Institut für Geophysik der TU Clausthal

english deutsch Angewandte Geophysik : Gravimetrie


Ein Gravimeter


Applet    ( in separatem Fenster, ca. 440 x 530 Pixel )


Das Applet simuliert ein Lacoste-Romberg Mod D Gravimeter,
detailiert beschrienen in L&R MODEL G AND D METER MANUAL
( PDF, mit Erlaubnis von L and R Meter Service, LLC ).

Es zeigt
eine vereinfachte Darstellung der Bedienungselemente auf der Oberseite des Instrumentengehäuses ( "black lid" )
und
ein Menuefeld ( orange hinterlegt ) zur Steuerung des Programmablaufs.

Die Simulation umfaßt folgende Prozeduren :
Test und Justierung des Instruments
( LABORATORY TEST ),
Eichung des Instruments
( CALIBRATE OUTPUT / FEEDBACK / COUNTER ),
2 Feldaufnahmen
( NETTLETON / MODEL PROFILE ),
und
eine Demonstation des cross coupling Effekts
( CROSS COUPLING ).


Inhalt

Erläuterungen

HowTo
"Black Lid" ( Gravimeter )
Menuefeld ( Programmsteuerung )
Fenster HELP ( Hilfe / Informationen )
Fenster READINGS ( Darstellung / Interpretation der Messwerte )
Speicherung und Bearbeitung von Messwerten
Fenster CHART RECORDER ( "Analogschreiber" )
Fenster CROSS COUPLING ( Cross Coupling Demo )

Beispiele ( Darstellung / Interpretation von Messwerten )

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Erläuterungen

Die Position des Pendelarms ( beam ) wird rekursiv in kostanten Zeitschritten von 50 [msec] ( = 20 Schritte/Sekunde ) brechnet unter folgenden Annahmen :

einer "Null-Längen" Feder in Lacoste Anordnung und mit verschiebbarem oberem Aufhägepunkt,
s. Abb. in PRIMARY INFORMATION des L&R MODEL G AND D METER MANUAL,
Lacoste Geometrie :
s. auch LP Seismometer Applet, ( HELP + INFO ! aktiviert ! ),

eines "idealen" Hebelsystems ( +Justierschraube und Getriebe )
=> konst. Eichfaktor im gesamten Messbereich, Ablesung unabhängi von der Richtung des Abgleichs,

einer externen Kraft, die der Schwerebeschleunigung am Messort ( + Gezeitenbeschleunigung + seism. Bodenuruhe ),
und zerlegt in
eine "Vertical"-Komponente ( = Messwert ) und
eine "Horizontal"-Komponente ( parallel zum Pendelarm, => Empfindlichkeitsänderung ),

einiger Schätzwerte für nicht exakt bekannte Parameter
( Masse und Trägheitsmoment des Pendelarms, Federkonstante ) :
Eigenperiode 12 [sec], Dämpfung ca. 0.7 kritisch und
Abstand zwischen unterem und oberem Anschlag des Pendelarms ca. 350 [seca] ( Bogensekunden ) entspricht ca. 1.4 [mgal],

einer Rückstellkraft ( feedback ),
die aus der Auslenkung und der Geschwindigkeit des Pendelarms abgeleitet wird mit ( evtl. nicht sehr realistischen ) Koeffizienten, und
die, unter Beibehaltung der Dämpfung, die Eigenperiode auf ca. 0.6 [sec] herabsetzt.

Das Echtzeitverhalten des Applets hängt stark von der Leistungsfähigkeit des lokalen Rechners ab, und
der Appletaufruf am Seitenanfang startet das Applet mit einer Bildfolge von ca. 20 Bildern/sec  ( Schrittweite ca. 50 [msec] = Schrittweite der Simulationsrechnung ).

Unter Beibehaltung der Schrittweite der Simulationsrechnung ( 50 [msec] )
ist eine Schnelle Version des Applets ( ca. 25 [msec] pro Bild ) und
für langsamere Rechner eine Langsame Version ( ca. 100 [msec] pro Bild ) implementiert.

Die tatsächliche Bildfolge wird im Abstand von ca. 5 [sec] überprüft, und
der aktuelle Wert wird auf dem Bildschirm oder der JAVA-Konsole ausgegeben, wenn  HELP + INFO ( Fenster HELP ) aktiviert sind.

Inhaltsverzeichnis


HowTo


"Black Lid" :
( Gravimeter, Screenshot )

BEAM POSITION :
Lupe zur Beobachtung der aktuellen Lage des Pendelarms ( beam position, rote Marke ) auf einer Skala mit einer blauen Ablesemarke ( reading line ).

Ein Ausschnitt der Skala, der den Bereich zwischen unterem und oberem Anschlag abdeckt ( ca. 14 kleine Teistriche = ca. 1.4 [mgal] ), ist vergrößert dargestellt, um die Ablesegenauigkeit zu erhöhen.

Die Lage der Ablesemarke ist abhängig von der mechan. Empfindlichkeit ( Längsneigung ) und ist voreingestellt für die Nullstellung der Längslibelle ( L  LEV = 0 [seca], grün ).

Im Programm LABORATORY TEST ( s. unten ) kann in der Ausschnittvergößerung der Skala mit einem Mausklick auf die rote Positionsmarke eine neue Ablesemarke an diese Postion gesetzt werden.
( z.B. nach einer Änderung der mechanischen Empfindlichkeit, s. CHECKING THE READING LINE im L&R MODEL G AND D METER MANUAL ).

FEEDBACK :
Ein- / Ausschalten des Feedback Systems
ON = Ein = rot / OFF = Aus = blau ).

M E T E R :
Freigabe / Arretieung des mechanischen Systems.

Programm- und Stationswechsel werden
blockiert ( F R E E = rot : ein Transport des Intruments kann sehr teuer werden )
oder
erlaubt ( LOCKED = blau : Transportsicherung ).

OUTPUT VOLTAGE :
Zwei Digitalvoltmeter zur Anzeige der Ausgangsspannungen des "Wegabgriffs" am Pendelarm ( beam position ) und der Feedback-Elektronik

BEAM POS. [mV]
Position des Pendelarms bezogen auf die Nullmarke ( rote T-Marke = 0 [mV] ) auf dem vergrößerten Skalenausschnitt ( ca. 1 [mgal/V] ).

FEEDBACK [mV]
Ausgangsspannung der Feedback-Elektronik ( BEAM POS. x ca. 400, FEEDBACK ON => ca. 1 [mgal/V] ).

ADJ ( nur in LABORATORY TEST )
legt einen neuen Bezugspunkt für beide Spannungen fest ( = Abgleich der Elektronik ) :
Ablesemarke ( normal ) oder aktuelle Postion des Pendelarms.

Für beide Ausgangsspannungen kann zwischen zwei Tiefpassfiltern gewählt werden :
2-pol Bessel, 0.5 [sec]  ( DIR, direkt ),
6-pol Bessel, 48 [sec]   ( AVR, Mittelwert ).

Nach einem manuellen oder automatischen Zurücksetzen des AVR Tiefpasses auf neue Anfangswerte
wird die entsprechende Messwertanzeige für ca. 90 [sec] in der Farbe Cyan dargestellt, um Ablesefehler in der Einlaufzeit des Filters zu vermeiden.

SPRING ADJUST ( DIAL ) :

RANGE = red ( Messbereich )
+/- => ca.. 7 [mgal],  ` ++/-- => ca. 70 [mgal],  +++/--- => ca. 700 [mgal],

FINE = green
kombiniert Feinabgleich ( Nulling Dial ) und Zählwerk ( Counter ),
ca. 1 [mgal/Einheit] => Auflösung ca. 1 [µgal],

FREE ( rot )  /  LOCK ( blau )
Freigabe / Arretierung von Abgleich + Messbereich.

L / X  LEV ( Längs- / Querlibelle ) :
Die beiden Libellen sind unterschiedlich empfindlich, und die "Ganghöhe" der Fußschrauben ist so gewählt, dass sich für die kleinste Schrittweite einer Schraube die Blase der entsprechenden Libelle um 1 Pixel verschiebt.

Längsneigung ( parallel zum Pendelarm, rechts )

+/- = ca. 1 [µm]
=> ca. 1 [seca] an der Längslibelle L  LEV,

Querneigung ( senkrecht zum Pendelarm, links )
+/- = ca. 2 [µm]
=> ca. 2 [seca] an der Querlibelle X  LEV,
=> ca. 1 [seca] an der Längslibelle L  LEV,

L + X Neigung
++/-- = x 10,   +++/--- = x 100.

L  LEV Nullmarke ( grün )
voreingestellt auf 0 [seca],
was der aktuellen Position der Ablesemarke ( reading line ) und
einer mechanischen Empfindlichkeit von ca. 250 [seca/mgal] entspricht
( => 1 [mgal = ca. 10 kleine Teilstriche auf der Skala der Ableselupe ).

X  LEV Nullmarke ( grün )
muß im "Cross Level Check" ( LABORATORY TEST ) ermittelt werden
( s. CHECKING THE TRANSVERSE LEVEL im L&R MODEL G AND D METER MANUAL ).

Änderungen der Instrumentenparameter,
d.h. neue Ablesemarke, neuer Bezugspunkt für die Ausgangsspannungen oder neue L  LEV Nullmarke
! nur in LABORATORY TEST oder CROSS COUPLING  !

"Black Lid"    Inhaltsverzeichnis


Menuefeld :
( Programmsteuerung, Screenshots )

Anfangszustand nach dem Start des Applets ( sämtliche Steuerelemente außer I N I T deaktiviert )

Nach I N I T ( => Label RESET )

RUN :
Start der kontinuierlichen Rechnung und graph. Darstellung ( 20 [Schritte/sec] ).

HALT :
"Einfrieren" des aktuellen Zustandes.

STEP :
Einzelschritt + HALT.

RESET :
Zurücksetzen des Instruments und Löschen der gespeicherten Messwerte für das aktell angwählte Programm.

! In LABORATORY TEST werden alle Parameter ( Eichfaktoren etc. ) auf ihre Anfangswerte ( Defaultwerte ) zurückgesetzt !

HELP :
Separates Fenster zur Anzeige und zum Setzen verschiedener Parameter, und
zum Auflisten von Informationen ( Untergrungmodell, Stationstabelle, gespeicherte / bearbeitete Messwerte etc. , s. Fenster HELP ).

NO / LO / HI SEIS :
Amplitude der seism. Bodenunruhe in LAB TEST, CALIB ... und ... PROFILE
( nur Vertikalkomponente )
NO = keine Bodenunruhe, LO = 3 [µgal], HI = 30 [µgal],
( Period 4.8 [sec], "Schwebung" 72 [sec], => vertikale Bodenverschiebung 0, 17, 170 [nm] ).

RES AVR :
Zurücksetzen des AVR Tiefpasses auf neue Anfangswerte
( => entsprechende Anzeige / Schreiberspur cyan für ca. 90 [sec] ).

CHART RECORDER :
Separates Fenster mit einem 2-Kanal-"Analogschreiber"
( s. Fenster CHART RECORDER ).

MODE OF OPER :
Programmwahl zur Durchführung von Instrumententests, Eichungen und Feldmessungen oder zur Demonstration des Cross Coupling Effekts.

LABORATORY TEST
Test- und Justierprozeduren
(s. CHECKING LEVELS AND SENSITIVITY im L&R MODEL G AND D METER MANUAL ).
"Justierung" der Querlibelle ( X  LEV ADJUST ) durch Anpassung einer Parabel ( Näherung für cos-Funktion ) an die Messwerte bei verschiedenen Querneigungen => geringste Neigungsempfindlichkeit im Apex der Parabel.

CALIBRATE OUTPUT / FEEDBACK / COUNTER
Bestimmung von Eichfaktoren ( [mgal/V] ) für
the output voltages BEAM POS. [mV] und FEEDBACK [mV],
und für
die DIAL- / COUNTER-Kombination ( [mgal/Count )
aus der Steigung einer Regressionsgeraden durch die Messwerte auf einem Eichprofil ( Stationen mit bekannten Schwerewerten ).

NETTLETON PROFILE
Bestimmung der Dichte eines homogenen Halbraums aus Feldmessungen auf einem Profil mit signifikanten Höhenunterschieden.
( NETTLETON : Kreuzkorrelation von Bougueranomalie und Topographie für verschiedene Probewerte der Dichte,
  PARASNIS : Regressionsgerade durch die Werte der Freiluftanomalie, aufgetragen gegen die Stationshöhe. )

MODEL PROFILE
Bestimmung der Oberflächendichte eines 2-Schicht Modells
aus Feldmessungen auf einem Profil über eine Brücke über einen Geländeeinschnitt ( Eisenbahnstrecke ).
Anpassung der Modellschwere an die Messwerte durch Variation der Modelldichte.

! Modellrechnungen 2 D ( Talwani ) !

CROSS COUPLING
Demonstration des Cross Coupling Effekts bei koherenten "harmonischen" Vertikal- und Horizontalbeschleunigungen ( Seegravimetrie ).

SAVE STN READING :
Speicherung eines Messwertes zur graphischen Darstellung, Bearbeitung und Auswertung in einem separaten Fenster ( s. Fenster READINGS ).

NEXT / PREV / BAS
"Vesetzt" das ( ! arretierte ! ) Instrument zum nächsten / vorhergehenden Profilpunkt oder zum Basispunkt.

Menuefeld    HowTo    Inhaltsverzeichnis


Fenster HELP :
( Hilfe / Informationen, Screenshot )

Menuefeld zur Anzeige und Änderung von Parametern und der Programmumgebung.

Für die Parameter, die in LABORATORY TEST und CALIBRATE OUTPUT, FEEDBK und COUNTER bestimmt werden, kann

eine von drei "Versionen" des jeweiligen Parameterwertes angezeigt werden :
der aktuell für die Simulations- und Modellrechnung benutzte Wert ( ACTUAL VAL. ),
der vom Benutzer bestimmte / gesetzte Wert ( USER CALIB. )
und
der für die ( "Vorwärts-") Berechnung von Messwerten / Stationsschweren benutzte Wert ( "TRUE" VALUE ).

SET setzt für ACTUAL VAL. ( den zu benutzenden Parameterwert )
den Wert USER CALIB. ein oder
den Wert "TRUE" VALUE  ( ermöglicht das Überspringen der entsprechenden Eichprozedur ).

Der "TRUE" VALUE Wert für den Eichfaktor der Ausgangsspannung BEAM POS. [mV] bezieht sich auf den voreingestellten Wert für L  LEV ZERO ( Nullmarke der Längslibelle ) und die zugehörige Position der Ablesemarke ( reading line ),
d.h. BEAM POS. [mV] muß neu geicht werden nach einer Veränderung der mechanischen Empfindlichkeit.

( X  LEV ZERO und der Eichfaktor für Feinabgleich / Zähler
sollten unabhängig sein von der mechan. Empfinlichkeit,
der Feedback-Eichfaktor
sollte lediglich zu ca. 1/400. = 1/Feedbackverstärkung betroffen sein,
vernachlässigbar bei einem Abgleich von FEEDBACK [mV] auf unter ca. ±10 [mV]. )

METER TILT : RANDOM / CONST.
=> per Zufallsgenerator ermittelte Neigung des Instruments, was nach jedem Stationswechsel eine neue Horizontierung erfodert ( ! realistisch ! )
oder
=> Neigung unverändert nach Stations- / Programmwechsel ( unrealistisch, aber vereinfacht erheblich die Bedienung ).

WARN verhindert
die Speicherung von Fehlablesungen ( mechan. System noch in Bewegung, Horizontierungsfehler, etc. ) und
die Durchführung von Feldmessungen mit fehlerhaften Eichfaktoren ( [mgal/V] or [mgal/Count] ).

Mit INFO und HELP ( nur bei HALT wirksam ) werden
Informationen zur aktuellen Cursorposition ( INFO ) und
Hinweise zu aktuell möglichen Mausaktionen ( HELP )
in die graph. Darstellung des Gravimeters ( "black lid" ) und in das Fenster READINGS eingeblendet.

AUTO CALIB ( für ungeduldige Benutzer ) überspringt Test- und Eichprozeduren
und setzt
die Eichfaktoren auf ihre "wahren" Werte und
METER TILT auf CONSTANT.

Im Textbereich können Informationen zum aktuell angewählten Programm ausgegeben werden :
mit LIST ... werden Modellparameter, eine Stationstabelle und gespeicherte Messwerte aufgelistet,
mit TRACE READINGS wird die Speicherung von Messwerten protokolliert,
mit CLEAR der Textbereich gelöscht.

Fenster HELP    HowTo    Inhaltsverzeichnis


Fenster READINGS :
( graph. Darstellung / Interpretation von Messwerten, Screenshot )

Beispiel = Rohdaten ( raw readings ) zu NETTLETON PROFILE

weitere Beispiele )

Graph. Darstellung, Bearbeitung und Interpretation von Felddaten, graph. Darstellung des Untergrundmodells.

Ein mit SAVE STN READING gespeicherter Datensatz umfaßt :
die Stationsnummer ( die Ablesung [seca] der Querlibelle für X  LEV ADJUST ),
die Beobachtungszeit ( [min] ),
die Dial- / Zählerstellung ( [Counts] ),
die BEAM POS. / FEEDBACK Ausgangsspannung ( [mV] , FEEDBACK OFF / ON ),
die Gezeitenbeschleunigung ( [mgal] ) und
ein Gewichtsfaktor,
Voreinstellung 1.0 und mit der Maus umschaltbar zwischen
1. ( Symbol = blau oder magenta ) and
0. ( Symbol = grau ).

Die digitale Simulation des ( analogen ) Feinabgleichs ( Dial )
verhindert i.A. den Abgleich auf exakt 0.0 [mV].
Zählerstand und Audgangsspannung werden daher zu einem Rohmesswert ( [Counts] ) zusammengefaßt,
wobei der aktuelle Eichfaktor benutzt wird ( ggf. DEF = 1.0, wenn noch nicht bestimmt ).

Alle Ablesungen ( außert für X  LEV ADJUST ) setzen eine exakte Justierung von Längs- und Querlibelle voraus.

In CALIBRATE OUTPUT / FEEDBACK
wird die entsprechenden Ausgangsspannungen bei kostantem Zählerstand abgelesen und als Rohdaten gespeichert ( ohne Anwendung eines Eichfaktors ).

In X  LEV ADJUST erfolgt die Messung ebenfalls bei kostantem Zählerstand und ohne Umschaltung von FBK ON / OFF,
das Ergebnis, die Position des Apex der Ausgleichsparabel, ist nahezu unabhängig vom Wert des beteiligten Eichfaktors.

Zur korrekten Interpretation der Messwerte zu CALIBRATE COUNTER ( Dial- / Zählereichung )
muß der Eichfaktor für mindestens eine der Ausgangsspannungen bestimmt sein.

Für die "Feldmessungen" NETTLETON / MODEL PROFILE
müssen Dial / Zähler und mindestens ein Spannungsausgang geeicht sein.

Die Messwerte können in verschiedenen Bearbeitungsstadien graphisch dargestellt werden :
als Rohdaten ( RAW READ ... ) oder
nach Gezeiten- und Driftkorrektur ( FIN READ ... ),
mit wählbarer Abszisse :
Profil ( ... READ (PRO) ) oder
Beobachtungszeit ( ... READ (TIM) ).

INSTR. DRIFT
stellt die Rohdaten des Basispunktes nach der Gezeitenkorrektur graphisch dar
( in X  LEV ADJUST :  BAS = X  LEV 0 [seca] ).

Ein Polynom max. 2-ten Grades wird an die Basismesswerte angepasst, und
die so ermittelte Driftkorrektur wird auf alle Rohdaten angewandt :
=> FIN  =  RAW - Gezeitenkorrektur - Driftkorrektur.

Bei RAW READ (TIM)
sind die Messwerte nach der Gezeitenkorrektur gegen die Beobachtungszeit aufgetragen.

Mehrfachbeobachtungen am gleichen Messpunkt sind durch Geraden ( grau ) verbunden,
um eine gewisse "Qualitätskontolle" der Messung zu ermöglichen.

! Alle Geraden sollten parrallel zu entsprechenden Geraden zwischen den Basismesswerten sein !

Bei FIN READ (TIM)
sind die Messwerte nach Gezeiten- und Driftkorrektur gegen die Beobachtungszeit aufgetragen.

Hoizontale Geraden ( grau ) entsprechen dem Mittelwert von Mehrfachbeobachtungen,
für die Basisstaton ist der Koeffizient 0-ter Ordnung des Driftpolynoms dargestellt.

Bei FIN READ (PRO)
sind die Messwerte nach Gezeiten- und Driftkorrektur gegen die Profilkoordinaten aufgetragen.

In X  LEV  ADJ ( LBORATORY TEST )
wird eine Parablel ( rote Kurve, als Näherung für die cos-Funktion )
an die Messwerte angepasst, und
die Position der Nullmarke der Querlibelle ( X  LEV ZERO )
wird aus dem Apex der Parabel bestimmt.

In CALIBRATE OUTPUT / FEEDBACK / COUNTER
wird eine Regressionsgerade ( rot ) durch die Messwerte berechnet,
wobei der Kehrwert der Steigung die "beste" Schätzung für den jeweiligen Eichfaktor darstellt.

In MODEL PROFILE
wird eine Modellkurve ( rot ) eingeblendet, die mit dem aktuellen Dichtewert berechnet ist
( mit DEF = 2.67 [g/cm**3], wenn noch nicht bestimmt, s. Fenster HELP ).

In den Eichprozeduren( CALIBRATE ... ) werden
die jeweiligen Eichfaktoren iterativ ( min. 2 Iterationen ) ermittelt,
da ihr Wert in die vorher anzubringenden Gezeiten- und Driftkorrekturen eingeht.

Für die in den verschiedenen Prozeduren zu bestimmenden Parameter werden "Probewerte"
in der Graphik oben rechts in rot dargestellt,
und
nach einem Klick auf USE für weitere Rechnungen bentuzt
( gilt auch bei DEC / INC DENS in ... PROFILE ).

Oben rechts blau :
E = RMS-Fehler bei der Anpassung einer Kurve an Messwerte
oder
COR TOP = Korrelationskoeffizient BOUGUER ANOM. / Topographie ( NETTLETON ).

SAVE :
! Parameter sind erst nach der Speicherung mit SAVE auch in anderen Prozeduren verfügbar !
( => ACTUAL VAL. und USER CALIB. im Fenster HELP. )

CLEAR
löscht alle Messdaten der jeweiligen Prozedur.

Ein mit HIDE
geschlossenes Messdatenfenster kann ohne Datenverlust wiederhegestellt werden, wenn anschließend die gleiche Prozedur nochmals aufgerufen wird.

! Ein Programmwechsel löscht alle Meswerte des vorherigen Programms !

Fenster READINGS    HowTo    Inhaltsverzeichnis


Speicherung und Bearbeitung von Messweten

Die Aufnahme von Messwerten erfolgt im RUN-Modus des Applets ( s. Menuefeld ) und
nach Abgleich von Dial / Zähler auf den Schwerewert einer der Beobachtungsstationen ( i.A. der Basisstation ).

Feldmessungen

Zur Aufnahme von Messwerten auf einem Profil ( CALIB xxx, NETTLETON oder MODEL PROFILE ) muß für jeden Messpunkt folgende Schleife durchlaufen werden :

Arretieren des Gravimeters  ( "black lid" : LOCKED )
Transport des Gravimeters zum nächsten Messpunkt  ( Menuefeld : NEXT, PREV, BAS )
Horizontieren des Gravimeters  ( nicht bei METER TILT : CONST., s. Fenster HELP )
Entarretieren des Gravimeters  ( "black lid" : F R E E )
Abgleich von Dial / Zähler  ( "black lid , nicht in CALIB. OUTPUT od. FEEDBACK )
Warten bis das System in der neuen Gleichgewichtslage zur Ruhe gekommen ist
( Kontrolle durch Beobachtung der Geschwindigkeit, POS / FBK VEL, auf dem Analogschreiber CHART RECORDER )
Speichern des Messwertes  ( Menuefeld : SAVE STATION READING )

Justierung der Querlibelle 
( X  LEV  ADJUST )

Die oben beschriebene Schleife Reduziert sich auf :

Einstellung einer neuen Position an der Querlibelle bei unveränderter Stellung der Längslibelle  ( "black lid" )
Warten bis das System in der neuen Gleichgewichtslage zur Ruhe gekommen ist
( Kontrolle durch Beobachtung der Geschwindigkeit, POS / FBK VEL, auf dem Analogschreiber CHART RECORDER )
Speichern des Messwertes  ( Menuefeld : SAVE STATION READING )

Bei WARN ( Fenster HELP ) aktiv wird die Speicherung von Fehlablesungen ( System noch nicht in Ruhe, fehlerhafte Horizontierung ) verhindert.

Bearbeitung und Interpretaion
( min. 3 Messwerte, 2 x Basisstation, 1 x Profil, Applet in RUN od. HALT Modus, Gravimeter arretiert od. entarretiert )

Gespeicherte Messwerte werden zunächst als Rohdaten ( RAW READ (PRO) ) dargestellt, und
vor der Darstellung Interpretationsergebnissen
in FIN READ (PRO)  ( für X LEV ADJ und CALIBRATE xxx ) oder
in BOUGUER oder FREE AIR ANOM.  ( für NETTLETON und MDEL PROFILE ),
muß die Darstellung INSTR. DRIFT aufgerufen werden, da die dabei ermittelte Driftkorrektur
vor der Berechnung der Ergebnisse angebracht werden muß.

In jeder Darstellung kann das Gewicht eines Messwertes ( def. = 1. ) mit der linken / rechten Maustaste auf 1. / 0. gesetzt werden :
Messwerte mit Gewicht 1. werden mit +blau ),
Messwerte mit Gewicht 0. mit xgrau )
dargestellt, und
die Darstellung springt nach einer Änderung zurück auf RAW READ (PRO),
d.h. INSTR. DRIFT und Interpretationen müssen erneut aufgerufen werden.

Mehrfachablesungen am gleichen Messpunkt sind getrennt dargestellt
in RAW / FIN READ (TIM) und
dadurch einzeln anwählbar.
( Zur besseren Identifizierung der Messwerte sollte INFO im Fenster HELP aktiviert und das Applet im HALT Modus sein. )

Auswerteergebnisse müssen abgespeichert werden
( SAVE im Fenster READINGS => USER CALIB. und ACTUAL VAL. im Fenster HELP ),
um in anderen Prozeduren verfügbar zu sein  ( z.B. Eichfaktoren, die für die Feldmessungen benötigt werden ).

Speicherung und Bearbeitung    HowTo    Inhaltsverzeichnis


Fenster CHART RECORDER :
( 2-Kanal "Analogschreiber", screenshot ) :

Beispiel :
Auslenkung ( beam position ) und Geschwindigkeit des Pendelarms nach einer Dial- / Zähleränderung von -0.1 [Counts] = ca. +100 [µgal]

Kontinuierliche Aufzeichnung der Ausgangsspannungen, deren Geschwindigkeit, der Gezeitenbeschleunigung und der seism. Bodenunruhe.

Im Menuefeld des Schreibers ( nur im HALT-Modus des Schreibers ) wählbar :

darzustellende Signale

POS DIR und AVR
Ausgangsspannung BEAM POS. [mV], "ungefiltert" und Mittelwert,
FBK DIR und AVR
Ausgangsspannung FEEDBACK [mV], "ungefiltert" und Mittelwert,
... VEL
zeitliche Änderungen dieser Signale,
TIDAL G
Gezeitenbeschleunigung ( Ampl. 45 [µgal], Phasenlage beim Start des Applets per Zufallsgenerator ),
NOI VER and HOR
Vertikal- und Horizontalkomponente der seism. Bodenunruheo.

Vorschubgeschwingigkeit
wählbar zwischen FST ( schnell ) und SLW ( langsam, 1 / 5 ).

Empfindlichkeit
±nn [V], [mV] oder [V/sec], [mV/sec] für Vollausschlag ( full scale ),
±50 [µgal] bei TIDAL G ( Gezeitensignal ),
vorgegebene Werte, abhängig von der gewählten Amplitude, bei NOI VER und HOR, ( Bodenunruhe ).

Nach einer Änderung von Schreibereinstellungen wird der davor liegende Teil der Schreibspur grau dargestellt.

Nach einem manuellen oder automatischen Reset des Mittelwert-Tiefpasses wird entsprechende Spur für ca. 90 [sec] cyan dargestellt, um auf die Einlaufzeit des Filters hinzuweisen.

Fenster CHART RECORDER    HowTo    Inhaltsverzeichnis


Fenster CROSS COUPLING :
( Screenshot )

Beispiel :
mechan. Empfindlichkeit default ( L  LEV 0 [seca] ), FEEDBACK OFF
DIAL / COUNTER auf BEAM POS 0 [mv] abgeglichen
harmonische Beschleunigung, Periode 6.0 [sec],
Amplitude vertikal ±2 [mgal], horizontal ±30 [mgal], Phasendiff. 45 [Deg]

Kontinuierliche Darstellung
der horizontalen und vertikalen Beschleunigung
( X / Y-Darstellung, beide Komponenten auf das jeweilige Amplitudenmaximum normiert,
Skalen [mgal] oben und rechts, rot,
Momentanwert = roter Punkt + rote Marken in der jeweiligen Skala )
und
der Postion des Pendelarms zwischen den mechan. Anschlägen
( Skala [seca] links, schwarz, Momentanwert = rote Marke in der Skala ).

Grün :
Position der Drehachse, horizontale Gerade markiert die "wahre Horizontale" ( senkrecht zur lokalen Schwerebeschleunigung )
und
die ideale Position der Ablesemarke ( reading line ),
Label xxx [seca], der aktuellen Längsneigung ( L  LEV ) entsprechend.
( Hier L  LEV = 0 [seca] => Drehachse und grüne Gerade bei 0 [seca] )

Rote Pfeile :
Komponenten der Kraft auf den Schwerpunkt des Pendelarms
( Länge individuell auf 2 ∗ Radius der Masse normiert ).

Menuefeld zur Parametereinstellung :
( deaktiviert bei eingeschaltetem Beschleunigungssignal )

Amplituden von Vertikal- und Horizotalbeschleunigung
( ver. : 0, 0.3 ... 10 [mgal], hor. : 0, 0.3 ... 100 [mgal] ),

Phasendifferenz zwischen Vertikal- und Horizontalkomponente
DEC / INC PHS in wählbaren Schritten von 90, 15 and 1 [Deg] )
und
Periode des harmonischen Beschleunigungssignals
( 3, 6, 12, 24 und 48 [s] ),

O N :
Ein- / Ausschalten des Signals ( COS-Taper beim Einschalten ).

Analogschreiber mit Aufzeichnung der Ausgangsspannung BEAM POS [mV]
CHN 1 = DIR, CHN 2 = AVR

Erläuterungen :

Ein DC-Offset des Tiefpassausgangs ( AVR ) von ca. +10 [mV],
würde interpretiert als zusätzliche Schwereänderung von ca. +10 [µgal].

Der entsprechende Mittelwert der Pendelarmauslenkung von ca. -15 [seca] entsteht durch die Horizontalbeschleunigung, die
bei Auslenkungen nach unten in Richtung Drehachse,
bei Auslenkungen nach oben in Richtung Skala
zeigt :

negative Auslenkungen ( n. unten ) werden vergrößert,
positive Auslenkungen ( n. oben ) werden verringert

=> negativer Mittelwert der Position => positiver Mittelwert der Ausgangsspannung.

Bei vorgegebenen Amplituden von Vertikal- und Horizotalkomponente der Beschleunigung
hängen Amplitude und Richtung des Cross-Coupling-Offsets ab
von der Phasendifferenz zwischen Auslenkung und Horizontalkraft,
d.h. von der Phasendifferenz zwischen den beiden Beschleunigungskomponenten.

Für Signalperioden wesentlich größer als die Eigenperiode des Instruments
sind Auslenkung und Vertikalbeschleunigung praktisch in Phase,
d.h. der Cross-Coupling-Effekt
ist am griößten für eine linear polarisierte Beschleunigung ( 0 / 180 [Deg] ) und
verschwindet bei Zirkularpolarisation ( +90 / -90 [Deg] ).

Im oben abgebildeten Beispiel ist die Signalperiode ( 6.0 [sec] ) kleiner als die Eigenperiode des Gravimeters ( > 12 [sec] ),
mit einer Phasenverschiebung zwischen Vertikalbeschleunigung und Auslenkung des Pendelarms,
wodurch maximales Cross-Coupling für ca. +45 und -135 [Deg] auftritt.
( nahezu kein Cross-Coupling für ca. 135 and -45 [Deg] ).

Da die Amplitude des Cross-Coupling-Effekts stark von der Amplitude der Auslenkung des Pendelarms abhängt,
kann Cross-Coupling erheblich reduziert durch ein Feedbacksystem,
das Auslengungen aus der Ruhelage stark reduziert.

Eine weitere Konsequenz des Feedbacksystems ist Abnahme der Eigenperiode ( hier unter  1 [s] ),
was den Cross-Coupling-Effekt für harmonische Störbeschleunigungen
mit Perioden von mehreren Sekunden und
einer Phasendifferenz von ca. 90 [Deg] zwischen hor. und ver. Komponente
weitgehend unterdrückt.

Beispiel :
( FEEDBACK ON, harmonische Beschleunigung, Periode 6.0 [sec],
Amplitude vertikal ±10 [mgal], horizontal ±30 [mgal], Phasendiff. 90 [Deg]


Analogschreiber mit Aufzeichnung der Ausgangsspannung FEEDBACK [mV]
CHN 1 = DIR, CHN 2 = AVR

Der Offset < 1 [mV] ( CHAN 2, FBK AVR ) entspricht einem Cross-Coupling-Fehler < 1 [µgal].

Dies ist eine Demonstration des Cross-Coupling-Effekts, physikalisch einigermaßen korrekt, aber mit unrealistischen Störbeschleunigungen :

So treten z.B. in der Seegravimetrie "harmonische" Vertical- und Horizontalbeschleunigungen von bis zu 100 [mgal] bei Perioden > 6.0 [sec] auf,
die mechanisch weniger empfindliche Instrumente und / oder leistungsfähigere Feedbacksysteme erfordern
( und eine aufwändigere Bearbeitung / Filterung und Registrierung der Ausgangssignale ),
um eine mechanische Übersteuerung zu vermeiden, und um die Cross-Coupling-Fehler innerhalb zulässiger Grenzen zu halten.

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Beispiele zu Darstellung, Bearbeitung und Interpretation von Messwerten
( Screenshots : Fenster READINGS )


NETTLETON PROFILE

Rohdaten / Profil ( RAW READ (PRO) ) :


Rohdaten / Zeit ( RAW READ (TIM) ) :


Instrumentendrift / Zeit ( INSTR. DRIFT ) :


Nach Gezeiten- und Driftkorrektur / Zeit ( FIN READ  TIM) ) :


Nach Gezeiten- und Driftkorrektur / Profil ( FIN READ  PRO) ) :

Beispiele    HowTo    Inhaltsverzeichnis


Bouguer Anomale ( BOUGUER ANOM. ) :
( berechnet für Dichte = DEF = 2.67 [g/cm**3] )


Freiluftanomalie ( FREE AIR ANOM. ) :


Freiluftanomalie / Stationshöhe ( F. A. (STN HGT) ) :
( => Dichte = 2.4000 [g/cm**3] )


Bougueranomalie ( BOUGUER ANOM. ) :
( berechnet für Dichte = 2.4000 [g/cm**3] )


Bougueranomalie ( BOUGUER ANOM. ) :
( berechnet für Dichte = 2.4000 + 0.0100 [g/cm**3] )


Bougueranomalie ( BOUGUER ANOM. ) :
( berechnet für Dichte = 2.4000 - 0.0100 [g/cm**3] )

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ADJ  X  LEV  ( LABORATOTY TEST )

Interpretation ( FIN READ (PRO) ) :

Die Stellung der Querlibelle für minimale Neigungsempfindlichkeit des Intruments entspricht der Position des Apex der Ausgleichsparabel ( NEW ZERO MARK, rot, oben rechts ).
Der Wert kann mit SAVE als "USER CALIB." ( s. Fenster HELP übernommen werden.


CALIBRATE  FEEDBACK

Interpretation ( FIN READ (PRO) ) :

Der Eichfaktor der Ausgangsspannung FEEDBACK [mV] entspricht dem Kehrwert der Steigung der Ausgleichsgeraden ( NEW CAL FACT, rot, oben rechts ).
Der Wert kann zunächst mit USE in das Textfeld SCAL FACT : ... [mgal/V] übernommen werden für weitere Iterationsdchritte zur Berechnung der Geraden.
Der Zahlenwert im Textfeld kann mit SAVE als "USER CALIB." ( s. Fenster HELP ) abgespeichert werden.

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Download

Die für eine lokale Installation des Applets benötigten Class- und Html-Files sind verfügbar als zip file und als tar.gz file.

Die beiden Files enthalten nicht das PDF-File ( ca.3 MB )
L&R MODEL G AND D METER MANUAL,
das von L and R Meter Service oder Inst. f. Geophysik heruntergeladen werden kann, und
das in der Directory grav abgelegt werden sollte, in der nach dem Entpacken des zip- / tar.gz-Files auch die Class- und Html-Files des Applets stehen.

Weitere Applets : Homepage des Authors


Rev. 15-Feb-2007

Kommentare bitte an Fritz Keller
( ned gschempfd isch globd gnueg )

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