TEMA: ALARMA SISMICA Y SISMOGRAFO OBJETIVOS GENERAL: •
Activar una alarma audible cuando se tenga una actividad sísmica considerable.
OBJETIVOS ESPECÍFICO: • • • •
•
Aprender el principio básico del funcionamiento del sismógrafo Obtener la señal del sensor sísmico analógico. Tratar (Amplificar) (Amplificar) pequeña señal del sensor. Obtener la grafica de la señal amplificada, y mediante asistencia de la Computadora comparar con la Escala de Richter impresa. Con la señal tratada activar la alarma cuando se produzca una intensidad sísmica alta.
MARCO TEÓRICO
CONSTRUCCIÓN DE UN SISMÓGRAFO ANALÓGICO INTRODUCCIÓN: Se trata de como construir un sismógrafo analógico tipo Lehman de forma analógica artesanal. Lo primero que deseo indicar es que este sismógrafo se proyectó inicialmente inicialmente para comprobar si era factible detectar movimientos sísmicos, a un bajo precio. Puesto que no se deseaba gastar mucho dinero y trabajo en realizar este proyecto, para luego ser abandonado en un rincón por desánimo. Por ello, dejo claro que se puede mejorar muchísimo, y para ello es recomendable visitar las pági páginas nas en int intern ernet et,, donde donde se expli explica ca como como constr construir uirlo lo de una forma forma casi casi profe profesio sional nal.. DESCRIPCIÓN: El esquema básico del sismógrafo de Lehman es tan simple como el que se muestra en la imagen:
Se trata de una barra vertical que sujeta otra horizontal con un peso cerca de uno de sus extremos. Sin embargo la versión auténtica y más completa es la que se muestra en la siguiente imagen, obtenida de internet.
CONSTRUCCIÓN: Para la construcción de la base del sismógrafo, se realizó una base en cemento y un peso tal y como se muestran en las dos imágenes siguientes:
En esta última imagen se observa la base ya finalizada, y un pequeño peso de cemento a su lado (que posteriormente se colocará en la barra horizontal). Existen una serie de puntos en este sismógrafo que son muy importantes para que funcione correctamente: Lo primero es que el único punto de contacto de la barra horizontal debe terminar con la forma de la hoja de un cuchillo, y tan afilada como este. Para que pueda oscilar con el menor rozamiento posible. Segundo, debe existir algún sistema para amortiguar la oscilación de la barra, bien por medio de imanes o con un recipiente lleno de aceite (dado su mayor coeficiente de viscosidad). Sin embargo en este caso no se empleó ningún tipo de amortiguamiento. En los esquemas que se pueden consultar en la red, se indica que la barra es de hierro o plástico y no se habla de la longitud total de la barra; en este caso se empleó una tubería de cobre (de las que se utilizan para el agua caliente), con una longitud total de 140 cm.
Sin embargo la longitud de dicha barra es muy importante, si nos fijamos detenidamente dicha barra en realidad es un péndulo horizontal; y por las leyes de la físicas sabemos que el periodo de oscilación dependerán de la distancia entre el punto de apoyo y la distancia a la que se encuentre el peso (de tal manera que según la dicha longitud, tendremos un sismógrafo de corto o largo periodo) . Sin por desgracia dicha frecuencia de oscilación coincidiese con la frecuencia de la onda sísmica, entonces la barra no oscilará. El sismógrafo quedaría finalmente ya situado en su emplazamiento definitivo de la forma:
Desde este punto en adelante, el lector puede realizar modificaciones de tal manera que puede ser mejorado o modificado, según las “felices ideas” del lector. El siguiente paso es situar algún tipo de sensor que detecte la oscilación de la barra. En los esquemas que se pueden encontrar por la red, se trata de una bobina y un electroimán que va al amplificador. Si leemos las páginas web sobre la construcción de sismógrafos, muchas de ellas nos indican cómo construir el amplificador, el proceso de construcción del sensor, el acceso de datos por el puerto serie del ordenador, etc. Sin embargo la intención es no liar mucho la construcción y realizarlo lo más simple posible. Para ello, en lugar de estar soldando, comprando componentes electrónicos, etc. nos podemos fijar que el sensor del esquema, emplea el mismo funcionamiento que el de un micrófono o el de un altavoz (salvando algunas diferencias). Por ello se podría emplear precisamente un altavoz como el sensor más simple posible, de tal manera que un alambre unido al extremo de la barra del sismógrafo se pegue con silicona al cono del altavoz, así al vibrar la barra, transmitirá su vibración a dicho cono del altavoz y este producía una corriente eléctrica que se enviará al amplificador.
En esta imagen se observa el alambre que está unido a la barra horizontal, y pegado al cono del altavoz (se ha comprobado que la sensibilidad aumenta si se coloca el altavoz de forma vertical como en esta imagen, no en forma horizontal como en la anterior). Tal y como se muestra en el siguiente esquema, el altavoz se conecta a la entrada de un amplificador. En nuestro caso se ha empleado un amplificador viejo de megafonía (que trabaja sólo con señal en mono). Sin embargo se podría emplear el amplificador de una minicadena musical, lo importante es que la salida del amplificador tenga mucha potencia.
La salida del amplificador se conecta a la entrada de la tarjeta de sonido (sound blaster) del ordenador (ojo en no pasarse con el volumen, que podemos quemar dicha tarjeta). Por ello recomiendo emplear un ordenador viejo que ya no usemos, no sea que lo quememos. Llegado a este punto se podría pensar que el altavoz al mismo tiempo que detecta las vibraciones
de la barra del sismógrafo, puede estar también detectando cualquier sonido que se produzca en sus cercanías. Eso es cierto, por ello deberemos situar el sismógrafo en el interior de una pequeña cueva cerrada, y rodeando al altavoz situar una caja forrada en su interior con corcho blanco, para mitigar en lo posible la captación de cualquier tipo de sonido que le pudiese llegar (la caja no debe tocar ni la barra, ni el altavoz, ni los soportes del mismo), pues en caso contrario estaría amortiguando la vibración de la barra.
En cuanto al ordenador, se ha empleado un Pentium 1 a 133Mhz (puede servir un viejo ordenador que tenga arrinconado por obsoleto), conectado a la red con una UPS (que estabiliza la corriente eléctrica, evitando las subidas y bajadas de tensión, así como permitir el funcionamiento del ordenador durante algún tiempo si falla el fluido eléctrico.
Con esto tenemos ya todo el hardware necesario para nuestros intereses. Sin embargo me detengo un momento para hacer algunas consideraciones: El sismógrafo debe estar situado en una habitación o cueva (en este caso) totalmente cerrado, donde no le llegue el viento, corrientes de aire ni los rayos del Sol (el calor dilata mucho los
metales, y se producen contracciones y expansiones bruscas que pueden generar señales repentinas que nos lleven a caer en algún tipo de error interpretativo) Debe estar aislado acústicamente, en este caso el ordenador y el amplificador están en otra habitación independiente.
La base debe estar totalmente horizontal y fijamente unida al suelo para que se transmita eficientemente las ondas, y el suelo sería conveniente que fuese de pura roca, o en contacto con ella, no sería recomendable la tierra, arena o el Jable típico del sur de la isla.
Una estación sísmica que se precie debe tener tres sismógrafos, uno con la barra en dirección Norte-Sur otro en la dirección Este-Oeste y un tercero vertical (en internet también existen páginas para su construcción tomando como idea un resorte). Dado que el sismógrafo captará mejor aquellas ondas que le lleguen de forma transversal, si sólo se construyera un sismógrafo, sería recomendable que se orientara de tal manera que el eje horizontal de la barra fuese perpendicular a la dirección de donde suponemos se producirán los epicentros. Sobra decir que la ubicación debe estar alejada de posibles fuentes de otras ondas, por lo que hay que olvidarse de situarlo en ciudades, debido a las vibraciones de los coches, camiones, obras, ascensores, etc. Lo mejor es un lugar solitario. SOFTWARE: Hasta ahora estamos trabajando con una señal acústica analógica; lo cual nos diferencia mucho de los sismógrafos actuales y de lo que se indica en internet, donde se emplean señales digitales. Sin embargo en la red debe existir software que transformen la señal analógica en digital, y de esta manera poder emplear software sísmico convencional. Sin embargo aquí se sigue el camino de las señales analógicas. El siguiente paso consiste en encontrar un programa informático que guarde la señal que le llega al ordenador, y existe uno muy interesante (seguro que existen más), denominado VRS Las ventajas de este software que nos interesan son: Es totalmente gratuito, y se puede descargar de la red en la dirección anterior Permite grabar de forma ininterrumpidamente, o cuando la intensidad alcance un umbral mínimo Cada hora (por ejemplo) graba un fichero con lo registrado en la hora anterior Graba en formato wav (que ocupa mucha memoria), pero lo hace también en mp3 Puede enviar los ficheros a una dirección de correo indicada por el usuario Está en español Comienza su ejecución de forma automática. Y funciona con Windows 95 o superior (con lo cual se pueden ejecutar en ordenadores obsoletos)
Lo cierto es que este programa no es para uso sísmico, se trata de un programa (según puede leerse en su página), para grabar conferencias y luego transcribirlas a papel, para grabar emisoras de radio, conversaciones telefónicas, seguridad en locales, etc. Pero para nuestros intereses es ideal, dado que el fichero donde se registran los sonidos, puede luego ser visionado (su onda) en cualquier programa de tratamiento de sonido. La misma empresa sugiere el empleo del programa WAVEPAD
Sin embargo es un programa demasiado simple, se puede emplear el programa Cool Edit pro. Pero en la red seguro que existen multitud de programas similares y gratuitos. Estos programas permiten visionar la onda, y reproducir por un altavoz lo grabado, hecho muy importante dado que la señal que realmente viene del sismógrafo (de entre el ruido de fondo que se capta) tiene un sonido claramente metálico (debido a que la barra es metálica). Al mismo tiempo que se visualiza por pantalla la forma de la onda, con lo cual podemos ir directamente al instante de tiempo que queremos, sin tener que escuchar todo el fichero. En este caso como el amplificador sólo trabaja en mono, (y la tarjeta de sonido del ordenador en estéreo), sólo se tiene señal en uno de los canales (el izquierdo o el derecho), pero no es un defecto muy grave (se puede solucionar pasando a modo de señal en mono). Si deseamos tener una imagen visual de una porción de onda que nos parece interesante, lo más fácil sería realizar un volcado de pantalla (fotografía de lo que en ese momento esté en la pantalla). Para ello pulsamos la tecla IMP PANT situada normalmente encima de las teclas del cursor, y luego ejecutar algún programa de dibujo o fotográfico y “pegarlo”. Si no tenemos ese tipo de programas podemos dirigirnos en Windows a INICIO+TODOS LOS PROGRAMAS+ACCESORIOS+PAINT y una vez ejecutado, pulsar en “pegar” posteriormente podemos grabarlo en formato gif o jpeg. Hasta ahora todo está muy bien, pero ahora comienzan los inconvenientes. Y el más importante es que cuando escuchemos por nuestro altavoz del ordenador la señales captadas, descubriremos con horror que se nos puede meter la señal de una emisora de radio, y que es muy difícil de eliminarla (una solución es emplear cables apantallados, conectar a tierra las carcasas del amplificador y del ordenador). Sin embargo cuando se trata de visualizar la señal (este señal radiofónica tiene la apariencia de ruido). La clave es jugar con el volumen de entrada o de salida del amplificador, para variar la relación señal/ruido. Sin embargo la señal de una onda sísmica es tan característica, que es fácilmente reconocible su apariencia, y suena a metálico (por la barra de nuestro sismógrafo). Sin embargo si usted posee este gran inconveniente, no desespere dado que se convierte en una gran ventaja como veremos al final. Otro problema es que el formato de grabación wav ocupa demasiado espacio, una hora de grabación ocupa cerca de 56 megas, y si lo "zipeamos" llega al orden de 47 megas. La solución es grabarlo en mp3, sin embargo todos sabemos que el formato mp3 elimina aquellas frecuencias muy altas o muy bajas que no son audibles por el oído humano, con lo cual perderíamos mucha información cuando posteriormente deseemos visualizar la onda por pantalla. POSIBLES MEJORAS: Existirán tantas como lectores, pero aquí tenemos algunas: Transformar la señal analógica del altavoz en digital en el propio ordenador, para luego trabajar más cómodamente con ella.
Emplear un amplificador estéreo, para poder usar dos sismógrafos y cada uno de ellos entra por un canal diferente en la grabación (canal izquierdo y derecho del altavoz)
Emplear un GPS para registrar la hora exacta en la grabación, o en algún tipo de registro del fichero. Y es aquí donde si tiene la tan molesta emisora de radio nos puede venir en nuestra ayuda. Resulta que podemos escuchar (y visualizar) los pitidos de las señales horarias, y emplearlos como señal de cronometraje.
Otra solución alternativa al GPS sería tener un receptor de radio de onda corta (muchos receptores comerciales lo poseen), y sintonizar una frecuencia en donde se emitan exclusivamente señales horarias, introduciéndola en el amplificador por alguna de las otras tomas de micrófono. Estas emisoras de radio que sólo emiten señales horarias, y se captan en todo el planeta, suelen ser militares, y son empleadas por sus barcos en alta mar, pequeños centros de investigación, pequeños observatorios astronómicos, etc. Las altas frecuencias están en 2.5 5 10 15 y 20 Mhz de onda corta (SW1) Algunas funcionan en horario laboral, o en días laborables, pero otras lo hacen de forma continua todos los días del año. Si ha conseguido llegar hasta aquí sin que tus neuronas no echen tanto humo como mis dedos al escribir, seguro que podrá construirte un sismógrafo. Le animo, dado que no es muy difícil. RESULTADOS: Lo primero es saber identificar las señales sísmicas, de aquellas que no los son, en la siguiente imagen se muestra un conjunto de señales y sus causas:
Un ejemplo captado por este sismógrafo es el mostrado en la siguiente imagen; recordemos que como la señal entra en modo mono, y el software trabaja en estéreo, debemos sólo tener en cuenta la mitad inferior de la gráfica (en este caso el canal izquierdo).
Sin embargo también se podrán detectar otros tipos de señales, como por ejemplo descargas de electricidad debidos al equipo, tal y como se muestra en la siguiente imagen ampliada:
Incluso el amplificador podrá detectar la descarga eléctrica producida por un rayo en las cercanías de la estación:
En cualquier caso ambas señales son fácilmente diferenciables de aquellas de origen geológico (comparar con el cuadro de señales sísmicas anterior).
EQUIPO UTILIZADO Sensor 1 brazo de un hard drive. 1 imán de neodimio
Base 1 base firme 1 un palanca de metal 1 hilo tensor
Amplificador 2 2n5245 2 1.22kΩ 2 2MΩ 1 100KΩ 1 100Ω
1 Multimetro 1 Osciloscopio 1 Computadora
4 Capacitores - 1uf 1 LM741 Cable coaxial 2 Plugs
Temporizador 3 2N3904 C=1000uf 1 220kΩ Relé 2C/12V 1 1N4004 2 LED’s 2 1KΩ 1 Sirena
1 Software de edición de audio
DIAGRAMAS ESQUEMATIZADOS TEMPORIZADOR DE LA ALARMA Pulso de Enc endido
6
3
2
1
1
Q1 2N3904
4
Salida al Relé
Q2
1
R1 2 1
1
220kΩ C1 5% 1mF
2
V1 6V
2
3
5 2N3904
Q6
2
1
3
2
1
3
2N3904 0
2
1
Amplificadores pequeña señal Primera etapa 3 1
R2 10kΩ 2
2
1
C2 5
6 2
1
1uF
D C1 2
1
2
G
1
2N5245
S
1uF 4 1
R3 2MΩ
V in
2
Sensor Analógico 0
1
1
R1 1.22kΩ 2
Vout 1
V1 9V
A F O
Ó G R IS
S M
Y
IC A IS
S M
R M A
A L A
Segunda etapa R4 1
2 3
100kΩ 50% Key=A
1 1
V3 9V 2
4
1
7
1
5
U1
3
5
6
C2 2
Vo ut 1 = Vi n 2 Amplifcador J FET
1uF
1
3
2
2
C3 1
2
6
1uF 4
LM741CH
Vout 2
0 1
PROCEDIMIENTO Se introdujo cambio en el diseño del proyecto en el tipo de sensor utilizado, los componentes en la amplificación por razón de ruido y prestancias.
EL SENSOR Al principio se utilizó un parlante para obtener la señal del movimiento pero este tiene el inconveniente, que si existe un sonido audible se introduce como ruido en él mismo por ser un transductor de audio, por tal motivo se investigó la manera más conveniente de tratar con este problema de difícil solución, de tal forma que se halló con la opción de hacer con piezas de un hard drive usado. El sensor consta de un principio básico de inducción electromagnética, en el cual consiste en que se introduce un hilo conductor en un campo magnético y por movimiento se induce un voltaje en este.
Fig2. Brazo Lector del Disco Duro (en un extremo la bobina) Para eso se utilizo partes de un disco duro, con el movimiento relativo de la bobina del cabezal lector del disco(Fig. 1) con respecto al imán de neodimio (Fig. 2), utilizado por su gran poder magnético, superior unas 7 a 10 veces
que los otros materiales magnéticos tradicionales,
obtenido del disco duro reciclado, se induce un voltaje en el inductor y así nosotros con este transductor podemos pasar de un fenómeno físico ( el movimiento ) a un voltaje( medida eléctrica en Rango μV- mV ),
con el cual ya podemos procesar la señal.
Fig.2 Imán de Neodimio El movimiento se lo obtiene de una base hecha de forma ideal como la realizada en la construcción de las casas, de hierro con cemento, y un arco propuesta en el marco teórico, para poder colocar un hilo tensor que conduce el movimiento a la palanca conectada al brazo metálico.
TRATAMIENTO Dado que el voltaje del movimiento es tan pequeño que no se puede comenzar a trabajar. Se amplifico con un transistor de propósito general la señal pero debido a las pocas prestaciones para el sensor emplead, por la inmunidad al ruido y otros factores más adelantes descritos se
incorporó al diseño una etapa amplificadora con JFET, 2N5245, la razón es que necesita tener un nivel de voltaje más alto con lo que el FET es el indicado para esta función, y una segunda etapa de amplificación con el amplificador
OBTENCIÓN DE GRAFICA En este momento con la señal tratada mediante software de edición de audio se obtiene la grafica del sensor, con un ruido propio del medio debido a las interferencias intrínsecas de todos los dispositivos, temperatura, cables y emisiones radioeléctricas,
ALARMA Después del procesamiento la amplificación se procedió a la activación de una alarma mediante el temporizador presentado, pero a causa de la falta de transistores en el medio se optó por cambiar a otro diseño de mayor accesibilidad a los componentes. También nos hallamos con el problema de que el tiempo de era muy corto y se colocó el capacitor de 1000uf y al para finalizar se conectó la alarma al relé.
CONCLUSIONES ∗
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Se concluye que fue de difícil construcción el sensor ya que por el ruido nos perjudicaba en el censo de la misma. Se tiene que una medida en el sismógrafo se puede hacer con una plantilla de sismos anteriormente registrados por tal motivo se debe tener una grafica coherente en la PC. Nos ayuda radicalmente el operacional para el tratamiento de la señal ya que tiene un filtro y amplificación muy rentable. La PC fue de gran ayuda ya que nos facilita la obtención de datos análogos para su graficación mediante software de edición de audio.
RECOMENDACIONES ∗
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Para el sensor se recomienda utilizar el de brazo metálico con el imán de neodimio y no el parlante debido a que el ruido que se genera por la voz perjudica la recepción del movimiento real. Se aconseja utilizar el operacional y los JFET para una mejor amplificación debido a sus prestaciones y función, ya que el los BJT solo amplifican corriente y nosotros necesitamos un nivel de voltaje para trabajar. Se recomienda tener una base firme de cemento para evitar que factores como el viento y cualquier vibración común por movimiento de automóviles nos dé una señal de alarma errada en el sensor. Se recomienda aprender debidamente el funcionamiento del operacional para poder determinar que polarización nos favorece.
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Que se tenga mucho cuidado con el ingreso de la señal en la PC, debido a que si amplificación es demasiado alta va a quemar la tarjeta.
BIBLIOGRAFÍA http://psn.quake.net/lehmntxt.html http://psn.quake.net/lehman1.gif http://psn.quake.net/equip.html http://www.geocities.com/CapeCanaveral/Hangar/7195/index2.html http://home.moravian.edu/users/phys/mejjg01/interests/Seismo_pages/seis_home.htm http://www.icoddelosvinos.com/volcan/volcan_estacion.htm http://www.nch.com.au/vrs/esp/index.html http://www.nch.com.au/wavepad/esp/index.html
Patricio Leon Andrade
[email protected] PatricioLeonAndrade@gmail
Byron Zúñiga Orellana Universidad Nacional de Chimborazo Riobamba Ecuador
