Das Seismometer - Projekt

Messtechnik - Ecke

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   down Die Übertragungsfunktion des Seismometers
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Das Seismometer - Projekt im Überblick

In den Abschlussklassen der HTL werden von den Schülern Projektarbeiten durchgeführt. Auf der Suche nach interessanten Projektthemen bin ich kurz vor Beginn des Schuljahrs 2004/05 im Internet auf das in den USA durchgeführte "Seismographs in Schools Program" gestoßen. Dieses Programm wird von der "Incorporated Research Institutions for Seismology - IRIS", einem universitären Forschungskonsortium, das sich mit der Erforschung des Erdinneren beschäftigt, durchgeführt.

Sinn des "Seismographs in Schools Program" ist es, Schüler für technisch-wissenschaftliche Gebiete und natürlich speziell für die Seismologie zu interessieren. Damit eine Schule bei diesem Programm mitmachen kann, benötigt sie ein Seismometer (z. B. das Amateur - Seismometer AS-1), einen PC (es genügt ein älteres Gerät) und ein Datenerfassungs- und Auswerteprogramm für seismische Daten (z.B. das Programm AmaSeis von Dr. Alan Jones).

Ein alter PC sollte keine Hürde sein, das Programm AmaSeis wurde von Dr. Alan Jones zum freien Download ins Internet gestellt, nur das Seismometer fehlt noch. Dieses kann entweder in den USA bestellt werden oder man baut es einfach selbst.

 
Seismometer
 
Das an der HTL-Ottakring entwickelte Seismometer

Da wir im Internet keine Bauanleitung für das Seismometer gefunden haben, haben wir uns entschlossen, als HTL-Projektarbeit ein funktionsgleiches Seismometer zu konstruieren. Das Seismometer besteht aus dem Sensor, der die Bodenschwingungen in eine elektrische Spannung umwandelt, und aus einem Interface - Kästchen, das diese Spannung verstärkt, filtert, digitalisiert und die Daten über eine serielle Schnittstelle an den PC weitergibt. Unser Seismometer muss die Messdaten im selben Format ausgeben wie das Original, damit das Programm AmaSeis die Daten verarbeiten kann, und es muss dieselbe Übertragungsfunktion besitzen, damit die Seismogramme mit den selben Methoden und Hilfsmitteln ausgewertet werden können.

Vom Seismometer - Sensor gibt es im Internet brauchbare Bilder, die uns für den Bau des Sensors als Vorlage dienten. Da passive Seismometer üblicherweise mit Dämpfungsgrad D = 0,707 gedämpft sind, haben wir den Öldämpfer unseres Sensors ebenfalls für D = 0,707 ausgelegt. Weiters haben wir die Eigenfrequenz des Sensors gemessen und kannten nun - bis auf die Absolutkalibrierung - die Übertragungsfunktion des Sensors.

Im nächsten Schritt mussten wir herausfinden, welche Übertragungsfunktion das Interface - Kästchen haben soll, damit wir die Elektronik richtig entwerfen konnten. Im Artikel "The AS-1 Seismograph - Magnitude Determination" von Larry W. Braile fanden wir in der Tabelle "Table of amplification versus period for the AS-1 seismograph" die Frequenzantwort des gesamten Seismografen in tabellierter Form. Mit dieser Information und der bekannten Übertragungsfunktion unseres Sensors konnten wir durch Curve - Fitting die Übertragungsfunktion für das Interface - Kästchen bestimmen.

Danach wurde das Interface - Kästchen entworfen, gebaut und in Betrieb genommen. Für die Einstellung der Verstärkung im Rahmen der Absolutkalibrierung des Seismometers wurde ein steckbarer Widerstand vorgesehen.

Im Artikel "The AS-1 Seismograph - Installation and Calibration" von Larry W. Braile wird im Abschnitt "Relative Calibration of the AS-1 Seismograph" ein Verfahren für die ungefähre Kalibrierung des Seismografen angegeben, bei dem eine kleine Testmasse aus Papier mit einem Faden ruckartig vom Schwingarm des Seismometers gehoben wird. Dieses Verfahren ist nicht sehr genau und erfordert wegen der Kleinheit der Testmasse von 0,063 g beachtliches experimentelles Geschick. Größere Massen wären zwar für die Kalibrierung wünschenswert, die Elektronik des AS-1 Seismografen würde aber übersteuern.

Um bei unseren Seismografen dennoch größere Testmassen verwenden zu können, wurde im Interface - Kästchen ein kalibrierter Signalabschwächer eingebaut. Weiters wurde das Kalibrierverfahren zu einer absoluten Kalibrierung erweitert.

Unser Seismograf läuft derzeit im Probebetrieb, damit wir Erfahrungen sammeln können. Als Aufstellungsort wurde der Bisamberg gewählt, ein Berg am Rande des Wiener Beckens.

 
Aufstellung des Seismometers
 
Aufstellung des Seismometers in einem Kellerstüberl

Rechts unten sehen wir den Seismometersensor, geschützt durch eine Verkleidung aus beschicheten Pressspanplatten. Diese Verkleidung ist unten offen, damit der Seismograf direkt auf dem Betonboden steht. Die Unterkante der Verkleidung wurde mit einem Türdichtungsband versehen, damit die Verkleidung möglichst gut mit dem Betonboden abschließt und dadurch den Sensor vor Zugluft schützt.

Links oben sehen wir einen selbstgebauten DCF77 - Empfänger, der zum periodischen Setzen der Systemzeit dient. Der DCF77 - Empfänger müsste etwas von PC und Monitor entfernt montiert werden, um einen ungestörten Empfang zu ermöglichen. Die Systemzeit des PC ist auf "Universal Time Coordinated" - (UTC) (früher GMT genannt) eingestellt und folgt nicht den Sommer- und Winterzeitumschaltungen.

Das Seismometer - Projekt soll in Zukunft weitergeführt werden, Sensor und Interface - Kästchen sollen weiterentwickelt werden. Weiters ist vorgesehen, dass wir eine detaillierte Bauanleitung herausbringen, damit auch andere Schulen das Seismometer mit vertretbarem Aufwand nachbauen können.

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Danksagung

Ich möchte mich bei meinem Cousin Karl - Thomas Dolecek für seine hilfreiche Unterstützung vor Ort bedanken, ohne die der Betrieb der Station in der gegenwärtigen Art nicht möglich wäre.

Weiters bedanke ich mich bei Veronika und Hermann Steger, die einen PC für die Datenerfassung zur Verfügung gestellt haben, der seit Monaten im Dauerbetrieb brav seinen Dienst tut.

Dr. Albert Schedl von der Geologischen Bundesanstalt in Wien hat mich bereitwillig über die Geologie des Aufstellungsortes auf dem Bisamberg informiert - vielen Dank!

Mein Dank gilt auch all jenen Schülern, die an diesem Projekt mitgearbeitet haben.

 

Wolfgang Vanek Wien, den 25. 12. 2006