Projekt:Geophon: Unterschied zwischen den Versionen

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(Rauschen und menschengemachte Geräusche: UBS-Isolator)
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Version vom 14. August 2019, 10:16 Uhr

Crystal Clear action run.png
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

In Bearbeitung, aber erste $DINGE vorführbar


Autor & Ansprechpartner

Hendi


Beschreibung

Wie so viele Messeinrichtungen besteht das ganze aus folgenden Komponenten:

  • Messobjekt
  • Sensor
  • ggf. Vorverstärker
  • Analog-Digital-Wandler
  • Logger

Messobjekt

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 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.


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: Lf.gif


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. (Evtl. Dämpfungswiderstand mal verkleinern?)


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.

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

Die größten 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.

Ein Teil des Rauschen scheint wirklich vom Boden zu stammen, denn wenn ich die Geophone auf die Seite lege ist das Rauschen niedriger.

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

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. 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?) Verkehr und Bewegung im Haus zeigen sich in der Aufnahme mit dem Audiorecorder deutlich, Audiobandbreite ist einfach zu hoch für das was interessiert.


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

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.