PF Geofono

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Geófono: lector de movimiento de la tierra que salva vidas Carlos E. Bello, Carlos A. Ortiz, Johnnattan J. Pérez.

 Resumen — Los Los movimientos de la tierra han venido siendo tema de qué hablar en los últimos siglos. En este proyecto se construyó un geófono que permite la lectura de movimientos de la tierra. Estos movimientos son leídos e interpretados para así conocer, con exactitud, qué tanto desplazamiento, velocidad o aceleración alcanzan.  Abstract   —   Earth movements have come to be a topic to talk about in the last centuries. This project built a geophone which allows the reading of earth movements. These movements are read and interpreted for now, exactly, how much displacement, velocity or acceleration has these movements.  Palabras clave —  Arduino,  Arduino, lectura electromagnética, electromagnética, movimientos de la tierra, Sismómetro

I. INTRODUCCIÓN AY eventos naturales que se convierten en desastres cuando superan un límite de normalidad, medido con un  parámetro. Algunos de estos fenómenos pueden llegar a ser devastadores para una población  – seres seres vivos en general- hasta el punto de extinción, tales como inundaciones, tsunamis, incendios forestales, terremotos, erupciones volcánicas, sismos, deslizamientos deslizamientos de tierra, entre otros. Estos últimos cuatro se deben, en la mayoría de los casos,  por movimientos movimientos internos de la tierra, cambios en las formas de las cortezas o de las placas tectónicas terráqueas. Es por ello, que se ha creado, a través de la historia, elementos que  permiten conocer las características de estos eventos, hasta el  punto de llegar llegar a predecir uno. Cada uno de estos elementos usa un sistema diferente, pero

H

todos convergen en una ―medición‖ del evento, comparado

con un parámetro de normalidad (Escala de Richter para movimientos sísmicos, escala de Saphir-Simpson para huracanes, entre otros). 1 Particularmente, el sismómetro o sismógrafo es un instrumento para medir la intensidad de los terremotos, o  pequeños temblores. Sin embargo, los sensores usados en los Carlos E. Bello. Universidad Nacional de Colombia  –   Sede Bogotá. Departamento de Ingeniería de Sistemas e Industrial Industrial  –  Ingeniería  Ingeniería de Sistemas ([email protected]). Carlos A. Ortiz. Universidad Nacional de Colombia  –   Sede Bogotá. Departamento Ciencias - Química (174749 - [email protected]). Johnnattan J. Pérez. Universidad Nacional de Colombia  –   Sede Bogotá. Departamento de Ingeniería de Eléctrica y Electrónica Electrónica  –  Ingeniería  Ingeniería Eléctrica (223510 - [email protected]).

sismómetros sismómetros de tierra son los llamados geófonos. Un geófono permite, por medio de señales eléctricas, estudiar de forma precisa los movimientos provocados o naturales de la tierra. Este trabajo se encargó de esto: construcción, toma, lectura e interpretación de datos de un geófono, inicialmente para uso académico, pero con buena proyección para uso real. Este geófono se compone de la parte física real del geófono (estructura) y de los elementos de lectura para la interpretación de los datos (incluido un amplificador para la señal, para un manejo más fino y adecuado de la misma). II. MARCO TEÓRICO  A. Geófono (estructura)

Un geófono, es un elemento que registra cualquier tipo de movimiento de la tierra (ya sea natural o provocado), para su estudio, por medio de una señal eléctrica. En su gran mayoría, los geófonos son empleados para la prospección sísmica terrestre de forma electromagnética. 2 Básicamente, su funcionamiento es similar a un generador eléctrico, sólo que en una escala más sensible, para poder así conocer variables como desplazamiento, velocidad o aceleración de la tierra, en cuanto a su superficie y cercanías se refiere. Los geófonos han sido históricamente históricamente dispositivos análogos  pasivos y a grandes rasgos, una bobina colgante de una superficie (respecto a la superficie terrestre) que interactúa con campos magnéticos producidos por imanes colocados a sus al rededores, para así obtener una señal eléctrica, tal como lo hace un generador. La respuesta del geófono permite conocer desplazamientos y velocidades que actúan en la tierra. Aunque las ondas que  pasan a través de la tierra son de carácter tridimensional, los geófonos se parametrizan para responder en una sola dimensión, debido a que las tres dimensiones de la tierra afectan  – según según su uso- en igual medida. La sensibilidad del geófono depende de la fuerza (en gauss) del imán o imanes, de la cantidad de espiras de la bobina, del calibre de la misma, y de la configuración del sistema, de este modo, entre más cerca este la bobina de los imanes, más habrá sensibilidad a la hora de medir algún movimiento, y por ende, tendrá mayor proximidad a cada pequeño movimiento. movimiento. 2

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 B. Circuito lector de señales

C.  Amplificación

 Arduino es una plataforma de electrónica abierta para la creación de prototipos basada en software y hardware  flexibles y fáciles de usar. Se creó para artistas, diseñadores, aficionados y cualquiera interesado en crear entornos u 3 objetos interactivos.

El amplificador inversor amplifica e invierte una señal de corriente alterna, tal como lo indica la figura 3. En este caso la señal alterna de entrada sale amplificada en la salida, pero también desfasada 180° (invertida). El amplificador en uso es el LF353 ( figura 4 y 5 ), que opera internamente compensando la tensión de entrada, además de que ofrece un gran ancho de  banda bajo las corrientes de polarización de la entrada.

“ 

”

Este dispositivo puede tomar información del entorno a través de sus entradas, con cada uno de los sensores que se le coloquen y puede leer, identificar y en general estudiar todo tipo de variables que se le deseen imponer. Este dispositivo necesita de programación computacional para el estudio adecuado del mismo. En rasgos generales, esta plataforma libre se basa en un microcontrolador que fue explícitamente diseñada para facilitar y parametrizar el uso de la electrónica en distintos  proyectos. Hablando de su hardware, consiste en una placa con un microcontrolador tipo Atmel AVR, y con otros microcontroladores como el Atmega 8, 168, 328 y 1280 debido a su facilidad de uso. Además de esto, consta de  puertos de entrada y puertos de salida, que permiten controlar el software: un entorno que desarrolla lenguaje de  programación con una interpretación boot loader (cargador de inicio). Entre los software que usualmente se usan para manejar este dispositivo se encuentra C, C++, Java, Flash, Pure Data, Processing  – el cual se usa en este proyecto-, entre otros. El arduino posee especificaciones básicas nominales que deben tenerse en cuenta para el uso adecuado del mismo, también dependiendo de sus microcontroladores, tal como se muestra en la figura 2.

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Figura 2. Especificaciones de los micro controladores del

arduino.

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Figura 3. Operación del

amplificador.

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Figuras 4 y 5 . Descripción física y lógica del amplificador LF353.

El amplificador operacional no amplifica de la misma manera para todo el rango de frecuencias. A medida que la frecuencia de la señal a amplificar aumenta, la capacidad del Amplificador Operacional para extender la amplitud de onda disminuye, así pues, hay una frecuencia para la cual la ganancia de tensión ha disminuido al 70.7 % de la ganancia a frecuencias medias (la ganancia ha disminuido en 3 decibeles, esta es la frecuencia de corte y nos indica el límite que se  puede adquirir en la parte superior de la banda. 4 Cuando aumentamos la señal de entrada, el amplificador operacional aumentará, como es lógico, la salida. Todo puede ocurrir en normalidad, pero hay un límite de señal de entrada  permitido (entre 1.5 y 2 voltios por debajo de la tensión entregada por las fuentes de alimentación), debido, en primera instancia a protección, y también a que al exceder esta tensión, la conversión para la salida no aumentará. De este modo, hay un tope para la señal de entrada que generará la máxima señal de salida. Al ser la señal de entrada mayor al límite descrito,  provocará una saturación y la tensión de salida será recortada, en los picos tanto negativos como positivos, así como se muestra, como ejemplo, en la figura 6.

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4

Figura 6. Corte en los picos negativos y positivos por saturación.

Extensivamente, cuando el amplificador no está saturado, máximos valores para evitar saturación consignados en la figura 7-, significa que trabaja en condiciones normales. De este modo, la diferencia de potencial entre la entrada inversora y el cero lógico (tierra en este caso) tiende a cero (0) voltios, debido a esto se dice que la entrada inversora es una tierra virtual. Esta entrada tiene que originarse desde una fuente dual.

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Figura 9. Funcionamiento de un geófono.

Además de esto, para mejor control de medidas pequeñas, en el centro de la cara superior e inferior se encuentra un cable que se encuentra fijo y semi-tensionado, esto con el fin de limitar un poco más la movilidad de la bobina sobre el eje horizontal para evitar choques con los imanes que puedan afectar las lecturas tomadas por el transductor.

 B. Circuito lector de señales y amplificación

El montaje consta de cuatro etapas primordiales: sensor, etapa de amplificación, comunicación y visualización. 6

Figura 7.

Máximos valores de operación para el amplificador LF353.

III. PROCEDIMIENTO  A. Geófono (estructura)

En principio, la construcción del geófono se hizo con la minas de acrílico de (10 cm ± 0,2 cm) x (15cm ± 0,2cm), en las cuales en sus cuatro caras se les han adherido imanes de neodimio de 2000 gauss cada uno, unidos a placas de hierro  para potencializar el campo magnético de estos imanes, los cuales están colocados a la misma altura. Por su parte, la bobina usada consiste en un carrete de cable de cobre esmaltado calibre 24. En cada una de sus terminales se ha colocado alambre conductor como extensión,  para que fuera de la caja, sirva como polos para hacer la lectura de la diferencia de potencial que se puede llegar a registrar. Adicionalmente, como se había dicho, la bobina se encuentra suspendida por un resorte que está fijo sobre la cara superior de la caja de acrílico, tal como se muestra en las figuras 8 y 9 .

Figuras 10  –  15. Fotos del montaje del circuito lector de señales. 2

Figura 8. Estructura de un geófono básico

4 Las etapas vitales empiezan con la amplificación, que contiene al sensor por lógica. Después de recibir la diferencia de potencial, es necesario hacerse de un amplificador, debido a que estas señales son muy débiles. Esta dilatación se logró con un amplificador operacional dispuesto de forma dual, tal como lo muestra la figura 15. La señal de la diferencia de potencial entra al pin 2 del circuito, mientras que en el pin 1 obtenemos una señal con las mismas características, sólo que amplificada 100 veces, lográndose con un montaje de resistencias dispuestas así: en el  pin 2 de entrada se conecta una resistencia de 2kΩ, luego del  pin 1 se le conecte una resistencia de 2MΩ , todo esto sobre el

integrado LF353, amplificador operacional. Podemos ver más detalladamente cómo está configurado el circuito que construimos en la figura 16.

Anexo 2 import processing.serial.*; serial Serial myPort; int xPos = 5; PFont f; void setup () { size(600, 300); println(Serial.list());

Figura 16. Circuito para

la amplificación

En cuanto a la comunicación, luego de acondicionar la señal, se procede a programar el circuito arduino -entrando por el pin cero-, el cual con un par de líneas de código se encarga de tomar las señales de potencial de entrada análoga, y de transmitirlas por el puerto al terminal de interpretación de la computadora, esto con un código de compilación . Anexo 1. Una vez tenemos la señal a disposición del computador por medio del puerto usb, se traduce a datos entendibles  –  interpretación-, y se procede a manipularla de forma que se  pueda realizar una gráfica de comportamiento voltaico en función del tiempo. Por medio del código de compilación 2, Anexo 2, se nos permite visualizar si una superficie es alterada por alguna onda mecánica o vibración, que será indicada en dicha gráfica en forma de pico perpendicular a la tierra. Anexo 1. void setup() { Serial.begin(9600); }

// Inicia la comunicación serial a 9600 bits por segundo

void loop() { // Rutina cíclica infinita para leer de manera continua: int sensorValue = analogRead(A0); // Lee lo que se ingresa por el pin analogo //"0" cero. // Convert the analog reading (which goes from 0 - 1023) to a voltage (0 - 5V): float voltage = sensorValue * (5.0 / 1023.0); // Convierte los datos leídos a una //traducción de un voltaje de (0-5) voltios. //Serial.println(voltage); }

// Imprime en la terminal de Arduino IDE el valor

// Se declara el puerto serial // Variable para posición horizontal del Gráfico // Declaramos Fuente // PRIMER BLOQUE DE FUNCIÓN. // Se define el tamaño de la ventana

// Se lista todos los puertos disponibles myPort = new Serial(this, Serial.list()[0], 9600); // No se genera un evento tipo "serialEvent()" myPort.bufferUntil('\n'); background(250); }

// Se obtiene sólo este carácter // Se establece el fondo inicial

void draw () { // SEGUNDO BLOQUE DE FUNCIÓN fill(0); // Se declara e inicializa la matriz float ancho=1; // Se inicializa la variable ancho f = createFont("ComicSansMs",50,false); // Se crea y parametriza la fuente textFont(f); // Se inicializa la fuente textSize(9); // Se le asigna el tamaño en puntos for(int i=0;i<=width;i+=50){ for(int j=0;j<=height;j+=50){ ellipse(i,j,ancho,ancho);

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// Se importan librerías de funciones para puerto

// En este ciclo iterativo se recorre la matiz // Se le ponen los puntos coordenados y // Se le ubican la regletas guía

if(i==(0)){ text(25-(j/10),i+2,j+10); } if(j==(250)){ text((i/10 ),i,j+10); } } } } void mousePressed() // TERCER BLOQUE DE FUNCIÓN { // Se crea un evento para el clic save("line.tif"); // En el evento clic se salva un pantallazo } void serialEvent (Serial myPort) { // CUARTO BLOQUE DE FUNCIÓN String inString = myPort.readStringUntil('\n'); // Se obtiene la cadena ASCII if (inString != null) { // Se filtran valores nulos inString = trim(inString); // Se convierte a un entero de la dimensión de la pantalla float inByte = float(inString); inByte = map(inByte, 0, 1023, 0, height); int heights = height-50; // Se pinta la línea equivalente en la matiz float inBytes = (inByte)-50; stroke(127,60,255); line(xPos, heights, xPos, -((heights-(inBytes)) - heights)); if (xPos >= width) { xPos = 5; background(255); } else { xPos+=3; } } }

//Al finalizar el recorrido vertical, regresa al inicio

// Se incrementa la posición horizontal

// FINALIZACIÓN

5 IV. PROCEDIMIENTO MATEMÁTICO  A. Geófono y circuito lector de señales

Simplificando el sistema, lo más sencillo es estimar que no se considera un amortiguamiento del movimiento de la masa de la bobina, y que responde a la siguiente ecuación: d 2 x m 2  kx  0 dt  En donde hay una suma vectorial de las fuerzas, manteniendo la conservación de la energía, siendo d   x la

V. CONCLUSIONES Pequeñas variaciones en un geófono de confianza pueden hacer la diferencia para el qué hacer después de un movimiento de la tierra, o puede llegar al punto de avisar un evento o catástrofe en un determinado lugar, momentos antes de que este ocurra. Es importante pulir cada uno de las medidas que puede llegar a realizar uno de estos instrumentos, aplicar  – si es  posible, una trazabilidad al equipo, para que de este modo sea un elemento de confianza y de seguridad a la hora de percibir cualquier movimiento.

2

dt 2

aceleración, multiplicado por la masa m , que resulta en una fuerza; al igual que kx , que es la fuerza del resorte, siendo k la constante del resorte y  x el desplazamiento de la masa respecto al punto de equilibrio. Por otra parte, encontramos la frecuencia de oscilación natural del sistema, que gracias a los tensores se evita en gran medida, pero aun así existe, y está definida por:  

0

 2   *  f  0 

k 

m Donde  f  0 es la frecuencia natural, que puede ser contemplada por la constante del resorte y la masa del sistema. Los cálculos a los que se somete el proyecto vienen ligados al desarrollo y a las eventualidades que se presenten, y son contemplados en una medida meramente académica, aunque pueden ser extendidos a apropiaciones más avanzadas, ya que los datos que aquí se manejan son de  buena precisión. El cómo, el por qué y el para qué de esta lectura es la que contemplamos a lo largo del proyecto, de este modo las lecturas y diferencias de potencial experimentales son las vitales.  B.  Amplificación

Para calcular la ganancia de tensión tenemos las siguientes ecuaciones: V  sa lida  R2 V    V    V entrada  R1 Diferencias de tensión respecto a la entrada y salida de variables, con respecto a las tensiones y a las resistencias respectivamente. CÁLCULO DE ERROR  El rango de precisión de este proyecto llega a ser de ± 5 mili-voltios. Aunque el amplificador actúe igual para este rango, se considera que es muy similar a este, llegando a ser de ± 6mV, lo cual es una exactitud en 3 decimales de la medida arrojada por el circuito lector de señales.

VI. R ECONOCIMIENTOS El principal reconocimiento es para el docente Jaime Villalobos, principalmente por sembrar en cada uno de nosotros un carácter investigativo y de innovación para distintos proyectos, que hacen que día a día afiancemos nuestros errores y descubramos nuestros talentos para un futuro más fructífero y productivo. También, agradecemos a distintos contribuyentes para que el proyecto se llevara a cabo; compañeros de carrera, y en general a los sitios de los cuales tomamos como referencia. R EFERENCIAS [1] M. Gascón, et al. ―Vientos, terremotos, tsunamis y otras catástrofes naturales. Historia y casos Latinoamericanos‖ Buenos Aires: Editorial

Biblos, 2005. [2] C. A. Bautista. (2006, 06 abril). ―Desarrollo de un arreglo s ismico en  base a microcontroladores RFPIC‖ Sin publicar. [Online]. Disponible

en: http://bibdigital.epn.edu.ec/bitstream/15000/1940/1/CD-0170.pdf [3] M. Bazni, D. Cuartielles, T. Igoe, G. Martino y D. Mellis. (2010, Junio). Arduino. [Online]. Disponible en: http://www.arduino.cc/es/ [4] Electronica Unicrom (2002, Febrero 26). ―Amplificador Operacional inversor en AC‖. [Online]. Disponible en:

http://www.unicrom.com/Tut_opamp2.asp [5] Fairchild Semiconductor (2001, Enero 6) ―LF353: Dual Operational Amplifier (JFET)‖ [Online]. Disponible en: http://www.ece.ucsb.edu/courses/courses/ECE146/146A_W11Madhow/ LF353.pdf [6] J. Oxer, H. Blemings. ―Practicar Arduino: Cool projects for Open Source Hardware‖ 1 ed, Editorial Apress, 2009.

[7] W. Griem, y S. Griem-Klee. (1999) ―Apuntes de geología general‖. [Online]. Disponible en: http://www.geovirtual2.cl/geologiageneral/geogenap.html