Strumentazioni

La prima sfida affrontata nell’ambito della realizzazione dell’Osservatorio Sismico Urbano di Catania è stata la progettazione e lo sviluppo di una stazione sismo-accelerometrica a basso costo, idonea agli scopi del progetto, nonchè la scelta dei sensori da accoppiare.

A partire dalla seconda metà del 2020 sono stati realizzati i primi prototipi della stazione multi-parametrica OSU-AQ2 che ha sostituito la precedente versione OSU-AQ1 realizzata in numero limitato di 12 unità per le verifiche sul campo. Dopo le opportune verifiche di funzionalità in laboratorio e i primi tests sul campo di OSU-AQ2, a partire dal 2021 è stata avviata la sostituzione dei primi prototipi. Nel 2022 le installazioni sono proseguite e attualmente sono 23 le stazioni dell'Osservatorio Sismico Urbano di Catania, che si conta di portare a 30 entro la fine dell'anno.

                   Schema a blocchi funzionale dell'acquisitore OSU-AQ2 e foto con indicazione delle singole parti

ACQUISITORE

Sviluppo della stazione OSU

Nel 2018 viene realizzato, nell’ambito del Protocollo di Intesa con il Comune di Catania, un primo prototipo di stazione accelerometrica basata su tecnologia MEMS (Micro ElectroMechanical Systems), costituita da:

• un SBC Raspberry Pi 3 modello B;
• un sensore accelerometrico MEMS Phidget Spatial precision 1043 0/0/3, Acceleration Max ± 2g, ADC Resolution - 16 bit, Acceleration Measurement Resolution pari a 76.3 μg, un GPS Phidget 1040 per la temporizzazione;
• mini-UPS di 2200 mAh (4/5 ore di autonomia in mancanza di energia elettrica).

Stazione OSU-AQ1 (2019)

Verificate le scarse performance del suddetto prototipo e del MEMS Phidget, nel 2019 si è proceduto, grazie al progetto eWAS, ad avviare la progettazione e la realizzazione di un nuovo prototipo di acquisitore (denominato OSU-AQ1) di tipo multiparametrico e a verificare le perfomance di altri accelerometri MEMS a più basso rumore. Nella nuova stazione è stato integrato un ADC delta-sigma a 24 bit a 16 canali, per poter connettere sensori analogici, e sostituito l' SBC Raspberry Pi 3 modello B con un Raspberry Pi 3 modello B+. Questa nuova stazione è stata inizialmente dotata di un sensore accelerometrico MEMS analogico della TE Connectivity (MEAS 4630A), con migliore risoluzione rispetto al Phidget 1043. Contemporaneamente si è proceduto a valutare l’impiego di altri accelerometri MEMS a basso costo, a più basso rumore e a più elevata sensibilità rispetto al Phidget, e la scelta è ricaduta su un accelerometro analogico MEMS della Analog Device, l’ADXL354 e successivamente sull’accelerometro digitale ADXL355.

L’unità Smart di acquisizione OSU-AQ1 è costituita da un ADC a 16 canali delta-sigma a 24 bit di campionamento, 23.7k campioni al secondo (SPS, samples per second) percanale e dinamica > 130 dB e da un SBC (Single Board Computer). L’unità è in grado di operare come acquisitore vibrazionale / sismico / microsismico e permette di collegare oltre a un velocimetro e a un accelerometro anche altri tipi di sensori come ad esempio: inclinometri, fessurimetri, sensori di temperatura, misuratori di spostamento a filo, celle di carico, trasduttori di livello di pressione, ecc.

L’unità, oltre a poter trasmettere i dati acquisiti, può registrare in apposito buffer su memoria non volatile in una Compact Flash interna da 32 GB.

L’unità è, inoltre, dotata di GPS (Global Positioning System) per la sincronizzazione dei segnali al tempo UTC (Coordinated Universal Time) e di un mini UPS (Uninterruptible Power Supply) che garantisce 2-3 ore di autonomia dalla rete elettrica.

La presenza di un SBC, permette di implementare algoritmi per la pre-elaborazione in tempo reale on-site dei segnali acquisiti, per la realizzazione di sistemi di osservazione estremamente performanti. Ciò ha permesso di installare sulla stazione un algoritmo di Earthquake Early Warning on-site. Il formato dei dati sismici (velocimetrici e accelerometrici) è di tipo miniSEED, un formato dati ampiamente utilizzato in sismologia.

Sintesi caratteristiche OSU-AQ1:
• Scheda ADC a 24bit permette di collegare diverse tipologie di sensori analogici;
• Single Board Computer (SBC) con processore quad-core a 64 bit a 1.4 GHz, RAM da 1 GB,
• Gigabit Ethernet, Wi-Fi dual-band (2.4GHz e 5.GHz) IEEE 802.11.b/g/n/ac;
• Modulo GPS NEO-7M;
• Connettività: LAN a 300 Mbit/sec, Wireless e 3G/4G per la trasmissione dati in streaming;
• MicroSD da 32GB per lo storage dei dati;
• Alimentazione a 5V/2.5 A;
• Consumo 5-6 Watt.

Stazione OSU-AQ2 (2020-2021)

All’inizio del 2020 è stata avviata la re-ingegnerizzazione del prototipo di stazione master OSU-AQ1, principalmente finalizzata ad ottimizzare l’integrazione dei componenti (es. amplificatori, modem, ecc..) che nel tempo sono stati aggiunti per migliorarne le performance. Per tutto il 2020 alcuni acquisitori OSU-AQ2 sono rimasti in fase di validation engineering  per verificare il buon funzionamento di tutte le sue parti. Nel corso del 2021 sono state avviate le installazioni sostituendo le OSU-AQ1.

Acquisitore OSU-AQ2

Nella stazione master OSU-AQ2 è stato implementato un codice di Earthquake Early Warning on-site, denominato OSUSAVE, basato su quello sviluppato da Caruso et al., 2017 e commercializzato da RISS srl, opportunamente adattato alle esigenze dell'Osservatorio Sismico Urbano di Catania. Tra la fine del 2020 e l'inizio del 2021 è stata avviata la verifica di funzionalità del sistema di EEW a due stazioni della rete OSUCT e precisamente alle stazioni di OSU01 e OSU02, equipaggiate ambedue con l'ETL3D/5s_H1.

SENSORI

Quasi tutte le stazioni della rete OSU-CT presentano un sensore triassiale MEMS accelerometrico ADXL355 con densità di noise pari a 25 µg/√ Hz, mentre alcune sono equipaggiate anche con un velocimetro ad ampia banda (5s) denominato ETL3D/5s (Fertitta et al., 2019), la cui evoluzione ha portato all'integrazione al suo interno prima dell' ADXL355 e successivamente di un sensore accelerometrico triassiale Q-MEMS a più elevate prestazioni, l'Epson M-A352 con densità di noise pari a 0.2 µg/√ Hz e sensibilità vicina a quella di un accelerometro force-balance. 

Accoppiare il velocimetro con l’accelerometro MEMS permette di rilevare sia i terremoti di più bassa magnitudo e di sopperire alla più elevata rumorosità dei MEMS alle frequenze più basse dell’intervallo di interesse sismologico (0.1-20Hz), e allo stesso tempo di registrare anche dati di tipo strong-motion relativi ai terremoti più forti che spesso provocano la saturazione del dato velocimentrico.

Nel grafico seguente è riportato un confronto tra i livelli di rumore dei diversi sensori valutati.

Confronto delle densità spettrali (PSD) del noise per gli accelerometri MEMS ADXL355, Safran SI1003 e Epson M-A352. Sono riportate anche la PSD di un Episensor (accelerometro force-balance di classe A), la PSD del velocimetro ETL3D-5s, le curve Low Noise Model e High Noise Model (in grigio) di Peterson (1993) e gli spettri di risposta rappresentativi di terremoti di diversa magnitudo a distanza di 10 km .

SISMOMETRO IBRIDO ETL3D/5S_H

Il velocimetro ETL3D/5s è stato progettato sia per il monitoraggio delle vibrazioni ambientali che dei terremoti locali, in modo tale da poter essere impiegato sia per scopi geologico-sismologici che ingegneristici (Fertitta et al., 2019). È un velocimetro a tre-componenti ad ampia banda (5s) di ridotte dimensioni con le seguenti caratteristiche: Sensitivity: 360 V/(s/m) +/- 5% precision, Bandwidth: -3dB points at 5s and 100 Hz, Clip level: 12.5 mm/s.

Nella seconda metà del 2019 è stata realizzata una versione ibrida dell'ETL3D/5s, denominata ETL3D/5s-H1, che integra internamente un accelerometro MEMS ADXL355. Questo sismometro, preliminarmente verificato presso il laboratorio LEDA dell’Università di Enna KORE, è stato successivamente calibrato, nell’ottobre del 2019, presso la SPEKTRA a Dresdra (Ge) mediante due shaker l’APS129 e l’SE13, con un sistema di calibrazione primario (vibrometro laser ad effetto Doppler). Per il sismometro ibrido ETL3D/5s_H si sta sottoponendo un modello di utilità.

Foto dell'ETL3D5s_H nelle sue diverse versioni

Nella seconda metà del 2020 si è proceduto a realizzare un secondo prototipo del sensore ETL3D/5s_H, denominato ETL3D/5s_H2, che ospita al suo interno un sensore accelerometrico digitale Q-MEMS M-A352 della Epson a tre-assi con maggiore sensibilità e minor rumore rispetto all'ADXL355, che presenta una interfaccia di comunicazione del tipo SPI come per l'ETL3D/5s_H1.

SENSORE ACCELEROMETRICO MEMS

L’ANSS working group (Advanced National Seismic System, US Geological Survey, 2008, 41) classifica gli accelerometri in Classe A (risoluzione utile da circa 20 a 26 bit con una gamma dinamica superiore a 111 dB), Classe B (risoluzione utile di circa 16-19 bit a ± 2 g) e in Classe C (risoluzione utile di circa 12-15 bit a ± 2 g).

Il sensore accelerometrico a basso costo, tra quelli con le migliori prestazioni sul mercato, scelto in EWAS è l’accelerometro MEMS digitale della Analog Device ADXL355, il quale ha un convertitore analogico-digitale (ADC) Σ-Δ interno da 20 bit e un filtro passa-banda integrato. ADXL354/ADXL355 appartengono ad una famiglia di accelerometri MEMS a 3 assi a bassa densità di rumore, bassa deriva di offset a 0 g, bassa potenza, e con intervalli di misurazione selezionabili. ADXL354/ADXL355 garantiscono valori di rumore ottimali, bassa deriva di offset termica e stabilità a lungo termine, per consentire applicazioni di precisione con calibrazione minima e consumo molto basso. Il basso consumo consente il suo impiego in sistemi wireless per lo SHM.

Principali caratteristiche ADXL355: Selectable range: ± 2.048 g, ± 4.096 g or ± 8.192 g Sensitivity = 256000 LSB/g; Scale factor (Resolution) 3.9 μg/LSB Nonlinearity 0.1 % Noise density 25 μg/√Hz; Dynamic Range > 90 dB.

Per gli scopi di SHM sono in corso di verifica anche altri accelerometri MEMS e precisamente l’M-A351 e l’M-A352 della EPSON e l’SI1003 della Safran.

NODO MULTI-PARAMETRICO PER IL MONITORAGGIO STRUTTURALE - SWOSU1

Per il monitoraggio strutturale degli edifici, nel corso della seconda metà del 2020 e stato progettato il nodo multi-parametrico SWOSU1, dotato di 2 accelerometri MEMS a differente sensibilità a basso rumore, un inclinometro biassiale e sensori ambientali di pressione, temperatura e umidità. Nel 2021 è stato realizzato il primo prototipo che è in fase di test. I dati acquisiti in modalità a trigger, a richiesta e/o periodica sono trasmessi alla stazione master OSU-AQ2.

Foto del primo prototipo di SWOSU1

OSU-AQ1, OSU-AQ2 e SWOSU1 sono frutto della collaborazione INGV - Meridionale Impianti SpA (hanno contribuito allo sviluppo/realizzazione D. Patanè, W. Yang, A. Colino, A. Astuti)

ETL3D/5s e ETLE3D/5s_H sono realizzati all'interno dell'INGV (hanno contribuito allo sviluppo/realizzazione G. Fertitta, A. Costanza, G. DAnna e D. Patanè)

OSUSAVE, il sistema di Eartquake Early Warning on-site, è frutto della collaborazione  INGV - TME Srl - RISS Srl  (hanno contribuito allo sviluppo/implementazione  C. Martino,   

D. Patanè, W. Yang)