Institut für Geophysik der TU Clausthal

english deutsch Angewandte Geophysik : Seismik


Eichung eines kurzperiodischen Seismometers


Applet ( in sepatatem Fenster, ca. 640 x 460 Pixel )


Das Applet simuliert die Überprüfung und Eichung eines kurzperiodischen Seismometers zur Ermittlung von

Eigenfrequenz und Dämpfung,
den charakteristischen Parametern der Übertragungsfunktion des Seismometers,
"kritischem Dämpfungswiderstand" ( CDR ) und Grunddämpfung
zur Einstellung eines vorgegebenen Wertes für die Dämpfung
und
Empfindlichkeit ( Motorkonstante ) des Geschwindigkeitsabgriffs und Motorkonstante der Eichspule.

( Physikalisch-mathematische Grundlagen : siehe Seismometer Dokumentation )

Seismometer :

Grundlage der Simulation sind die Daten eines als Vertikalaufnehmer betriebenen Seismometers Geotech Model S-13, ausgestattet mit einem Tauchspulsystem
aus vier galvanisch getrennten Spulen ( je ca. 380 [Ohm] / 100 [Vs/m] )
und
einer zusätzlichen Eichspule ( ca. 23 [Ohm] / 0.2 [N/m] ).

Zwei Spulen in Serie geschaltet dienen als Signalspule ( Geschwindigkeitsabgriff ),
verbunden mit einem Registriergerät hoher Eingangsimpedanz,
die anderen beiden ( ebenfalls in Serie ) werden zur Dämpfung benutzt,
um so eine konstante, vom jeweiligen Dämpfungswiderstand unbeeinflußte Empfindlichkeit des Systems zu erreichen.

Farbcode :

Blau = mechanisches System, bewegliche Teile, Verschiebung der Seismometermasse,
( "wahre" Seismometerparameter im CALC DISPLAY ),
Magenta = Tauchspule,
( Amplitudenwerte im PICK DISPLAY, Eichergebnisse im CALC DISPLAY ),
Rot = Signalkreis, Ausgangssignal
( = Geschwindigkeit der Seismometermasse ),
Gelb = Dämpfungskreis, Einstellung des externen Dämpfungswiderstandes, symbolische Dämpfungseinrichtung
( Kolben + Zylinder, mit Öl / Honig gefüllt, je nach persönlicher Geschmackspräferenz ),
Grün = Eichkreis, Eichsignal ( Strom / Gewicht ), Einstellung des Eichsignals ( Frequenz und Amplitude ).

Der aktuelle Zustand des Instruments ( Geschwindigkeit und Auslenkung der Seismometermasse ) wird durch eine rekursive Filterung der "Störsignale" ( Eichimpulse, seism. Bodenunruhe ) in konstanten Zeitschritten von 20 [ms]  ( = 50 Schritte/Sekunde ) berechnet.

Anfang


- Inhalt -

Programmsteuerung

Eichprozeduren
Eigenfrequenz
Freie Bewegung
Auswertung

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HowTo


- Programmsteuerung -

Dialogfeld :
( Screenshot )

Der Programmablauf wird durch die Schalter RESET, RUN, HALT und STEP gesteuert :

RESET
löscht die gespeicherten Messwerte,

RUN / HALT
Start / Unterbrechung der Simulationsrechnung,

STEP
Einzelschritt, ein Zeitinkrement ( = 20 [ms] ) pro Klick.

Mit HELP ( nur bei HALT wirksam ) werden
Hinweise zu aktuell möglichen Mausaktionen im Graphikbereich des Applets eingeblendet.

Mit DISPLAY  Y = ...  /  X = ... wird eine von drei Eichprozeduren angewählt :

Y = U_SIG  /  X = I_CAL  =>  FREQ

Zur Bestimmung der Eigenfrequenz wird die Phasenverschiebung zwischen
harmonischem Eichstrom
und
daraus resultierender harmonischer Ausgangsspannung
in einer XY-Darstellung beobachtet.
(siehe Eigenfrequenz und Bandpass B(s) in der Seismometer Dokumentation )

Y = U_SIG  /  X = TIME  =>  PICK

Zur Bestimmung der Dämpfung für verschiedene Werte des externen Dämpfungswiderstandes
aus der freien Bewegung der Seismometermasse,
ausgelöst durch
das Ein- und Ausschalten eines Gleichstromes in der Eichspule
oder
das Aufsetzen und Abheben einer kleinen Zusatzmasse.
(siehe Dämpfung und Freie Bewegung in der Seismometer Dokumentation )

Die Amplitudenwerte der Maxima und Minima der Ausgangssignale werden
angezeigt zur Verwendung in eigenen Auswertungen,
und können
gespeichert werden für eine Auswertung in der Prozedur CALC.

Y = DAMP  /  X = 1 / R  =>  CALC

Die Dämpfungswerte werden berechnet und aufgetragen
gegen den Kehrwert des jeweiligen Gesamtwiderstandes im Dämpfungskreis, und
aus einer Regressionsgeraden durch die Messwerte werden
die Grunddämpfung und der "kritische Dämpfungswiderstand"
bestimmt.

Wenn bei gleichem Dämpfungswiderstand
sowohl ein "Gewichtstest" als auch ein "Gleichstromtest"
durchgeführt werden,
können die Motorkonstanten von Signal- und Eichspule aus den Spitze-Spitze-Amplituden der beiden Registrierungen bestimmt werden.
(siehe "Kritischer Dämpfungswiderstand" und Empfindlichkeit in der Seismometer Dokumentation )

In den beiden Messprozduren ( FREQ und PICK ) können

mit MASS DISPLACEMENT  SHOW
die Auslenkung ( blau ) der Seismometermasse in die graphische Darstellung eingeblendet werden,

mit RANGE  I_CAL [mA]U_SIG [mV]  und  X_MAS [mm]  ( F.S. = +/- ... )
die Skalierung der graphischen Darstellung in Stufen 1 - 2 - 5 bestimmt werden,

und mit NOISE LEVEL [mm/s**2]  ( R.M.S = ... ) kann
die Amplitude der seismischen Bodenunruhe am "Messort" festgelegt werden :

NONE
ideal, leider unrealistisch,
5.0e-5
entpricht der Bodenbeschleunigung an einem ruhigen Aufstellungsort und führt zu brauchbaren Eichergebnissen,
5.0e-3
! man sollte nicht versuchen, ein Seismometer im dritten Stockwerk eines Gebäudes zu eichen !

Programmsteuerung    Inhaltsverzeichnis    Anfang


- Eichprozeduren -

Die Eigenfrequenz des Seismometers, die zur Einstellung und Überprüfung der Dämpfung erforderlichen Parameter sowie die Empfindlichkeit von Mess- und Eichspule werden in drei Prozeduren gemessen bzw. berechnet.


Y = U_SIG  /  X = I_CAL  =>  FREQ :
( Screenshot )

XY-Darstellung ( rot ) von harmonischem Eichstrom ( =X ) und Ausgangsspannung ( =Y ).

Im Graphikbereich können mit R_EXT [kOhm] ( orange )
der Dämpfungswiderstand ( i.A. ca. 0.2 - 0.5 [kOhm] )
und mit I_CAL [mA] ( grün )
die Amplitude des harmonischen Eichstroms
eingestellt werden.

Mit CAL. SIG.  ON ( Dialogfeld )
wird der Eichstrom eigeschaltet und die Simulation gestartet.

Die Phasendifferenz zwischen Ausgangssignal und Erregerstrom hängt ab
von der Differenz zwischen F_CAL und der Eigenfrequenz F_0 des Seismometers und
führt zu einer Ellipse, die
für F_CAL > F_0 im Uhrzeigersinn,
für F_CAL < F_0 engegengesetzt
durchlaufen wird ( grüner Punkt ), und die
für F_CAL = F_0 zu einer Geraden wird.

Bei laufender Simulation wird mit F_CAL [Hz] ( grün ) die Frequenz des Eichstroms so lange variert,
bis als Bild eine Gerade entsteht, d.h.
bis F_CAL mit der Eigenfrequenz des Seismometers übereinstimmt.

( Der Frequenzwert muß nicht gespeichert werden, da für die Auswertung der an F_CAL [Hz] eigestellte Wert benutzt wird. )

Da bei geringen Differenzen zwischen den Frequenzen der Umlaufsinn nur schwer zu erkennen ist, wird der Umlauf für |ΔF| < 0.04∗F_0 durch einen grauen Kreis bzw. eine graue Gerade ( links unten ) symbolisch dargestellt.

( Für F_CAL = F_0 beträgt die Phasendifferenz zwischen Auslenkung und Strom π/2, d.h. bei MASS DISP SHOW entsteht eine Ellipse ( blau ), deren Achsen parallel zum Achsenkreuz der Graphik liegen. )

Eigenfrequenz    Prgogrammsteuerung    Inhaltsverzeichnis    Anfang


Y = U_SIG  /  X = TIME  =>  PICK :
( Screenshot )

Zeitlicher Verlauf des Eichsignals ( grün ) und der Ausgangsspannung ( rot ), die der Geschwindigkeit der freien Bewegung der Seismometermasse entspricht.

Im Menuefeld kann mit CAL. SIG. ... das Eichsignal ausgewählt werden :

+I [mA]  / -I [mA]
Gleichstrom wählbarer Polarität und einstellbarer Amplitude ( I_CAL [mA],  grün ), ein- / ausschalten mit ON / OFF,

1.0 [g]  / 0.2 [g]
Zusatzmasse von 1.0 / 0.2 [g],  aufsetzen / abheben mit DROP / LIFT.

Mit R_EXT [kOhm] ( orange ) wird
der externe Däpfungswiderstand eingestellt.

Bei relativ großer Dämpfung ( R_EXT ca. 0.2 - 0.5 [kOhm] )
wird mit ON bzw. DROP die Simulation gestartet und die Seismometermasse aus ihrer Ruhelage ( X_MAS = 0 ) ausgelenkt.

Wenn das Ausgangssignal ( = Geschwindigkeit, rot ) abgeklungen ist, wird bei laufender Simulation oder nach HALT
ein neuer Wert R_EXT eigestellt, und
mit OFF bzw. LIFT wird
das Eichsignal abgeschaltet und ggf. die Simulationsrechnung fortgesetzt.

Die Seismometermasse kehrt in ihre Ruhelage zurück, und
das Ausgangssignal ( rot ) der freien Bewegung wird aufgezeichnet.

Nach HALT ( manuell od. autom., wenn der Anfang des Ausschwingsignals den linken Bildrand erreicht ) werden
bis zu 10 Ammplitudenwerte aufeinander folgender Extrema ermittelt,
bei AMPLITUDE PICKS SHOW in die Graphik eingeblendet ( magenta ),
und können
mit AMPLITUDE PICKS SAVE für eine Auswertung in der Prozedur CALC gespeichert werden.

Die graphische Darstellung der ermittelten Amplitudenwerte und ihre Speicherung erfolgt erst nach einer Plausibilitätsprüfung der Werte und ihrer zeitlichen Abstände und wird ggf. unterdrückt ( insbesondere bei höherer Bodenunruhe ).

Die Anzahl der gespeicherten Datensätze ( max. 20 ) wird
mit SAVED nn ( magenta, im Graphicfeld oben links ) angezeigt.
Mit einem Mausklick in den umgebenden Rahmen werden die Daten
auf dem Bildschirm / der JAVA-Console gelistet. ( s. Beispiel )

Freie Bewegung    Eichprozeduren    Prgogrammsteuerung    Inhaltsverzeichnis    Anfang


Y = DAMP  /  X = 1 / R  =>  CALC :
( Screenshot )

Graphische Darstellung Dämpfung gegen 1 / Widerstand
mit unterschiedlichen Symbolen für die verschiedenen Eichsignale ( Liste oben links, magenta )
und Regressionsgerade,
Achsenabschnitt = Grunddämpfung ( α_0 ),
Steigung = "krit. Dämpfungswiderstand" ( CDR ).

Ergebnisse der Eichung ( CALIB, magenta ) und Seismometerparameter ( SEIS, blau ) sind tabellarisch gegeübergestellt.

Für die Auswertung kann das Gewicht eines Messwertes
mit der linken Maustaste auf 1,
mit der rechten Taste auf 0
gesetzt werden.
( Die Anzahl der benutzten Werte ist unter USED, oben links, angegeben.
Ein Klick in den umgebenden Rahmen erzeugt eine Messwertliste auf dem Bildschirm / der JAVA-Console. )

Messwertliste :
( Screenshot )

( Physikalisch-mathematische Grundlagen : siehe Seismometer Dokumentation )

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- Verwandte Applets -

Übertragungsfunktion eines Seismometers

Freie Bewegung eines Seismometers

Seismometer Demo


- Download -

Die für eine lokale Installation der Seismometer Applets ( DEMO + CALIB ) benötigten Class- und Html-Files sind verfügbar als zip-File und als tar.gz-File.

Weitere Applets : Homepage des Authors.


Rev. 06-Apr-2007

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

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