Il sensore ETL3D/5s.
Fertitta G.1, Costanza A.1, D’Anna G.1, Patanè D.2
1 Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia, Osservatorio Nazionale Terremoti, OBS & Earth Lab di Gibilmanna
2 Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia, Sezione di Catania - Osservatorio Etneo
Nella storia dell’INGV e prima ancora dell’ING, si possono annoverare alcune esperienze di costruzione di sensori sismici. Nel 1939 sono stati realizzati 11 sensori tipo Wiechert [Calcara (2004)] e un singolo prototipo di sismografo con periodo 20 s (Pannocchia,1939). Negli anni ’70 è stato realizzato un lungo periodo simile al sismometro Wilip Galitzin, mentre solo più di recente sono state fatte esperienze con i sismometri S-13 modificandoli e allargando la loro banda utile, secondo il metodo di Lippmann (Romeo and Spinelli, 2013). Il sensore qui presentato, denominato ETL3D/5s (Fertitta et al., 2019), dal punto di vista elettronico si inserisce in questo strategia di modifiche, essendo basato sullo stesso metodo.
L’ETL3D/5s, è un velocimetro a tre assi con periodo 5 secondi, progettato presso l’OBS & Earth Lab di Gibilmanna. Il sensore, per le sue caratteristiche, può essere impiegato sia nel campo della sismologia (monitoraggio dei micro-terremoti e dei terremoti regionali) che dell’ingegneria civile per lo Structural Health Monitoring (SHM), ma anche per misure di rumore ambientale e studi di microzonazione (HVSR). Il sensore ha un contenitore in acciaio inox AISI 316. Tutte le parti meccaniche sono frutto di una meticolosa progettazione che ha tenuto conto di problematiche elettroniche e meccaniche. La modellazione 3D del sensore ha supportato la progettazione meccanica e posto le basi per un’analisi modale agli elementi finiti (FEM). Mediante l’analisi FEM è stato possibile verificare che le frequenze naturali dell’intero sensore ricadono al di fuori della banda di interesse e, in particolare, sufficientemente al di sopra della prima frequenza spuria dei geofoni. La collocazione delle schede elettroniche e dei geofoni è stata studiata con l’obiettivo di limitare i disturbi elettromagnetici sui segnali analogici.
Le parti elettroniche comprendono una terna di geofoni SM6 da 4.5 Hz, una terna di schede di compensazione termica montate direttamente sui geofoni e una scheda amplificatore a tre canali. Il nuovo sensore propone una modifica originale al metodo Lippmann classico infatti nell’ ETL3D/5s la funzione di trasferimento presenta una coppia di poli complessi in corrispondenza del periodo, mentre il metodo di Lippmann crea un polo reale semplice alla stessa frequenza.
A fine assemblaggio, risulta necessaria una calibrazione, che richiede l’uso di una tavola vibrante per regolare il guadagno e di strumenti elettronici di laboratorio per regolare il periodo. I sensori fino ad oggi prodotti sono stati calibrati grazie alla collaborazione con il laboratorio L.E.D.A. dell’Università Kore di Enna che ha messo a disposizione una delle sue tavole vibranti.
L’ETL3D/5s è stato ampiamente testato e attualmente è installato presso alcuni siti dell’Osservatorio Sismico Urbano del centro storico di Catania, in fase di realizzazione nell’ambito del progetto PON eWAS “An early WArning System for cultural heritage”. Sempre grazie a eWAS, una versione ibrida del sismometro, che prevede l’integrazione di un accelerometro MEMS, a elevata sensibilità e basso rumore, è già stata prototipata ed è in fase di test.
Riferimenti bibliografici
Calcara, G. (2004). Breve profilo dell'istituto nazionale di geofisica (1936 - 1963). Quaderni di Geofisica n° 36.
Fertitta, G., Costanza A., D’Anna G., Patanè D., The Earth Lab 5s (ETL3D/5s) seismic sensor. Design and test, Annals of Geophysics, 62, 2019.
Pannocchia, G. (1939). Sismografo verticale a 20s di periodo proprio. Pubblicazioni dell'Istituto Nazionale di Geofisica del Consiglio Nazionale delle Ricerche n° 11.
Romeo, G. and Spinelli, G. (2013). Extending a Lippmann style seismometer’s dynamic range by using a non-linear feedback circuit. Advances in Geosciences, 36: 27–30.