Projekt:Geophon

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Geophon

Status: beta

Beschreibung Bodenbewegungen messen
Ansprechpartner Hendi
Version 0.0


Übersicht

Aschaffenburg grenzt an die seismisch sehr aktiven Region Darmstadt, deren Erdbeben durch den seit ca. 45 Mio. Jahren keilförmig absinkende Oberrheingraben bedingt sind, und u.a. den Odenwald aufgefaltet hat. Da mich elektronische Messtechnik sehr und (verstaubt) Geologie auch ein wenig interessiert wollte ich beides miteinander verbinden. Für den Einstieg sollten es keine mechanisch allzu aufwendigen Sensoren werden, sondern günstig gebraucht erhältliche Geophone. Das sind Verwandte der dynamischen Mikrofone, zum abhorchen des Bodens, auch bei niedrigeren als den hörbaren Frequenzen. Wenn die laufen kann man sich an edlere Systeme begeben. :-)


Status

Läuft, aber an ungünstigem Platz mit vielen Signalen durch Zivilisation. Zu einem vom HLNUG als Erdbeben veröffentlichtem Ereignis wurde ein korrespondierendes Signal gemessen.

Galerie

Geophon 1 (Development)


Erster eindeutiger Treffer

Erdbeben bei Ober-Ramstadt am 29.10.19 um 17:24:05.2 UTC mit der Magnitude von 1.9 und einer angegebenen Tiefe von 14 km liess sich deutlich in den Aufnahmen erkennen:

29.10.19 Ober-Ramstadt.png

[SVG-Plot]

Ober-Ramstadt, 29.10.19 (Link zum PDF des Hessischen Erdbebendienst)

Outdoor unit Geophon 1


Autor & Ansprechpartner

Hendi

MarkusG

Beschreibung

Messobjekt

Das Messobjekt ist ein im All umherflitzender Körper namens Erde mit 12756,32 km Äquatordurchmesser, auf dessen Oberfläche mehrere Segmente (Kontinentalplatten) einer relativ harten Kruste auf einer zähflüssigen Phase im Innern herumrutscht. Zum Ausgleich der Bewegungen knirscht es in diesen Segmenten, insbesondere am Rand. Aber auch innerhalb der Kontinentalplatten gibt es Druck- und Zugwirkung, durch die zum Beispiel Gebirge aufgefaltet werden. In der Nähe des Meßortes gibt es das Phänomen des Oberrheingraben, bei welchem durch einen Grabenbruch ein Stück kontinentaler Platte keilförmig absinkt und seitlich davon Mittelgebirge aufgetürmt werden.

Standort

Das "Produktive" Geophon steckt im Lehmboden in einem Gewölbekeller innerorts, nur wenige m von der Straße entfernt, Die Lage ist im Maintalsediment nur wenige Meter über dem Mainpegel, die geologische Karte des BayernAtlas enthält wegen der Überbauung keine gescheiten Daten vom Standort, außerhalb des Orts in ähnlicher Lage wird der Boden aber als würmzeitliche Schotter mit Kies und Sand geführt. Das ist sicher kein so gutes Koppelungsmedium wie Felsuntergrund.

Potentielle Störquellen: Abgesehen von Straßenverkehr gibt es eine Bahnlinie und Wasserkraftwerk mit Schleuse in der Nähe. Deren Auswirkung muss jedoch erst mal genauer betrachtet werden.

Ein weiteres Exemplar zur Entwicklung steht einige Meter weiter im Erdgeschoß hinter dem PC auf dem Boden, siehe Bild.

Sensoren

Auf Ebay wurden günstig drei gebrauchte [1] mitsamt Einsteck-Gehäuse beschafft, die für seismische Exploration gedacht sind. Diese haben Hochpasscharakteristik (natürliche Frequenz 10 Hz), Spurious resonance bei 200 Hz und eine Empfindlichkeit von 28V/m/s wenn unbelastet.

Abtastung und Konditionierung

Beide Geophone sind mit Widerständen bedämpft und werden mit einem für Wheatstonebrücken gedachten ADC, dem HX711 von AVIA, mit 10 Samples pro Sekunde abgetastet. Das ist wenig, aber in der Betriebsart mit 80 Samples pro Sekunde werden die Störungen stärker. Ein Spannungsteiler, der die Brückenversorgungsspannung des Frontend-IC-halbiert, ist an eine Seite des Geophon angeschlossen damit es für den ADC auch wie eine Wheatstonebrücke aussieht. Die beiden Anschlüsse des Geophon sind mit dem differentiellen Eingang für den PGA mit *64 und *128 verbunden.


Set 1 (Development)

Das Geophon ist wie im Datenblatt zur Unterdrückung des 10 Hz Peak angegeben mit 1 kΩ belastet, und zusätzlich ist eine Widerstandsdekade angeschlossen um noch stärker zu bedämpfen. Vor dem Eingang zum ADC ist ein Tiefpassfilter mit 47 kΩ und 100 nF geschaltet, um Störungen zu unterdrücken, der errechnete -3dB-Punkt ist bei ca. 33 Hz. Zu hoch für ein Anti-Aliasing-Filter aber einen Anteil der Störeinflüsse wird es schon unterdrücken. Die Leitung und Elektronik sind nicht geschirmt, aber der ADC in Schaumstoff verpackt um Temperaturschwankungen etwas abzumildern. Geloggt wird mit einem Pi Zero W, Versorgung ist über eine Powerbank möglich. Beim Betrieb im Garten wird es mit einer Plastikabdeckung geschützt.

Set 2 (Produktiv)

Das Geophon ist wie im Datenblatt zur Unterdrückung des 10 Hz Peak angegeben mit 1 kΩ belastet, was die Empfindlichkeit auf 20V/m/s reduziert und direkt an den ADC-Eingang angeschlossen. Die Zuleitung ist geschirmt, der ADC und der Arduino in einer gemeinsamen Abschirmbox.

(Der unterschiedliche Situation bei der Schirmung ist lediglich bedingt durch die investierbare Zeit, das wird sicher mal harmonisiert!)

Verarbeitung

Frontend

Der ADC wird von einem Arduino Nano kontinuierlich abgefragt und der Messwert, von dem ein bei der Initialisierung ermittelter Offset abgezogen wird, im Klartext über die Seriell-over-USB Schnitsstelle übertragen. Der produktive Arduino wird durch einen selbstgebauten USB-Isolator (http://dl1dow.de/artikel/usb-isolator/index.htm) galvanisch vom Pi und allem anderen entkoppelt um elektrische Störungen vom Frontend fernzuhalten.

Logging-PC

Das Logging erfolgt auf einem Raspberry Pi, der die seriellen Messwerte vom Arduino empfängt und mit einem UNIX Timestamp als CSV-Datei speichert.

Interessante Beobachtungen und Fallen

Netzgerätelüfter stört

Beim Abgleich wunderte ich mich über den hohen Rauschanteil, als Ursache war nach etwas Grübelei eine externe Beeinflussung erkannt: Der Lüfter des Labornetzgeräts. Und der koppelte mechanisch zum Geophon, erfreulicherweise nicht durch EMV. Das Oszillogramm zeigt vorne mit, hinten ohne Lüfter. Auch positionieren des Geophon auf weicher Unterlage verringerte die Störung.

Noise reduction.gif


Rauschen und menschengemachte Geräusche

Leider ist mit dem jetztigen Aufbau noch nicht viel zu erreichen, einfach zu viele Störgeräusche. So war noch nicht mal das Beben vom 5. Juni in Gernsheim sichtbar (Magnitude 2,1) Das kommt aber vermutlich nicht alles vom Verstärker und Sensor, möglicherweise spielt da auch der (niederfrequente) Lärm der Schleuse und der Stauwehre am Main eine Rolle, ca. 300 m vom Meßort entfernt. Gut erkennbar ist aber das menschliche Aktivitäten gemessen werden, es gibt einen deutlichen Anstieg ab ca. 7 Uhr.

Rauschen plus kultur.png

Verkehr

Große Ausschläge bringen natürlich Fahrzeuge, die unmittelbar auf der Straße neben dem Haus vorbeifahren, weniger als 5m vom Sensor weg:

Laufen plus LKW.png

Die letzten Sekunden dieser Datei zeigen das vorbeifahren eines LKW, möglicherweise ist ein Teil der Ausschläge davor durch mein herumlaufen im Erdgeschoss ausgelöst.

Waldboden

Als Gegenprobe verbrachte ich den mobilen Sensoraufbau, der schon bei der Museumsnacht und dem Fest Brüderschaft der Völker im Einsatz war, bei einer Naturbeobachtungsrunde mit Kind 1 in den Obernauer Wald, ca. 100m von der nächstgelegenen Bebaung (DJK TTC Heim) und sicher 200m von intensiver Menschlicher Aktivität entfernt:

Obernauer Wald 28.7.19.png

Zoombares SVG: File:Geophon HX711 im Obernauer Wald.svg

Effekt eines USB-Isolators

Die galvanische Entkopplung des USB Bus half ebenfalls Störungen zu reduzieren, wie dieser davor-danach-Vergleich zeigt:

Nousbiso.png

Usbiso.png

Schirmgehäuse

Austausch des ungeschirmt aufgebauten Sercel-HX711-Geophon gegen HX711-Arduino-Kombi in Blechgehäuse mit abgeschirmter Leitung zum Sercel-Geophon am 24.08.2019: Davor (ungeschirmt, nachts):

2-hx711-ungeschirmt-nacht.png

Danach (geschirmt. tagsüber):

3-hx711-geschirmt-ruhiger-tag.png

Random

  • Ein umgestülpter Eimer als Regenschutz hilft nicht gegen Geprassel im Signal. (Galt zumindest mit Soundkarte als ADC)
  • Trotz Lage nah an Straße ist mein Gewölbekeller ruhiger als der Garten weiter hinten. (Galt zumindest mit Soundkarte als ADC)
  • Soundkarte: Audiobandbreite ist einfach zu hoch für das was interessiert. ohne Hochpass und mit rauscharmer Referenzspannung, hallo AD7124-4?)
  • Verkehr und Bewegung im Haus zeigen sich deutlich, möglichst entfernt von menschlicher Aktivität messen!

Danke an

Nick für die Anregung was mit HX711 zu machen Jasmin für die Geduld mit mir. :)

Dinge

PC-Anwendung zum loggen der Daten, Produkivversion File:geolog-3-hx711-s.zip

PC-Anwendung zum loggen der Daten, dev-Version Datei:Geolog-4-hx711-s.zip

Gnuplot-Script zum ausgeben der CSV als PDF File:plot.zip

Beispiel CSV-Datei mit dem Erdbeben vom 29.10.19 File:seismometer_3-hx711-s_10_29_2019.zip

Arduino Sketchbook zum Auslesen des HX711 und serielle Übertragung File:geoadc.zip

Projekttagebuch

Datum Aktion Teilnehmer
8.01.2019 Geophone auf Schreibtisch getestet Hendi
11.01.2019 Geophone abends im Außenbereich ausprobiert Hendi
17.01.2019 Erfolgreiche Aufnahme von etwas, das auch an Seismometer Darmstadt ankam? Hendi
25.01.2019 Geophone wurden für einen Vortrag im Juli 2019 angefragt Hendi
22.03.2019 Geophone-Vorverstärker aufgebaut Hendi
28.03.2019 Besuch bei mineralogischem Stammtisch des Nat.-Wiss. Verein AB wegen Seismometer. Hendi
13.04.2019 Geophon Vorverstärker funktioniert, nun muss digitalisiert werden. Hendi
06.07.2019 Billige Kombi aus Arduino Nano und HX711 sind vielversprechend! Danke für die Anregung, Benutzer:Nick! Hendi
08.07.2019 Geophon mit Arduino und HX711 verheiratet, Darstellung auf XP-Notebook: Einsatzbereit für Museumsnacht am 13.7.! Hendi
13.07.2019 Livevorführung in der langen Museumsnacht im Naturkundlichen Museum Schönborner Hof Hendi
19-21.07.2019 Livevorführung beim Fest Brüderschaft der Völker Hendi
28.07.2019 HX711 und NIC-DMM-Variante laufen parallel im Keller. USB-Isolatoren sind nützlich! Hendi
13.08.2019 Besuch von Neumitglied Werner mit Eigenbau-Geophon nach Museumsnacht-Inspiration: Lautsprecherbasis, Opamp-Vorverstärker und integrierte Batterieversorgung Hendi
24.08.2019 Umstellung auf Geophon mit HX711 und Schirmung Hendi
29.10.2019 Nahbeben in Ober-Ramstadt aufgezeichnet Hendi
21.11.2019 Kleinigkeiten an Pythonscript modifiziert, Tages-CSV werden mit tar komprimiert, Divisor für kompaktere Zahlen Hendi
28.12.2019 Dev-Geophon 1 als Komplettsystem in Karton, Betrieb im Garten so weit die Powerbank reicht Hendi
06.01.2020 Messdaten des hessischen Erdbebendienst zum Vergleich erhalten Hendi

Notizen

Andere Sensoren - für später?

  • FMES (Fluid mass electrolytic seismometer) Flüsssigkeitspegel in zwei verbundenen Gefäßen wird gemessen. Wird die Flüssigkeit beschleunigt, schwappt es. [2]
  • Lehman-Seismometer Horizontalpendel nach Gartentür-Prinzip. (Habe Aluprofilschrott da, damit geht vielleicht was. Oder mal bei Rose&Krieger betteln. Oder bei Nick VAXMAN zu Lehman-Seismometer
  • Shackleford-Gundersen Seismometer durch Elektromagnet gedämpftes kurzes Pendel.
  • Blattfederseismometer Vertikalseismometer, auch dämpfbar.