Projekt:Geophon: Unterschied zwischen den Versionen

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|name            = Geophon
|name            = Geophon
|status          = In Bearbeitung
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|beschreibung    = Seismische Ereignisse messen
|beschreibung    = Bodenbewegungen messen
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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. :-)
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 (Ca. 10,- € in der Bucht). 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==
==Status==
Läuft, aber an ungünstigem Platz mit vielen Signalen durch Zivilisation. 1 eindeutiges Ereignis das zu Veröffentlichung des HLNUG passt.
Läuft, aber an ungünstigem Platz mit vielen Signalen durch Zivilisation. Zu einem vom HLNUG als Erdbeben veröffentlichtem Ereignis wurde ein [[#Erster_eindeutiger_Treffer|korrespondierendes Signal]] gemessen, mit der Zeit auch weitere mehr oder weniger sichere Erdbeben.
 
Auf dem Schaffenburg-Server ist schon ein Platz eingerichtet, https://schaffenburg.org/geo/
 
Im Unterverzeichnis /is/ werden bereits vom verwandten Infraschallsensor-Projekt tägliche Daten im CSV-Format abgelegt, nach diesem Schema werden auch die Geophondaten gespeichert.


== Galerie ==
== Galerie ==


=== Erster eindeutiger Treffer ===
=== Treffer und Verdachtsfälle ===
 
Sierentz, Frankreich [[:Datei:10 sept 22 Sierentz 4.7.png]]
 
Hechingen, Zollernalb [[:Datei:9 juli 22 schwäbische alb 4.1.png]]
 
[[:Datei:Bosnien-herzegowina mw4.8 24apr22 042754.png]]
 
[[:Datei:Breitenbach-Haut-Rhin02oct21 ml 2.9.png]]
 
Kroatien [[:Datei:Croatia 6.4 2020-12-29 11-19-54.6 UTC.pdf]]
 
La Wanzenau [[:File:La Wantzenau ML 3.8 4.12.20 05.58.30 UTC.png]]
 
Zollernalb [[:File:Zollernalb ML 4 30.11.2020 23.25.45.6 UTC.png]]
 
Schweres Beben Magnitude 6,4, Albanien [[:File:Durres 26nov19 0254.pdf ]]
 
Albnstadt [[:File:Albstadt 27jan20 2205z komplex.pdf]]
 
Gernsheim? [[:File:Gernsheim 05jan20 0042z questionable.pdf]]


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.
Darmstadt? [[:File:Darmstadt 01jan20 0320z questionable.pdf]]


[[File:29.10.19 Ober-Ramstadt.png|600px]]
Straßbourg [[:File:Straßbourg 12nov19.pdf]]


[[https://wiki.schaffenburg.org/images/4/45/29.10.19_Ober-Ramstadt.svg SVG-Plot]]
Albstadt [[:File:Albstadt 04nov19.pdf]]


[https://www.hlnug.de//fileadmin/messwerte/erdbebendienst/hlnug2019vfjyk.pdf Ober-Ramstadt, 29.10.19 (Link zum PDF des Hessischen Erdbebendienst)]
Ober-Ramstadt [[File:29.10.19 Ober-Ramstadt.png|300px]] [[https://wiki.schaffenburg.org/images/4/45/29.10.19_Ober-Ramstadt.svg SVG-Plot]] [https://www.hlnug.de//fileadmin/messwerte/erdbebendienst/hlnug2019vfjyk.pdf Ober-Ramstadt, 29.10.19 (Link zum PDF des Hessischen Erdbebendienst)]


Überlagerung meiner Messung mit HLNUG-Seismometer Bieber, Quelle: Hessischer Erdbebendienst, Hessisches Landesamt für Naturschutz, Umwelt und Geologie [[:File:Ober-Ramstadt.pdf]]


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


[[Benutzer:MarkusG|MarkusG]]


==Beschreibung==
==Beschreibung==
Die Messkette sieht ähnlich aus wie andere, aber mit der Erde als Messobjekt:
[[File:messkette.png|800px]]


=== 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 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 2 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.
 
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.
 
Wo es eine 2 gibt, gibt es auch eine 1, das ist das Versuchsexemplar. Und jetzt eine 3.


Störquellen: Abgesehen von Straßenverkehr gibt es eine Bahnlinie und Wasserkraftwerk mit Schleuse in der Nähe.
=== Sensoren ===


=== Sensorik ===
Auf Ebay wurden günstig drei gebrauchte [https://www.sercel.com/products/Lists/ProductSpecification/Geophones_specifications_Sercel_EN.pdf Sercel JF-20DX] 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.
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 ===
=== Abtastung und Konditionierung ===
==== 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:


[[File:lf.gif |upright=0.5]200px]
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.




==== HX711 ====
==== Set 1 (Development) ====
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.
<strike>Das Geophon ist wie im Datenblatt zur Unterdrückung des 10 Hz Peak angegeben mit 1 kΩ belastet. Vor dem Eingang zum ADC ist ein RC-Tiefpassfilter mit 320kΩ und 100 nF geschaltet, Grenzfrequenz ca. 5 Hz. Die Leitung und Elektronik sind nicht geschirmt, aber der ADC in Schaumstoff verpackt um Temperaturschwankungen etwas abzumildern. Geloggt wird mit einem Raspberry Pi Zero W, Versorgung ist über eine Powerbank möglich. Die Stromaufnahme des Pi 0 W wurde durch abschalten unnötiger Dinge reduziert, sie schwankt deutlich, zwischen 80 und 120 mA. Durch eine Powerbank kann man ihn kurzzeitig ganz gut mobil benutzen.</strike>


Rest in pieces, kleiner Digitizer, auf den draufgetreten wurde! Teile deiner Innereien leben in Set 3 weiter.


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


==== 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. Ein Raspberry 3 loggt.
(Der unterschiedliche Situation bei der Schirmung ist lediglich bedingt durch die investierbare Zeit, das wird sicher mal harmonisiert!)
==== Set 3 ====
<strike>Geophon belastet mit 1 kOhm (20 V/m/s), 20 m geschirmte Leitung. Tiefpass mit ca. 5,5 Hz Grenzfrequenz. HX711 ADC, aufgrund der fetten Temperaturdrift in Schaumstoff eingepackt. Nano und HX711-Breakoutboard auf einem Verbinderboard eingesteckt, das auch die Symmetrierwiderstände, Tiefpass, etc. trägt. Dort ist auch Differenzdrucksensor für [[Projekt:Infraschallmessung]] angeschlossen, denn diese Box soll beides können. Und sich nicht mehr zertreten lassen, daher gescheites Gehäuse immerhin.</strike>
<gallery>
File:Geophonset3ohneSchaum.jpg
File:Geoponset3mitSchaum.jpg
File:Geophonset3inKiste.jpg
</gallery>


=== 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.


==== 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.
===Datenformat===
Die Datendateien sind CSV-Dateien mit folgendem Namensaufbau:
''obernau-z-s10hz-g10hz-12-13-2020-00-00-00.csv''
{| class="wikitable"
|-
! Block !! Bedeutung !! Beispiel
|-
| Ort || Standort (Obernau etwa 49°56'11.2"N 9°07'47.9"E) || Obernau
|-
| Meßwert || Z-Auslenkung || z
|-
| Samplerate || 10 Hz || s10Hz
|-
| Geophontyp || untere Grenzfrequenz || g10hz
|-
| Monat || Monat || 12 (Dezember)
|-
| Tag || Tag des Monat || 13
|-
| Jahr || Jahr || 2020
|-
| Stunde || Stunde || 00
|-
| Minute || Minute || 00
|-
| Sekunde || Sekunde || 00
|-
| Suffix || CSV || .csv
|}
Zeilenaufbau
[]
{| class="wikitable"
|-
! Timestamp !! Messwert
|-
| UNIX Timestamp || Messwert (dimensionslos)
|}
Der Messwert ist der ADC-Ausgangswert, für den es (noch) keine Kalibrierung gibt.


=== 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|200px]]
[[File:noise reduction.gif |upright=0.5|300px]]




Zeile 74: Zeile 161:
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|200px]]
[[File:rauschen plus kultur.png|300px]]


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


[[File:laufen plus LKW.png|200px]]
[[File:laufen plus LKW.png|300px]]


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.
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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|200px]]
[[File:Obernauer Wald 28.7.19.png|300px]]


Zoombares SVG: [[:File:Geophon HX711 im Obernauer Wald.svg]]
Zoombares SVG: [[:File:Geophon HX711 im Obernauer Wald.svg]]
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==== Random ====
==== Random ====
* Ein umgestülpter Eimer als Regenschutz hilft nicht gegen Geprassel im Signal.  
* 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.
* 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?)
* Soundkarte: Audiobandbreite ist einfach zu hoch für das was interessiert.
* Verkehr und Bewegung im Haus zeigen sich deutlich, möglichst entfernt von menschlicher Aktivität messen!
* Verkehr und Bewegung im Haus zeigen sich deutlich, möglichst entfernt von menschlicher Aktivität messen!


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[[Benutzer:Nick|Nick]] für die Anregung was mit HX711 zu machen
[[Benutzer:Nick|Nick]] für die Anregung was mit HX711 zu machen
[[Benutzer:SalomeArkane|Jasmin]] für die Geduld mit mir. :)
[[Benutzer:SalomeArkane|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]]
Export-Script für Waveform-Daten [[:File:WID2-export-python-programm.zip]]


== Projekttagebuch ==
== Projekttagebuch ==
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|-
|-
| 29.10.2019 || [https://www.hlnug.de//fileadmin/messwerte/erdbebendienst/hlnug2019vfjyk.pdf Nahbeben in Ober-Ramstadt aufgezeichnet]  || [[Benutzer:Dg3hda|Hendi]]
| 29.10.2019 || [https://www.hlnug.de//fileadmin/messwerte/erdbebendienst/hlnug2019vfjyk.pdf Nahbeben in Ober-Ramstadt aufgezeichnet]  || [[Benutzer:Dg3hda|Hendi]]
|-
| 21.11.2019 || Kleinigkeiten an Pythonscript modifiziert, Tages-CSV werden mit tar komprimiert, Divisor für kompaktere Zahlen  || [[Benutzer:Dg3hda|Hendi]]
|-
| 28.12.2019 || Dev-Geophon 1 als Komplettsystem in Karton, Betrieb im Garten so weit die Powerbank reicht || [[Benutzer:Dg3hda|Hendi]]
|-
| 06.01.2020 || Messdaten des hessischen Erdbebendienst zum Vergleich erhalten || [[Benutzer:Dg3hda|Hendi]]
|-
| 26.08.2020 || Stromaufnahme optimiert, Einbau in lasercut Sperrholzgehäuse (EDIT: Taugt nix im Freien) || [[Benutzer:Dg3hda|Hendi]]
|-
| 13.12.2020 || Messdaten online || [[Benutzer:Dg3hda|Hendi]]
|-
| 06.04.2022 || Ein Geophon verliehen, mal sehen was rauskommt! =) || [[Benutzer:Dg3hda|Hendi]]
|-
| 04.08.2022 || Ergebnis des Geophonverleih: [https://blogs.uni-paderborn.de/sounding-environments/elements/ Elements] Ein Werk aus einem Musikwissenschaftsseminar der Uni Paderborn mit Audioaufnahmen vom Geophon|| [[Benutzer:Dg3hda|Hendi]]
|-
| 20.10.2022 || Netzteil am Kellergeophon getauscht|| [[Benutzer:Dg3hda|Hendi]]
|-
|}
|}


Zeile 162: Zeile 279:
* FMES (Fluid mass electrolytic seismometer) Flüsssigkeitspegel in zwei verbundenen Gefäßen wird gemessen. Wird die Flüssigkeit beschleunigt, schwappt es. [https://docs.google.com/viewer?a=v&pid=forums&srcid=MTEwNTY3NjcxMDQ3NjEzMjgwMDYBMTMxMjUwODI3MDY3MzY1NTcyMDEBUFdScUMtNnRFZ0FKATAuMgEBdjI&authuser=0]
* FMES (Fluid mass electrolytic seismometer) Flüsssigkeitspegel in zwei verbundenen Gefäßen wird gemessen. Wird die Flüssigkeit beschleunigt, schwappt es. [https://docs.google.com/viewer?a=v&pid=forums&srcid=MTEwNTY3NjcxMDQ3NjEzMjgwMDYBMTMxMjUwODI3MDY3MzY1NTcyMDEBUFdScUMtNnRFZ0FKATAuMgEBdjI&authuser=0]


* Lehman-Seismometer Horizontalpendel nach Gartentür-Prinzip. (Habe Aluprofilschrott da, damit geht vielleicht was. Oder mal bei Rose&Krieger betteln. Oder bei [[Benutzer:Nick|Nick]] [http://www.vaxman.de/projects/lehman_seismometer/seismometer.html VAXMAN zu Lehman-Seismometer]
* Lehman-Seismometer Horizontalpendel nach Gartentür-Prinzip. (Habe Aluprofilschrott da, damit geht vielleicht was. Oder mal bei Rose&Krieger betteln. Oder bei [[Benutzer:Nick|Nick]]  
 
[http://www.vaxman.de/projects/lehman_seismometer/seismometer.html VAXMAN zu Lehman-Seismometer]


* Shackleford-Gundersen Seismometer durch Elektromagnet gedämpftes kurzes Pendel.
* Shackleford-Gundersen Seismometer durch Elektromagnet gedämpftes kurzes Pendel.
* Blattfederseismometer Vertikalseismometer, auch dämpfbar.
* Blattfederseismometer Vertikalseismometer, auch dämpfbar.
* Wasserhammer-Seismometer Wasser in Rohr als seismische Masse, recht leicht aufzubauen. [http://www.techlib.com/area_50/waterhammer.htm Techlib Wasserhammer-Seismometer]
* Wasserhammer-Seismometer Wasser in Rohr als seismische Masse, recht leicht aufzubauen. [http://www.techlib.com/area_50/waterhammer.htm Techlib Wasserhammer-Seismometer]
* Wie sieht es mit Infrasound aus?

Aktuelle Version vom 21. Oktober 2022, 21:19 Uhr

Crystal Clear action run.png
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 (Ca. 10,- € in der Bucht). 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, mit der Zeit auch weitere mehr oder weniger sichere Erdbeben.

Auf dem Schaffenburg-Server ist schon ein Platz eingerichtet, https://schaffenburg.org/geo/

Im Unterverzeichnis /is/ werden bereits vom verwandten Infraschallsensor-Projekt tägliche Daten im CSV-Format abgelegt, nach diesem Schema werden auch die Geophondaten gespeichert.

Galerie

Treffer und Verdachtsfälle

Sierentz, Frankreich Datei:10 sept 22 Sierentz 4.7.png

Hechingen, Zollernalb Datei:9 juli 22 schwäbische alb 4.1.png

Datei:Bosnien-herzegowina mw4.8 24apr22 042754.png

Datei:Breitenbach-Haut-Rhin02oct21 ml 2.9.png

Kroatien Datei:Croatia 6.4 2020-12-29 11-19-54.6 UTC.pdf

La Wanzenau File:La Wantzenau ML 3.8 4.12.20 05.58.30 UTC.png

Zollernalb File:Zollernalb ML 4 30.11.2020 23.25.45.6 UTC.png

Schweres Beben Magnitude 6,4, Albanien File:Durres 26nov19 0254.pdf

Albnstadt File:Albstadt 27jan20 2205z komplex.pdf

Gernsheim? File:Gernsheim 05jan20 0042z questionable.pdf

Darmstadt? File:Darmstadt 01jan20 0320z questionable.pdf

Straßbourg File:Straßbourg 12nov19.pdf

Albstadt File:Albstadt 04nov19.pdf

Ober-Ramstadt 29.10.19 Ober-Ramstadt.png [SVG-Plot] Ober-Ramstadt, 29.10.19 (Link zum PDF des Hessischen Erdbebendienst)

Überlagerung meiner Messung mit HLNUG-Seismometer Bieber, Quelle: Hessischer Erdbebendienst, Hessisches Landesamt für Naturschutz, Umwelt und Geologie File:Ober-Ramstadt.pdf

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 2 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.

Wo es eine 2 gibt, gibt es auch eine 1, das ist das Versuchsexemplar. Und jetzt eine 3.

Sensoren

Auf Ebay wurden günstig drei gebrauchte Sercel JF-20DX 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. Vor dem Eingang zum ADC ist ein RC-Tiefpassfilter mit 320kΩ und 100 nF geschaltet, Grenzfrequenz ca. 5 Hz. Die Leitung und Elektronik sind nicht geschirmt, aber der ADC in Schaumstoff verpackt um Temperaturschwankungen etwas abzumildern. Geloggt wird mit einem Raspberry Pi Zero W, Versorgung ist über eine Powerbank möglich. Die Stromaufnahme des Pi 0 W wurde durch abschalten unnötiger Dinge reduziert, sie schwankt deutlich, zwischen 80 und 120 mA. Durch eine Powerbank kann man ihn kurzzeitig ganz gut mobil benutzen.

Rest in pieces, kleiner Digitizer, auf den draufgetreten wurde! Teile deiner Innereien leben in Set 3 weiter.


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. Ein Raspberry 3 loggt.

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

Set 3

Geophon belastet mit 1 kOhm (20 V/m/s), 20 m geschirmte Leitung. Tiefpass mit ca. 5,5 Hz Grenzfrequenz. HX711 ADC, aufgrund der fetten Temperaturdrift in Schaumstoff eingepackt. Nano und HX711-Breakoutboard auf einem Verbinderboard eingesteckt, das auch die Symmetrierwiderstände, Tiefpass, etc. trägt. Dort ist auch Differenzdrucksensor für Projekt:Infraschallmessung angeschlossen, denn diese Box soll beides können. Und sich nicht mehr zertreten lassen, daher gescheites Gehäuse immerhin.

  • Geophonset3ohneSchaum.jpg
  • Geoponset3mitSchaum.jpg
  • Geophonset3inKiste.jpg

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.

Datenformat

Die Datendateien sind CSV-Dateien mit folgendem Namensaufbau:

obernau-z-s10hz-g10hz-12-13-2020-00-00-00.csv

Block Bedeutung Beispiel
Ort Standort (Obernau etwa 49°56'11.2"N 9°07'47.9"E) Obernau
Meßwert Z-Auslenkung z
Samplerate 10 Hz s10Hz
Geophontyp untere Grenzfrequenz g10hz
Monat Monat 12 (Dezember)
Tag Tag des Monat 13
Jahr Jahr 2020
Stunde Stunde 00
Minute Minute 00
Sekunde Sekunde 00
Suffix CSV .csv

Zeilenaufbau []

Timestamp Messwert
UNIX Timestamp Messwert (dimensionslos)

Der Messwert ist der ADC-Ausgangswert, für den es (noch) keine Kalibrierung gibt.

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.
  • 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

Export-Script für Waveform-Daten File:WID2-export-python-programm.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
26.08.2020 Stromaufnahme optimiert, Einbau in lasercut Sperrholzgehäuse (EDIT: Taugt nix im Freien) Hendi
13.12.2020 Messdaten online Hendi
06.04.2022 Ein Geophon verliehen, mal sehen was rauskommt! =) Hendi
04.08.2022 Ergebnis des Geophonverleih: Elements Ein Werk aus einem Musikwissenschaftsseminar der Uni Paderborn mit Audioaufnahmen vom Geophon Hendi
20.10.2022 Netzteil am Kellergeophon getauscht Hendi

Notizen

Andere Sensoren - für später?

  • FMES (Fluid mass electrolytic seismometer) Flüsssigkeitspegel in zwei verbundenen Gefäßen wird gemessen. Wird die Flüssigkeit beschleunigt, schwappt es. [1]
  • 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.
  • Wasserhammer-Seismometer Wasser in Rohr als seismische Masse, recht leicht aufzubauen. Techlib Wasserhammer-Seismometer
  • Wie sieht es mit Infrasound aus?
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