Σεισμογράφος με Η/Υ
τομείς: Τομέας Ηλεκτρολογίας και Τομέας Πληροφορικής
Συμμετέχοντες μαθητές: Γεωργόπουλος Γεώργιος, Δημητροπούλου Σοφία, Κωστοπούλου Αικατερίνη Γιαννικόπουλος Γεώργιος, Κακαλής Γεώργιος, Μπουλούτας Γεώργιος.
Επιβλέποντες καθηγητές: Αδαμόπουλος Νίκος και Πανόπουλος Θανάσης.
Το Διαδικτυακό Σεισμόμετρο On-Line !
Παρακολουθήστε On-Line ότι καταγράφει το Διαδικτυακό Σεισμόμετρο του σχολείου μας.
On-Line Στιγμιότυπα από το Διαδικτυακό Σεισμόμετρο
Παρουσίαση έργου σε Video
Περιγραφή έργου
Μια μάζα αιωρείται σε εκκρεμές με δυνατότητα να ταλαντωθεί οριζόντια ή κατακόρυφα (στα αντίστοιχα σεισμόμετρα). Σε σεισμό, λόγω αδράνειας παραμένει ακίνητη ενώ πάλλεται η βάση στην οποία υπάρχει ή το καταγραφικό χαρτί ή ζεύγος πηνίου-μαγνήτη που παράγει ηλεκτρικό σήμα που ενισχυμένο δίδεται σε αναλογική μορφή σε ηλεκτρικά καταγραφικά όργανα, ή σε ψηφιοποιημένη μορφή data σε Η/Υ που επεξεργάζεται αναλόγως.
0 κατακόρυφου ταλάντωσης σεισμογράφος μας αποτελείται από οριζόντια δοκό που ισορροπείται από ελατήριο και ταλαντώνεται πάνω κάτω με ιδιοπερίοδο 3 sec, η απόσβεση ταλάντωσης γίνεται με ροδέλα (που κινείται με τη δοκό) κάθετα σε υδραυλικό λάδι φρενάροντας την κίνηση. Η ιδιοσυχνότητα του ρυθμίζεται προσθαφαιρώντας βάρος και τεντώνοντας το ελατήριο.
Στον οριζοντίου ταλάντωσης σεισμογράφο μας η οριζόντια δοκός αιωρείται από μεταλλική χορδή, φέρει στο άκρο της μολύβδινο βάρος 2.5 κιλών και ταλαντώνεται οριζόντια με ιδιοπερίοδο 5 sec. Η απόσβεση της κίνησης γίνεται και εδώ υδραυλικά με πτερύγιο που φρενάρει σε λάδι.
Οι δοκοί φέρουν μαγνήτες που κινούμενοι μπροστά από πηνία παράγουν ασθενείς τάσεις σ’ αυτά, οι οποίες ενισχύονται σε τελεστικό ενισχυτή, αποκόπτονται οι παρασιτικές συχνότητες σε φίλτρο 1-10 Hz και μετατρεπόμενες σε ψηφιακό σήμα εισέρχονται στον Η/Υ όπου με κατάλληλο πρόγραμμα (που φτιάξαμε γι’ αυτό) γίνεται η γραφική τους απεικόνιση ως σεισμογράφημα σε χρόνο Greenwich.
Λογισμικό καταγραφής και επεξεργασίας των μετρήσεων
Το λογισμικό για την επικοινωνία του υπολογιστή με την κατασκευή του Σεισμογράφου αναπτύχθηκε εκ του μηδενός από την ομάδα του έργου χρησιμοποιώντας την γλώσσα προγραμματισμού Visual Basic. Στις δυνατότητές του περιλαμβάνονται:
- Αυτόματη καταγραφή των μετρήσεων που λαμβάνει από τους 2 σεισμογράφους.
- Ταυτόχρονη απεικόνιση των μετρήσεων στην οθόνη του υπολογιστή σε ώρα GMT.
- Αυτόματη ανίχνευση της έναρξης ενός σεισμού και ενεργοποίηση της κατάστασης συναγερμού.
- Αποθήκευση των μετρήσεων σε αρχεία στο σκληρό δίσκο του υπολογιστή για μελλοντική χρήση.
- Άνοιγμα των αποθηκευμένων αρχείων για περαιτέρω μελέτη και αξιολόγηση.
- Μετακίνηση των 2 καμπυλών των μετρήσεων αριστερά-δεξιά και αλλαγή της χρονικής κλίμακας της γραφικής αναπαράστασης.
- Δυνατότητα σύνδεσης μέσω της σειριακής θύρας με το ηλεκτρονικό κύκλωμα ελέγχου του έργου Τηλερομπότ, με σκοπό την αυτόματη αναγγελία έναρξης σεισμού από το Τηλερομπότ.
Περισσότερα Στοιχεία
Η ιδιοπερίοδος ταλάντωσης του σεισμογράφου είναι ο μέγιστος χρόνος φυσικής του ταλάντωσης της μάζας του.
Για να μην συντονιστεί με την σεισμική ταλάντωση υπάρχει (μόνο στα σεισμόμετρα) σύστημα απόσβεσης ταλάντωσης του εκκρεμούς (π.χ. ηλεκτροδυναμική ή υδραυλική πέδη).
Ηλεκτρονικό κύκλωμα ενίσχυσης (με OP amp) και φιλτραρίσματος (με δίκτυο R-C) της μικρής τάσης των πηνίων των σεισμογράφων.
Στο παραπάνω ηλεκτρονικό κύκλωμα παρουσιάζεται το στάδιο της μετατροπής των 2 αναλογικών σημάτων του οριζόντιου και κατακόρυφου σεισμογράφου σε ψηφιακά δεδομένα. Επίσης, απεικονίζεται η σύνδεση του κυκλώματος με τον υπολογιστή μέσω της σειριακής θύρας RS-232.
Για αυτό το σκοπό χρησιμοποιήθηκε ο προγραμματιζόμενος μικροελεγκτής PIC16F690 της εταιρίας Microchip. Πρόκειται για ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα 20 ακίδων, τεχνολογίας CMOS, χαμηλής κατανάλωσης και χαμηλού κόστους.
Περιλαμβάνει CPU των 8 bit, μνήμη RAM και μνήμη Flash για την αποθήκευση του λογισμικού (firmware) βάση του οποίου λειτουργεί. Επίσης, μεταξύ άλλων περιέχει μονάδα A/D μετατροπής μέχρι και 12 αναλογικών σημάτων σε ψηφιακά δεδομένα, ψηφιακές εισόδους και εξόδους, μονάδα σειριακής επικοινωνίας, timers, κ.ά.
Το κόστος αγοράς του ολοκληρωμένου κύκλωματος είναι 2-3€ ανά τεμάχιο. Η δημιουργία του λογισμικού του γίνεται σε συμβολική γλώσσα προγραμματισμού (Assebly) ή και σε άλλες γλώσσες υψηλού επιπέδου.
Η εγγραφή του λογισμικού στη μνήμη flash του ολοκληρωμένου γίνεται μέσω ενός programmer κόστους περίπου 50€. H σύνδεση του programmer με τον υπολογιστή γίνεται μέσω USB θύρας.
Η ύπαρξη μνήμης flash επιτρέπει τον επαναπρογραμματισμό του ίδιου ολοκληρωμένου πολλές χιλιάδες φορές.
Τα αναλογικά σήματα, λοιπόν, που έρχονται από τα κυκλώματα ενίσχυσης και φιλτραρίσματος μετατρέπονται σε ψηφιακά δεδομένα μέσα στον PIC, ο οποίος τα στέλνει στον υπολογιστή μέσω της σειριακής σύνδεσης με τη θύρα RS232.
Επειδή η σειριακή θύρα του υπολογιστή χρησιμοποιεί ηλεκτρική τάση +15 Volt για το λογικό 0, και -15 Volt για το λογικό 1, ενώ ο PIC χρησιμοποιεί 0 και 5 Volt αντίστοιχα, υπάρχει ανάγκη για μετατροπή αυτών των τάσεων.
Για αυτό το σκοπό χρησιμοποιήθηκε το ολοκληρωμένο κύκλωμα MAX232 της εταιρίας Mαxim, το οποίο μετατρέπει τα 0 και 5 Volt σε +15 και -15 Volt αντίστοιχα για την αποστολή των μετρήσεων στον υπολογιστή, και αντίστροφα για την λήψη εντολών από τον υπολογιστή.
Συνοπτική Σεισμομετρία
Σεισμικά κύματα
Διακρίνονται σε υπόγεια και σε επιφανειακά.
Τα υπόγεια μεταδίδονται μέσω της μάζας της γης, με διαφορετικές ταχύτητες και τρόπο, χωρίζονται σε:
- α) διαμήκηP όπου η μάζα ταλαντώνεται μπρος-πίσω παράλληλα στην διεύθυνση κίνησης του κύματος (όπως και ο ήχος). Είναι πρόδρομα – τα πρώτα που εμφανίζονται.
- β) εγκάρσιαS, ακολουθούν τα Ρ, έχουν μεγαλύτερο πλάτος και περίοδο ταλάντωσης και η μάζα κινείται κάθετα στην διεύθυνση μετάδοσης (σαν χορδή κιθάρας).
Τα επιφανειακά προκύπτουν από την συμβολή των ανακλoύμενωνσυνιστωσών των υπόγειων S και P και είναι:
- α) τα Love κύματα που αποτελούν τη μεγαλύτερη φάση της σεισμικής κίνησης. Η μάζα ταλαντώνεται κάθετα στην διεύθυνση μετάδοσης αλλά σε οριζόντιο προς τη γη επίπεδο (σαν φίδι).
- β) τα Reyleigh κύματα όπου η μάζα ταλαντώνεται κάθετα στην επιφάνεια της γης σε ελλειπτικές τροχιές και παράλληλα στην διεύθυνση μετάδοσης (σαν σκουλήκι).
Τα Love φαίνονται στους οριζόντιους σεισμογράφους (ως οριζόντια πολωμένα).
Τα Reyleigh αντίθετα φαίνονται καλύτερα στους κατακόρυφους.
Τα εγκάρσια S (και τα επιφανειακά) φαίνονται, καλύτερα σε οριζόντιο σεισμογράφο μακράς περιόδου ταλάντωσης (αργή κίνηση) και τα διαμήκη P σε κατακόρυφο βραχείας περιόδου (γρήγορο).
Τα εγκάρσια S έχουν συνήθως 1,8 έως 2,0 φορές μεγαλύτερη περίοδο (πιο αραιά).
Πρώτα φτάνουν τα υπόγεια, τα διαμήκη Ρ λόγω μεγαλύτερης ταχύτητας, ακολουθεί το εγκάρσιο S και μετά τα επιφανειακά.
Η διαφορά χρόνου άφιξης στο σεισμογραφικό σταθμό του S και Ρ κύματος καθορίζει την απόσταση του επίκεντρου από τον σταθμό (από το παραπάνω διάγραμμα διαφοράς χρόνου άφιξης των κυμάτων P και S με την απόσταση σε μίλια)
Η διεύθυνση υπολογίζεται ακριβέστερα από δύο οριζόντιους σεισμογράφους τοποθετημένους σε άξονες Βόρειο-Νότιο, και Ανατολή-Δύση. Βάζοντας σε δύο κάθετους άξονες τα πρώτα πλάτη των Ρ κυμάτων, σχηματίζουμε ορθογώνιο που διαγώνιός του δείχνει το αλιμούθιο της σεισμικής κίνησης.
Το πλάτος της σεισμικής ταλάντωσης είναι το πλάτος καταγραφής επί την σταθερά του οργάνου (συνήθως επί 1000 μm).
Υπολογισμός Σεισμικού Μεγέθους
Κατά τον Ρίχτερ, μέγεθος σεισμού Μ είναι ο λογάριθμος του μέγιστου πλάτους αναγραφής (σε μm) Α΄ σε πρότυπο σεισμόμετρο βραδείας περιόδου (Τ=0,8 sec) σε απόσταση 100 km από το επίκεντρο του σεισμού.
Άρα Μ = logΑ – logΑ΄ όπου Α το μέγιστο πλάτος καταγραφής του σεισμογράφου ενός σταθμού και το logΑ΄ (δίδεται από πίνακα) είναι ο λογάριθμος του πλάτους του πρότυπου σεισμογράφου στην υπολογισθείσα εστιακή απόσταση.
Από το νομογράφημα του Richter υπολογίζουμε το μέγεθος ΜL των τοπικών σεισμών.
Βάζοντας στον αριστερό άξονα την διαφορά χρόνου άφιξης των P και S κυμάτων σε λεπτά, και στον δεξιό άξονα το μέγιστο πλάτος αναγραφής σε mm, ενώνοντας τα δύο σημεία, η ευθεία κόβει τον μεσαίο άξονα στην τιμή των Ρίχτερ.
- Μέγεθος 1 προκαλούν τα Μέσα Μαζικής Μεταφοράς και ισοδυναμεί με 100 wh ενέργεια.
- Μέγεθος 2 ισοδυναμεί με ενέργεια ημερήσιας κατανάλωσης θερμίδων από τον άνθρωπο.
- Μέγεθος 3 γίνεται αισθητός σε απόσταση μέχρι 20Km.
ΠΕΡΙΟΔΟΙ ΣΕΙΣΜΙΚΩΝ ΤΑΛΑΝΤΩΣΕΩΝ από 0,5 sec (2 Hz) έως 30 sec
Μακρινοί σεισμοί (πάνω από 1200 km ή 10 – 180ο) είναι συνήθως υψηλής περιόδου 12 – 30 sec ενώ οι κοντινοί (λιγότερο από 1200 km ή 10ο) έχουν χαμηλή περίοδο ταλάντωσης (περίπου 1 sec) και οι μεσαίοι 3 – 8 sec.