Aparato sensor y método para detectar las ondas p generadas por un terremoto y generar una señal de control sensible.

Aparato (10) para detectar ondas P generadas por terremotos, que comprende:

medios que forman un alojamiento adaptado para montarse a una estructura de soporte (28; 30) objeto de movimiento por las fuerzas sísmicas; medios sensores (16; 18; 20) fijados al citado alojamiento y operativos para generar señales eléctricas proporcionales al movimiento experimentado por la citada estructura de soporte, dichos medios sensores (16; 18; 20) que incluyen múltiples elementos sensores (16; 18; 20) cada uno de los cuales es sensible al movimiento en una dirección normal a una de una pluralidad correspondiente de planos que se cortan mutuamente ortogonales y operativos para generar una señal eléctrica proporcional al mismo, cada uno de dichos elementos sensores (16; 18; 20) que incluye una película delgada, en voladizo, estructura (34) piezoeléctrica que tiene una extremo proximal fijado rígidamente a dicho alojamiento y un extremo distal sin soporte;

medios (42) de amplificación y filtración de la señal que responden a dichas señales eléctricas y operativos para amplificar y pasar señales que tengan frecuencias dentro del rango de aproximadamente o,5 a 15 Hz; y

medios (44) de procesamiento de señal dispuestos para el muestreo de las señales pasadas y para realizar una función de puesta a cero automática en tiempo real mediante el promedio de señales a través de sucesivos períodos de tiempo mayores de aproximadamente 10 segundos y para la toma de la media actual de señales pasadas promedio como el punto cero, pero haciendo que la suma de las señales pasadas por encima de cualquier dicho período de tiempo para caer a un valor cero después de pocos segundos de ninguna señal, y para determinar que la onda P se ha detectado si (a) la señal pasada promedio se eleva por encima de un nivel predeterminado, y/o (b) un valor de densidad espectral se eleva por encima de un valor de activación predeterminado dentro de una ventana de tiempo predeterminado, y para generar una señal de salida con la misma proporción.

Aparato sensor y método para detectar las ondas p generadas por un terremoto y generar una señal de control sensible

Campo de la invención

La presente invención se refiere a aparatos y métodos para la detección de terremotos inminentes y más concretamente, a un detector y un método mejorados para discriminar entre las vibraciones sísmicas generales y aquellas que se pueden identificar como precursoras de un terremoto.

Antecedentes de la invención

Todos los años, los terremotos en todo el mundo son responsables de la pérdida de miles de vidas y de una cantidad de miles de millones de dólares de daños estructurales, tanto directa como indirectamente, consecuencia de las secuelas de daños colaterales. Los eventos sísmicos, así como los daños y pérdidas causados por los mismos han incrementado en frecuencia y magnitud en los últimos años. Por ejemplo, en 1989 en el terremoto de Loma Prieta que devastó zonas de la bahía de San Francisco, gran parte de los daños fueron causados por fallos de los sistemas después de que se produjo el terremoto. Aparte de los daños directos del terremoto real, se produjeron pérdidas significativas de propiedad resultantes de la ruptura de tuberías de gas e incendio posterior del gas, fuegos eléctricos y las reservas de agua inaccesibles por nombrar solo algunas. En muchos casos, los vehículos de emergencia no fueron capaces de responder ante la crisis debido a queda atrapados detrás de puertas y portones atascados de garajes, consecuencia de los daños estructurales en sus edificios.

La magnitud de un terremoto se mide en términos de un valor de la escala de Richter. Introducida en 1935 por Charles F. Richter, la escala de Richter es una escala numérica para cuantificar la magnitud del terremoto - normalmente se refiere a la magnitud local, pero para terremotos más grandes, a menudo se refiere a la magnitud de ondas superficiales. (En la actualidad, a los grandes terremotos se les asigna generalmente una magnitud de momento, que se escala para ser similar, pero que está basada en el momento sísmico, y en una mejor medida de la energía de un terremoto). Puesto que la escala de Richter es logarítmica, los terremotos muy pequeños (mlcrosismos) pueden tener una magnitud negativa. Mientras que la escala no tiene límite superior teórico, el límite superior práctico, dada la resistencia de los materiales de la corteza, está justo por debajo de 9 para magnitudes lo cales o de la onda de superficie (y justo por debajo de 1 para magnitudes de momento).

Es bien conocido que cuando ocurre un terremoto, emanan tres tipos de onda desde el punto de origen: P (primaria), S (cizallamiento) y R (Rayleigh). (También hay las ondas Love; una onda superficial de cizalla, además de la onda S, onda de volumen de cizallamiento. La velocidad de las ondas Love es intermedia entre las de las ondas S y R). La "onda P", que no es destructiva e imperceptible para los humanos, es principalmente un movimiento vertical de la onda que viaja más rápido que las ondas destructivas S y R. Más concretamente, la onda P es una onda de cuerpo compresional; el movimiento de las partículas es paralelo a la dirección de propagación de la onda. Su velocidad es de 5,5 a 7,2 Km/seg en la corteza y 7,8 a 8,5 Km/seg en el manto superior. Puesto que las ondas P viajan alrededor de dos veces más rápido que las ondas S, llegarán más pronto. Cuanto mayor es la distancia a la que se está del hipocentro de un terremoto, mayor es la diferencia de tiempo entre la llegada de las ondas P y S. En la costa oeste de América del Norte, por ejemplo, la velocidad de desplazamiento de las ondas P es de aproximadamente 6,2 millas por segundo. Por lo tanto, si el terremoto se produce a una profundidad de aproximadamente 1 millas y el epicentro estaba a una distancia de aproximadamente 5 millas del detector, sería posible tener un aviso en 8 segundos. Es evidente, por supuesto, que si el terremoto fuese significativamente más profundo, más grande en términos de magnitud y más lejano, se produciría un aviso en un tiempo más largo. Dependiendo de la distancia desde el punto de origen, es posible tener un aviso típico en el orden de 1 a 25 segundos.

Hablando en términos generales, las ondas P tienen una frecuencia natural de aproximadamente 5 Hercios (Hz) mientras que las ondas S tienen una frecuencia significativamente menor que las ondas P. Las ondas S tienen una amplitud significativamente mayor que las ondas P y por lo tanto son las ondas que están principalmente involucradas en la destrucción de las estructuras. Como se indicó anteriormente, las ondas P viajan normalmente a una velocidad más rápida desde el hipocentro a una localización dada en comparación con las ondas S. Por lo tanto, la detección de las ondas P puede proporcionar un aviso temprano de la inminente llegada de las ondas S a una localización dada distante del epicentro.

Una de las principales dificultades en la detección de un terremoto se refiere al factor tiempo implicado en la detección de las ondas P teja. Como se comprenderá, si las ondas P se pueden detectar lo antes posible, esto proporciona tiempo para la evacuación, etc., de edificios o área con el fin de evitar posibles daños a las personas causados por la llegada de las ondas S que, como se ha indicado anteriormente, son las ondas destructivas principales transmitidas por las formaciones geológicas.

Dispositivos y sistemas que proporcionan avisos anticipados de terremotos destructivos mediante la detección de ondas P (las ondas sísmicas no destructivas primarias) se describen en la patente de Estados Unidos n° 5.76.696 titulada "Detector discriminador de terremotos" y en la patente de Estados Unidos n° 6.356.24 titulada "Método y aparato para detectar terremotos inminentes". Basados en la tecnología de detección avanzada, estos dispositivos

pueden hacer sonar una alarma y/o activar respuestas automáticas del sistema (ASR), lo que minimiza pérdidas de vidas y daños a la propiedad.

La técnica anterior también incluye varios detectores y otras instalaciones para medir las ondas P como un precursor para las siguientes ondas S. Sin embargo, utilizando instalaciones existentes, ha sido difícil detectar las ondas P a una distancia del epicentro de un terremoto sin incurrir en grandes costos. Un problema adicional es que a menudo es difícil resolver falsas alarmas de un terremoto real, debido a interferencias en la instrumentación por vibraciones locales extrañas u otras frecuencias. Es deseable proporcionar un detector capaz de discriminar entre ondas P y ordinariamente, temblores de tierra y de la construcción cotidianos no relacionados con un terremoto. En particular, los detectores instalados en un edificio deberían ser capaces de discriminar entre las frecuencias de vibración naturales de la estructura del edificio, que son una función de la estructura, y las frecuencias indicativas de las ondas P. Esto se puede conseguir mediante una unidad de procesamiento de la información que almacena datos de vibración y está programada para discriminar entre las frecuencias que se producen con frecuencia y las frecuencias que se producen no regularmente dentro de la gama de las ondas P.

Ejemplo típico de la técnica que ha sido patentada en este campo es el de la patente de Estados Unidos de Windisch, n° 4.689.997. La referencia proporciona un detector que emplea principalmente una lengüeta muelle vertical montada sobre un soporte. Un acoplador está soportado en el otro extremo de la lengüeta y este acoplador está conectado a través de un muelle helicoidal a una masa posicionada de forma concéntrica con la lengüeta y el acoplador. Los componentes del muelle y la masa se seleccionan para tener una frecuencia de resonancia natural correspondiente a la de un temblor sísmico o de otra vibración que se desea detectar. Se proporciona un circuito de conmutación para detonar una alarma una vez que se detecta la frecuencia del terremoto. Windisch no proporciona un mecanismo de circuito integrado para la detección de temblores de tierra, sino más bien se basa en una disposición mecánica en forma de un sistema de muelle y masa. Como es sabido, este tipo de sistemas son susceptibles a las fluctuaciones de temperatura que pueden alterar el punto en el que el aparato puede detectar la frecuencia del terremoto, y son a menudo delicados y por lo tanto difíciles o más costosos de instalar en gran volumen. Además, la disposición de Windisch no parece proporcionar un sistema que discrimine entre simples vibraciones extrañas y frecuencias del calibre de un terremoto.

Caillat et al., en la patente de Estados Unidos n° 5.11.195, proporcionan un detector discriminador sísmico. La instalación se basa en una combinación electromecánica que tiene... [Seguir leyendo]

1-Aparato (1) para detectar ondas P generadas por terremotos, que comprende:

medios que forman un alojamiento adaptado para montarse a una estructura de soporte (28; 3) objeto de movimiento por las fuerzas sísmicas; medios sensores (16; 18; 2) fijados al citado alojamiento y operativos para generar señales eléctricas proporcionales al movimiento experimentado por la citada estructura de soporte, dichos medios sensores (16; 18; 2) que incluyen múltiples elementos sensores (16; 18; 2) cada uno de los cuales es sensible al movimiento en una dirección normal a una de una pluralidad correspondiente de planos que se cortan mutuamente ortogonales y operativos para generar una señal eléctrica proporcional al mismo, cada uno de dichos elementos sensores (16; 18; 2) que incluye una película delgada, en voladizo, estructura (34) piezoeléctrica que tiene una extremo proximal fijado rígidamente a dicho alojamiento y un extremo distal sin soporte;

medios (42) de amplificación y filtración de la señal que responden a dichas señales eléctricas y operativos para amplificar y pasar señales que tengan frecuencias dentro del rango de aproximadamente o,5 a 15 Hz; y

medios (44) de procesamiento de señal dispuestos para el muestreo de las señales pasadas y para realizar una función de puesta a cero automática en tiempo real mediante el promedio de señales a través de sucesivos períodos de tiempo mayores de aproximadamente 1 segundos y para la toma de la media actual de señales pasadas promedio como el punto cero, pero haciendo que la suma de las señales pasadas por encima de cualquier dicho período de tiempo para caer a un valor cero después de pocos segundos de ninguna señal, y para determinar que la onda P se ha detectado si (a) la señal pasada promedio se eleva por encima de un nivel predeterminado, y/o (b) un valor de densidad espectral se eleva por encima de un valor de activación predeterminado dentro de una ventana de tiempo predeterminado, y para generar una señal de salida con la misma proporción.

2.- Aparato para detectar ondas P generadas por terremotos como se cita en la reivindicación 1, en le que cada cada elemento sensor (34) citado tiene un peso (72) de una masa (38) predeterminada fijada a dicho extremo distal.

3.- Aparato para detectar ondas P generadas por terremotos como se cita en la reivindicación 1, en el que el citado alojamiento Incluye una placa (12) de circuito impreso que incluye pistas eléctricas (14) que interconectan dichos medios (16; 18; 2) de sensor que amplifican la citada señal y medios (42) que filtran y los citados medios (44) de procesamiento de señal.

4 - Aparato para detectar ondas P generadas por terremotos como se cita en la reivindicación 3, en el que cada elemento (16; 18; 2) sensor está encerrado en un recinto hermético.

- Aparato para detectar ondas P generadas por terremotos como se indica en la reivindicación 1, en el que los citados medios (44) de procesamiento de la señal incluyen una interfaz de usuario para permitir la modificación de la aceleración del suelo y los niveles de potencia de disparo de la salida de la densidad espectral y los valores de los filtros internos de procesamiento de señales digitales que son utilizados por el sistema para determinar la presencia de un terremoto inminente.

6 - Aparato para detectar ondas P generadas por terremotos como se cita en la reivindicación 1, en el que los citados medios (44) de procesamiento de la señal operan mediante el movimiento sísmico que se detecta y generar las señales de movimiento correspondientes;

amplificar y filtrar dichas señales de movimiento y pasar señales que tienen frecuencias dentro del rango de aproximadamente ,5 a 15 Hz;

realizar un tiempo real de offset de la función de puesta a cero al promediar las señales a través de períodos sucesivos de tiempo mayor que aproximadamente 1 segundos y para la toma de la media continua de las señales promediadas como el punto cero, pero haciendo que la suma de las señales pasadas sobre cualquiera de dichos períodos de tiempo para caer a un valor cero después de unos segundos de la señal; y

determinar que una onda P se ha detectado si (a) la señal promediada pasada se eleva por encima de un nivel predeterminado, y/o (b) la suma de densidad espectral de potencia se eleva por encima de un valor de activación predeterminada dentro de una ventana predeterminada de tiempo durante el período en particular, y con ello la generación de una señal de salida proporcional.

7.- Aparato para detectar ondas P generadas por terremotos como se cita en la reivindicación 1, en el que la reducción a cero de desplazamiento en tiempo real se lleva a cabo repetidamente en el promedio de las señales pasadas durante períodos de tiempo de mayor que aproximadamente 1 segundos y tomando la media en curso como punto cero.

8.- Aparato para detectar ondas P generadas por terremotos como se cita en la reivindicación 7, en la que dichos medios (44) de procesamiento generan una primera señal si una onda P detectada tiene una magnitud que cae dentro de un primer rango de la escala de Richter, y genera una segunda señal si una onda P detectada tiene una magnitud que cae dentro de un segundo rango de la escala de Richter.

9.- Un método para detectar las ondas P de terremotos, utilizando elementos sensores múltiples cada uno de los cuales es sensible al movimiento en una dirección normal a uno de una pluralidad correspondiente de planos de intersección mutuamente ortogonales e incluye una película delgada, el elemento sensor piezoeléctrico en voladizo que tiene un extremo distal sin soporte y un extremo proximal rígidamente fijado a un alojamiento que comprende las 5 siguientes etapas:

detectar el movimiento sísmico y generar señales de movimiento correspondientes utilizando los citados múltiples elementos sensores;

amplificar y filtrar dichas señales de movimiento y pasar las señales que tengan frecuencias dentro del rango de aproximadamente ,5 a 15 Hz;

realizar un tiempo real de offset de la función de puesta a cero al promediar las señales a través de períodos sucesivos de tiempo mayor que aproximadamente 1 segundos y para la toma de la medida continua de las señales promediadas como el punto cero, pero haciendo que la suma de las señales pasadas sobre cualquiera de dichos períodos de tiempo para caer en un valor cero después de algunos segundos sin señal; y

determinar que una onda P se ha detectado si (a) la señal promediada se eleva por encima de un valor de 15 activación, y/o (b) la suma de densidad espectral de potencia se eleva por encima de un valor de activación predeterminado dentro de una ventana predeterminada de tiempo, y generando con ello una señal de salida proporcional.