I geofisici si affidano ai sismometri per monitorare i terremoti generati dal movimento delle placche tettoniche che formano la crosta terrestre. Per poter funzionare gli strumenti devono essere livellati prima dell'uso. Quest'operazione è semplice se il dispositivo è impiegato sulla terraferma, ma quando il sismometro viene posizionato su un fondale oceanico a migliaia di piedi dalla superficie, il processo risulta molto più complesso. Per risolvere il problema, Nanometrics Inc. (Canada, Ontario) combina sofisticati giunti cardanici e microprocessori con i motori passo-passo efficienti e altamente affidabili di FAULHABER.
Nella sua versione più semplice, un sismometro è composto da un telaio che si muove insieme alla roccia sottostante, un pendolo che funge sostanzialmente da massa inerte e dall'elettronica che traccia lo spostamento fra i due. I sismometri Nanometrics presentano tre masse inerti allineate su assi ortogonali per consentire agli strumenti di effettuare misurazioni in tre dimensioni. I sismometri a banda larga utilizzano di norma una sorta di pendolo inverso, in cui una molla non fornisce la gravità bensì la forza antagonista. I pendoli inversi non sono autocentranti, perciò devono essere bilanciati. I sismometri per i fondali oceanici operano svariati chilometri sotto la superficie, ad una profondità impraticabile per i cavi. Gli strumenti a batteria, invece, funzionano in modo autonomo per tutta la durata dell'esperimento, che può arrivare anche a un anno. Dopodiché, vengono riportati al laboratorio per essere analizzati e solo a quel punto gli utenti scoprono se hanno funzionato o meno.
Le navi che posizionano e recuperano i sismometri sui fondali oceanici sono molto costose, pertanto è necessario avere l'assoluta certezza che il sensore funzionerà perfettamente ogni volta. L'affidabilità è solo il primo dei tanti requisiti. I ricercatori posizionano i sismometri per fondali oceanici fissandoli a una slitta dotata di pesi e lasciandoli cadere sul fondo dell'oceano nel corso di un'operazione che può durare delle ore. Sul fondale, atterrano su una superficie a caso, spesso fangosa, con topografia locale non nota; quindi ha inizio il processo di livellamento. Per le applicazioni sottomarine, le condizioni tendono a essere stabili termicamente, mentre l'inclinazione meccanica può essere estrema e dinamica. Di conseguenza, il sistema di livellamento meccanico deve essere in grado di raddrizzare i sensori anche quando lo strumento approda sul fondale al contrario.
I tre assi del Trillium Compact OBS (fondali marini) e del Compact All-Terrain (terraferma) sono fissati l'un l'altro in modo rigido così che il sistema livella la piattaforma nel suo complesso. Per fornire un ampio intervallo di regolazione, Nanometrics monta il sismometro su un giunto cardanico motorizzato. Il telaio interno fa ruotare lo strumento sul suo stesso asse, quindi il telaio esterno fa ruotare lo strumento rispetto all'involucro. Gli accelerometri sul sismometro e sull'involucro determinano il grado di inclinazione, quindi il microprocessore impartisce ai motori il comando di regolare la posizione in base alle necessità, livellando completamente il sistema in 20 minuti. Il meccanismo di posizionamento necessita di una coppia per livellare il carico dello strumento. Di norma, il modo più semplice per aumentare la coppia è quello di scegliere un motore più grande o una combinazione con ingranaggio dotato di un rapporto di riduzione idoneo. Il problema che il team di ingegneri si è trovato ad affrontare era legato ai vincoli di spazio del design: scegliere un motore più grande era fuori discussione. Il motore avrebbe fatto aumentare il diametro dello strumento di un paio di centimetri. Uno strumento più grande avrebbe richiesto una slitta più ampia per il trasporto del dispositivo sul fondale, aumentando così il peso e i costi, oltre che le dimensioni. Il team aveva bisogno di motori robusti, affidabili, compatti e con un'elevata densità di coppia: la soluzione giusta è arrivata da MICROMO, azienda statunitense facente capo al Gruppo FAULHABER.
Il design prevede due motori passo-passo di FAULHABER controllati da un microprocessore. L'algoritmo di livellamento utilizza le letture dell'accelerometro per calcolare i movimenti del motore richiesti per il livellamento, ma il risultato di livellamento finale è controllato dai sismometri stessi. L'impiego di un motore passo-passo per il movimento garantisce un importante vantaggio in termini di affidabilità.
Il design trasferisce il movimento dal motore al sismometro dotato di giunto cardanico utilizzando un ingranaggio a vite, che permette di ottenere un design più compatto e robusto. L'ingranaggio garantisce inoltre stabilità, anche se esposto a sollecitazioni e vibrazioni. Gli ingranaggi a vite senza fine non possono essere retroazionati e questo protegge il carico del riduttore. Il team aveva poi la necessità di integrare l'ingranaggio a vite e il riduttore. Un metodo scontato sarebbe stato quello di unire i due elementi con una vite di fermo. L'albero motore, tuttavia, ha un diametro di soli 2 mm. Questo tipo di fissaggio, perciò, non era abbastanza affidabile per gli scienziati. Insieme agli specialisti applicativi di MICROMO è stato sviluppato un metodo per saldare l'ingranaggio direttamente sull'albero di uscita del riduttore. Ricevere i motori con l'ingranaggio già integrato velocizza e semplifica il processo di montaggio per Nanometrics.
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