הבנת יסודות הפעולה של רשתות חיישני אותות רעידות אדמה

תקציר

רעידות אדמה מציבות איום חמור על אזורים תעשייה ומגורים צפופים ולכל סוגי המבנים. עם הגידול המתמשך באזורים אלו ובנייה של עוד ועוד מבנים, ניטור סיסמי דורש פרישה רחבה של רשת חיישנים. מכשירי חישה מסורתיים אינם ברי קיימא בשל מחירם הגבוה ומורכבותם. השימוש במערכת מיקרו אלקטרומכנית (MEMS) של מדי תאוצה וגיאופונים מחוספסים וקטני מידות מאפשר פיתוח של פתרון IoT (אינטרנט של כל הדברים). הטכנולוגיה הנוכחית בתרכובות פעילות וממירים מאפשרת להגיע באמצעות מכשור זה לסטנדרטים הקיימים כיום למכשור חדיש ומודרני. התקנים אנלוגיים מספקים פתרון תכנוני פשוט אך אמין עבור יישומי רשת חישה סיסמית.

מבוא

ככל שעולמנו גודל והופך להיות מקושר יותר ובעל תלות הדדית גדולה יותר, רעידות אדמה בעוצמה בינונית וגבוהה הינן בעלות פוטנציאל להפרעות ונזקים כלכליים משמעותיים. רעידת אדמה משמעותית בכל מרכז אורבני פגיע הינה בעלת השפעה המתרחבת כלפי חוץ על הכלכלה של כל המדינה אליה שייך האזור האורבני שנפגע ועל יכולתם של העסקים באותה מדינה לספק שירותים ולהישאר בשוק הגלובאלי¹ . מתוך ההכרה שרעידות אדמה הינן בעיה גלובאלית, שיפור ניטור סיסמי בכדי להקל על השפעות הסיכון הינה אחריות ראשונה במעלה.

אחד מגורמי המפתח לשיפור בניטור סיסמי הינו יישום של רשתות חיישנים סיסמיים הדורשות פרישה רחבה של מכשירים סיסמיים וקשר רציף ביניהם². אך העלות והמורכבות של התקנת מספר רב מאד של מכשירים סיסמיים מסורתיים הינה גבוהה ביותר³. שילוב של טכנולוגיית “אינטרנט של כל הדברים” מספקת פתרון בעלויות נמוכות תוך כדי שמירה על איכות המידע הסיימי המתקבל⁴. מאמר זה עוסק בהיבט הפיסיקלי של רעידות אדמה וחיישני תנועת קרקע, תקני המכשור המודרניים שאליהם נדרשת התאמת המערכות ומאפייני מערכות החישה. בנוסף לכך, תכנון מערכת בשימוש בפתרונות העושים שימוש בהתקנים אנלוגיים מפותח עבור יישומים שונים של רשתות חיישנים. סיסמיים.

רעידת אדמה

רעידת אדמה הינה אירוע סיסמי המתרחש כתוצאה מתזוזה והתנגשויות של לוחות טקטוניים. האנרגיה המופקת מההתנגשויות מתפשטת דרך וסביב השטח של הקרקע כגלים סיסמיים. גלים אלו מגיעים בכיוונים רבים ומחולקים לגלי גוף וגלי שטח.

קיימים שני סוגים של גלי גוף: גלים ראשוניים (P-waves) וגלים שניוניים (S-waves). הגלים הראשוניים נעים לאורך כיוון ההתפשטות כסדרה של פעולות דחיסה ודילול. בשל האופי של התפשטותם הם נעים במסלול התפשטות כדורי. כמו כן הם בעלי רמת הדעיכה הגדולה ביותר באנרגיית הגל מכל שאר סוגי הגלים. הם המהירים ביותר ומהירותם הינה 5-8 ק”מ/שנייה. דעיכת האנרגיה המהירה שלהם הופכת אותם לפחות הרסניים. גלים ראשוניים יכולים לנוע לא רק דרך הקרקע אלא גם דרך תווך של מים או נוזלים אחרים.

גלים שניוניים, הנקראים גם גלי גזירה, מגיעים מייד לאחר הגלים הראשוניים. הם נעים לאורך פני הקרקע בקצב של 60-70% מהגלים הראשוניים. גלים אלו נעים בצורה אנכית הן בכיוון ההתפשטות והן בכיוון פני הקרקע. גלים שניוניים הינם הרסניים יותר מגלים ראשוניים בשל דעיכת האנרגיה הנמוכה שלהם. גלים ראשוניים וגלים שניוניים ידועים בשם הכולל גלי גוף.

גלי שטח איטיים בכ 10% מגלי גוף אך הם ההרסניים ביותר. ראוי לציין כי מהירות ההתפשטות של גלים סיסמיים משתנה מאד בתלות באופי התווך בו הם נעים⁶. גלי שטח מורכבים מגלי Rayleigh וגלי Love. גלי Rayleigh הינם סוג של גלי שטח המתקדמים קרוב לפני הקרקע כאדוות ויוצרים תנועה סיבובית שיכולה להתקדם (לאורך קו ההתקדמות של הגל) או לחזור אחורה (כנגד כיוון התקדמות הגל). הם נקראים גם גלגול קרקע בשל האופי של תנועתם. גלי Love מאידך, נעים אנכית בכיוון תנועת הגל אך במקביל לפני הקרקע. איור 1 מציג את סוגי הגלים השונים ואת השפעתם על פני הקרקע.

עוצמה, אינטנסיביות ואינטנסיביות ספקטראלית

עוצמה ואינטנסיביות של רעידות אדמה הם מונחים שבאופן נפוץ למדי מבלבלים ביניהם. הם יכולים אולי להיות קשורים אך הם שני פרמטרים שונים למדידה ברעידת אדמה.

אינטנסיביות של רעידת אדמה

אינטנסיביות של רעידת אדמה או בקיצור אינטנסיביות תלויה במידה ניכרת במאפייני המקום שבו נלקחה המדידה. היא מתארת את ההשפעה של רעידת האדמה על אזור ספציפי ונעשה בה שימוש מסורתי בכל העולם כשיטה לכימות נתיב הרעידה והיקף הנזק הנגרם. עם זאת לאינטנסיביות של רעידת אדמה אין ערך חד משמעי. ערכי אינטנסיביות רעידת אדמה נמדדים או לפי הסולם המשופר של מרקאלי (Mercali) (1-12) הנקרא גם MMI (Modified Mercali Intensity) או לפי סולם רוסי-פורל (Rosi-Forel) (1-10). עם זאת האינטנסיביות לפי סולם מרקאלי (MMI) הינה השיטה הרווחת כיום בעולם לצורך המדידה. טבלה מס. 1 מציגה את ערכי האינטנסיביות לפי סולם מרקאלי כולל התאור המילולי של כל ערך בסקאלה. הטבלה נערכה על ידי יחידת הסקר הגיאולוגי של ארה”ב (USGS).

טבלה 1 – ערכי סולם מרקאלי ותאור מילולי של ההשפעה

ערך בסקאלה	תיאור מילולי של ההשפעה והמאפיינים
I	לא מורגשת למעט בתנאים ספציפיים ביותר
II	מורגשת רק על ידי מספר אנשים מועט במצב מנוחה, במיוחד אלו השוהים בקומות העליונות של מבני מגורים
III	מורגשת בצורה משמעותית למדי בתוך הבתים, במיוחד בקומות העליונות של מבני מגורים. רוב האנשים לא מזהים זאת כרעידת אדמה. מכונות חונות או עומדות עשויות להיטלטל מעט. הרעידות הינן בדומה למעבר של משאית. משך הרעידה מוערך.
IV	מורגשת על ידי רוב הנמצאים בתוך בתים או מבנים, מעט מהנמצאים באזורים פתוחים. במהלך הלילה מספר אנשים עשויים להתעורר כתוצאה מהרעידות. תהיינה תזוזות של חלונות, כלי מטבח ודלתות. הקירות עשויים להשמיע קולות פיצוח. התחושה הינה כשל משאית כבדה הפוגעת בבניין.
V	מורגשת כמעט על ידי כולם. גורם לחלק גדול מהאנשים להתעורר. עשויים להישבר חלונות וכלים. חפצים לא יציבים מתהפכים או נופלים. שעוני מטוטלת עשויים לעצור.
VI	מורגשת על ידי כולם. חלק גדול נכנסים לחרדה. ריהוט כבד עשוי לזוז. אפשרות לשבירה ונפילה של משטחי גבס. נזק קל.
VII	נזק קל בלבד למבנים הבנויים בצורה ובתכנון ייחודי ואיכותי. נזק קל-בינוני למבנים הבנויים בצורה שגרתית. נזק כבד למבנים המתוכננים או בנויים באיכות נמוכה. יכולה להיות שבירה של מספר ארובות.
VIII	נזק קל למבנים המתוכננים במיוחד לעמידות ברעידות אדמה. נזק ניכר למבנים הבנויים בצורה רגילה כולל מצב של התמוטטות חלקית. נזק כבד למבנים מתוכננים או בנויים בצורה גרועה. התמוטטות של ארובות מבנים ומפעלים, עמודות, אנדרטאות וקירות. ריהוט כבד מתהפך.
IX	נזק ניכר למבנים הבנויים לעמידות ברעידות אדמה. קונסטרוקציות איכותיות נזרקות מהמסגרת ומהתמיכות. נזק ניכר לחלק מהמבנים כולל התמוטטות חלקית. מבנים מוזזים מיסודותיהם.
X	קונסטרוקציות ומבני עץ הבנויים באיכות טובה נהרסים בחלקם. רוב המבנים מלבנים או קונסטרוקציות פלדה נהרסים כולל עיקום של קורות היסודות והכלונסאות.
XI	מעט מאד (אם בכלל) מבני בטון ולבנים נשארים לעמוד. הרס והתמוטטות גשרים. התעקמות ניכרת של מסילות ברזל.
XII	נזק טוטאלי. כל הכבישים והדרכים וקווי הנוף מתעוותים. עצמים מושלכים באוויר.

קיימות שיטות רבות מאד לקביעת האינטנסיביות של רעידות אדמה.⁷ שיטות אלו עושות שימוש בנתונים שנאספו מרעידות אדמה שהתרחשו בעבר בכדי לייצר משוואות לחיזוי תזוזות הקרקע (GMPE – Ground Motion Prediction Equations) לצורך הערכת ערכי האינטנסיביות. המשוואות שפותחו כוללות שימוש בלפחות אחד או קומבינציה של פרמטרים לתזוזת הקרקע – שיא תזוזת הקרקע (PGD-Peak Ground Displacement), שיא מהירות הקרקע (PGV-Peak Ground Velocity) ושיא תאוצת הקרקע (PGA – Peak Ground Acceleration). המשוואות הראשונות עשו שימוש בעיקר בפרמטר שיא תאוצת הקרקע ורק במקרים מסוימים נעשה שימוש בפרמטרים של שיא תזוזת הקרקע ושיא מהירות הקרקע . למרות שמשוואות חיזוי תזוזת הקרקע עשו שימוש בנתונים ממאגרי נתונים רבים ושונים בכדי לפתח את הקורלציה, הערכים שהתקבלו על ידי מודלים שונים עדיין היו שונים משמעותית אחד מהשני. לדוגמא, שימוש בערך שיא תאוצת קרקע של 10 ס”מ/שניה² בשימוש במשוואת WALDE הביאו לערך אינטנסיביות לפי סקאלת מרקאלי המשופרת של 3.2 ואילו משוואות Hershberger בשימוש באותו ערך תאוצת קרקע הביא לתוצאת אינטנסיביות של 4.43. שימו לב שרוב משוואות חיזוי האינטנסיביות עושות שימוש בחזקה שנייה כך שגידול אקספוננציאלי בערך תאוצת השיא של הקרקע נחוץ עבור עליית מדרגה בערך האינטנסיביות של רעידת האדמה. משוואה 1 מציגה את משוואות הקורלציה שפותחו על ידי Wald ו Hershberger.

הסוכנות המטאורולוגית היפנית (JMA), פיתחה סולם אינטנסיביות סיסמית שיכולה להיות מחושבת מתוך נתוני תנודות חזקות בשלושת הצירים.⁹ מכל ציר נלקחת טרנספורמציית פורייה של אות התאוצה-זמן. מיושם מסנן רוחב פס המוצג באיור 2 הכולל את השפעת המחזור, מסננים לחיתוך תוצאות גבוהות ונמוכות, על אותו התדר מכל ציר. הייצוג המתמטי של כל מסנן משנה מוראה אף הוא.

לאחר ביצוע טרנספורמציית פורייה הפוכה על אות התדר המסונן מכל ציר, מחושב הגודל של הסכום הווקטורי מאות הזמן-מקום מכל שלושת הצירים. ערך התאוצה הגבוה ביותר המופיע בזמן מצטבר של 0.3 שניות או יותר מסומן כ a₀. האינטנסיביות הסיסמית המכשורית מחושבת כעת מתוך a₀ בשימוש במשוואה 2 הבוחנת את משוואת האינטנסיביות הסיסמית של המכון למטאורולוגיה של יפן בשימוש בתאוצה הגבוהה ביותר בעלת משך של לפחות 0.3 שניות.⁹

אינטנסיביות ספקטראלית של רעידת אדמה

בעוד שהאינטנסיביות של רעידת אדמה תלויה בהשפעה שלה כפי שהיא מורגשת ונראית באזורים מסוימים. אינטנסיביות ספקטראלית (SI) הינה מדידה של אנרגיית ההרס המופעלת על ידי רעידת האדמה על מבנה מסוים.¹⁰ ערך האינטנסיביות הספקטראלית מחושב מתוך ספקטרום החזרת המהירות בשימוש במשוואה המוצגת במשוואה מס. 3. מבנים קשיחים מאד הינם בעלי מחזור תנודות נורמלי של 1.5 שניות עד 2.5 שניות. מכיוון שערך האינטנסיביות הספקטראלית עובד על ספקטרום מהירות התנודה הוא יכול להבדיל בקלות בין פעילות סיסמית לבין רעידת אדמה או מקורות אחרים. אי לכך ניתן להשתמש בערך האינטנסיביות הספקטראלית כתקן להשפעת רעידת אדמה על חוזק המבנה במבנים שונים. בנוסף לכך, בהשוואה לאינטנסיביות הסיסמית כפי שמחושבת על ידי הסוכנות המטאורולוגית היפנית , ערך האינטנסיביות הספקטראלית מתקבל דרך חישוב פשוט בהרבה מה שהופך אותו מתאים ליישומי הספק נמוך.

עוצמת רעידת אדמה

עוצמת רעידת אדמה או בפשטות עוצמה, מייצגת את כמות האנרגיה המשתחררת בשל רעידת האדמה בנקודת המוקד שלה. ערך זה אינו תלוי במיקום המדידה. למעשה קיים רק ערך אחד חד משמעי ואמיתי המוצג כמספר המוקצה בסולם ריכטר. רעידת האדמה החזקה ביותר שתועדה התרחשה במקום בשם Valdivia בצ’ילה בשנות השישים של המאה הקודמת והיתה בעוצמה של 9.4-9.6 בסולם ריכטר.

עדיין לא הוגדרו במלואן קורלציות בין מידת האינטנסיביות של רעידות אדמה לבין עוצמתן. יצירת יחס מוגדר בין שני ערכים אלו תלוי במספר רב של גורמים כגון עומק מוקד הרעש, הרכב הקרקע סביב נקודת המקור, סוג הקרקע בין הנקודה אנכית מעל מוקד הרעש לבין מכשיר המדידה ומיקום מכשיר המדידה או מרחקו ממוקד הרעש. לדוגמא, במאי 2017, רעידת אדמה שמקורה היה ליד החוף של מדינת אורגון בארה”ב נקבעה כבעלת עוצמה בדרגה 4 בהתאם למפת הרעידות של ה USGS מיולי 2017. ¹² במדינת מונטנה חשו ברעש בעוצמה של 5-6 בעוד שבאיידהו חשו באותה רעידת אדמה בעוצמה של 2-3. הדבר מראה שלמרות שאיידהו הייתה קרובה יותר למוקד הרעש מאשר מונטנה, לא בהכרח שרעידת האדמה תורגש בה בעוצמה חזקה יותר.

חישה סיסמית

חישה סיסמית הינה התהליך של מדידה וניתוח של גלים סיסמיים. גלים סיסמיים אינם מתייחסים רק לתנודות הנוצרות בשל רעידת האדמה. כל כח המופעל על פני הקרקע, אפילו כח קל כמו צעידה יכול ליצור הפרעה מספקת בכדי ליצור גל סיסמי. טווח תנודת הקרקע הרלוונטי למדידת רעידות אדמה הינו גדול מאד. רעידות אדמה יכולות ליצור תנודות קרקע בגובה של דף נייר או חדר שלם.

את תנודות הקרקע ניתן לאפיין על ידי הזזה, מהירות ותאוצה. תזוזת הקרקע נמדדת לפי המרחק שאליו זזה נקודה מסוימת על פני הקרקע. השינוי במיקום יכול להיות אופקי או אנכי. מהירות הקרקע מייצגת לאיזה מרחק הקרקע נעה בעוד שתאוצת הקרקע הינה באיזו קצב משתנה מהירות הקרקע יחסית לזמן. תאוצת קרקע הינו הגורם החשוב ביותר ללחץ המופעל על מבנים במהלך רעידת אדמה. היחסים בין העוצמה, תזוזת הקרקע והאינטנסיביות מוראים בתצוגה גרפית על ידי GeoSIG. ¹³

המכשור המשמש למדידה סיסמית הינו ייחודי ביותר. יישומים הכוללים מדידות סיסמיות ניתנים לחלוקה בהתאם לטווחי התדירות שלהם. המכשירים מיוצרים בשל כך כולל עקומות תגובת תדר המתאימות ליישומים. תצוגה של יישומי מדידה סיסמית שונים ועקומות התדר שלהם מוצגות בגרף על ידי GeoSIG. ¹³

סקירה על סיסמומטרים מודרניים וחיישני קרקע

מכשירי מדידה סיסמיים, הנקראים בדרך כלל סיסמומטרים, התפתחו מהשימוש המסורתי בעט ונייר רציף לשימוש בחיישנים אלקטרוניים ואלקטרו-מכניים. התקדמות בפיתוח חיישנים אלו יצרה מכשירים בעלי טווחי תדר פעולה נרחבים ומגוון של מנגנוני מדידה ופרמטרים המתקבלים במדידת תזוזות קרקע.

סיסמומטרים בעלי עיקרון מדידה של מתח

מכשירי מדידה סיסמיים היסטוריים היו מוגבלים למדידת תנועת הקרקע בלבד. התפתחויות טכנולוגיות אפשרו פיתוח של מנגנוני מדידה שונים למדידת תזוזת הקרקע. סיסמומטר מתח או מד מתח מתייחס אופן כללי למכשירים המודדים ומתעדים את התזוזה בין שתי נקודות קרקע. ¹⁴ בדגמים המסורתיים נעשה שימוש במוט המותקן או קבוע בחור קידוח באדמה. המוט מצופה בדרך כלל בקוורץ וחומרים אחרים הרגישים מאד לשינויים באורך ובמתח. השינוי באורך מיוחס לתזוזות קטנות הנגרמות על ידי תנועת הקרקע.

סוג אחר של יישום נקרא מד מתח נפחי, העושה שימוש בגליל המותקן בתוך חור שנקדח בקרקע והכולל צינורית ממולאת בנוזל.¹⁵ שינויים או עיוותים במבנה הגליל גורמים לשינוי במפלס הנוזל המתורגם על ידי מתמרים הממירים אותו למתח המייצג את תזוזת הקרקע. ביישום זה אין צורך בחומרים מיוחדים המשמשים את הדגמים המסורתיים והישנים יותר והשימוש בו נפוץ יותר בשטח.

פיתוחים חדשים בתחום טכנולוגיית הלייזר ייצרו את אינטרפרטר הלייזר המגדיל באופן ניכר את הדיוק של מדי מתח באופן כללי. סוג זה של מדי מתח עושה שימוש באותו עיקרון אינטרפרטר Michelson בעל הזרועות בעלות האורך השונה. כאשר נקודה אחת הינה החיישן, מקור הלייזר וזרוע קצרה והנקודה השנייה הינה רפלקטור הממוקם במרחק מדידה קבוע מראש. המכשיר מתרגם את השינויים בשולי ההפרעה הנגרמים על ידי תזוזת הרפלקטור בשל תנודת הקרקע. הרגישות והדיוק של המדידה בשיטה זאת הינה פרופורציונאלית ביחס ישר למרחק המדידה. אי לכך מכשירי מדידה מבוססי לייזר אלו דורשים התקנות בעומק רב מאד באדמה.

הדיוק של מדי מתח יכול להגיע עד לחלק אחד למיליארד. בשל רמת דיוק זאת נעשה שימוש במכשירים אלו למדידת עיוותי קרקע או תזוזות חשובות בשל תנודות הנגרמות בפעילות וולקנית. הם מסוגלים למדוד גלים סיסמיים בעלי תדירות נמוכה מאד. עם זאת, תנודות קרקע דיפרנציאליות הינן קטנות מאד בהשוואה לתזוזה של מסה תלויה ביחס לקרקע. אי לכך מדי מתח אינם מומלצים למדידת תנודות קרקע הנגרמות על ידי רעידות אדמה. ³

סיסמומטרים אינרציאליים

סיסמומטרים אינרציאליים מודדים פרמטרים של תנועת קרקע בהתייחסות לייחוס אינרציאלי שהינו בדרך כלל מסה תלוייה.³ באופן ספציפי, פרמטרים של תנועת הקרקע מתייחסים למהירות הלינארית והתזוזה של המסה התלויה. למרות שתזוזת הקרקע הינה תוצאה של הרכיב הלינארי והזוויתי שלה, ההשפעה של הרכיב הסיבובי בגל סיסמי נמצאה כזניחה. ערכי מהירות ותזוזה אלו נמדדים במתמרים ההופכים את תזוזת המסה התלויה לאותות חשמליים. התלייה המכנית שקובעת את התנועה תלויה בכח האינרציאלי הפועל על המסה התלויה. מתמרי המהירות והתזוזה והתקן התלייה המכני הינם שני הרכיבים העיקריים בסיסמומטרים אינרציאליים. הפיתוח של מכשור מדויק לשני רכיבים אלו הינו בלב עקרונות התכנון של סיסמומטרים אינרציאליים מודרניים.

מדי תאוצה מאוזני כח

התלייה המכנית דורשת כח השבה קטן לצורך רגישות ההתקן כך שתאוצות קטנות מאד עדיין ייצרו תזוזה משמעותית במסה התלויה. עם זאת, כאשר תאוצות גדולות בשל תנודות סיסמיות חזקות נמדדות על ידי המסה התלויה, כח החזרה קטן לא יוכל לאזן את התנועה המתפתחת. בשל כך, תלייה מכנית פסיבית הינה מדויקת ורגישה רק עבור טווח מוגבל של תאוצות קרקע. מד התאוצה המאוזן על ידי כח דינמי (FBA-Forced Balance Accelerometer) מסיר למעשה מגבלה זאת על ידי הוספת מעגל משוב שלילי לתלייה המכנית.

כח מפצה מופק על ידי מתמר אלקטרומגנטי המבוסס על מיקום המסה התלויה. מיקום זה מומר על ידי מתמר תזוזה לאות חשמלי העובר דרך תא אינטגרציה ליצירת יציאת מתח חשמלי הפרופורציונאלי לתאוצת הקרקע. הטווח המדידה הדינמי של מדי תאוצה מאוזני כח הינו גדול בהרבה מאשר סיסמומטרים בעלי תליה פסיבית. בשל כך נעשה שימוש נרחב בסוג חיישן זה למדידת תנודות סיסמיות חזקות. עם זאת, העיכוב הנוצר בשל מעגל המשוב מגביל את רוחב הפס של התקן זה.

סיסמומטרים למהירות בפס רחב (Velocity Broadband)

גלים סיסמיים הנוצרים בשל תנועת כלי רכב או הפרעות מעשי ידי אדם כגון פעולות כרייה הינם בעלי תדירות גבוהה של תאוצת קרקע. בתדירויות נמוכות מאד הגורמים שישלטו בתאוצת הקרקע יהיו תלייה לא מאוזנת, שיפוע הקרקע ואפקטים תרמיים. אי לכך, רוחב הפס עבור סיסמומטרים העושים שימוש במדידת תאוצת הקרקע הינו מוגבל לתגובת מעבר פס ספציפית. תגובת-פס של תאוצת קרקע הינה שוות ערך לתגובה מעבר מהירה של מהירות הקרקע. בשל כך עבור סיסמומטרים בעלי רוחב פס גדול יותר האותות הסיסמיים הנרשמים הינה במושגי מהירות הקרקע. הסיסמומטר למהירות בפס רחב מבוסס למעשה על מד תאוצה מאוזן כח אך במקום להעביר את התאוצה של המסה התלויה כמשוב, נעשה שימוש במהירות ובמיקום של מסה זאת. התגובה של התקן זה הינה דומה מאד לתגובה התיאורטית של סיסמומטר אינרציאלי סטנדרטי אך ללא הירידה ברגישות ובדיוק עבור טווח מדידה רחב יותר של כוחות סיסמיים.

גיאופונים ומערכות מיקרו אלקטרומכניות (MEMS) של מדי תאוצה

הכיוון כיום במספר הולך וגדל של יישומים למדידה סיסמית הינו פיתוח של רשתות ומערכים של סיסמומטרים או חיישנים סיסמיים ביישומים של מדידת רעידות אדמה, לחיפושי נפט ובדיקות תקינות מבנית. יישום, מיגון והתקנה של סיסמומטרים הינם בדרך כלל שלושת האילוצים המרכזיים ליישומים אלו. ייצור המוני ופרישה מהירה של התקנים תוך התגברות על שלושת אילוצים אלו דורש צמצום בגודל ובעלות של הסיסמומטרים. נכון לעכשיו קיימים שני סוגי טכנולוגיה המאפשרים מדידת תזוזות קרקע שכוללים התקנים קטנים מאד ובעלות נמוכה בהשוואה לטכנולוגיות של מדי התאוצה מאוזני הכח ומהירות בפס רחב.

גיאופונים

גיאופונים הינם חיישני מהירות קרקע קלי משקל, קשיחים ואינם דורשים כח חשמלי להפעלה. בגיאופונים החדישים מותקן מגנט המחובר לכיסוי ומוקף בסליל תיל.¹⁶ סליל התיל תלוי באמצעות קפיצים המאפשרים לו לנוע על פני המגנט. המהירות של תנועה זאת ביחס למגנט מייצרת אות מתח חשמלי.

באיור מס. 3 מוצגת סימולציית תגובת התדר של גיאופון 4.5 הרץ. תגובת התדר של גיאופון הינה כמעט ללא שינוי מבחינת מהירות עבור טווח של תדירויות מעל תדר התהודה שלו ויורד עבור תדירויות מתחת לערך זה. גיאופונים בגדלים קטנים ועלות נמוכה הינם בעלי תדר תהודה אופייני מעל 4.5 הרץ.

מודל חשמלי אקוויוולנטי יכול להיווצר מהמפרט המכני של גיאופון. איור 4 מציג מודל חשמלי העושה שימוש בפרמטרים המכניים של גיאופון SM-6 בתדר 4.5 הרץ. ¹⁷

בכדי להרחיב את רוחב הפס לכיסוי התדרים הנמוכים יותר הישימים לחיישנים סיסמיים, נעשה שימוש במרחיב מחזור. שלושת השיטות הנפוצות ביותר להרחבת תגובת תדר הינן מסננים הופכיים, משוב חיובי ומשוב שלילי.¹⁸

מסננים הופכיים

המסננים ההופכיים מפצים על חוסר התפקוד של גיאופונים מתחת לתדר התהודה. מסנן הופכי יכול להבנות על ידי קסקדה של מסנן הופכי לתדר גבוה בתדר התהודה ומסנן תדר נמוך עם חיתוך של התדר המועבר בערך הנבחר. איור 5 מציג את התגובה של מסנן נגדי, כמו גם את התוצאה של פונקציית ההעברה כאשר הוא מיושם. לשיטה זאת חסרונות רבים המייצרים תוצאה כוללת של יחס אות-רעש נמוך. רעש וורוד יוגבר על ידי המסנן ההופכי והיציבות התרמית שלו בתדרים נמוכים הינה נמוכה מאד.

 

משוב חיובי

משוב חיובי מבוצע על ידי הזנה של זרם חיצוני לסליל הגיאופון שיפעיל כח על מסתו התלויה. אות זרם חיצוני זה נגזר מתוך אות היציאה של הגיאופון דרך מסנני משוב חיובי, כגון מסמן אינטגרציה ומגדיל את תנועת המסה התלויה בתדרים נמוכים. התכנון של מסנן משוב חיובי יציב הינו קשה ליישומים מעשיים.

משוב שלילי

משוב שלילי, בניגוד למשוב חיובי מחליש את תנועת המסה התלויה בתוך ההתקן. אחת השיטות ליישום הינה יצירת דעיכת יתר של הזרם דרך סליל הגיאופון על ידי הורדת ההתנגדות לדעיכה. עם זאת, פעולה זאת מוגבלת פיזית על ידי התנגדות הסליל עצמו. לצורך הקטנת ההתנגדות לדעיכה לערכים הנמוכים משמעותית מהתנגדות הסליל, מוסיפים התנגדות שלילית. נגד שלילי יכול להיות מורכב מרכיבים פעילים כגון ממיר עכבה שלילית (NIC-Negative Impedance Converter). ניתן ליישם התקנה כזאת בשימוש במגבר תפעולי כמוצג באיור 6. ניתן להוסיף מסנני רוחב פס ומסנני תפוקה גבוהה בכדי לעצב ולייצב את תגובת התדר.

מאיצים במערכת מיקרו אלקטרומכנית

מאיצי מערכת מיקרו אלקטרומכנית הינם מתמרי תנועה בהתקן IC בודד. התצורה האופיינית עושה שימוש בזוג קבלים בעלי מיקרו-מסה מסיליקון הכוללים לוחות מתכתיים במרכזם.¹⁹ שכבות דקות מאד של סיליקון מחזיקות את המסה תלויה באמצע הקבל. שינויים במיקום המסה מביאות לשינוי בקיבוליות התקן המתורגמים לאות מתח חשמלי הפרופורציונאלי לתאוצת המסה התלויה. התקני מיקרו מערכות אלקטרומכניות דורשים מקור מתח בכדי לפעול ולחלק מהתקנים אלו יש דיגיטייזר מובנה בכדי לחסל כל רעש לא נחוץ. כמו כן דורשים התקנים אלו את ההתאמה בין החיישנים למקלטים. כפי שמוצג באיור 6, תגובת התדר של מד תאוצה במערכת מיקרו אלקטרומכנית הינה דומה למסנן למעבר אות תדר נמוך עם חיתוך בתדר התהודה.

בשל סחיפה של סטיות, מדי תאוצה במערכות מיקרו אלקטרומכניות מתפקדים טוב יותר בתדרים גבוהים יותר עד לתדר התהודה שלהם.²¹ לעומת זאת גיאופונים, בשל המבנה המכני שלהם פועלים טוב יותר בתדרים נמוכים שהינם עדיין מעל תדר התהודה שלהם. ניתן להתקין סיסמומטר קטן במידותיו וזול בכדי לנצל הן גיאופונים והן מדי תאוצה במערכות מיקרו אלקטרומכניות בכדי להשיג רוחב פס גדול יותר עבור פעולת ההתקן. אות היציאה של הגיאופונים ומדי התאוצה במערכות מיקרו אלקטרומכניות יכול להיות מתורגם לפרמטרים שונים של תזוזות קרקע כאשר משולב בפונקציית ההעברה המתאימה בחיישן. המאמר “חישה סיסמית: השוואה של גיאופונים ומדי תאוצה בשימוש בנתוני מעבדה ונתוני שטח” דן באותות היציאה של גיאופונים ומדי תאוצה במערכת מיקרו אלקטרומכניות עבור תזוזת קרקע דומה המבוססים על פונקציית ההעברה המשותפת בכל חיישן.²¹

הנחיות למכשירי חיישנים סיסמיים

אנליזת אותות סיסמיים בשימוש במערכים או ברשתות של חיישנים דורשת, לצורך קבלת חזרתיות ואחידות בנתונים, סט של סטנדרטים ומפרטים עבור המכשור שבו נעשה שימוש. יחידת הסקר הגיאולוגי של ארה”ב קבעה תקנים למכשור שיותקן במערכת הסיסמית המשוכללת שלהם (ANSS – Advanced National Seismic System) ) ²² קטע זה דן בהבדלים בין המפרטים הנדרשים להשגת ביצועי ההתקנים הנדרשים עבור מגוון רחב של יישומים בהתבסס על הניסיון והכיוונים הטכנולוגיים המצוינים על ידי ה USGS.

תקנים למערכת רכישת נתונים (DAS-Data Acquisition System).

סיסמומטרים מודרניים מסווגים על ידי ה USGS במערכות רכישת נתונים. שלא בדומה לסיסמומטרים המסורתיים, מערכות רכישת נתונים סטנדרטיות כוללות את החיישן הסיסמי, יחידת רכישת הנתונים והחומרה ההיקפית וחומרת התקשורת. הם מסווגים לרמות מכשירים A, B, C, Dבהתבסס על ביצועי ההתקן. מכשירים ברמה A הינם קרובים לשלמות בעוד שמכשירים ברמה D הינם ברמה שוות ערך לסיסמומטרים המסורתיים. לדיון מלא במפרטים ניתן להתייחס להנחיות השימוש במכשיר.²²

רוחב הפס של המכשיר

המפרט לרוחב הפס ותגובת התדר לחיישנים סיסמיים שונה עבור אלו המודדים תאוצה ואלו המודדים מהירות. ככל שרמת המכשיר גבוהה יותר כך גדל רוחב הפס ותגובת התדר משתפרת. חיישני פס רחב הינם כולם מקבוצה A עם טווח רוחב פס גדול של לפחות 0.01 הרץ עד 50 הרץ. תגובת התדר שלהם הינה כמעט ללא שינוי למהירות בטווח תדרים של 0.033 הרץ עד 50 הרץ. ²²

חיישנים מקבוצה A בעלי מחזור קצר הינם בעלי טווח רוחב פס נמוך יותר של 0.2 הרץ עד 50 הרץ. תגובת התדר שלהם ללא שינוי רק בטווחי תדר של 1 הרץ עד 35 הרץ.

מדי תאוצה מקבוצה A הינם בעלי תגובת תדר קבועה בטווח של 0.02 הרץ עד 50 הרץ בעוד למדי תאוצה מקבוצה B יש תגובת תדר קבועה בטווח של 0.1 הרץ עד 50 הרץ.

תנועה חלשה, תנועה חזקה חיישני פס רחב

חיישנים שבהם נעשה שימוש במערכות רכישת נתונים מסווגים לפי טווחי המשרעת והתדר של האותות הסיסמיים שהם קולטים. חיישנים לתנודות חזקות מודדים אותות סיסמיים בעלי משרעת גדולה והנם בדרך כלל מדי תאוצה. מדי תאוצה למדידת תנודות חזקות מסוגלים למדוד עד ל 3.5 ג’י עם רמת רעש במערכת נמוכה מ 1 מיקרו-ג’י/הרץ.

חיישני תנודות חלשות מסוגלים למדוד אותות סיסמיים בעלי משרעת קטנה מאד עם רמת רעש נמוכה מ 1 ננו-ג’י / הרץ. עם זאת חיישנים בעלי פס רחב מסוגלים כבר היום למדוד אותות סיסמיים בעלי משרעת נמוכה. בשל כך כמעט ולא נעשה שימוש בחיישני תנועות חלשות.

טווח דינמי של חיישנים ורמת מהירות מינימאלית

חיישני מהירות בעלי פס רחב הינם בעלי רגישות של 1,500 Vs/m. עבור מתח יציאה מקסימאלי של 20+ וולט, המהירות המרבית הניתנת למדידה הינה 0.012 + מטר/שניה.²²

מדי מהירות בעלי מחזור קצר הינם רגישים יותר מאשר חיישני פס-רחב בטווח קטן יותר של תדרים. שינוי המהירות הניתן למדידה הינו בדרך כלל 0.01+ מטר/שניה בתדר אות של 1 הרץ. ²²

רמת המדידה במדי תאוצה מקבוצה A הינה גדולה מ 3.5+ ג’י בעוד שבמכשירים מקבוצה B הינה 2.5+ ג’י.

הטווח הדינמי של החיישן הינו היחס בין ערך ה rms הגדול ביותר הניתן למדידה עבור אות סיסמי ל rms של הרעש העצמי. עם זאת, ה rms של הרעש העצמי של החיישן משתנה לאורך רוחב הפס שלו. טבלה 2 מציגה את הטווח הדינמי של חיישנים סיסמיים שונים עבור טווחי תדר שונים.

טבלה 2: טווח דינמי של סוגי חיישנים שונים: חיישני פס-רחב ²²

טווח תדר (הרץ)	טווח דינמי בחיישן פס-רחב (דציבל)
0.01 עד 0.05	131
1 עד 10	126
10 עד 15	116

טבלה 3: טווח דינמי של סוגי חיישנים שונים: חיישני מחזור קצר ²²

טווח תדר (הרץ)	טווח דינמי בחיישן מחזור קצר (דציבל)
1 עד 10	138
10 עד 15	128

טבלה 4: טווח דינמי של סוגי חיישנים שונים: מד תאוצה ²²

טווח תדר (הרץ)	טווח דינמי במד תאוצה (דציבל)
	קבוצה A	קבוצה B
0.02 עד 2	145
2 עד 50	130
0.1 עד 35		87.3

ערוצי ואוריינטציית חיישנים

הרכיבים הלינאריים של תנודות קרקע הנוצרים כתוצאה מהגלים הסיסמיים קיימים בכל שלושת הצירים הקרטזיים. האוריינטציה המסורתית עבור חיישנים סיסמיים תלת ציריים הינה לכיוון מזרח, צפון וכלפי מעלה. עם זאת המבנה של סיסמומטרים מסורתיים וגם חלק מהחדישים יותר הינה שונה מזאת של חיישנים אופקיים ואנכיים מכיוון שחיישנים אנכיים חייבים לקחת בחשבון אפקטים של כבידה. הסידור התלת צירי ההומוגני מאפשר שימוש בחיישנים הבנויים בצורה דומה לקביעת רכיבי התנועה הלינאריים של הקרקע בצירים הקרטזיים.³ החיישנים ממוקמים בשלוש נקודות במרחק שווה במעגל סביב מרכז המכשיר ונוטים לכיוונו בזווית של 54.7 מעלות מהאנך. סט הצירים המשופר יכול לעבור המרה חזרה לצירים קרטזיים בשימוש במשוואה המתוארת במשוואה מס. 4

עם זאת, רוב החיישנים החדישים כבר מצוידים ובנויים למדידות תלת ציריות. לחיישנים אלו יש צימוד חוצה צירים מובנה במעלות הטיה קטנות מאד. ההנחיות לשימוש בציוד דורשות צימוד בין-צירי בעל פחות מ 70- דציבל מאות היציאה.

רזולוציה וקצב דגימה

תנודות קרקע הנובעות מרעידות אדמה עשויות להיות בעלות משרעת קטנה מאד בתדרים נמוכים מאד. אוספי נתונים בהם נעשה שימוש הינם בעלי יכולת להקלטת נתונים בקצבי דגימה שונים וברזולוציות גבוהות. סיסמומטרים בעל פס רחב דורשים לפחות רזולוציה של 20 ביט בקצבי דגימה נמוכים עד ל 0.1 דגימה לשנייה ועד לגבוהים של 200 דגימות לשנייה. חיישני מהירות בעלי מחזור קצר ומדי תאוצה מקבוצה A דורשים לפחות רזולוציית נתונים של 22 ביט בקצבי דגימה של 1 עד 200 דגימות לשנייה. מדי תאוצה מקבוצה B הינם בעי דרישות רזולוציה נמוכות יותר, בדרך כלל לפחות 16 ביט של נתונים.²²

המפרט לגבי הדגימה לוקח בחשבון מכשירים עם אחסון נתונים פנימי. עם זאת סיסמוגרפים מתקדמים יותר מצוידים בנפח זיכרון גדול יותר ויש להם גישה לנפחי אחסון נתונים גדולים ברשת כגון שירותי אחסון בענן. בשל כך הם יכולים לתמוך בקצבי דגימה שאף חורגים מהמוגדר במפרט. הדבר מאפשר אנליזה מדויקת יותר של הנתונים ומחקר סיסמי.

מידע על תזמון ומיקום

אותות סיסמיים הינם רלוונטיים רק למיקום וזמן ספציפי של המדידה. כסטנדרט אמורים להיות לכל מכשיר סיסמי נתונים עם תווית זמן ועם אפשרות למאתר מיקום גלובאלי. הדרישה לכל מכשור סיסמי הינה שיהיה מסוגל מסוגל לאפיין את מיקומו עבור כל הקלטת נתון בין אם דרך הכנסת נתון ידנית או דרך התקן או שירות GPS. בסיסמומטרים חדישים קיים שעון זמן אמת או לחילופין הם יכולים להסתנכרן לזמן מדויק דרך שרת פרוטוקול זמן רשת (NTP).

פורמט נתוני יציאה

קיימים שני פורמטים בולטים לנתונים בהם נעשה שימוש במכשירים סיסמיים ברחבי העולם. SEG-Y ו SEED. פורמט ה SEG-Y הינו סטנדרט פיתוח שפותח על ידי החברה לגיאופיזיקאים חוקרים (SEG-Society of Exploration Geophysicist) בכדי לטפל בנתונים גיאופיזיים כגון אותות סיסמיים תלת ממדיים.²² בכל הקלטה נמצאת גם חותמת הזמן, מרווחי הדגימה ומיקום בקואורדינטות של מקום הדגימה בפועל. פרטים על המפרט המלא של הפורמט כמו גם הגרסות השונות שלו נמצאים באתר האינטרנט של הארגון. חשוב לציין בנוסף שקיימות תוכנות מקור-פתוח רבות לאנליזה סיסמית העושות שימוש בפורמט SEG-Y אך רובן אינן מתבצעות בהתאם למפרט המדויק שלו.

פורמט הסטנדרט להחלפה של נתוני רעידות אדמה (SEED – Standard for the Exchange of Earthquake Data) תוכנן לצורך קלות ודיוק בהחלפה של נתונים סיסמיים לא מעובדים בין מכוני מדידה ומחקר ובין מכשירים.²⁴ למרות שהשימוש העיקרי בפורמט זה הינו לצרכי ארכוב, נעשה שימוש בנגזרות שונות של SEED כגון miniSEED ו dataless SEED לצורך עיבוד וניתוח נתונים. miniSEED מכיל רק את הנתונים לגבי צורת הגל ואילו dataless SEED כולל את המידע על המכשור הסיסמי ותחנת המדידה.

תכנון מערכת עבור התקנים אנלוגיים

שינויים בתכנון הסיסמומטרים המסורתיים לצורך פרישה מהירה ויישום של רשתות סיסמיות במיוחד עבור תחנות ניטור למבנים וכאלו הנמצאות באזורים עירוניים. מכשירים בשליטה מרחוק צריכים להיות בהתאמה להנחיות הקיימות כיום למכשירים כך שהמדידות החדשניות המודרניות לאותות סיסמיים יתאימו ויהיו בקורלציה לתקני הנתונים שנקבעו. עם זאת, המחיר והגודל של היישום צריכים להיות נמוכים באופן משמעותי. השימוש בגיאופונים קטני מידות ומדי תאוצה במערכות מיקרו אלקטרומכניות כחיישני תזוזות קרקע בצימוד לממירי אות אנלוגי-דיגיטלי ולמעבדי אות דיגיטאלי הינו פתרון הגיוני.⁵

שיקולים לגבי ממיר אות אנלוגי לדיגיטאלי (ADC- Analog-to-Digital converter)

השיקול העיקרי ביחידת רכישת נתונים (DAU-Data Acquisition Unit) עבור מערכות הרכשת נתונים הינו ממיר אות אנלוגי לדיגיטלי. באופן מסורתי בוצעה פעולה זאת על ידי מערכת שדה דיגיטאלי (DFS-Digital System) המתפקדת כממיר אות אנלוגי דיגיטאלי שהינו רגיסטר קירבה לינארי עם מגבר נקודה צפה מיידית. באיור 8 מוצגת דיאגרמת בלוקים למערכת שדה דיגיטאלי.

היישום הדיסקרטי של מגבר קדם, מסנן מעבר תדר גבוה בחיתוך תדר נמוך, מסנן פגימה, מסנן מעבר תדר גבוה המונע זיהוי שגוי של תדר אות (Antialiasing) ומגבר נקודה צפה מיידית יוסיף לרעש המערכת ולצריכת הכח שלה. השימוש במולטיפלקסר מוסיף החלפות והפרעות הרמוניות. וחשוב מכך טעות הכימות בשל רגיסטר הקרבה (SAR) הפועל כממיר אות אנלוגי לדיגיטלי מגבילה את הטווח הדינמי והרזולוציה של המערכת.25 אי לכך מועדף השימוש ביחידת רכישת נתונים בשימוש בארכיטקטורה אחרת ובממיר מסוג אחר.

ממירי סיגמא דלתא

ממיר סיגמא-דלתא עושה שימוש בשינוי באות ומוסיף אותו למקור. הדבר מקטין את טעות הכימות המובנית במערכת שתוארה למעלה ומביאה להשגת רזולוציות וטווח דינמי גדולים יותר. בממירי אות אנלוגי לדיגיטלי מסוג סיגמא-דלתא אין צורך יותר ביישומים דיסקרטיים במסנני אפיון האות. הם מאופיינים במסננים דיגיטליים בעלי טווח רחב יותר הניתנים להגדרת מאפיינים המבצעים את הפונקציות של שרשרת האותות המסורתית המיושנת. יישום זה מקטין באופן אפקטיבי את הרעש במערכת ואת מורכבות התיכנון. בנוסף לכך, ממירי אות אנלוגי לדיגיטאלי מסוג סיגמא-דלתה בעלי דיוק קצה גבוה מסוגלים לבצע חישה בו זמנית ממספר רב של ערוצים עם רזולוציה של לפחות 24-ביט.

תכנון מערכת רכישת נתונים מודרנית בשימוש בפתרונות הכוללים התקנים אנלוגיים

דיאגרמת בלוקים כללית עבור יישום זול של חיישן מומת סיסמי שהינו גמיש ליישומים שונים מוצג באיור 9.

.

פתרונות התקנים אנלוגיים עבור מדי תאוצה תלת-ציריים המסוגלים לבצע דימות סיסמי הינם ADXL354 ו ADXL356. שווי הערך ליציאה הדיגיטאלית שלהם הינם ADXL355 ו ADXL367 בהתאמה, בעלי ממירי אות אנלוגי – דיגיטלי 20-ביט ויכולים להתממשק ישירות על ידי המעבד. ²⁰

גיאופונים קטנים וזולים מבצעים חישה רק בערוץ יחיד בתדר תהודה אופייני גדול מ 4.5 הרץ ורגישות גבוהה מ 25 V/m/s. הסידור התלת-צירי ההומוגני מאפשר לשלושת הגיאופונים החד-ציריים הזהים להיות מחוברים יחד כחיישן סיסמי תלת-צירי. מרחיב זמן מחזור נדרש בכדי להרחיב את רוחב הפס כלפי מטה על מנת להשיג את המפרט הסטנדרטי של המכשיר עבור חיישנים בעלי רוחב פס רחב. כאשר מתוכנן לפעולה באספקה יחידה מגביר זמן המחזור יכול לתפקד גם כמגביר אות נרכש ומתאים את ההטיה של אות הכניסה כך שיהיה במרכז הטווח של ממיר האות האנלוגי לדיגיטלי.

תגובת התדר המובנית במדי תאוצה מיקרו אלקטרומכניים הופכים אותם לרגישים לסטיות סחף ולרעש תדר גבוה. מסנני רוחב פס משפרים את אות התאוצה בטווח התדרים בהם יש צורך במדידות הסיסמולוגיות הנקודתיות. הן המרחיב תדר לגיאופון והן מסנני רוחב הפס דורשים רעש נמוך, סטיית מתח נמוכה ומגברים בעלי כניסת זרם בעל הטיה נמוכה כגון ה ADA4610-1 ²⁶.

הייחוס למתח קובע את טווח המדידה של מתמר אות אנלוגי לדיגיטלי ואת סיבוב אות היציאה של מרחיב המחזור. ערך הייחוס צריך לקחת בחשבון גם את סיבוב המתח של שלושת אותות התאוצה במידה ונעשה שימוש בחיישן בעל אות יציאה אנלוגי. חיוני שמתח הייחוס יהיה בעל הטית סחיפה נמוכה מאד ועם טמפרטורת עבודה המתאימה לעבודה בשטחים פתוחים (בדרך כלל 0 עד 50 מעלות צלסיוס). משפחת ההתקנים האנלוגיים ADR54xx בעלי הרעש הנמוך במיוחד ודיוק גבוה במתח הייחוס הינם סטנדרט תעשייתי ויכולים להגיע בקלות לדרישות אלו.²⁷

אספקת המתח לחיישן סיסמי יכולה להיות ממקור ממיר מתח DC המחובר בכבל עבור התקנות שיש להן גישה לקווי מתח כגון במבנים או בתחנות מדידה. ניתן לקבל אספקת מתח גם מסוללה עבור התקנות שטח או התקנות במקומות מבודדים ומרוחקים. כאשר אספקת המתח הינה באמצעות ממיר DC המחובר בכבל חשמל, רגולטורים למיתוג בעלי רעש נמוך ורגולטורים בעלי רעש נמוך וזליגה נמוכה יתאימו ליישום. רגולטורים בעלי זליגה נמוכה שהינם התקנים אנלוגיים כגון סידרת ADM717x מציעים יחס דחייה גבוה למתח המסופק, סחיפת טמפרטורה נמוכה ומאפייני רעש נמוך. ²⁸ עבור תכנון הכולל הזנה מסוללות, נדרשים מטייב עומס ובקר טעינה במתח נמוך וכן מטען לסוללות בכדי לשמור על פעולה קבועה של המכשיר לפרקי זמן ארוכים ללא תחזוקה. מעבר לכך, עדיף אם המכשיר מסוגל לקבל מתח ממקורות זמינים כגון מקורות סולאריים או תרמיים. ספק הכח ADP5091 הינו בעל מעקב נקודת כח מקסימאלי ומצבי היסטרזיס המבטחים את היעילות המרבית בהעברת אנרגיהץ29 ההתקן כולל מאפייני ניהול נתיבי כח המאפשרים מעבר בין קוצר הכח, סוללה נטענת או סוללת תא מרכזית מה שמאפשר תפעול אמין של מכשירים בעלי אספקת מתח עצמית.

ממיר הסיגמא-דלתה לוקח אותות מהירות משלושה ערוצים ממגדיל המחזור ועוד שלושה אותות תאוצה משלושה ערוצים נפרדים במידה ונעשה שימוש במד תאוצה בעל אות יציאה אנלוגי. התכנון דורש ממיר עם לפחות שישה ערוצי כניסה. אותות מהירות ותאוצה צריכים להידגם, במידת האפשר בו זמנית. עבור ממירי אות אנלוגי לדיגיטאלי בעלי ערוצים מרובים העוברים בין הערוצים בזמן הדגימה, קצב הדגימה יצטרך להיות מהיר יותר. התדר המקסימאלי לאותות סיסמיים הקשורים לרעידות אדמה הינו 100 הרץ. תדר הדגימה עבור אותות אלו צריך להיות לפחות 200 הרץ או 5 מילישניות למחזור. כל ערוץ תאוצה ומהירות צריך להדגם בקצב דגימה של לפחות 1.2 KSPS. עם זאת ניתן לבצע הורדה למצב הספק נמוך עד לקצב דגימה של 32kSPS. הוא גמיש מספיק ליישומים שונים ואפליקציות שונות עבור התכנון של חיישן סיסמי זה ומגיע בקלות לסטנדרטים עבור קבוצה A של התקני רכישת נתונים.

התפקוד של מעבד זול משתנה בהתאם לאפליקציה. עבור צמתים מרוחקים העושים שימוש במערך חישוב חיצוני לצורך אנליזה של הנתונים, המעבד הינו אוגר נתונים המאחסן ואורז את הנתונים הסיסמיים מכל הערוצים בפורמט סטנדרטי (SEED או SEG-Y) ושולח אותם להתקן חישוב דרך ממשק נתונים. מכיוון שלאפליקציה זאת יש דרישות עיבוד נמוכות ניתן להשתמש במיקרו-בקר בעל מתח נמוך. ה ADuCM4050 הינו מיקרו- בקר בעל מתח נמוך במיוחדARM Cortex M4 והוא מומלץ ליישומי IoT.31 הוא בעל מצב זרם נמוך של 650 ננו-אמפר למצב שינה ו 200 ננו-אמפר עבור מצב יציאה מהירה מהשמטה או הפסקה. בנוסף לכך הוא בעל שעון עם שני זמנים לצורך שמירת זמן אמת ודיגום נתונים מסונכרן לפי זמן.

למכשירים סטנדרטיים בעלי יכולת מובנית לאנליזת נתונים מבוצע חישוב עבור מאפיינים סיסמיים ופרמטרים נוספים בהתאם לאפליקציה כגון אינדיקטורים לחוזק מבנים או ניטור של חוזק מבני של קונסטרוקציות. אנליזה של נתונים סיסמיים דורשת חישוב של מגוון פונקציות סטטיסטיות ומתמטיות. לדוגמה, החישוב של עצימות סיסמית דורשת פונקציות לוגריתמיות וחלון גילוי שיא עבור תאוצה ומהירות. בנוסף לכך, זמן העיבוד צריך להיות נמוך מספיק בכדי לבצע דיגום נתונים רציף ועיבוד. ה ADSP-BF706 הינו מעבד נתונים דיגיטאליים זול ובעל צריכת כח נמוכה בעל מהירות עיבוד של עד 400 הרץ והינו בחירה מובילה בתעשייה ליישומי מכשור שטח. 32 ההתקן מציע מגוון ממשקים היקפיים מה שהופך אותו לקל יותר לחיבור להתקנים חיצוניים כגון ממשקי נתונים וממירי אות אנלוגי-דיגיטאלי.

הנתונים על מיקום המכשיר יכולים להילקח או ממערכת GPS או להיקבע ידנית במהלך ההתקנה. עבור נתוני זמן, מעבד נתונים דיגיטאליים יכול להשתמש או דרך הנתונים ההיקפיים שלו או דרך פרוטוקול זמן רשת דרך ממשק נתונים. קיים מגוון של אפשרויות לממשקי נתונים בהתאם לסוג ההתקנה. המכשיר יכול לעשות שימוש ב RS-485 תעשייתי לחיבורים דרך כבל במיוחד בתוך מבנים או בממשק אתרנט בכדי לחבר את ההתקן בקלות לרשת נתונים קיימת. לתקשורת אלחוטית המכשיר יכול להשתמש בהתקני רשת אלחוטית או בהתקנים אנלוגיים SmartMesh IP לאמינות מלאה של הנתונים בסביבות דינמיות.

יישומים

האמינות של נתונים סיסמיים עולה כל שעולה מספר החיישנים הסיסמיים המונחים במגוון של מקומות. קיים מידע רב שניתן לקבל מנתונים סיסמיים המועיל למגוון רחב של אפליקציות כגון ניטור של חוזק מבני, מחקרים גיאופיזיים, חיפושי נפט ואפילו לצרכי בטיחות תעשייתית וביתית. חלק זה במאמר דן בסקירות כלליות של שלושת האפליקציות הנפוצות של רשת חיישנים סיסמיים.

רשתות סיסמיות מרוחקות

במחקרים ווולקנולוגים וסיסמולוגיים מניחים חיישנים סיסמיים במקומות קשים לגישה ואף לעיתים מסוכנים.³⁴ ניטור של תהליכים בתוך הר געש דורש מדידת תנועת הקרקע במקומות מרובים. מיקומים אלו עשויים להפוך מסוכנים לאחר שלבים מסוימים של פעילות וולקנית והופכים לעיתים את החיישנים הסיסמיים לבלתי ניתנים להשבה. חיישנים סיסמיים זולים בעלי צריכת כח נמוכה יקטינו את עלויות המחקר ובאותו זמן יישארו פעילים במשך זמן ממושך. מקרה דומה הינו האפיון של תזוזת לוחות טקטוניים הדורשת גם היא הנחה של מספר רב של חיישנים סיסמיים לאורך קו השבר.

מערכת התראה מוקדמת לרעידות אדמה

גלים שניוניים וגלי שטח שהינם הסוג ההרסני יותר של גלים סיסמיים והינם חלק מרעידת אדמה, מתקדמים לאט יותר מהגלים הראשוניים הפחות הרסניים. לכן אפשרי ליישם מערכת התראה מוקדמת לרעידות אדמה על ידי גילוי הסימנים המקדימים להתרחשותה. הדבר יקנה לכל המערכות זמן כלשהו להגיב ולמנוע נזקים הרסניים כתוצאה מרעידת האדמה. ניתן יהיה לסגור מערכות חשמל וצנרות גז בבניני מסחר ומגורים זמן קצר לפני שיתחילו תנודות הקרקע האינטנסיביות. שימוש ברשת של חיישנים סיסמיים הפרושים סביב אזור מסוים יסייע להעלות את זמן התגובה האפשרי. כמו כן יצומצמו התראות שווא הנגרמות מגורמים שאינם רעידות אדמה. איור 10 מציג תצורת התקנה אפשרית עבור מערכת התראה מוקדמת לרעידות אדמה המגינה על אזור או מבנים מסוימים.

זמן התגובה המתאפשר על ידי קיום מערכת התראה מקדימה הינו פרופורציונאלי למרחק הרדיאלי של החיישן הסיסמי מהאזור / מבנה המוגנים, כמתואר במשווה 5. בהינתן כי הגלים הראשוניים נעים במהירות של 3.5 מייל/שניה או 5.6 ק”מ/שניה וגלים שניוניים נעים במהירות של 2.0 מייל/שניה או 3.2 ק”מ/שניה, ניתן לחשב כי שנייה אחת של זמן תגובה מתווספת עבור כל יחידת מרחק של 7.51 ק”מ של החיישן הסיסמי מהאזור המוגן. בנוסף לכך, התקנה של מספר רב של חיישנים סיסמיים במרחקים קטנים יותר תייצר רזולוציית זמן טובה יותר עבור זמן התגובה.

ניטור חוזק מבני

בטיחות ועמידות לרעידות אדמה של מבנים ניתנות לשיפור על ידי מדידה ובניית מודלים של תגובה דרך מבחני רעידות מאולצות. התקנת חיישנים סיסמיים במבנים תסייע להערכה של נזקים בעקבות רעידת אדמה, תגובה ושיקום. במקרה של נזק נרחב, רשת הפרושה בצורה נרחבת של חיישנים סיסמיים יכולה לאתר אזורים בעלי נזק מבני ובכך להקטין את העלויות ואת הסיכונים בביצוע בדיקה ויזואלית. מחקר על ציוד למדידת תנודות חזקות יושם בבניין אטווד שהינו בניין בגובה 20 קומות הבנוי על בסיס קונסטרוקציות פלדה. היישום נעשה בהתקנת חיישנים סיסמיים מבוססי מדי תאוצה שנפרשו על פני 10 קומות בכדי למדוד באופן מדויק את החוזק המבני של הבניין.³⁶

מסקנות

רשתות חיישנים סיסמיים הינן בעלי טווח יישומים נרחב בטכנולוגיות תעשייתיות וניטור של חוזק מבני. דרישות היישום שינו את דרישות החיישנים והמערכות של סיסמומטרים להעדפה של מערכות מרוחקות בעלויות תפעול נמוכות. טכנולוגית מדידת הקרקע המודרנית והזולה מסוגלת היום לבצע מדידות טובות הרבה יותר מהציוד המסורתי. בשימוש במגוון הרחב של מוצרי התקנים אנלוגיים, ניתן ליישם התקני חישה לזיהוי ואפיון במגוון יישומי חישה סיסמית.

ביבליוגרפיה

על המחבר

Jesse Santos הינה מהנדסת יישום מוצרים בקבוצת פיתוח מערכות שבסיסה ב Cavite. כחלק מהקבוצה, הוא עוסק בפיתוח של תכנוני ייחוס לפתרונות ברמת מערכת למגוון רחב של יישומים. הוא הצטרף לחברת Analog Devices ב 2018. הוא בעל תואר ראשון בהנדסת באלקטרוניקה ותקשורת וכרגע סטודנט לתואר שני באוניברסיטת De La Salle במנילה. המחקר שלו מתמקד במערכות רובוטיות ובינה מלאכותית ובמיוחד אינטליגנציית נחיל. ניתן ליצור עימו קשר ב:jesse.santos@analog.com

על המחבר

Angelo Nokko Catapang הינו כיום מהנדס יישומי מוצר בקבוצת פיתוח מערכות הנמצאת ב Cavite. הוא עובד ביצירת מעגלים עבור תכנוני ייחוס למעבדות. הוא הצטרף לחברת Analog Devices ב 2016. הוא כרגע סטודנט לתואר במכון הטכנולוגי Mapua לתואר שני בהנדסת אלקטרוניקה בהתמחות במערכות בקרה. ניתן ליצור עימו קשר ב: angelo.catapang@analog.com.

על המחבר

Erbe D. Reyta היה מהנדס יישומי חומרה ב ADI Circuit מתוכנית המעבדות ב 2011 שהתמקד בעיקר בפיתוח חומרה למערכות מדויקות. הוא השלים את התואר הראשון בהנדסת אלקטרוניקה ותקשורת באוניברסיטת Philippines – Diliman ואת התואר השני בהנדסת מחשבים באוניברסיטת העיר מנילה בפיליפינים. ניתן ליצור עימו קשר ב: erbe.reyata@analo.com.

---