Un détecteur pendulaire pour sismographe

Pour visualiser sur l’écran de votre ordinateur les sismogrammes d’un tremblement de terre, vous avez besoin d’un détecteur pendulaire, d’une interface PC et du logiciel Sismogest. C’est le détecteur pendulaire que nous décrivons ici.



Cet article vous permettra de réaliser le détecteur pendulaire (mécanique et platine électronique).
Nous avons en effet réalisé un pendule vertical de 60 cm de long permettant de détecter non seulement tous les séismes de moyenne intensité se produisant dans un rayon d’environ 300 km mais aussi ceux de plus grande intensité se passant dans un rayon de 2 000 km. Nous avons retenu le logiciel d’exploitation Sismogest de Graf Systems :. Le signal sortant du capteur du sismographe est directement appliqué à l’entrée d’une interface (dont le circuit imprimé et les composants sont également disponibles auprès de nos annonceurs) reliée par un câble sériel à un ordinateur.

Le schéma électrique
La figure 1 donne le schéma électrique du détecteur pendulaire du sismographe.
Le capteur détecte le moindre mouvement du noyau de ferrox-cube se déplaçant à l’intérieur des enroulements L1 et L2. Le circuit intégré IC1, NE5521N Philips comporte un étage oscillateur produisant un signal carré d’environ 16 kHz grâce au condensateur C1 et à la résistance R1, reliés respectivement aux broches 17 et 11. Ce signal carré est converti en signal sinusoïdal. Après avoir été amplifié en opposition de phase, il est appliqué sur les deux enroulements d’excitation L1-A et L1-B.
Or sur les mêmes carcasses que les enroulements d’excitation sont placés aussi les enroulements de détection L2-A et L2-B recueillant le signal à appliquer sur la broche 4 de l’étage démodulateur asynchrone présent à l’intérieur du circuit intégré. Un centrage parfait du noyau en ferrox-cube à l’intérieur de ces quatre enroulements produit à la sortie broche 5 du démodulateur une tension de 0 V car les signaux de même intensité mais en opposition de phase s’annulent. Lorsque le noyau de ferrox-cube se déplace de quelques millièmes de millimètres vers la droite, la broche 5 est le siège d’une tension positive. Quand le noyau se déplace de quelques millièmes de millimètres vers la gauche, la broche 5 est le siège d’une tension négative. Ces variations infimes de polarité traversent un filtre passe-bas calculé pour laisser passer uniquement les fréquences subsoniques des séismes (R6 / C6) dirigées sur la broche 2 pour y être amplifiées.
La sortie broche 1 délivre le signal converti en une tension d’amplitude variable correspondant aux vibrations subsoniques produites par le séisme.
Comme l’amplificateur opérationnel interne à IC1 n’a pas une sensibilité suffisante pour détecter un mouvement de quelques millièmes de millimètre du noyau de ferrox-cube, le signal est de nouveau amplifié par l’amplificateur opérationnel externe IC3.
En absence de secousse sismique, la broche 6 de sortie de IC3 est à une tension fixe de 6 V. Lorsque le séisme est de faible intensité, la tension varie de + ou – 0,01 V. En cas de séisme de moyenne intensité, la variation avoisine + ou – 0,4 V et elle peut atteindre + ou – 1 V pour un séisme d’intensité élevée.
Le signal du séisme détecté par le pendule vertical est prélevé sur la broche de sortie 6 de l’amplificateur opérationnel IC3, au moyen d’un petit câble coaxial relié ensuite à l’entrée de l’interface.
Le milli-ampèremètre présent dans cet étage permet de contrôler l’aplomb parfait du boîtier sur la surface d’appui.
Pour alimenter le détecteur pendulaire, fonctionnant sous une tension de 12 V stabilisée, vous devez appliquer à l’entrée E du régulateur IC4 7812, une tension continue de 20 V environ à prélever directement sur DS1 présente dans l’étage d’alimentation de l’interface.

Figure 1 : Schéma électrique du détecteur pendulaire. Le signal du séisme, prélevé sur la douille Sortie signal (IC3) est envoyé sur la douille Entrée signal de l’interface au moyen d’un petit câble coaxial RG174. Le détecteur est alimenté par une tension non stabilisée de 20 V prélevée sur DS1 de l’interface et appliquée à l’entrée du régulateur IC4.

Figure 2a : Schéma d’implantation des composants du détecteur pendulaire et brochages des circuits intégrés, régulateur et LED utilisés.

Figure 2b-1 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé double face à trous métallisés du détecteur pendulaire, côté soudures.

Figure 2b-2 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé double face à trous métallisés du détecteur pendulaire, côté composants.

Figure 3 : Photo d’un des prototypes du détecteur pendulaire. Dans le trou carré, entre les deux enroulements, sera fixée la cuve en plastique contenant de l’huile moteur pour amortir les oscillations du pendule vertical.

Liste des composants
R1 ............... 10 kΩ
R2 ............... 1 kΩ
R3 ............... 1 kΩ
R4 ............... 2,2 kΩ
R5 ............... 5,6 kΩ
R6 ............... 5,6 kΩ
R7 ............... 1 kΩ
R8 ............... 82 Ω 1/2 W
R9 ............... 47 kΩ
R10 .............. 4 7 kΩ
R11 .............. 10 MΩ
R12 .............. 1 kΩ
C1 ............... 4,7 nF polyester
C2 ............... 100 nF polyester
C3 ............... 4,7 μF électrolytique
C4 ............... 100 nF polyester
C5 ............... 470 nF polyester
C6 ............... 1 μF polyester
C7 ............... 22 μF électrolytique
C8 ............... 10 μF électrolytique
C9 ............... 100 μF électrolytique
C10 .............. 100 mF électrolytique
C11 .............. 100 nF polyester
C12 .............. 4,7 nF polyester
C13 .............. 68 pF céramique
C14 .............. 100 nF polyester
C15 .............. 100 nF polyester
C16 .............. 100 n pF polyester
C17 .............. 1 μF électrolytique
DS1 .............. 1N4150
DS2 .............. 1N4150
DS3 .............. 1N4150
DL1 .............. LED rouge
IC1 .............. NE5521N
IC2 .............. TL081
IC3 .............. CA3130
IC4 .............. μA7812
mA = galvanomètre 200 mA zéro central
L1/A-L2/A ........ self mod. L922
L1/B-L2/B ........ self mod. L922


La réalisation pratique
Sur le circuit imprimé double face à trous métallisés EN1358, dont la figure 2b-1 et 2 donne les dessins à l’échelle 1, placez tous les composants comme le montre la figure 2a.
Commencez par les supports des trois circuits intégrés. Pour prélever le signal de cette platine détectrice, on se servira d’un morceau de câble coaxial RG174. Raccordez-le à la prise fixée sur le boîtier métallique du détecteur pendulaire. La tension d’alimentation de 20 à 24 V qui, rappelons-le, pourra être prélevée sur la platine de l’interface, entre par une douille de 4 mm. Enfin, l’emplacement central du circuit imprimé entre les deux enroulements reçoit une petite cuve en plastique à remplir d’huile pour assurer l’amortissement du pendule.

Le montage dans le boîtier
Le boîtier métallique vertical du détecteur pendulaire contient, outre le pendule, la platine qu’on vient de monter.
Il se compose de trois faces latérales, d’un capot ou couvercle horizontal et d’un socle, horizontal aussi, avec deux vérins et une vis fixe pour régler l’aplomb. Après avoir assemblé les trois faces latérales, fixez le tout sur le socle à l’aide des vis. Montez les deux vis moletées servant de vérins de réglage de l’aplomb ainsi que la troisième vis fixe. Fixez le circuit imprimé, à l’aide d’entretoises, sur le socle du boîtier. Un petit bac plastique, rempli avec de l’huile multigrade pour moteur de voiture jusqu’à 1 cm du bord supérieur, est à fixer avec des vis sur le circuit imprimé. Montez ensuite le pendule. Prenez les deux guides en aluminium et sur l’extrémité supérieure fixez les deux lamelles d’acier de 0,06 mm d’épaisseur.
Aux extrémités opposées, fixez les deux plaquettes en plastique lesquelles, une fois immergées dans l’huile de la cuve, feront office d’amortisseur hydraulique. Les deux plaquettes servent à maintenir le noyau en ferrox-cube. Dans le trou situé à environ 5 cm de l’extrémité inférieure du balancier, fixez la tige filetée recevant les deux contrepoids. Fixez ensuite les lamelles aux deux équerres d’aluminium en L et serrez le tout sur le capot supérieur venant coiffer le boîtier déjà monté. Guidez le balancier et les plaquettes dans le réservoir rempli d’huile. Pour permettre une oscillation libre du balancier, veillez à ce que les plaquettes ne touchent pas le fond de la cuve à huile. Fixez sur le boîtier la prise de sortie du signal et le bornier d’alimentation, sans oublier de les relier intérieurement à la platine.

Le noyau de ferrox-cube
Avant d’insérer le noyau de ferroxcube dans les trous présents sur les deux morceaux de plastique, faites un point de couleur blanche à la moitié de sa longueur pour le centrer parfaitement dans la barre. Enfilez ensuite le noyau de ferrite dans les deux morceaux de plastique en le faisant passer par l’orifice présent sur un des panneaux latéraux du boîtier.
Contrôlez que le noyau est bien centré entre les deux enroulements et que, si l’on déplace le pendule vers la droite et vers la gauche, le noyau ne touche pas leur face intérieure. Le noyau devrait déjà être stable sur son support sans le coller ; mais si vous voulez le fixer, il suffira d’y mettre une goutte de colle.

Les contrepoids
Sur l’axe fileté vissez deux écrous, serrez-les modérément contre les barres, enfilez les deux poids et serrez toujours modérément les deux autres écrous : il suffit que les poids soient maintenus en place.

Le boîtier du pendule
Il faudrait placer ce détecteur sur le sol d’une cave ou à défaut d’un rez-de-chaussée. Ensuite avec un câble coaxial RG174 doté de sa prise mâle et un fil fin et souple pourvu d’une prise “banane”, reliez le détecteur (par exemple situé au sous-sol) avec l’interface et l’ordinateur pouvant être situés un étage plus haut (par exemple au rez-de-chaussée).
La LED située sur le circuit imprimé du détecteur pendulaire s’allumera.
Si vous regardez alors le galvanomètre à zéro central, vous verrez que son aiguille n’est pas tout à fait au centre de l’échelle : c’est qu’il vous reste à mettre l’appareil de niveau (ou d’aplomb) à l’aide des deux vérins ; quand vous y serez parvenus, l’aiguille sera parfaitement centrée ; vous pouvez dégrossir avec un niveau à bulle placé sur les deux axes x et y du plan horizontal.
Vous pouvez alors fermer l’orifice du panneau latéral du boîtier avec son morceau de tôle et celui de la face avant avec la plaque de plexiglas de protection contre les poussières et les insectes.

3 commentaires:

  1. Bonjour,
    quelqu'un peut me dire c'est quoi sismographe?

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  2. c est pour voir les tremblements de terre
    bonjour
    pouver vous me dire quelle est la solution pour pouvoir imprimerles circuits imprimés car je n arive pas a les metre a la bonne dimension
    merci d avance

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  3. Mercie mon ami pour votre réponse.
    Pour imprimer un circuit imprimé au format réel je crois que la meilleur solution est de mettre l'image du circuit imprimer de l'echelle 1/1 sur une page de word au format A4 sans la redimontionner, puis vous imprimez.

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