Procedimiento de medición y registro de aceleraciones con sensores de bajo coste para su aplicación en sismología, y equipo para llevar a cabo dicho procedimiento.

Procedimiento de medición y registro de aceleraciones con sensores de bajo coste para su aplicación en sismología,

y equipo para llevar a cabo dicho procedimiento que contempla la utilización de varios sensores acelerómetros MEMS (5) de bajo coste en una tarjeta (4) electrónica y técnicas de procesamiento digital de señales (DSP) a través de un ordenador (2) al que está conectada dicha tarjeta, enviando los datos a un centro de recepción de datos (9), comprendiendo dichas técnicas: utilización de varios acelerómetros MEMS simultáneos; realización de sobremuestreo en los sensores MEMS con filtrado FIR; inclusión de datos de hora GPS en cada muestra no sincronizada con el GPS, con un algoritmo de decimación adaptable. El equipo comprende un ordenador (2) con microprocesador (3) programable, tarjeta (4) electrónica, con varios sensores (5) acelerómetros MEMS, módem GPS (7) y dispositivo de conexión de datos móviles (8).

Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201430373.

Solicitante: MARTIN GARCIA, Eduardo.

Nacionalidad solicitante: España.

Inventor/es: MARTIN GARCIA,Eduardo.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • B81B7/02 SECCION B — TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES.B81 TECNOLOGIA DE LAS MICROESTRUCTURAS.B81B DISPOSITIVOS O SISTEMAS DE MICROESTRUCTURA, p. ej. DISPOSITIVOS MICROMECANICOS (elementos piezoeléctricos, electroestrictivos o magnetoestrictivos en sí H01L 41/00). › B81B 7/00 Sistemas de microestructura. › que tienen distintos dispositivos eléctricos u ópticos de particular importancia por su función, p.ej. sistemas micro-electromecánicos (SMEM, MEMS) (B81B 7/04 tiene prioridad).
  • G01C9/00 SECCION G — FISICA.G01 METROLOGIA; ENSAYOS.G01C MEDIDA DE DISTANCIAS, NIVELES O RUMBOS; TOPOGRAFIA; NAVEGACION; INSTRUMENTOS GIROSCOPICOS; FOTOGRAMETRIA O VIDEOGRAMETRIA (medida del nivel de líquidos G01F;   radio navegación, determinación de la distancia o velocidad mediante la utilización de efectos de propagación, p. ej. efecto Doppler, tiempo de propagación, de ondas de radio, disposiciones análogas que utilicen otras ondas G01S). › Medida de la inclinación, p. ej. mediante inclinómetros, mediante niveles.
  • G01P15/00 G01 […] › G01P MEDIDA DE VELOCIDADES LINEALES O ANGULARES, DE LA ACELERACION, DECELERACION O DE CHOQUES; INDICACION DE LA PRESENCIA, AUSENCIA DE MOVIMIENTO; INDICACION DE DIRECCION DE MOVIMIENTO (midiendo la velocidad angular utilizando efectos giroscópicos G01C 19/00; dispositivos de medida combinados para medir dos o más variables de un movimiento G01C 23/00; medida de la velocidad del sonido G01H 5/00; medida de la velocidad de la luz G01J 7/00; medida de la dirección o de la velocidad de objetos sólidos por reflexión o reradiación de ondas radio u otras ondas basada en los efectos de propagación, p. ej. el efecto Doppler, el tiempo de propagación, la dirección de propagación, G01S; medida de la velocidad de radiaciones nucleares G01T). › Medida de la aceleración; Medida de la deceleración; Medida de los choques, es decir, de una variación brusca de la aceleración.
  • G01V1/18 G01 […] › G01V GEOFISICA; MEDIDA DE LA GRAVITACION; DETECCION DE MASAS U OBJETOS; MARCAS O ETIQUETAS DE IDENTIFICACION (medios para indicar dónde se encuentran personas sepultadas accidentalmente, p. ej. por la nieve A63B 29/02). › G01V 1/00 Sismología; Prospección o detección sísmica o acústica. › Elementos receptores, p. ej. sismógrafos, geófonos.
Procedimiento de medición y registro de aceleraciones con sensores de bajo coste para su aplicación en sismología, y equipo para llevar a cabo dicho procedimiento.

Fragmento de la descripción:

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La invención, tal como expresa el enunciado de la presente memoria descriptiva, se refiere a un procedimiento de medición y registro de aceleraciones con sensores de bajo coste para su aplicación en sismología, y equipo para llevar a cabo dicho procedimiento.

Más en particular, el objeto de la invención se centra en un procedimiento que permite capturar las aceleraciones del suelo de un emplazamiento, optimizar los datos capturados y transmitirlos a un centro remoto de recepción de datos, para su aplicación en sismología, a un coste económico mucho más reducido de lo que es habitual, el cual está basado en la utilización conjunta de varios acelerómetros MEMS (Microelectromechanical Systems) de bajo coste y en la aplicación de técnicas de procesamiento digital de señales y sobremuestreo para optimizar sus prestaciones reduciendo el ruido y mejorando su sensibilidad, siendo un segundo aspecto de la presente invención el equipo acelerógrafo con el que se lleva a cabo dicho procedimiento.

CAMPO DE APLICACIÓN DE LA INVENCIÓN

El campo de aplicación de la presente invención se centra en el sector de la sismología, abarcando concretamente el ámbito de la industria dedicado a la fabricación de instrumentos, aparatos y equipos para mediciones sismológicas, y centrándose particularmente en los acelerógrafos.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Como es sabido, la medida de aceleraciones a nivel de superficie es una necesidad para establecer las correspondientes normativas técnicas de edificación en zonas de riesgo sísmico. La aceleración superficial experimentada en áreas muy reducidas depende enormemente de las características morfológicas de los materiales de que se constituyen los

suelos donde se apoyan los edificios, por lo que un conocimiento de gran resolución espacial es necesario a los fines expuestos anteriormente. Por otra parte, la posibilidad de disponer de una gran cantidad de valores de aceleración en muy diferentes localizaciones en tiempo cuasi-real, permite elaborar mapas de daños esperados más fiables, basados en datos observados (más que interpolados y extrapolados de leyes teóricas, etc.). Estos mapas que son elaborados de forma automática muy poco tiempo después de la ocurrencia de un terremoto (aprox. 30 minutos), son de una altísima importancia a la hora de una actuación inmediata de los servicios de emergencia y protección civil en las zonas más afectadas por el terremoto.

Estos mapas automáticos representan la aceleración del suelo en la zona epicentral, y mediante correlaciones se obtienen valores de intensidad macrosísmica (efecto que tiene el terremoto en una zona determinada), siendo uno de los productos más importantes que dan las principales redes sísmicas nacionales del mundo.

Todo lo mencionado anteriormente, hace que se necesite una gran resolución espacial que exige el despliegue de numerosos acelerógrafos, lo que representa un coste muy elevado, ya que los acelerógrafos convencionales y utilizados actualmente para este fin son instrumentos sofisticados de elevado coste económico.

Sería deseable, por tanto, disponer de equipos de bajo coste para la realización de dichos mapas y hacer que agencias sismológicas como el IGN (Instituto Geográfico Nacional) puedan disponer de los recursos tecnológicos que necesitan sin gran perjuicio económico, siendo el objetivo esencial de la presente invención el desarrollo de un nuevo modelo de equipo acelerógrafo, que ofrece datos de aceleración con suficiente sensibilidad y los transmite a un centro remoto, cuyo coste de fabricación e implementación está muy por debajo del coste medio de un equipo convencional.

Por otra parte, y como referencia al estado actual de la técnica, conviene mencionar que, al menos por parte del solicitante, se desconoce la existencia de ningún otro procedimiento ni equipo o invención similar que presenten unas características técnicas, estructurales y constitutivas semejantes a las que presentan el procedimiento y el equipo que aquí se preconizan.

En dicho sentido, cabe señalar que en el mercado internacional (como puede ser en Taiwan)

es posible encontrar equipos con tecnología MEMS, que además suelen ser dispositivos MEMS mucho más caros, sin embargo, dichos equipos no realizan ninguna técnica para reducir el ruido y aumentar sensibilidad (utilización de varios sensores ni sobremuestreo tal como hace el aquí preconizado), así como tampoco se realiza el filtrado ni ofrecen datos de hora, o envían los datos en tiempo real a un centro o agencia sísmica.

EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN

Así, el procedimiento de medición y registro de aceleraciones con sensores de bajo coste para su aplicación en sismología, y el equipo para llevar a cabo dicho procedimiento que la presente invención propone se configuran como una novedad dentro de su campo de aplicación, ya que a tenor de su implementación y de forma taxativa se alcanzan satisfactoriamente los objetivos anteriormente señalados como idóneos, estando los detalles caracterizadores que los distinguen de lo ya conocido, convenientemente recogidos en las reivindicaciones finales que acompañan a la presente memoria descriptiva.

De forma concreta, lo que la invención preconiza es, esencialmente, un sistema integrado de bajo coste que permite capturar las aceleraciones del suelo, optimizar los datos capturados y transmitirlos a un centro de recepción de datos, como puede ser en España el CRD (centro de recepción de datos) de la Red Sísmica Nacional (Instituto Geográfico Nacional, Ministerio de Fomento).

Para ello, y de forma caracterizadora, se emplean acelerómetros MEMS de bajo coste, que por su precio, tamaño y opciones de conectividad permiten una mejor integración en el equipo, contemplándose, asimismo, un ordenador integrado de bajo consumo como controlador y procesador principal de todo el tratamiento de los datos, necesario para la validez de los datos para su aplicación en sismología. La transmisión de los datos desde el equipo hasta el centro de recepción de datos remoto se realiza de forma inalámbrica, preferentemente mediante tecnología GPRS (2G), aunque no limitado a ella.

Es importante señalar que, dado que los acelerómetros MEMS de bajo coste (unos 5?por unidad) se suelen emplear en terminales donde es necesario medir la aceleración, pero donde no se requiere una gran sensibilidad, para posibilitar su utilización en sismología, según el procedimiento que aquí se propone, se contempla, además, la utilización de diversas técnicas para reducir el ruido, como es utilizar varios sensores MEMS simultáneos

en un mismo equipo, sobremuestreo y filtrado, con lo cual se consigue mejorar la sensibilidad hasta tal punto de poder registrar cualquier terremoto que pueda "sentir" una persona.

Paralelamente, y dado que para que los datos de aceleración del suelo puedan ser aplicables para su uso en sismología es también imprescindible dotarlos de "hora", es decir, ofrecer con precisión de milisegundos la hora a la que se ha capturado una sola muestra de aceleración, el procedimiento preconizado contempla la utilización de un GPS integrado en el equipo.

Sin embargo, es importante destacar que ha sido necesario desarrollar un proceso específico para poder evitar los problemas de deriva en el tiempo (fatales para sismología) del reloj de muestreo de los acelerómetros MEMS (que se encuentra en el ordenador integrado) y el Jitter del propio reloj GPS. Se denomina Jitter (término inglés para fluctuación) a la variabilidad temporal durante el envío de señales digitales, una ligera desviación de la exactitud de la señal de reloj.

En definitiva, el equipo propuesto ofrece las mismas características básicas de un acelerógrafo de muy elevado coste, puesto que ofrece los datos de aceleración con una sensibilidad que permite capturar los terremotos sentidos por cualquier persona, con hora de precisión y capacidad de enviar los datos en tiempo real de forma inalámbrica, pero a un precio de muy bajo coste. En concreto, la diferencia de coste ronda entre los 6000? que aproximadamente pueden costar los equipos convencionales y los 500? que aproximadamente puede costar el equipo aquí propuesto.

Es importante destacar que, para su aplicación en sismología, se debe tener en cuenta el procedimiento de técnicas de procesamiento digital de señal empleadas para mejorar la sensibilidad de los sensores MEMS de bajo coste que incluye el equipo, las técnicas para dotarlo de hora GPS, así como para recuperar paquetes perdidos utilizando el protocolo UDP, pues de lo contrario no sería posible utilizar este tipo de sensores para dicha aplicación sismológica.

Muchas agencias de sismología...

 


Reivindicaciones:

1- PROCEDIMIENTO DE MEDICIÓN Y REGISTRO DE ACELERACIONES CON

SENSORES DE BAJO COSTE PARA SU APLICACIÓN EN SISMOLOGÍA, caracterizado porque contempla, en el punto a realizar la medición, la utilización de varios sensores acelerómetros MEMS (5) de bajo coste incorporados en una tarjeta (4) electrónica y la aplicación de técnicas de procesamiento digital de señales (DSP) a través de un ordenador (2) al que está conectada dicha tarjeta, el cual ordenador (2) envía los paquetes de datos inalámbricamente a un centro de recepción de datos (9) dotado de un programa informático para la representación de datos sísmicos.

2.- PROCEDIMIENTO DE MEDICIÓN Y REGISTRO DE ACELERACIONES CON

SENSORES DE BAJO COSTE PARA SU APLICACIÓN EN SISMOLOGÍA, según la reivindicación 1, caracterizado porque las técnicas de procesamiento digital de señales (DSP) que aplica el ordenador (2) comprenden:

- Utilización de varios acelerómetros MEMS simultáneos, situados de forma idéntica con respecto al suelo.

- Realización de sobremuestreo en los sensores MEMS con filtrado FIR

- Inclusión de datos de hora GPS en cada muestra capturada por una señal de muestreo no sincronizada con el GPS, incluyendo un algoritmo de decimación adaptable.

3.- PROCEDIMIENTO DE MEDICIÓN Y REGISTRO DE ACELERACIONES CON

SENSORES DE BAJO COSTE PARA SU APLICACIÓN EN SISMOLOGÍA, según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque, además, comprende la utilización del protocolo de internet UDP, para recuperación de paquetes perdidos.

4.- PROCEDIMIENTO DE MEDICIÓN Y REGISTRO DE ACELERACIONES CON

SENSORES DE BAJO COSTE PARA SU APLICACIÓN EN SISMOLOGÍA, según cualquiera de las reivindicaciones 1-3, caracterizado porque la transmisión de datos se realiza en tiempo real mediante conmutación de paquetes al centro de recepción de datos (9).

5.- PROCEDIMIENTO DE MEDICIÓN Y REGISTRO DE ACELERACIONES CON SENSORES DE BAJO COSTE PARA SU APLICACIÓN EN SISMOLOGÍA, según la reivindicación 4, caracterizado porque la transmisión de datos se realiza mediante dispositivo de conexión de datos móviles (8).

6.- EQUIPO para llevar a cabo un procedimiento de medición y registro de aceleraciones con sensores de bajo coste para su aplicación en sismología, según el descrito en las reivindicaciones 1-5, caracterizado porque comprende:

- ordenador (2) con microprocesador (3) programable,

- tarjeta (4) electrónica, con varios sensores (5) acelerómetros MEMS incorporados y vinculada al ordenador (2) mediante la correspondiente conexión (6);

- módem GPS (7) integrado;

- y dispositivo de conexión de datos móviles (8).

7.- EQUIPO, según la reivindicación 6, caracterizado porque, además, cuenta con al menos un dispositivo medido de nivel (10) de precisión para asegurar que todos los sensores (5) de la tarjeta se encuentren situados de forma idéntica respecto al suelo.

8.- EQUIPO, según la reivindicación 6 ó 7, caracterizado porque incorpora todos los

elementos que comprende alojados en el interior de una caja (1).


 

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