Пирамида - регистратор землетрясений

Принцип работы регистратора основан на визуализации электродвижущей силы (ЭДС), возникающей в катушке при изменении положения находящегося рядом магнита [1]. Не важно, что перемещается – магнит относительно катушки или катушка относительно магнита, уровень напряжения на выводах катушки будет пропорционален скорости изменения магнитного потока. Остаётся только это напряжение усилить, отфильтровать лишнее и подать в звуковую карту компьютера (рис.1). Просмотр и запись можно производить любой программой, работающей с сигналами на линейном входе, например, SpectraPLUS в режиме «осциллограф».

Рис.1

Регистратор конструктивно выполнен в виде пирамиды. Катушка и усилитель установлены в корпусе подставки. Магнит приклеен к массивной (более 200 гр.) деревянной болванке, которая подвешена на толстую нить, закреплённую в верхней вершине пирамиды (рис.2). Напряжение питания усилителя (15…20 В) подаётся через разъём с внешнего блока. Выходной сигнал с усилителя в компьютер так же подаётся через разъём. Пирамида при работе закрывается со всех четырёх сторон пластинами из МДФ – это необходимая защита от потоков воздуха (сквозняков и др.).

Рис.2

Электронную схему (рис.3) можно разделить на две части – стабилизатор питания и усилитель. Стабилизатор VR1 на напряжение + 12 В собран на стандартной микросхеме 78L12, а усиление и, одновременно, фильтрация сигнала происходит на операционном усилителе ОР1 серии КР140УД608, включенном по схеме полосо-пропускающего фильтра с коэффициентом усиления около 200 раз (46 dB). Частота среза по нижней границе определяется в основном ёмкостью конденсатора С5, а верхняя граница – конденсатором С6.

Рис.3

Номиналы элементов частотной коррекции рассчитаны в программе RFSim99, примерная амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) показана на рисунке 4. Нижняя граница взята избыточно низкой для того, чтобы не ослаблять сигнал на тех частотах, на которых начинается «завал» у звуковых карт – у современных это около 2-10 Гц.

Рис.4

Поэтому, с учётом «завала» самых низких частот на линейном входе, рабочая полоса по уровню -3 dB может составить около 2…13 Гц, а максимальное усиление уменьшиться на 10 dB (рис.5).

Рис.5

На рисунке 6 показана АЧХ, снятая во время проверки работы одной из макетных версий. Видно, что огибающая примерно совпадает с расчетной. Пик на частоте 1,2 Гц – это, скорее всего, частота механического резонанса конструкции – нити и маятника-магнита. При отладочном макетировании нить подвеса была короткая, а деревянная болванка маленькая и лёгкая. После сборки окончательного варианта пирамиды этот пик пропал.

Рис.6

Печатная плата размерами 40х40 мм под обычные выводные элементы выполнена из одностороннего фольгированного стеклотекстолита (файл в формате программы Sprint-Layout 5 находится в приложении, вид со стороны печати, для изготовления по лазерно-утюжной технологии нужно включить «зеркально»).

Катушка датчика сделана из трансформатора (рис.7), взятого из импульсного блока питания компьютера (он там стоит в цепи дежурного питания). Из некоторого количества имеющихся в наличии трансформаторов была отобрана марка с максимально возможным количеством витков в высоковольтной обмотке – с омическим сопротивлением около 3,5-4 Ом (рис.8). Ферритовый сердечник удалён, так как он притягивает к себе подвешенный магнит, сдерживая этим его свободу перемещения.

Рис.7

Рис.8

Катушка в подставке расположена горизонтально, вровень с поверхностью МДФ пластины толщиной 6 мм (рис.9). Магнит находится на расстоянии 1-2 мм от неё (чем больше расстояние – тем меньше чувствительность регистратора). И печатная плата, и катушка приклеены к пластине термоклеем – в этой части конструкции желательно полное отсутствие магнитных материалов (желательно проверить все элементы).

Рис.9

В качестве внешнего блока питания использован подходящий по параметрам трансформаторный AC/DC адаптер от какой-то офисной техники.

Теперь самое интересное - работа с регистратором.

При установках в программе SpectraPLUS показанных на рисунке 10, часовая запись имеет размер 27,4 MB, соответственно, суточная запись будет иметь длину около 660 МВ. Уменьшить размеры записываемых файлов можно, но тогда собьётся временной таймер и программа будет показывать неправильную длительность файла.

Рис.10

При настройке и отладке конструкции все "землетрясения" делались или перемещением магнита вручную возле катушки, или стучанием кулаком по столу. Но, конечно, хотелось зафиксировать что-нибудь настоящее... Оказалось, что это совсем не проблема - у нас за городом есть карьер по добыче камня, где время от времени происходят взрывы, вызывающие небольшие колебания почвы в городе. Пример записи в один из таких моментов показан на рисунке 11. Видно, что первый толчок произошёл примерно на 37 минуте, второй (более слабый) последовал спустя 3 минуты. Затем маятник с магнитом около 5 минут возвращается в своё нормальное положение.

Рис.11

И более подробно начало первого толчка и последовавшие за этим колебания маятника показаны на рисунке 12.

Рис.12

Зафиксированные колебания почвы были очень слабыми, второй - почти неощутимым, но тем не менее, и он тоже виден на записи, что в целом даёт некоторое представление о работе регистратора.

Переделки и доработки

При неудачной конструкции катушки и усилителя (или при неблагоприятном электромагнитном окружении) в выходном сигнале может появиться помеха 50 Гц. Для её подавления нужно поставить двойной Т-мост на выходе усилителя и дополнительный фильтр низких частот. Новые установочные элементы показаны на рисунке 13 правее синей черты.

Рис.13

Двойной Т-мост при указанных номиналах конденсаторов немного разбалансирован и настроен на частоту чуть выше нужной, но всё равно этого достаточно для того, чтобы подавить помеху 50 Гц примерно на 30 dB относительно того уровня, что приходит на вход операционного усилителя (рис.14).

Рис.14

Если применяемая звуковая карта имеет входное сопротивление менее 100 кОм, то из-за установки дополнительных элементов выходной сигнал может ослабнуть. Эти потери можно восстановить изменением номиналов резисторов обратной связи R3 и R4 – на этих частотах операционный усилитель имеет большой запас по усилению.

Чтобы регистратор перестал быть простым «индикатором», а начал выполнять измерительные функции, т.е. чтобы его показания соответствовали реальным движениям земли при землетрясении, нужно менять конструкцию датчика. Но это намного сложнее, чем собирать электронную начинку прибора...

Литература:
1.   Сивухин Д.В., Общий курс физики, т.3 «Электричество», стр. 264, Москва, изд. «Наука», 1983г.
 
Андрей Гольцов, r9o-11, г. Искитим

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}