Geologia
La geologia è una scienza complessa e vastissima… vi invitiamo quindi, a consultare i veri esperti della comunità di geologia, che studiano questi argomenti da decenni. Angelo Dolmetta faceva acquisitori digitali quando il sistema Theremino non esisteva ancora e faceva acquisitori analogici, quando il PC non era un computer ma un produttore di festival con costine e piadine…
https://www.theremino.com/contacts/references#dolfrang
Magnetometri
Speakesensors produce gli ottimi sensori di campo magnetico, FGM1, FGM2 e FGM3
www.speakesensors.com
www.speakesensors.com/PDF/detail.pdf
FGM_AppNotes
Questi sensori sono veri magnetometri, in grado di misurare minime anomalie magnetiche del campo terrestre. Lavorano con un principio completamente diverso, rispetto agli elementi di Hall che si trovano nei telefoni e in altri piccoli chip per gli elicotteri e i droni. Sono molto stabili rispetto alle variazioni di temperatura e sono anche economici (una trentina di euro). Possono essere collegati direttamente a un PIN standard del sistema Theremino. Ma attenzione che i collegamenti dello FGM-3 non hanno una disposizione standard.
1) Collegare lo FGM-3 al Master, meglio se con un adattatore stabilizzato, che gli fornisca una tensione da 5 Volt molto stabile.
2) Tra l’uscita e il pin di segnale del Master, aggiungere un partitore resistivo, per adattare il suo segnale, da 5 Volt ai nostri 3.3 Volt (1k in serie e 1.8k verso massa)
3) Programmare l’ingresso come FastCounter
Adattatore stabilizzato
Per alimentare lo FGM3, partendo dai 5 Volt molto instabili, provenienti della USB, si può usare un chip MAX1724 che, partendo da una tensione da 2 a 5.5 Volt, fornisce un 5 Volt molto stabile. La aggiunta di un pre-regolatore a 3.3 Volt, può aumentare ulteriormente la stabilità della tensione, alle variazioni della tensione USB. Se il pre-regolatore non sarà necessario, basterà saltarlo con un pezzetto di filo, che unisce C1 con C2. La corrente massima di uscita è intorno ai 150 mA, quindi con uno solo di questi adattatori si possono alimentare, fino a una decina di sensori FGM1 o FGM3, che consumano 12 mA l’uno.
La prima versione conteneva un errore (il partitore R1-R2 era dal lato sbagliato) ecco la versione 2, corretta, più piccola e con la serigrafia migliorata.
Questo file contiene il progetto completo in formato Eagle, il file Gcode per la fresa e le immagini 3D dello stabilizzatore di tensione e adattatore per FGM1 e FGM3: GeomagneticAdapterV2
Connessioni tra FGM-3, Geomagnetic Adapter e Master
Per collegare lo FGM-3 al Geomagnetic Adapter, si consiglia di usare una prolunga standard, con il connettore maschio tagliato e sostituito con un connettore femmina, saldato manualmente. Il connettore femmina deve essere di buona qualità e va connesso allo FGM-3, con i fili scambiati, come illustrato nella immagine.
Per collegare il Geomagnetic Adapter al Master si usa una normale prolunga standard. Fare solo attenzione a tenere il filo nero (GND) in basso (vicino al bordo della piastra).
La lunghezza delle prolunghe può essere quindici centimetri, sessanta centimetri o anche molti metri.
Leggere i segnali dei sensori Geomagnetici
Il segnale di questi sensori è un’onda quadra, con frequenza variabile, da 40 KHz a 200 KHz (da 5 uS a 25 uS circa). L’unico tipo di Pin, in grado di leggere frequenze così alte, è il Fast Counter. Quindi nell’HAL, si programma il Pin come Fast Counter, e si abilita la casella “Converti in frequenza”.
Ogni singolo modulo (master o slave), può leggere al massimo, un singolo Fast Counter. Quindi si può collegare un solo sensore geomagnetico. Sconsigliamo di aggiungere moduli slave, uno per sensore.
Collegare fino a dieci FGM-3 a un singolo Master
I Master con firmware versione 3.0 e successive, dispongono dei nuovi tipi di pin “Slow Period”. Tutti e dieci i Pin possono essere configurati come SlowPeriod, ma si deve pre-dividere la alta frequenza di ogni sensore, con un piccolo divisore CMOS.
I Pin “Slow Period” leggono il “Periodo” (il tempo, tra due successivi fronti di salta, del segnale) con altissima risoluzione. La risoluzione è dai 18 ai 24 bit, a seconda della frequenza di campionamento (18 bit con 100 letture al secondo, 24 bit con circa una lettura al secondo). Un singolo Modulo Master può leggere fino a dieci magnetometri ma è necessario pre-dividere la alta frequenza di uscita, con un divisore cmos, e portarla a circa 1 Hz o meno. Quindi ogni FGM3 dovrà avere un piccolo adattatore (con un HEF4521 per esempio) prima del Geomagnetic Adaper. Per collegare molti FGM è possibile usare un singolo Geomagnetic Adapter, ma si devono far passare i segnali a parte. E collegare ogni segnale al Master, con un partitore resistivo da 1K e 1.8K.
Gradiometro con due sensori
Due sensori (FGM1 o FGM3) possono essere miscelati con un semplice FlipFlop di tipo D e il segnale di uscita inviato direttamente a un PIN del sistema Theremino. Con questo schema si ottiene un “gradiometro” molto sensibile. Per i particolari della costruzione meccanica leggere questo articolo: FGM_Gradiometer. Non seguite però gli schemi elettrici di questo documento, con il sistema Theremino è tutto più semplice. I chip LM2917, 4049, SCL006, SCL007 e AD557 non servono e usandoli si peggiorerebbe la stabilità del sistema.
Un ottimo sensore per i terremoti con moduli LIS344
Gli accelerometri sono ottimi per i sismografi, la loro banda passante da 0Hz a 50Hz è ideale per la rilevazione dei terremoti. Si consiglia di usare il LIS344 per il suo rumore molto basso.
Gli accelerometri sono troppo rumorosi per i micro-tremori, ma sono ottimi per i terremoti, dal grado zero della scala Richter in su, fino ai terremoti più forti, in un’unica gamma. Se si collegano in parallelo quattro o otto LIS344, il rumore diminuisce ulteriormente. Aggiungendo tre condensatori, per limitare la banda passante, e infine integrandoli in software per ottenere la velocità al posto della accelerazione, si può scendere fino a -2 o anche -3 della scala Richter.
Quindi con poche decine di Euro (Master compreso) si ottiene un ottimo sismografo, con campionamento digitale, direttamente collegabile alla USB e auto-installante (senza installare drivers)
Per i particolari sul collegamento del LIS344 consultare la pagina: hardware/sensors/accelerometers
Geofoni
Collegamento dei geofoni al modulo Adc24
Se si dispone del modulo Theremino Adc24, i geofoni si collegano direttamente ai suoi Pin, senza nessun componente aggiuntivo. Poi nelle regolazioni dell’Adc24 si regola il guadagno che può essere 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 o 128. Infine l’Adc24 viene collegato ai Pin 7, 8 e 9 del Master.
Collegamento dei geofoni con i GeoPreamp
Con i GeoPreamp ogni geofono viene collegato a un Pin del Master passando attraverso un GeoPreamp. Questo metodo fornisce il minimo rumore possibile ma il guadagno deve essere fissato a priori con un resistore e non è modificabile facilmente.
Collegamento dei geofoni con il preamplificatore triplo
Il preamplificatore triplo, progettato per gli accelerometri, può essere usato anche con i geofoni, come spiegato in questa pagina. Con questa configurazione le caratteristiche di rumore sono peggiori dei GeoPreamp, ma è possibile regolare il guadagno e anche cambiarlo durante il funzionamento.
Collegamento dei geofoni direttamente al Master
Limitatamente alla rilevazione degli eventi “Strong Motion”, è possibile collegare i geofoni direttamente ai Pin del Master configurati come ADC16. Ma non è possibile collegare direttamente i due fili del geofono al Master, sono necessari i componenti mostrati nello schema seguente.
Per collegare ogni singolo geofono al Master, servono tre resistori da 10 Kohm e un condensatore elettrolitico da 100 uF, con tensione di 6 Volt o maggiore.
Con questi componenti si ottiene una banda passante che si estende in basso fino a circa 0.2 Hz.
La tensione di 3.3 Volt deve essere prelevata da uno dei punti marcati “3.3” del Master.
GeoPreamp
Aggiornamento del 2023.
Quello che leggerete qui di seguito vale solo per gli Adc24 classici e non per il Theremino Adc24.
Il Theremino Adc24 ha un preamplificatore di ingresso a basso rumore che sostituisce degnamente questo GeoPreamp. Inoltre ha la possibilità di cambiare il guadagno del preamplificatore, molto comodamente, senza dover cambiare resistori, come invece si doveva fare con il GeoPreamp.
I premplificatori GeoPreamp hanno caratteristiche eccezionali:
1) Rumore incredibilmente basso (dieci volte inferiore a quello ottenibile con i migliori sistemi commerciali dotati di ADC a 24 bit)
2) Minime dimensioni che permettono di installarli vicinissimi al geofono e eliminare il rumore dovuto ai cavi di collegamento.
3) Possibilità di auto-costruirli spendendo pochissimo.
I seguenti punti contribuiscono a minimizzare il rumore:
1) Niente componenti digitali in prossimità del sensore
2) Il rumore di tensione incredibilmente basso (meno di 10 nano Volt su radice di Hertz) dello LT6014
3) Il ginocchio 1/f (la frequenza sotto alla quale il rumore comincia a aumentare) a circa 2 Hz, da dieci a cento volte inferiore a quella dei normali operazionali a basso rumore.
Qui si vede il risultato. Il rumore riportato all’ingresso del pre (che guadagna 1000 volte) è circa 0.2 uV.
Un ADC a 24 bit avrebbe anche lui una risoluzione di 0.2 uV ma non è solo la risoluzione digitale che conta. Gli ADC a 24 bit non avendo in ingresso un preamplificatore analogico a basso rumore e lavorando a stretto contatto con forti segnali digitali, hanno un alto rumore di input. Questo si traduce negli ultimi due o tre bit che ballano. Per controllarlo basta mettere in corto il geofono e poi fare attenzione a quanti sono i bit che non stanno fermi. Anche negli apparecchi più costosi non saranno mai meno di tre (quindi 1.6 uV di rumore) ma basta il più piccolo errore di progetto del PCB per peggiorare ulteriormente la caratteristica di rumore. Non basta la parola magica “24bit” per sistemare il rumore, ci vuole per forza un preamplificatore analogico.
Riassumendo: Gli ADC a 24 bit, a causa degli ultimi bit che non stanno fermi, hanno un rumore almeno dieci volte maggiore di quello ottenibile con l’ LT6014.
Fare attenzione che tutte le nostre misure sono all’ingresso dell’ADC, quindi dopo il pre-amplificatore che guadagna 1000 volte. Per ottenere i valori sul geofono si devono dividere le tensioni per 1000. In pratica i mV diventano uV e dai decibel si devono sottrarre ulteriori 60 dB.
In queste due immagini si vede il confronto tra il rumore di un normale operazionale a basso rumore (a sinistra) e il rumore ottenuto usando lo LT6014 (a destra)
E qui si vede lo stesso confronto ma sotto forma di analisi di spettro. Si noti il ginocchio di rumore a 2 Hz che comporta grandi miglioramenti alle frequenze basse (dove i geofoni sono meno sensibili) e il rumore quasi costante a circa 0.2 uV, su tutta la gamma utile.
Un rumore molto basso favorisce una migliore definizione per tutte le tecniche che usano i micro-tremori della terra e permette di ottenere, con i geofoni economici da 4.5 Hz, le stesse prestazioni ottenibili con geofoni da 2 Hz o da 1 Hz, che costerebbero dalle 10 alle 100 volte di più.
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Questo video di YouTube mostra i micro movimenti della terra e il passaggio di alcune automobili alla distanza di 50 metri (le più forti) e 250 metri (le più deboli) : http://youtu.be/aKd25fwnE8o
Geophone Preamplifier V2
I test di questa versione hanno evidenziato un sostanziale miglioramento. Con l’accoppiamento del primo stadio in continua è sparito il condensatore da 10uF in ingresso. Per cui il rumore e la sensibilità ai disturbi meccanici sono eliminati e il rumore, misurato con la analisi di spettro, è sceso di almeno dieci volte alle basse frequenze (regione dove i geofoni sono più carenti)
Da notare che qui il fondo scala è 1 uV (amplificazione per 1000) e che invece, nei test della versione precedente, si usava un fondo scala di 2 uV.
Una realizzazione completamente SMD
Il PCB da 16 x 23 mm (in singola faccia e senza ponticelli) non è solo un esercizio di eleganza. Le piccole dimensioni minimizzano la captazione di disturbi e la microfonicità, dovuta alla torsione dei componenti. Le piste grandi e ben isolate tra loro, aumentano l’affidabilità. Il modulo è sufficientemente piccolo, da poter essere isolato con guaina termo-restringente e posizionato “lungo il filo”. I fili in silicone morbido e la guaina trasparente sono reperibili presso HobbyKing. Un riempimento in gommapiuma morbida, terrà in posizione il PCB e gli impedirà di battere contro le pareti metalliche.
Download del progetto del PreampGeoV2
Questo è il progetto completo di PCB (progetto CadSoft Eagle), schemi, piani di montaggio, simulazioni LTSpice e immagini in 3D.
GeophonePreamplifier_V2 (file zip da 500 KByte)
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>>> Messaggio per gli auto-costruttori e gli aspiranti imprenditori <<<
Tutti i nostri progetti sono free e potete realizzarli e venderli a piacere, ma attenzione a fare programmi che includono grossi guadagni. Per evitare spese inutili e future delusioni, vi consigliamo di non programmare una produzione a fini di lucro.
Le nuove versioni includeranno sostanziali miglioramenti, tra cui una maggiore resistenza alla saturazione e un più veloce recupero dopo eventi di forte saturazione. Una idea interessante suggerita da Angelo Dolmetta, permetterà anche di impostare il guadagno in modo facile.
Geophone Preamplifier V4
Questa è la versione definitiva. La sensibilità ai disturbi meccanici e il rumore alle basse frequenze sono minimizzati. Nella zona sotto ai 5 Hz (regione dove i geofoni sono più carenti), non esistono componenti con rumore più basso dello LT6014.
Le piccole dimensioni minimizzano la captazione di disturbi e la microfonicità, dovuta alla torsione dei componenti. Questi accorgimenti, uniti all’uso dello LT6014, riducono al minimo il rumore, nella zona delle basse frequenze. Rispetto a un ADC a 24 bit, lo LT6014 ha un rumore notevolmente inferiore. Un ADC a 24 bit avrebbe il vantaggio di non richiedere la selezione del guadagno ma, secondo noi, l’importante è minimizzare il rumore. Dover pre-selezionare il guadagno, ci sembra un buon prezzo da pagare per avere il minimo rumore possibile.
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Questo è il progetto completo di PCB (progetto CadSoft Eagle), schemi, piani di montaggio, simulazioni LTSpice e immagini in 3D.
GeoPreampV4 (file zip da 2.3 MByte)
Theremino GeoPreamp_Tester
Questa applicazione, oltre a collaudare i Geo Preamp, serve come esempio di apparecchio di collaudo. Come noto, siamo piuttosto pignoli. Per cui abbiamo tarato il software per essere molto schizzinoso. Il pulsante “Save report” si abilita solo se i parametri sono rispettati entro i seguenti limiti:
- Il valore di zero è maggiore di 498 e minore di 502
- Il guadagno è maggiore 80.0 e minore di 80.9
- Il rumore è minore di 0.019 uV
- Gli impulsi sono positivi (si controlla che il filo rosso-nero non sia al contrario)
Il software produce impulsi molto stretti (che quindi contengono tutte le frequenze fino all’inverso della larghezza dell’impulso) e esegue una analisi di spettro, per ricavare il guadagno e la banda passante. In un’altra fase non produce impulsi e misura il rumore.
Ogni volta che si avvia il software si deve collegare un GeoPreamp sicuramente funzionante e con caratteristiche note. Poi si deve premere “Ref. input” e attendere circa un minuto fino al segnale acustico. Poi si preme “Reference” e si attende un altro minuto. Eventualmente si dovrebbe anche fare una taratura fine delle caselle “Offset zero value” e “Trim zero ref.”. La taratura rende i valori misurati, il più possibile simili a quelli noti del campione (ma sono finezze, si tratta di pochi decimi di decibel). Da questo momento in poi il tester è pronto per provare ripetutamente i GeoPreamp come da lista:
- Si collega un GeoPreamp da provare
- Si preme “Response test” e si attende il beep
- Si preme “Noise test” e si attende il beep
- Si controlla che “Serial number” sia giusto e si preme “Save report”
Per ogni GeoPreamp si impiegano poco più di 30 secondi. A volte i grafici non vengono bene, o si hanno dei dubbi. In questi casi si possono premere i pulsanti “Extend test” e prolungare il test anche ripetutamente. Se il test non viene passato si disabilitano manualmente i pulsanti di test e si ricomincia la lista con un nuovo GeoPreamp.
Download del GeoPreampTester – Versione 1.4
Theremino_GeoPreamp_Tester_V1.4_WithSources
Hardware di test
Qui si vede come è fatto l’hardware per testare i Geo Preamp e come abbiamo simulato un geofono “flottante” (senza riferimento a massa).
L’apparecchio di test deve essere completamente schermato, il nostro sembra un ferro da stiro, ha due cerniere e un coperchio di rame con un pomellone per aprirlo e chiuderlo. Internamente c’è anche un led da mezzo watt, per leggere bene il numero di serie e connettori a pressione, per collegare e scollegare facilmente i GeoPreamp. Durante il test l’apparecchio deve essere chiuso, altrimenti i disturbi raccolti dall’ambiente non fanno passare il test.
Download dei file di report
Sono disponibili i report relativi al collaudo del primo lotto di circa 50 GeoPreamp. I loro numeri di serie attualmente sono dal 286 al 327. Non partono da zero per vari motivi:
– I primi trenta (circa) erano pre-serie e prototipi saldati a mano.
– I primi che hanno passato il collaudo sono stati presi dal contenitore partendo da sopra.
Chi volesse scaricare il report dei suoi “Preamp” usi questo link per aprire la pagina relativa al numero di serie 300. Poi basta cambiare il “300” (nella barra dell’indirizzo) con il numero che si legge dietro al circuito stampato e premere Enter.
https://www.theremino.com/files/GeoPreamp_Tests/GeoPreamp_Serial_300.jpg
Questi report sono praticamente tutti uguali e quindi abbastanza inutili per gli utenti. Ma assicurano che i pre sono stati testati individualmente, e che rientrano nelle caratteristiche di progetto.
Theremino GPS
Questa applicazione semplifica notevolmente la lettura dei sensori GPS.
Qui mostriamo solo alcune immagini mentre le istruzioni sono nel file di HELP che si scarica con la applicazione e che si visualizza premendo il pulsante HELP della applicazione.
Le prime cinque immagini sono state fatte con il sensore in un laboratorio situato a piano terra, con due piani di casa sopra e oltretutto di una casa antica, costruita con muri di pietra da 70 cm. Per cui la imprecisione delle coordinate è di molti metri.
Notevole comunque che anche in questa situazione il sensore riusciva a raccogliere il segnale di 8 o 9 satelliti e con un rapporto segnale rumore abbastanza buono. Con il sensore posizionato all’aperto si ottengono precisioni molto più alte, anche meno di 30 cm.
Le ultime tre immagini mostrano alcuni percorsi nel porto di Augusta (Sicilia), durante una campagna di campionamenti delle acque. I campionamenti sono stati fatti su navi e pontoni galleggianti con il sistema Nemo basato su applicazioni e In-Out del sistema Theremino. Per informazioni sul sistema Nemo chiedete al nostro collaboratore Marco, che lo ha progettato.
Note per le versioni
- Versione 1.1
Abbiamo aggiunto la opzione “Allow navigation” nel pannello “Options”.
Mantenete disabilitata questa opzione nel funzionamento normale in modo da si impedire a Google di aprire messaggi fastidiosi.
Però in alcuni casi si deve attivarla, ad esempio per accettare la Privacy di Google.
Scaricare Theremino GPS
Download di Theremino GPS – Versione 1.1
Theremino_GPS_V1.1
Theremino_GPS_V1.1_WithSources
Per tutti i sistemi da Windows XP a Windows 10, sia 32 che a 64 bit (Linux e OSX con Wine)
Moduli GPS
Una strada spesso seguita è di includere ricevitori GPS nei dispositivi stessi di rivelazione dei movimenti ma le seguenti considerazioni sconsigliano questa soluzione.
1) Ad uno stesso PC possono venir collegati (contemporaneamente o in tempi successivi) diversi sensori per i terremoti e per i microtremori e tutti hanno bisogno di una sincronizzazione con il tempo UTC (Tempo Coordinato Universale) Potrebbero quindi verificarsi sovrapposizioni e inutili spese aggiuntive o, al contrario, ritrovarsi senza sincronizzazione.
2) I dispositivi di rivelazione dei movimenti si trovano spesso in cantina costringendo a installare cavi di antenna molto lunghi che attenuano il segnale GPS e diminuiscono le prestazioni (rivelazione tardiva dei satelliti e minor numero di satelliti contemporanei)
3) La presenza di elettronica aggiuntiva nel dispositivo rivelatore stesso, aumenta il rumore elettrico proprio nel punto più sensibile di tutta la catena.
Abbiamo quindi deciso di sconsigliare i sistemi GPS nei rivelatori ma di usare sempre i comodi ed economici ricevitori GPS da collegare ad una porta USB.
I modelli GNSS costano un po’ di più ma sono migliori, utilizzano anche i satelliti russi e cinesi e riescono a sincronizzarsi anche se la antenna è coperta da muri o alberi.
Comunque se all’inizio li si posizione in zona scoperta e si aspetta un po’ di tempo, poi tutti i modelli riescono a funzionare anche in posizioni “impossibili”, abbiamo provato anche al chiuso a pian terreno con due piani sopra e andavano, con precisione un po’ scarsa (decine di metri), ma andavano.
Se il sensore è posizionato bene, rivolto verso l’alto e con il cielo totalmente scoperto, si arriva a precisioni molto alte e indicazioni stabili, intorno ai 30 centimetri e anche meno.
Troverete annotazioni e link per questi moduli nella cartella “Docs” della applicazione.
Sondaggi geoelettrici
Stiamo progettando un dispositivo per la misura della resistività secondo il metodo più usato, a 4 elettrodi.
Lo schema base prevede di immettere una corrente continua tramite due elettrodi, tradizionalmente chiamati “A” e “B” e di misurare la tensione tra gli elettrodi “M” e “N”. Conoscendo la corrente, la tensione e le distanze tra gli elettrodi si calcola la resistenza del terreno secondo le formule (solitamente Wenner e Shlumberger)
Questo metodo è basato su un brevetto del 1957 (ormai scaduto da cinquanta anni) e quindi liberamente usabile. Per chi fosse interessato ecco qui il brevetto originale: US2796235
Gli elettrodi sono dei semplici picchetti, sui picchetti A-B si immette una tensione variabile da 0 a 500 Volt (a seconda della resistività del terreno) in modo da produrre una corrente sufficiente per una misura precisa (normalmente nel range da 0 a 10 Ampere) Sui picchetti M-N si misurano tensioni massime di +/-5 Volt (da misurare con un voltmetro differenziale)
Spostando manualmente i picchetti è anche possibile costruire mappe tomografiche tridimensionali. Alcuni apparecchi permettono di disporre un certo numero di picchetti all’inizio e poi di commutarli secondo sequenze predefinite. Le commutazioni si effettuano con relè. La principale commutazione, sempre necessaria, serve per scambiare gli elettrodi M e N e fare una seconda misura della tensione al fine di eliminare l’errore dovuto ai potenziali spontanei.
Non è difficile progettare un dispositivo a basso costo per queste misure basato sul sistema Theremino. Ma prima di iniziare dovremo raccogliere le caratteristiche richieste e fare le giuste scelte per arrivare a un progetto semplice, efficace e poco costoso.
Commutazione dei picchetti
Per commutare i picchetti si usano due metodi: O si usano picchetti intelligenti che si commutano loro stessi, sui quattro segnali M-N-A-B, con un comando logico. Oppure si usano i fili singoli, uno per picchetto, e tutte le commutazioni nel contenitore principale.
I picchetti intelligenti sono stati brevettati nel 2005 e quindi il brevetto resterà valido per i prossimi dodici anni, eccolo: US20050078011
In questa immagine si vede lo schema di un picchetto intelligente, noi non useremo questo metodo, sia perché è brevettato, ma soprattutto perché comporta di piazzare molta elettronica delicata in prossimità del picchetto stesso (all’umido e nel cavo), rendendo il tutto molto costoso, delicato e difficile da riparare sul campo. Inoltre questo metodo comporta di portare in giro un costosissimo cavo da sette poli.
L’alternativa è portare un solo cavo unipolare per ogni picchetto e fare tutte le commutazioni nel contenitore principale.
Numero e tipo di relè
Sia che i relè stiano nei picchetti intelligenti o tutti insieme nel contenitore principale il numero di relè non cambia, sono sempre quattro relè per ogni picchetto. Questo comporta che per soli 24 picchetti si devono usare ben 96 relè. Non si possono usare relè statici (con componenti attivi) perché hanno una corrente di perdita troppo alta per le misure di tensione e, nel contempo, fanno fatica a sopportare le alte tensioni. Probabilmente si dovranno usare relè con caratteristiche diverse, il primo tipo adeguato alla eccitazione A-B e il secondo per le deboli tensioni M-N.
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Trovata la soluzione per le commutazioni
Questa soluzione risolve elegantemente tutti i problemi. Si compone di moduli tutti uguali da collegare direttamente uno all’altro. Bastano tre fili per comandare un qualunque numero di relè e quindi basta un solo Theremino Master.
Pin1 - Output - Pwm16 - Controllo della tensione di uscita Pin2 - Input - Adc16 - Misura della corrente di uscita Pin3 - Input - Adc16 - Misura della tensione Pin4 - Output - DigOut - Enable Pin5 - Output - DigOut - Data Pin6 - Output - DigOut - Clock
Il modulo singolo è tutta la parte tratteggiata che include quattro relè e uno shift register e fornisce una uscita per un picchetto. Si tratta di un PCB da pochi centimetri quadri con connessioni identiche in ingresso e in uscita. Diventa così facile connetterli uno all’altro e aggiungere un numero di canali anche molto alto.
I moduli dovrebbero essere posizionati nel contenitore principale. Non si consiglia di posizionarli in prossimità dei picchetti perché il cavo diventerebbe troppo delicato, sensibile all’umido, difficile da riparare sul campo e costosissimo.
Ottime notizie il brevetto US20050078011 non copre il nostro metodo
Fortunatamente il brevetto specifica un metodo basato su un pacchetto di dati che viene modificato da un microcontrollore presente in prossimità di ogni picchetto. Quindi il nostro shift register (che è invece una tecnica antichissima usata nella automazione da molti anni) non è compreso nei “claims” del brevetto (che per comodità copiamo qui di seguito)
Summary [0010]
Instead of assigning a unique address code to each switch in a series of take-outs on a multi-conductor cable, each electronic switch is programmed with the same address code. That is, each switch is programmed to be activated. When it receives a code command that, for example, is prefaced with a particular address, eg the number 1. The second part of the code (y) instructs the switch as to which conductor in the multi-conductor cable is to be connected to the local electrode at the location of the switch. When the controller issues a code command that is prefaced by a number which is larger than 1, (eg n), then the first switch in the sequence of switches along the cable decrements the preface number. The first switch then re-transmits the code command, with only the preface portion having been changed, (i.e. to n-1), along the cable to the next switch in the series. Each successive switch performs a similar modification to the preface number, and retransmits the progressively modified code command to the next switch in the series. Ultimately, when the modified command reaches the nth switch, it is prefaced with the number 1, whereupon that switch then recognizes it as a valid command to operate. The second part of the command (y) remains unaltered through the repeated re-transmissions, and determines which conductor in the cable is to be connected to the electrode (i.e. to ground).
Claim “A”
A controller for transmitting a coded command signal having a first portion that is modifiable to identify a specific take-out location and a second portion for identifying a specific conductor of said cable to be connected to ground.
Perché l’autore di questo brevetto è andato a specificare un metodo così complesso quando avrebbe potuto invece definire un metodo generico per commutare i relè? Perché altrimenti sarebbe ricaduto in metodi precedenti, arte nota da gran tempo, come il nostro semplice “shift register” e quindi l’ufficio brevetti lo avrebbe considerato “pubblico dominio” e non lo avrebbe registrato.
Consiglio per chi scrive brevetti: essere sempre più vaghi possibile. Se si specifica troppo, (come in questo caso) allora molti potranno fare progetti leggermente diversi (come il nostro) e uscire dai “claims” del brevetto. D’altra parte, se si specifica troppo poco, c’è il rischio di vederselo rifiutare dall’ufficio brevetti.
Secondo consiglio per chi vuole scrivere un brevetto: Non fatelo! I brevetti, se non sostenuti da una ditta potente e un mare di soldi, valgono meno della carta su cui sono scritti. Corollario: I brevetti spiegano ai concorrenti cosa non devono fare, e sono il modo migliore per aiutarli a fare cose simili e non darvi lo stesso dei soldi.
Un sistema completo per i sondaggi geoelettrici
Qui inizia la progettazione del sistema completo. Cominciamo con una vista di insieme e con le funzioni dei singoli moduli. Il sistema appare complesso, ma è modulare e facilmente realizzabile, anche su millefori, con componenti comuni ed economici.
- (A) Il ThereminoMaster fa da tramite tra l’USB e i segnali di InOut.
- (B) Il ThereminoDualPsu converte i 5 Volt proveniente dal PIN 1 del Master, in due tensioni stabilizzate (3.3 Volt positivi e negativi) necessarie al modulo (E)
- (C) Il ThereminoDualHvPsu converte i 5 Volt provenienti dal PIN 1 del Master, in due tensioni stabilizzate (fino a +/-50 Volt) necessarie al modulo (E)
- (D) Il ThereminoPwmToCV converte il segnale PWM in arrivo dal PIN 1 del Master, in tensione continua commutata (funzionamento classico), o in segnale sinusoidale variabile da 1 Hz fino a 80 Hz (alta precisione e basso consumo)
- (E) Il ThereminoGeoDriver amplifica il segnale e lo invia ai punti A-B, con ampiezza variabile fino a 100 Volt p.p.
- (F) Un ThereminoVoltMeter (amplificatore differenziale di misura) misura la corrente di eccitazione dei picchetti A-B e la invia al Pin 2 del Master, configurato come ADC.
- (G) Un ThereminoVoltMeter (amplificatore differenziale di misura) misura la tensione proveniente dai punti M-N e la invia al Pin 3 del Master, configurato come ADC.
Il modulo G è il Theremino Differential Meter che si utilizza anche per altri progetti, ma ottimizzato per le prospezioni geoelettriche, con i valori seguenti:
R1 = R2 = R3 = R4 = R5 = R6 = 1 Mega
R7 = R8 = R9 = 100 K
Trimmers da 47 K
In un apparecchio basilare, i segnali A-B e M-N vanno direttamente ai quattro picchetti e i segnali Clock, Data e Enable non sono usati. Un apparecchio con la commutazione dei picchetti userà invece tutti i segnali. I moduli per la commutazione dei picchetti sono illustrati nella prossima sezione.
Download – Qui si può scaricare il progetto completo di PCB (progetto CadSoft Eagle), schemi, piani di montaggio, simulazioni LTSpice e immagini in 3D:
GeoElectric_Modules_V4
(per comodità questo file comprende tutti i moduli anche se alcuni sono stati sviluppati per altri usi e sono già presenti in altre sezioni del sito)
Questa ultima versione GeoMeterV2 ha i componenti ottimizzati secondo le migliori stime attuali. Il PCB è sempre lo stesso.
Il GeoMeter incluso nello ZIP della geoelettrica è simile al DiffMeter, ma ottimizzato per la geoelettrica. Questo GeoMeter ha il PCB leggermente più grande, quattro fori per fissarlo con gli altri moduli e valori dei componenti adeguati alla geoelettrica.
Commenti alla prima versione: Questa versione è basilare e robusta, la useremo nei prossimi mesi per le prime prove ma stiamo già pensando di sostituire tre moduli con uno solo. Questo è possibile grazie alla modularità del progetto. I moduli B-C-E si riuniranno in un unico GeoDriverPlus, che funzionerà contemporaneamente da survoltore e da amplificatore in classe D, con efficienza totale del 90% La nuova versione permetterà tensione (o corrente) più che raddoppiate, sempre partendo dai miseri 300 o 400 mA prelevabili dalla USB. Oppure, a parità di tutto il resto, le batterie dureranno il doppio. Nota del 2013/06/11: Lavorando in alternata e in sinusoidale non è necessario iniettare una forte corrente. Il risparmio di corrente che si otterrebbe con la classe D, non giustifica la complicazione e gli inevitabili disturbi dovuti alle commutazioni. Quindi non proseguiremo con la progettazione del GeoDriverPlus.
Moduli per la commutazione dei picchetti
Si deve realizzare un modulo per ogni picchetto, il numero di moduli è praticamente illimitato si possono collegare anche 500 moduli senza problemi (a parte le dimensioni finali e il tempo per costruirli)
Qualunque sia il numero di moduli (picchetti) un solo Theremino Master riesce a far funzionare sia tutti moduli commutatori dei picchetti e tutti i moduli della sezione precedente.
Il costo dei componenti è basso (qualche euro per modulo, PCB compreso). Il problema è il tempo necessario per montarli. Un set da 24 o 48 moduli può richiedere facilmente una settimana di lavoro.
Tutti i componenti sono posizionati a passo 2.54 mm e le piste della facccia superiore sono in realtà dei ponticelli di filo. Quindi questi moduli possono essere costruiti anche su mille-fori.
I moduli si collegano uno all’altro con le prolunghe standard. Attenzione che i connettori femmina devono essere quelli torniti, pena un sistema instabile e inutilizzabile dopo pochi mesi di umido. Per non sbagliare leggere questa pagina: www.theremino.com/technical/connection-cables
IMPORTANTE CORREZIONE (senza la quale il funzionamento è instabile)
Nelle due versioni seguenti si deve modificare il valore di R8 e di R9
– R8 = 4.7 k
– R9 = 22 ohm
Versione con relè standard
Questa è la prima versione, probabilmente non definitiva. Ci sono dubbi su quali relè usare. I relè di tipo Reed sarebbero più piccoli e potrebbero andare bene. Un requisito essenziale è anche che siano facilmente reperibili. Stiamo anche esplorando la strada dei relè statici a mosfet. (dopo una lunga ricerca su Farnell e Mouser sembra che nessun relè statico abbia le caratteristiche necessarie: tensione maggiore di 100 Volt, corrente maggiore di 100 mA, resistenza minore di 5 ohm, capacità minore di 10 pF e prezzo unitario minore di 2 Euro. Se qualcuno ne conosce di adatti lo scriva)
Download – Qui si può scaricare il progetto completo di PCB (progetto CadSoft Eagle), schemi, piani di montaggio, simulazioni LTSpice e immagini in 3D:
GeoSwitcherV1 (versione preliminare, i relè verranno sostituiti con altri più piccoli)
Versione con reed relè
I relè reed hanno i contatti in una ampolla di vetro sotto vuoto, sono più piccoli, costano meno e consumano solo 10 mA, contro i 20 o 40 mA dei relè normali. Si consiglia quindi di realizzare questa versione.
Download – Qui si può scaricare il progetto completo di PCB (progetto CadSoft Eagle), schemi, piani di montaggio, simulazioni LTSpice e immagini in 3D:
GeoSwitcher_ReedRelays (versione con i reed relè)
Cercametalli
Stiamo progettando un SDM (Software Defined Metal-Detector)
Pin Pointers
Il Pin Pointer è necessario durante i lavori di scavo ma purtroppo quelli buoni costano molto e quelli economici hanno caratteristiche deludenti. Ecco un confronto tra i due modelli più diffusi.
- Garrett Pro Pointer – Costa 129 Euro e sente una moneta da 50 centesimi a cinque centimetri.
- GP Pointer – Si trova anche a meno di 15 Euro e sente una moneta da 50 centesimi a due centimetri.
Abbiamo fatto le prove su un GP Pointer del 2021, che su eBay dichiaravano come “nuova versione, alta sensibilità”.
I modelli meno recenti potrebbero essere costruiti diversamente per cui vi consigliamo di cercare quelli che dicono esplicitamente “alta sensibilità”.
Caratteristiche a confronto
Le caratteristiche costruttive del GP Pointer sono buone, la meccanica è identica a quella del Garrett e anche l’elettronica è ben progettata. Usano ambedue una batteria da 9 volt e consumano più o meno la stessa corrente, una ventina di milliampere, che permette di usarli per una quindicina di ore. Ma fate attenzione che nessuno dei due è veramente impermeabile, potete utilizzare la parte anteriore anche per scavare, ma la parte che si tiene in mano non deve bagnarsi.
L’unico problema del GP Pointer è la sensibilità, per cui abbiamo fatto delle prove e abbiamo trovato come risolvere questo difetto in modo semplice ed efficace.
La scarsa sensibilità del GP Pointer è dovuta a due fattori. Il primo è un errore di montaggio e il secondo è una regolazione del punto di zero un po’ scarsa dentro al firmware.
Aumentare la sensibilità
Prima di tutto, utilizzando una forte lampada in controluce, controlliamo la distanza tra la bobina sensibile e la punta.
Tutti questi pointer sono montati male, a volte tra la bobina e la punta c’è un centimetro di luce, altre volte anche due o tre, come in questa immagine.
Quindi toglieremo il gommino dell’interruttore di accensione (basta tirarlo da un lato e viene via facilmente).
E infine, utilizzando un tondino metallico da 2 mm leggermente arcuato, spingeremo la bobina fino a che, verificando con la lampada, non si veda più luce tra la bobina e la punta.
Con questa correzione si arriva intorno ai 4 centimetri che sono una sensibilità media, adatta a tutte le situazioni e si potrebbe anche fermarsi qui.
Fate molta attenzione a non forzare il pulsantino interno,
perché basta spingerlo un po’ lateralmente e si smonta.
Se vi succede di smontare il pulsantino allora poi dovrete essere davvero abili per rimettere tutto a posto. Questa è la sequenza e sono tutte operazioni difficili e delicate:
- Aprire il portapile e svitare la vite.
- Tirare delicatamente il portapile con una pinza.
- Tirate ancora, ma senza strappare i fili della bobina, fino a che si estrae tutto.
- Aggiustare il pulsante (riposizionare la sua mollina, il suo pulsante e il coperchietto).
- Infilare di nuovo tutto nel tubo arancione, facendo attenzione che il PCB scorra nella guida.
Regolare la sensibilità
Con questa seconda correzione arriveremo anche a superare le caratteristiche del Garrett. Otterremo una maggiore sensibilità (anche uno o due centimetri oltre la distanza massima del Garrett) e potremo regolare la distanza da un minimo di circa 2 centimetri fino a un massimo di sei o sette centimetri.
Ci serviranno questi materiali:
- Due viti parker da 2 mm di diametro e lunghe 6 mm
- Un pezzo di plastica nera da 12 x 8 mm e spesso 3 mm
- Un chiodo di circa 1 mm di diametro e lungo 30 mm.
- Una punta da 1 mm e un piccolo trapano.
Si comincia incollando un pezzetto di plastica nera sulla testa del chiodo. Questa maniglia servirà per regolare la posizione del chiodo con il pollice.
Poi si fora il blocchetto di plastica con una punta delle stesse dimensioni del chiodo e si controlla che il chiodo scorra bene, facendo solo un leggero attrito.
Se il chiodo fa troppo attrito si ripassa un po’ il foro con la punta, se invece ne fa poco si da una schiacciata alla plastica sul lato inferiore che non si vedrà.
Poi si fanno due fori da 1 mm a circa sette millimetri uno dall’altro, prima nel pezzetto di plastica nera e poi, utilizzandolo come dima, anche nella plastica arancione del pointer. Nel pezzetto di plastica i due fori andranno anche svasati con una punta da 4 mm (poco più del diametro della testa delle viti).
Fate i due forellini nel pointer più o meno nella posizione indicata dalle foto. Questi fori serviranno poi per imboccare le viti. Ma attenzione, bastano due millimetri, non fate entrare troppo la punta perché altrimenti potreste rovinare qualcosa. In quella zona non ci sono componenti ma fate attenzione lo stesso perché poco prima c’è il circuito stampato e lungo il tubo ci sono anche i fili che vanno alla bobina terminale.
Se lo si costruisce bene lo si potrà regolare facilmente con il pollice nelle seguenti posizioni:
- Accendendo il pointer senza curarsi di dove si trova il regolatore la sensibilità sarà impostata su un valore medio di circa 3 o 4 cm.
- Tirando il regolatore tutto indietro la sensibilità si abbasserà a circa 2 centimetri.
- Per ottenere la massima sensibilità si spinge avanti il regolatore fino a che si sente il suono e poi lo si tira indietro di pochissimo fino a farlo smettere.
Con una regolazione di precisione, esattamente al limite del suono, abbiamo ottenuto una sensibilità fino a quasi otto centimetri per una moneta da cinquanta centesimi di Euro, pareggiando quindi le prestazioni dei modelli più sensibili ed estremamente costosi che si vedono nei test su YouTube.
La regolazione precedente è instabile e gli otto centimetri non durano a lungo ma nell’uso normale non sarà necessaria una regolazione così delicata, basterà arrivare fino al suono e tornare un po’ indietro, senza troppa attenzione. Si otterrà così una sensibilità di 5 o 6 centimetri che è ottima durante gli scavi.