Geofisica Colombrana pp. 73·81 Bogota 0 CN° 5 diciembre de 200( ISSN - 0121 - 2974 Diseiio e adqulstctcn implementacion de un de datos stsrnotoqtcos sistema de en tiempo real PEDRO A. VEGA V. pav@terra.com pav@tutopia com Universidad Nacional de Colombia, Bogota RESUMEN EI objetivo propuesto fue el diserio, caracterizaci6n y puesta en operaci6n de un sistema de adquisici6n de datos en tiempo real. Para lograrlo se parti6 de un sism6metro existente tipo L-4C con base en el cual se implementaron el software y hardware requeridos para obtener la estaci6n de registro sismol6gico. EI hardware seleccionado fue una tarjeta de adquisici6n de datos fabricada por National Instruments, referencia DAQ-516, la cual entre sus principales caracterfsticas cuenta con ocho canales de entrada anal6gica, y una rata de muestreo de 50.000 muestras por segundo. EI software utilizado fue el LabVIEW 6.0, tam bien de National Instruments, un software de programaci6n grafica que controla todas las posibilidades de la tarjeta de adquisici6n de datos y cuenta adicionalmente con poderosas herramientas de tratamiento de datos. Los otros componentes del sistema son un computador portatil y una tarjeta de acondicionamiento de senales. Una vez implementado y probado el sistema de captura de datos, se procedi6 a realizar la caracterizaci6n del sistema. Aquf se determin6 el ruido instrumental y se caracteriz6 el sensor, para 10 cual se disefio y construy6 una mesa vibratoria. Mediante una conexi6n a la red Internet y un software del tipo ATOMTIME 98, se realiza la sincronizaci6n del reloj del sistema, ABSTRACT PALABAAS CLAVE: ADQUISICION EN TIEMPO REAL, INTRUMENTACION SISMICA, SOFTWARE DE OISENO EN INSTRUMENTACION The proposed objective was the design, characterization and setting in operation of a real time data acquisition system. Starting with LAC type existent seismometer for which was implemented the software and hardware required to obtain the seismological registration station. The selected hardware was a National Instruments data acquisition card DAQ-516, this board has 8 analog input channels (16 bit) and 50 ks/ s. The used software LabVIEW 6.0 was also National Instruments which is a graphic programming software that controls all card's data acquisition possibilities and additionally has powerful data handling tools. The other system components are a portable computer and a signal conditioning card. Once implemented and proven the data acquisition system, we proceeded to carry out the characterization of the system. Here the instrumental noise was determined, and the sensor was "characterized for this a shaking table was designed and built. By means of an Internet connection, the system's internal clock synchronization is carried out by means of ATOMTIME 98 software. KEY WORDS: REAL TIME ACQUISITION, SEISMICAL INSTRUMENTATION, SOFTWARE FOR DESIGN OF INSTRUMENTS INTRODUCCION Las ciencias naturales en general, yen especialla geoffsica, estan fun- damentadas en las medici ones realizadas de los parametres que carac- terizan los fen6menos que nos rodean, para, a partir de estos datos, infe- rir la realidad que se oculta a nuestros sentidos, Es por esto que para obtener conclusiones acertadas se debe prestar la mayor atenci6n al dato mismo, ya que partiendo de datos err6neos se llega a conclusiones ale- jadas de la realidad. Por tanto, en el disefio de un sistema de medici6n es vital conocer principalmente la variable por medir, sus efectos, 6rdenes de magnitud y factores que la afectan. Con esta informacion se pueden disefiar los sensores adecuados, filtrar los efectos que generen distorsion y obtener la seiial rna pura posible. Aqui se trata principal mente del disefio, caracterizaci6n e implementaci6n de ttI1 sistema de medici6n de movimientos de la Tie- rra, paniendo de un sisrnometro tipo L-4C, y el diseno, construccion e implementaci6n de un prototipo de mesa vibradora para la calibraci6n de sensores sfsmicos. GEOFf SICA COLOMBIANA, 3, JUNIO DE 2002 CONCEPTOS BAslCOS SISTEMAS DE ADQUISICION DE DATOS En las ultimas decadas, la tecnologia ha desarrollado sistemas complejos de adquisici6n de datos, compuestos por subsistemas que interacnian coordi- nadamente, implementados tanto en software como en hardware (National Instruments Corporation, 2000). Un sistema de adquisici6n de datos esta conforrnado basicamente por tres subsistemas: Subsistema de adquisici6n de datos Subsistema de c6mputo Subsistema de interfaz Figura I. Composici6n basica de un sistema de adquisicion de datos 73 PEDRO A VEGA V. El sistema de adquisici6n de datos incluye los sensores, equipos y circuitos para adecuaci6n de sefiales y transmisi6n de datos hacia el siste- ma de compute. El sistema de c6mputo realiza el procesamiento de los datos reco- lectados, ya que aquf se ejecutan rutinas de adquisici6n, proceso, pre- sentaci6n y registro de los datos. EL SISMOMETRO Un sism6metro es un instrumento que permite medir vibraciones de la Tierra, causadas por una gran variedad de procesos, principal mente los terremotos. En general consta de: Un sistema inercial, como por ejemplo una masa m6vil, acoplada a una cubierta rigida mediante un resorte y un elemento amortiguador. Un sistema transductor, que produce una sefial de salida, correspondiente aI movimiento relativo de la cubierta con respecto a la masa, y que sirve como un punto de referencia debido a su gran inercia. w rue Figura 2. Diagrama esquemarico de un sism6metro (Keller, Fritz, 1997) Para "rnuy altas frecuencias" del movirniento del suelo (comparado con la frecuencia natural del sistema), la masa suspend ida tiende a mante- ner su posici6n original, y su desplazamiento relativo a la cubierta repre- senta el desplazamiento del suelo. Para "muy bajas frecuencias" del rnovimienro del suelo, la masa tiende a seguir el movimiento de la cubierta y el desplazarniento relati- vo tiende a ser cero. Una descripci6n cuantitativa de esta caracteristica pasa altos, que re- laciona el desplazamiento de la masa con el desplazamiento del suelo ~ especialrnente entre los extremos "muy baja" y "muy alta" frecuencia- puede deducirse a partir del equilibrio de todas las fuerzas intemas yex- temas que actuan sobre la masa, y que conduce a la ecuaci6n diferencial de segundo orden (Keller, 1997): - m ·lx" (t )+ w" (t )J- dx (t )- c . x(t) = 0 Que relaciona: xtr), x '(t) y x"(t) Desplazarniento relativo de la masa, velocidad y aceleraci6n y w"(t) Aceleraci6n del suelo (= cubierta) 74 Con los parametres del sistema rnecanico: m [kg] Masa suspendida, resultante de una fuerza inercial, proporcional a la aceleraci6n total x"(t) + w"(t) d [Ns/m] Con stante de amortiguarniento, que produce una fuerza proporcional a la velocidad x'(t) y que refleja las perdidas internas. c [N/m] Constante del resorte, resultante en una fuer- za proporcional al desplazamiento de la masa de su punto de equilibrio (= posici6n cero), y proporcional al desplazamiento rela- tivo de la masa x(t). INSTRUMENTO VIRTUAL !.Que es un instrumento virtual? Figura 3. Instrumento virtual Es la combinaci6n de hardware y software, usados pOI'un computador per- sonal (PC), para cumplir la funci6n de un instrumento tradicional. En gene- ral es una aplicaci6n particular de un sistema de adquisici6n de datos. El software es la clave del instrumento virtual, ya que este es el que sustituye aJ instrumento tradicional. EI software desempefia un papel vital en el desarrollo de sistemas de adquisici6n de datos y control, adem as de dirigir la interacci6n de las especificaciones de hardware. El software se elige de acuerdo con las necesidades y preferencias del usuario. Muchos factores afectan la elecci6n del software, incluidos apli- caciones, requerirnientos, el hardware del computador, el sistema operati- vo y el hardware de instrumentaci6n. EI software que el usuario escoge debe ser versatil, para adaptarse a diversas arquitecturas de computadores, a instrumentos y dispositivos diferentes de adquisici6n de datos. La tarjeta de interfaz con el PC puede ser de dos tipos: tarjetas insertadas dentro del computador (plug in) 0 instrumentos con puertos de comunicaci6n que operan independientemente (stand alone). TIEMPO REAL EI terrnino "tiernpo real" es uno de los mas ampliamente usados en la industria actual mente; sin embargo, existen al respecto algunas con- cepciones err6neas. Una definicion ampliamente aceptada de sistema de tiempo real es la siguiente: "Aquellos sistemas en los cuales las correcciones del sistema dependen no s610 de los resultados 16gicos de los calculos sino tarnbien GEOFISICA COLOMBIANA, 5, DICIEMBRE DE 2001 DISENO E IMPLEMENTACION DE UN SISTEMA DE ADQUISICION DE DATOS SISMOLOCICOS EN TIEMPO REAL del tiempo en el cual se producen los resultados. La distinci6n entre tiern- po real y no tiempo real es que los sistemas de tiempo real deben cumplir con restricciones de tiempo". Los sistemas de tiempo real se c1asifican frecuentemente en duros (hard) y blandos (soft). Los sistemas duros se precisan libres de fallas para satisfacer todos los requerimientos de respuestas de tiempo en for- ma constante, en cualquier circunstancia y ante cualquier combinaci6n de eventos, como ocurre en los sistemas de control de reactores nuclea- res en las plantas generadoras de energfa. Un sistema blando esta mas relacionado con el desempefio promedio; de este se requiere solamente que en la mayorfa de los casos la respuesta de tiempo caiga dentro de un margen admisible. Estos sistemas toleran salidas de funcionamiento oca- sionales, como ocurre en el caso de los cajeros automaticos. DESARROLLO DEL SISTEMA Usando el software LabVIEW se realiz6 la siguiente rutina de adqui- sici6n, con el cual se capturan las sefiales provenientes del sensor y se almacenan en un archivo de texto que graba la fecha, hora y magnitud en voltios para posterior analisis, rJ:·~;::·,;;·m <, l"'n·--. .. -- •• .. ---1 l ~- ~~-~---------,~JQ-fr: ----.,----f: ~ 0 rlt ~·~'I..,,~,#~__.:~.~~,d,'.. !,.,' I ""mt'm ijl-~ ! 1i> ;,.~. IZ1 ll0 •• ,,,." l ~' i. ••••••••••••••••.••..•.••.•••••.•••••.•••••••.. J 1ft;..1 ·..·-1 ~- Figura 4. C6digo grafico para el sistema de adquisici6n de datos sismicos Igualmente se disefi6 en el panel un frontal como el que se muestra en la figura 5. Figura 5. Panel frontal del sistema de adquisici6n de datos GEOFISICA COlOMBIANA, 5, DICIEMBRE DE 2001 Cuando se esta ejecutando este programa, se sensa perrnanentemen- te la entrada del primer canal de la tarjeta, comparandolo con un valor predefinido en una constante nurnerica; este valor debe corresponder al maximo nivel de ruido del sitio donde se instala el sistema, y, a pesar de ser arbitrario, es el que deterrnina cual es la amplitud de entrada a partir de la cual consideramos que se presenta un evento de interes. Una vez la rutina de arranque detect a a la entrada del canal analogo una tensi6n mayor al valor predefinido en la constante numerica, se inicia un Loop Case, el cual ejecuta las siguientes funciones: Leer datos de la tarjeta de entrada anal6gica Leer la hora del computador. Concatenar las variables string para formar la cadena con la fecha que se registrars en el archivo. Concatenar la cadena de fecha y hora con el dato leido desde el primer canal analogo, Crear un archivo con los datos que se leen, como el de la figura 6. Detener la grabaci6n despues de transcurrido el mimero de lecturas que se ha predefinido. _1.","101 ~1.n:'1 _L'>:l!1 -1.lW71 _1_t;ll)~1 -I.~:-: -I_"'~ --'.l:Itw _L!::~~ 1:>ln:J('L "'.",l'I- OI}li/CltIJ«O;. 01).::./= r.>"'.1"'=-1~; tll)llfot. ()ri;}"1:J~ U o,,J.:}Q7. C".,J~=JS~. OlJl:.:/ot (l1::'3:971~ ... "'lj;u/a: (lll"~""~~ .... r:UJlHaz Ot:,I':l':' M !UJ~:}~ i:Ji.,I",'!..l.ft ~""~~1L"'" Figura 6. Ejemplo de archive de datos creado por la rutina CARACTERIZACION DEL SISTEMA RUIDO INSTRUMENTAL Todos los sism6grafos modemos usan amplificadores semiconductores, los cuales --{;omootros componentes electr6nicos- producen mido electr6nico continuo cuyo oligen se disuibuye por el equipo. Lo U'iUlsductoreselecu'o- magneticos, tales como los usados en ge6fonos, tambien producen ruido electr6nico termico (ruido resistivo). Las conuibuciones del mido de los semiconductores y delruido resistivo es frecuentemente comparable, yjuntos limitan la sensibilidad del sistema. Los sism6grafos pueden tambien sufrir penurbaciones transitorias Oliginadas en semiconductores ligeran1ente de- fectuosos 0 en paItes mecanicas cuando esuin sujetas a esfuerzcs. Los sism6meu'os y ge6fonos elecu'omagneticos son sensores pasivos cuyo auto-ruido es de Oligen puramente tel1nico, y no aumenta a bajas fi'ecuencias como oculTe con elementos activos (disipadores de potencia). El nivel de sefial a la salida es, sin embaI'go, compaI'ativarnente baja, pOl'10 que se debe insenar un preaI11plificadorde bajo ruido entre el sensor y el regisu'ador (WielaI1dt,200 l). 75 PEDRO A. VEGA V. Inforrunadamenre, el ruido del preamplificador aumenta a bajas fre- cuencias y limita la sensibilidad general. La sensibilidad esta normal- mente limitada por el ruido del amplificador; sin embargo, este ruido no depende del amplificador solarnente sino de la impedancia del transductor. Hasta cierta irnpedancia el ruido del amplificador es aproximadamente cons- tante, pero luego aumenta linealmente con la impedancia, debido a una corriente de ruido que fluye desde la entrada del amplificador. Por otro lado, la seiial de voltaje aumenta conla raiz cuadrada de la impedancia. La mejor relacion de seiial a ruido se obtiene por tanto con una impedancia optima definida por la esquina entre el voltaje y el ruido de corriente, la cual es diferente para cad a tipo de amplificador, y depende tambien de la fre- cuencia, y viceversa: cuando el transductor es dado (nuestro caso) el ampli- ficador debe ser seleccionado para bajo ruido a la impedancia y a la fre- cuencia de trabajo (Wielandt, 2001). El ruido electronico puede predecirse cuando se conocen los datos tecnicos del sensor y del amplificador, EI ruido semiconductor aumenta a bajas frecuencias, por 10 que se deben aplicar las especificaciones del amplificador a las frecuencias sfsmicas mas que a las frecuencias de audio. El ruido del amplificador puede observarse bloqueando el sensor 0 inclinandolo hasta que la masa este detenida firmemente, 0 sustituyen- dolo con una resistencia que tenga un valor igual a la resistencia de la bobina, Si estas manipulaciones no reducen significativamente el rui- do, entonces el sismografo no resolvera el ruido sismico. Un sensor bloqueado 0 una resistencia no representan exactarnente la impedancia electrica de un sensor desbloqueado. Para caracterizar el ruido del amplificador de nuestro sistema, uti- lizamos un potenciornetro de 5K lineal, con el cual ajustamos una re- sistencia igual a la resistencia vista des de el amplificador -y que co- rresponde a la resultante de la intema de la bobina de seiial del sensor y la de amortiguamiento, es decir 3,9 kn-, se realize un registro de prueba utilizando la rutina del LabYIEW descrita antes y se obtuvo el resultado mostrado en la figura 7. De la grafica observamos que el ruido instrumental de nuestro sis- tema es de +/- 50 mY, 10 que involucra la tarjeta de adquisicion de datos, el PC y el software. Este ruido se redujo instalando un filtro capacitivo de 50 pF a la entra- da del canal. Los resultados fueron los mostrados en la figura 8. 0"1 Figura 7. Ruido instrumental registrado con el sistema de adquisici6n de datos antes de filtro 76 Figura 8. Selia I de ruido con el condensador de filtro a la entrada del canal Adicionalmente se realizaron medici ones de ruido con el sensor co- nectado, es decir, tomando registros del sistema en ellaboratorio. I "". ~ 1"". Figura 9. Serial de ruido con el sensor conectado En el caso con el sensor conectado, hay que tener en cuenta que aqui se esta registrando el ruido ambiente, es decir, se esta registrando todo aquello que influye sobre el sensor en el lugar en donde esta ins- talado. Aquf se observan amplitudes de +/- 0.15 voltios. En los registros tomados luego de instalar el condensador de entra- da, se puede observar que las amplitudes de las seiiales de ruido se reducen hasta ± 0.001 voltio. CALIBRACION CON ONDAS SENO Con una entrada senoidal, la salida de un sistema lineal es tam bien senoidal, y la relacion de las dos amplitudes es el valor absoluto de la funci6n de transferencia. Por tanto, un experimento con ondas seno permite un chequeo inmediato de la funci6n de transferencia, sin nin- gun conocimiento a priori de su forma matematica y sin modelamiento de la forma de onda; este es frecuentemente el primer paso en la iden- tificaci6n de un sistema desconocido. Cuando solamente se tiene disponible equipo analogo, la bobina de calibraci6n 0 la mesa agitadora deberan ser alirnentadas con una seiial GEOFISICA COLOMBIANA, 5, DICIEMBRE DE 200"1 DISENO E IMPLEMENTACION DE UN SISTEMA DE ADQUISICION DE DATOS SISMOLQCICOS EN TIEMPO REAL de prueba senoidal, y se deben registrar las seiiales de entrada y salida en un registrador X- Y. Posteriormente, las seiiales de deberan ser graficadas como una elipse de Lissajous, a partir de la cual tanto la amplitud como la fase se pueden leer con buena precision. Los resultados obtenidos para nuestro sistema, y a una frecuencia de I Hz, fueron los siguientes: Figura 10.Grafico para medida de Ia fase en el sism6metro L4C para una frecuencia de 1 Hz A partir de este grafico se puede calcular el desfase mediante la formula: d, ( 2.1 J

0:0: r;r1 ,,""~I ':.I.c.. ......... ::v: I ~ .. tooa:oJ 'r ~'~j"~~~ ! I:!El 1,0000:1- @} Figura 20. Subrutina de LabVtEW utilizada en las pruebas y tomas de datos de la mesa vibradora :1 on' "" Figura 21. Respuesta a la inclinaci6n obtenida en la mesa vibradora SINCRONIZACION DE TIEMPO Como se dijo al comienzo, los sistemas de tiempo real pueden ser hard 0 soft, y dado que este equipo tolera saLidas de operacion transitorias, se clasifica como soft. Lo que se pretende es que la etiqueta de tiempo de los eventos este 10 mas cerca posible del tiempo real 0 correcto en el momenta del evento, es decir que el tiempo del computador que adquie- re los datos y que genera la etiqueta de tiempo este sincronizado con el tiempo astral, de tal manera que los datos puedan servir en las redes sfsmicas como apoyo para el calculo de los parametres del terremoto. Con esto en mente, se investigaron formas posibles de sincronizar el reloj del computador con el tiempo astral. La mas precisa es adquirir un reloj GPS, el cua! calcula el tiempo y la posicion, bas ado en la red de satelites de geo-posicionamiento, y genera un tren de pulsos que Ie entrega al computador un c6digo con la fecha y hora exactas; con este dato se sincroniza el reloj interno del sistema. Otra forma no tan precisa, pero mucho mas barata, es como 10 ha- cemos en este sistema: utilizar programas de distribucion a bajo costa (USD$50), a traves de la red Internet, que sincronizan el tiempo del c