Caracterización y diseño de sistemas de adquisición y gestión de datos, aplicados a la medición de la actividad sísmica volcánica
Authors:   , Carreras Pons Normandino 
Published: August 2023

Volcanic eruptions result of the energy stored within the planet are a danger to both populations and to the towns. As inevitable natural events, it is necessary to continue evolving in the study of the physics of the Earth and to maintain a technological breakthrough that allows for better and more effective forecasts. The study of global seismic activity is based on having a network of seismometers and institutions aimed at determining the risk posed by landslides resulting from earthquakes, leaving the specific study of volcanic seismicity in a second plane. Because a volcano may wait thousands of years in inactive phase, it is difficult to convince the authorities responsible of civil protection to maintain the necessary equipment to control volcanic seismicity.
Traditional instrumentation on volcanology uses broadband seismometers which are expensive, bulky, difficult to install and energy-intensive. To all this we must add the possibility that these volcanic monitoring equipment end up destroyed or depleted energy source. A result of which would be necessary some devices whose characteristics include low cost and high autonomy. These equipments do not exist in the market today. Another type of sensor used in most other fields, such as seismic refraction, is the electromagnetic sensor called SM6 that is small-sized, lightweight and also low cost. In this thesis, in order to use it for volcano monitoring, it has been conditioned electronically modifying its transfer function, making it work as well as a broadband sensor type.
The necessity of having the ability to acquire data for long periods of time and with the possibility of remotely transmitting implies that they have high energy requirements. Have been applied in the equipment itself, processing algorithms seismic information STA / LTA (Short Term Average / Long Term Average) so once interesting events are detected, perform sending the data, with the consequent messages reduction, and hence an increased autonomy of the team.
In order to determine the consumption of volcanic monitoring system proposed, have been evaluated each of its components. Then have been analysed different types of piezoelectric sensors (Murata 7BB-35-3L0, Volture v21b) in order to determine the amount of electrical energy that can be obtained from the medium. The initial proposal where is combined the use of a disc-shaped piezoelectric and a pendulum striking the piezoelectric, has been discarded due to low efficiency and the high piezoelectric degradation. Alternatively, there has been designed a prototype of Savonius mini-turbine with Volture v21b sensors, all of it with a sprocket on rotor rubbing piezoelectric element. Finally, the design has been optimized so that the piezoelectric is always at optimum mode of power generation by vibration, determining the ideal distance between the sprocket and the number of piezoelectric needed to provide power for monitoring volcanic system.
The end result of thesis work has allowed the realization of a compact seismic acquisition, low-power, long-range telemetry and lightweight for easy transport. The equipment has been validated in the laboratory by automated measuring systems and calibration procedures. Its design has been tested in different measurement campaigns in the islands of El Hierro and Tenerife, by comparisons with reference equipment and high performance, from the Instituto Geográfico Nacional devices.
Las erupciones volcánicas son manifestaciones de la energía del planeta que constituyen un peligro natural para la población y las estructuras. Por su origen son fenómenos inevitables, pero la evolución conseguida en el estudio de la física de la Tierra conjuntamente con la continua evolución tecnológica permiten cada vez más, disponer de pronósticos más eficaces y facilitar una respuesta adecuada ante estas situaciones. Mientras que el estudio de la actividad sísmica global está cubierto por redes de sismómetros e instituciones focalizadas al riesgo sísmico derivado de terremotos, el estudio específico de la sismicidad volcánica está poco extendido, debido a que un volcán puede presentar periodos de inactividad de miles de años. Siendo por tanto muy difícil convencer a las autoridades de protección civil para que instalen y mantengan redes instrumentales en estos casos. La instrumentación tradicional volcánica emplea sismómetros de banda ancha (broadband), que son caros, voluminosos, difíciles de instalar, y con gran consumo energético. A todo esto, hay que añadir que dichos equipos de monitorización volcánica acaben destruidos, o con la fuente de energía agotada, debido a lo cual, se hace evidente la necesidad de disponer de equipos de muy bajo coste y gran autonomía, que actualmente no existen. Otro tipo de sensor muy utilizado en otros campos, como el de la sísmica de refracción, es el sensor electromagnético SM6 que es pequeño, pesa poco, y de bajo coste. En este trabajo de tesis, con el objetivo de utilizarlo para la monitorización sísmica volcánica, se ha acondicionado electrónicamente un sensor SM6 modificando su función de transferencia, haciéndolo trabajar así como un sensor de tipo ¿broadband¿. La necesidad de disponer de equipos capaces de adquirir datos durante largos periodos de tiempo y con la posibilidad de transmitirlos remotamente, supone unos requerimientos energéticos altos. Se han aplicado en el propio equipo, algoritmos de procesado de la información sísmica STA/LTA (Short Term Average/Long Term Average), permitiendo que una vez se detecten eventos interesantes, se produzca el envío de los datos, con la consecuente reducción de mensajes, y por tanto un aumento de la autonomía del equipo. Con el objetivo de conocer el consumo del sistema de monitorización volcánica propuesto, se han evaluado cada uno de los componentes. Después, se han analizado diferentes tipos de sensores piezoeléctricos (Murata 7BB-35-3L0, Volture v21b) con la intención de determinar la cantidad de energía eléctrica que se puede obtener del medio. La propuesta inicial donde se combinaba el uso de un piezoeléctricos en forma de disco y un péndulo golpeando al piezoeléctrico se ha desestimado, debido a la baja eficiencia y alta degradación del piezoeléctrico. Como alternativa, se ha realizado un prototipo de mini-aerogenerador Savonius con sensores Volture v21b en forma de viga y una rueda dentada como elemento de fricción. Finalmente, el diseño ha sido optimizado de tal modo que el piezoeléctrico se encuentre siempre en modo óptimo de generación eléctrica por vibración, determinando la distancia idónea entre la rueda dentada y el número de piezoeléctricos necesarios para suministrar la energía suficiente para el sistema de monitorización volcánica. El resultado final del trabajo de tesis ha permitido la realización de un equipo de adquisición sísmica compacto, de bajo consumo, con telemetría de largo alcance y de bajo peso para facilitar su transporte. El equipo ha sido validado en el laboratorio mediante sistemas de medida automatizados y procedimientos de calibración. Su diseño ha sido verificado en diferentes campañas de medición en las islas de El Hierro y Tenerife, mediante comparativas con equipos de referencia y altas prestaciones de los que dispone el Instituto Geográfico Nacional.