Projekt:Geophon
 Geophon
Status: unbekannt | |
|---|---|
| Beschreibung | Seismische Ereignisse messen |
| Ansprechpartner | Hendi |
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
Ein Erdbeben unter 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: Zuerst die P-Welle, kurz danach die S-Welle mit der typischen Hüllkurve einer gedämpften Schwingung.
[SVG-Plot]
Ober-Ramstadt, 29.10.19 (Link zum PDF des Hessischen Erdbebendienst)
Autor & Ansprechpartner
Beschreibung
Die Messkette sieht ähnlich aus wie andere, aber mit der Erde als 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 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 und Wasserkraftwerk mit Schleuse in der Nähe.
Sensorik
Für den Einstieg sollten es keine mechanisch allzu aufwendigen und teuren Sensoren werden, sondern günstig erhältliche Geophone für die Lagerstättenerkundung mittels Vibroseismik. Ebay spuckte günstig drei 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
Vorverstärker mit NIC
Einen Vorverstärker auf Basis von 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]
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.
Soundkarte
Mordsbandbreite und taub unter ca. 20 Hz, aber da sie vorhanden war wurde sie mal ausprobiert.
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.
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.
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.
Verkehr
Die größten Ausschläge bringen natürlich Fahrzeuge, die unmittelbar auf der Straße neben dem Haus vorbeifahren, weniger als 5m vom Sensor weg:
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:
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:
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):
Danach (geschirmt. tagsüber):
Random
- 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.
- 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. :)
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 |
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