abbiamo utilizzato il modello PSoC 5LP.

I punti di forza del PSoC sono la facilità di utilizzo e programmazione unita ad una buona dotazione di componenti HW/SW già pronti che si integrano facilmente. La velocità di clock è medio-alta, fino ad un massimo di 80MHz.

Il segnale analogico del sismometro viene acquisito da un convertitore ADC con risoluzione a 20bit con una frequenza di campionamento pari a 100 campioni al secondo. Lo schema sotto mostra il modulo ADC configurato per l’acquisizione segnali.

Il modulo PSoC effettua poi la trasmissione dei dati via interfaccia seriale al Raspberry PI che svolge la funzione di Data Logger. Il funzionamento come Data Logger è stato descritto nel post : Raspberry Pi Logger (ITA). L’immagine sotto mostra il modulo PSoC collegato al Raspberry PI.

Software

Il software per l’acquisizione e la gestione dei dati sismici è stato scritto in python. I dati vengono memorizzati in formato MiniSEED (mseed), viene prodotto un file per ogni giornata di misura. Il formato MiniSEED è un sottoinsieme del più articolato formato SEED (Standard for the Exchange of Earthquake Data), che nasce con lo scopo di standardizzare lo scambio di dati  sismologici tra le varie comunità scientifiche.
Per l’elaborazione dei dati utilizziamo in particolare la libreria Python ObsPy : ObsPy è un progetto open source dedicato a fornire un framework Python per l’elaborazione di dati sismologici. Fornisce parser per formati di file comuni, client per accedere ai data center e routine di elaborazione dei segnali sismologici che consentono la manipolazione delle serie temporali sismologiche. Mediante la funzione plot (con parametro dayplot) è facile creare un grafico con la rappresentazione del sismogramma. L’immagine seguente mostra un grafico tipico ottenuto con la funzione plot di obspy.

I file in formato mseed con i dati delle registrazioni possono essere visualizzati ed elaborati con diversi prodotti software. Noi ci siamo trovati molto bene con il pacchetto open SeisGram2K, è un pacchetto software Java facile da usare e indipendente dalla piattaforma, viene utilizzato per la visualizzazione interattiva e l’analisi dei sismogrammi. SeisGram2K esegue e legge i file di dati sia localmente che su Internet, noi lo abbiamo utilizzato in modalità locale.
L’immagine sotto mostra la videata iniziale del programma.

Dopo il caricamento del file di dati, viene visualizzato il sismogramma corrispondente. L’immagine sotto mostra un esempio. Il software inoltre rende disponibili tantissime funzionalità per l’analisi del sismogramma, a titolo di esempio abbiamo : analisi di spettro, spettrogramma, filtraggio della forma d’onda e determinazione della distanza dell’ipocentro tramite analisi delle onde S e P.

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