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Projekt:Geophon (Quelltext anzeigen)

Version vom 31. Oktober 2019, 21:42 Uhr

269 Bytes hinzugefügt ,  31. Oktober 2019
29.10.19 Ober-Ramstadt
(29.10.19 Ober-Ramstadt)
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= Übersicht =
= Übersicht =
Aschaffenburg ist zwar nicht Taiwan, aber wir grenzen an die seismisch sehr aktive Region Darmstadt und sind damit noch im Bereich, in dem der seit ca. 45 Mio. Jahren keilförmig absinkende Oberrheingraben 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 erhältliche Geophone. Das sind Verwandte der dynamischen Mikrofone, welche 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. 1 eindeutiges Ereignis das zu Veröffentlichung des HLNUG passt.
== Galerie ==


=== Erster eindeutiger Treffer ===


Aschaffenburg ist zwar nicht Taiwan, aber wir grenzen an die seismisch sehr aktive Region Darmstadt und sind damit noch im Bereich, in dem der seit ca. 45 Mio. Jahren keilförmig absinkende Oberrheingraben 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 erhältliche Geophone. Das sind Verwandte der dynamischen Mikrofone, welche zum abhorchen des Bodens, auch bei niedrigeren als den hörbaren Frequenzen. Wenn die laufen kann man sich an edlere Systeme begeben. :-)
Ein Erdbeben 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: Zuerst die P-Welle, kurz danach die S-Welle mit der typischen Hüllkurve einer gedämpften Schwingung.


[[File:29.10.19 Ober-Ramstadt.png|600px]]


==Status==
[[https://wiki.schaffenburg.org/images/4/45/29.10.19_Ober-Ramstadt.svg|SVG-Plot]]


In Bearbeitung, aber erste $DINGE vorführbar
[https://www.hlnug.de//fileadmin/messwerte/erdbebendienst/hlnug2019vfjyk.pdf Ober-Ramstadt, 29.10.19 (Link zum PDF des Hessischen Erdbebendienst)]




==Autor & Ansprechpartner==
==Autor & Ansprechpartner==
[[Benutzer:Dg3hda|Hendi]]
[[Benutzer:Dg3hda|Hendi]]




==Beschreibung==
==Beschreibung==
 
Die Messkette sieht ähnlich aus wie andere, aber mit der Erde als Messobjekt:
Wie so viele Messeinrichtungen besteht das ganze aus folgenden Komponenten:
[[File:messkette.png|800px]]
 
* Messobjekt
* Sensor
* ggf. Vorverstärker
* Analog-Digital-Wandler
* Logger


=== Messobjekt ===
=== Messobjekt ===
Das 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 [https://v.bayern.de/trqnq 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.


Das Geophon steckt im Lehmboden in einem Gewölbekeller in Obernau innerorts, nur wenige m von der Straße entfernt, wodurch es deutliche menschlich erzeugte Signale gibt, siehe unten. Die Lage ist im Maintalsediment nur wenige Meter über dem Mainpegel, die [https://v.bayern.de/trqnq 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. Störquellen: Abgesehen von Straßenverkehr gibt es eine Bahnlinie in ca. 350m Entfernung und die Schleuse und Wasserkraftwerk Obernau in ca. 225m Entfernung.
Störquellen: Abgesehen von Straßenverkehr gibt es eine Bahnlinie und Wasserkraftwerk mit Schleuse in der Nähe.
 


=== Sensorik ===
=== Sensorik ===
 
Für den Einstieg sollten es keine mechanisch allzu aufwendigen und teuren  Sensoren werden, sondern günstig erhältliche [https://de.wikipedia.org/wiki/Geophon Geophone] für die Lagerstättenerkundung mittels Vibroseismik. Ebay spuckte günstig drei [http://www.sercel.com/products/Pages/jf-20dx.aspx Sercel JF20DX mit 10 Hz Grenzfrequenz] aus. Das sind Verwandte der dynamischen Mikrofone, welche zum abhorchen des Bodens, auch bei niedrigeren als den hörbaren Frequenzen dienen. Diese haben einen Dorn der direkt in den Boden gesteckt wird. Damit werden wir wohl vor allem starke, lokale Ereignisse mitkriegen, für entfernte Beben muss dann doch ein besserer Sensor her.
Für den Einstieg sollten es keine mechanisch allzu aufwendigen und teuren  Sensoren werden, sondern günstig erhältliche [https://de.wikipedia.org/wiki/Geophon Geophone] für die Lagerstättenerkundung mittels Vibroseismik. Ebay spuckte günstig drei [http://www.sercel.com/products/Pages/jf-20dx.aspx Sercel JF20DX mit 10 Hz Grenzfrequenz] aus. Das sind Verwandte der dynamischen Mikrofone, welche zum abhorchen des Bodens, auch bei niedrigeren als den hörbaren Frequenzen dienen. Diese haben einen Dorn der direkt in den Boden gesteckt wird.  
 
Damit werden wir wohl vor allem starke, lokale Ereignisse mitkriegen, für entfernte Beben muss dann doch ein besserer Sensor her.
 


=== Preamp und Analog-digital-Wandlung ===
=== Preamp und Analog-digital-Wandlung ===
==== Vorverstärker mit NIC ====
==== Vorverstärker mit NIC ====
Einen Vorverstärker auf Basis von [http://www.vaxman.de/publications/teach_gp.pdf VAXMANs NIC] wurde aufgebaut und ausprobiert. Digitalisiert wurde mit einem Digitalmultimeter (muss dringend durch ADC und Arduino ersetzt werden :-)). Der negative Impedanzkonverter soll das Geophon überdämpfen und dadurch die untere Grenzfrequenz nach unten verschieben, während eine Tiefpasstufe hochfrequente Signale unterdrückt. 50 Hz werden schon sehr effektiv gefiltert, aber langsame Bewegungen mit Periodendauer um die Sekunde scheinen darstellbar:


Einen Vorverstärker auf Basis von [http://www.vaxman.de/publications/teach_gp.pdf VAXMANs NIC] wurde aufgebaut und ausprobiert. Digitalisiert wurde mit einem Digitalmultimeter (muss dringend durch ADC und Arduino ersetzt werden :-)). Der negative Impedanzkonverter soll das Geophon überdämpfen und dadurch die untere Grenzfrequenz nach unten verschieben, während eine Tiefpasstufe hochfrequente Signale unterdrückt. 50 Hz werden schon sehr effektiv gefiltert, aber langsame Bewegungen mit Periodendauer um die Sekunde scheinen darstellbar:
[[File:lf.gif |upright=0.5]200px]
[[File:lf.gif |upright=0.5]]




==== HX711 ====
==== HX711 ====
 
Auf indirekte Anregung von Nick probierte ich aus das Geophon von einem sehr preisgünstigen chinesischen ADC abtasten zu lassen. Auf einer Seite des Geophons sorgt ein Spannungsteiler dafür das Geophon mitten im Gleichtaktbereich des Eingangs zu halten. Ohne Überdämpfung, aber mordsbillich wie man es gerne hat. Spoiler alert: Ja, es geht damit.
Auf indirekte Anregung von Nick probierte ich aus das Geophon von einem sehr preisgünstigen chinesischen ADC abtasten zu lassen. Auf einer Seite des Geophons sorgt ein Spannungsteiler dafür das Geophon mitten im Gleichtaktbereich des Eingangs zu halten. Ohne Überdämpfung, aber mordsbillich wie man es gerne hat. (Evtl. Dämpfungswiderstand mal verkleinern?)




==== Soundkarte ====
==== Soundkarte ====
Mordsbandbreite und taub unter ca. 20 Hz, aber da sie vorhanden war wurde sie mal ausprobiert.
Mordsbandbreite und taub unter ca. 20 Hz, aber da sie vorhanden war wurde sie mal ausprobiert.




=== Verarbeitung ===
=== Verarbeitung ===
Bei Variante 1 wird der serielle Ausgang des Multimeter geloggt, bei Variante 2 wird der HX711 von einem Arduino ausgelesen und über die serielle Schnittstelle von diesem zum loggenden Rechner übertragen. Dort läuft ein Logger, der Messwert und UNIX Timestamp loggt.
Bei Variante 1 wird der serielle Ausgang des Multimeter geloggt, bei Variante 2 wird der HX711 von einem Arduino ausgelesen und über die serielle Schnittstelle von diesem zum loggenden Rechner übertragen. Dort läuft ein Logger, der Messwert und UNIX Timestamp loggt.




=== Interessante Beobachtungen und Fallen ===
=== Interessante Beobachtungen und Fallen ===
==== Netzgerätelüfter stört ====
==== 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.
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.


[[File:noise reduction.gif |upright=0.5|400px]]
[[File:noise reduction.gif |upright=0.5|200px]]




==== Rauschen und menschengemachte Geräusche ====
==== 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.   
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.   


[[File:rauschen plus kultur.png|400px]]
[[File:rauschen plus kultur.png|200px]]


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


[[File:laufen plus LKW.png|400px]]
[[File:laufen plus LKW.png|200px]]


Die letzten Sekunden dieser Datei zeigen das vorbeifahren eines LKW, möglicherweise ist ein Teil der Ausschläge davor durch mein herumlaufen im Erdgeschoss ausgelöst.
Die letzten Sekunden dieser Datei zeigen das vorbeifahren eines LKW, möglicherweise ist ein Teil der Ausschläge davor durch mein herumlaufen im Erdgeschoss ausgelöst.
Ein Teil des Rauschen scheint wirklich vom Boden zu stammen, denn wenn ich die Geophone auf die Seite lege ist das Rauschen niedriger.


===== Waldboden =====  
===== 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:
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:


[[File:Obernauer Wald 28.7.19.png|400px]]
[[File:Obernauer Wald 28.7.19.png|200px]]


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


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


[[File:nousbiso.png|400px]]
[[File:nousbiso.png|300px]]


[[File:usbiso.png|400px]]
[[File:usbiso.png|300px]]


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


[[File:2-hx711-ungeschirmt-nacht.png|400px]]
[[File:2-hx711-ungeschirmt-nacht.png|300px]]


Danach (geschirmt. tagsüber):
Danach (geschirmt. tagsüber):


[[File:3-hx711-geschirmt-ruhiger-tag.png|400px]]
[[File:3-hx711-geschirmt-ruhiger-tag.png|300px]]


==== Random ====
==== Random ====
 
* Ein umgestülpter Eimer als Regenschutz hilft nicht gegen Geprassel im Signal.  
Ein umgestülpter Eimer als Regenschutz hilft nicht gegen Geprassel im Signal. Trotz Lage nah an Straße ist mein Gewölbekeller ruhiger als der Garten weiter hinten.
* Trotz Lage nah an Straße ist mein Gewölbekeller ruhiger als der Garten weiter hinten.
Rauscharme, großsignalfeste Vorstufe (tendiere zu OPA209 oder dem teureren LTC2057 Autozero Opamp) unumgänglich, insbesondere bei langen Kabelstrecken. Möglichst früh digitalisieren (Soundkarte mit modifiziertem Hochpass oder gleich präzisen 24-bit-ADC mit Antialiasfilter, ohne Hochpass und mit rauscharmer Referenzspannung, hallo AD7124-4?)  
* 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 in der Aufnahme mit dem Audiorecorder deutlich, Audiobandbreite ist einfach zu hoch für das was interessiert.
* Verkehr und Bewegung im Haus zeigen sich deutlich, möglichst entfernt von menschlicher Aktivität messen!


==Danke an==
==Danke an==
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| 24.08.2019 || Umstellung auf Geophon mit HX711 und Schirmung  || [[Benutzer:Dg3hda|Hendi]]
| 24.08.2019 || Umstellung auf Geophon mit HX711 und Schirmung  || [[Benutzer:Dg3hda|Hendi]]
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| 29.10.2019 || [https://www.hlnug.de//fileadmin/messwerte/erdbebendienst/hlnug2019vfjyk.pdf Nahbeben in Ober-Ramstadt aufgezeichnet]  || [[Benutzer:Dg3hda|Hendi]]
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Dg3hda
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