Hallo liebes Forum,
ich schreibe gerade an meiner Seminararbeit mit dem Thema Geoseismik,
dazu gehört auch ein praktischer Versuch. Aktuell versuche ich ein
Geophon zu realisieren.
Das Problem was ich noch lösen muss ist die Aufhängung der Seismischen
Masse (im angehängten Bild der grüne Bereich).
Der Aufbau sieht wie gefolgt aus:
Auf einer 6-Kantschraube wird ein kurzes Rohrstück (ø 13mm)
aufgeschweißt. In der Mitte des Schraubenkopfes wird ein Magnet
befestigt (geklebt?). Darauf wird ein kleiner Boltzen (ø 4mm) montiert.
Eine Spule (ca. 4g) befindet sich im Freiraum zwischen Bolzen und Rohr.
Diese Spule soll nun frei schwebend befestigt werden. Die
Resonanzfrequenz sollte dabei so gering wie möglich sein (ich dachte da
an ca. 5Hz). Problematisch ist dabei die geringe Masse und der wenige
Platz.
An folgendes habe ich schon gedacht, bzw. Ausprobiert und hat nicht
richtig funktioniert:
-Gummi locker quer über Rohr spannen
-Kugelschreiberfeder, in andere Form gebogen
Wenn einem vielleicht etwas einfällt, oder einen Denkanstoß geben
könnte, wäre ich sehr dankbar!
MfG
Gummiaufhängung sollte schon irgendwie gehen.
(Kugelschreiber)Feder benötigt aber sicherlich eine zusätzliche
Dämpfung, sonst haste bei jedem Stoß eine gedämpfte Schwingung.
Evtl. könnte man die Spule als Kolben, das Rohr als Zylinder betrachten,
so daß die eingeschlossene Luft als Dämpfer dient.
Kolben(Spule)/Zylinder aber nicht zu dicht, evtl. über eine justierbare
Zusatzöffnung "Nebenluft" ziehen lassen, so daß man die Dämpfung
einstellen kann.
Ist aber nur eine Idee ...
Jens G. schrieb:> (Kugelschreiber)Feder benötigt aber sicherlich eine zusätzliche> Dämpfung, sonst haste bei jedem Stoß eine gedämpfte Schwingung.> Evtl. könnte man die Spule als Kolben, das Rohr als Zylinder betrachten,> so daß die eingeschlossene Luft als Dämpfer dient.
Das ist richtig, die Schwingung will ich evtl. mit einer Ölfüllung
dämpfen, aber das muss ich noch testen. Luft als Dämpfung ist nicht
blöd, aber dazu sind leider die Lücken zwischen Rohr und Spule zu groß.
Ich hatte noch einen Einfall: In CD-Laufwerken ist die
Fokussierungslinse auch leicht beweglich aufgehängt. Die Linse ist an 4
kleinen Drähtchen montiert, die am anderen Ende in einem "Gelkissen"
stecken. Das "Gelkissen" wiederum klebt am festen Laufwerkgestell.
Ein Testversuch mit meiner Spule daran zeigte eine Resonanzfrequenz von
15Hz. Das ist garnichtmal so übel, allerdings ist die Baugruppe schlecht
aus- und wieder einzubauen. Außerdem brauch ich das ganze mind. 4 mal.
Deswegen sollten das schon 4 gleiche Teile sein und ich habe nicht so
viele Laufwerke rumliegen.
Also wäre es eine Möglichkeit das nachzubauen. Ich dachte da an Silikon
als Gelersatz aber ich glaube das es zu steif ist. Hat jemand eine Idee
was da noch gehen könnte?
Oder hat jemand noch einen ganz anderen Vorschlag?
Die Konstruktion im Bild ist erprobt.
Mit entsprechender Verstärkung ist es so möglich, in ca. 800m Entfernung
eine bremsende Stadbahn zu detektieren.
Oder den Nachbarn, der draussen vor der Tür in sein Auto einsteigt ( ! )
Eine mechanische Bedämpfung lässt sich realisieren, indem man in die
Spiralfeder ein oder mehrere "flauschige" Wollfäden durch die Mitte
fädelt.
Die Membran vom Mikro bewirkt aber auch schon eine Bedämfung, die für
normale ( schwache ) Signale völlig reicht.
So kann man allerdings nur vertikale Schwingungen detektieren, trotzdem
ist es eine enorm empfindliche Konstruktion, die sogar sehr langwellige
Schwingungen noch auflöst.
Die Stahlfeder bekommt man in gut sortierten Baumärkten.
Nimm lieber eine aus dünnem Draht, mit schwacher Zugkraft.
Dann muss das Gewicht unten dran nicht so fett sein...
P.S.: Es ist spannend zu sehen, was es alles für Signale gibt, deren
Ursprung man absolut nicht kennt.
Stefan M. schrieb:> Die Konstruktion im Bild ist erprobt.
Danke für den Vorschlag! Allerdings würde das viel zu groß werden.
Ich hab jetzt den ersten Prototyp gebaut wie in dieser Skizze vom ersten
Post:
M. M. schrieb:> Der Aufbau sieht wie gefolgt aus:> Auf einer 6-Kantschraube wird ein kurzes Rohrstück (ø 13mm)> aufgeschweißt. In der Mitte des Schraubenkopfes wird ein Magnet> befestigt (geklebt?). Darauf wird ein kleiner Boltzen (ø 4mm) montiert.> Eine Spule (ca. 4g) befindet sich im Freiraum zwischen Bolzen und Rohr.
Und der Aufhängung nach diesem Prinzip:
M. M. schrieb:> Ich hatte noch einen Einfall: In CD-Laufwerken ist die> Fokussierungslinse auch leicht beweglich aufgehängt. Die Linse ist an 4> kleinen Drähtchen montiert, die am anderen Ende in einem "Gelkissen"> stecken. Das "Gelkissen" wiederum klebt am festen Laufwerkgestell.
Die Resonanzfrequenz beträgt ca. 100Hz wahrscheinlich wg. dem zu harten
Silikon. Die fr ist viel zu hoch aber ich hatte folgenden Einfall:
fr lässt sich ja durch die Masse m und der Federkonstante D berechnen.
Die Masse lässt nicht sehr viel Spielraum zu (eben diese 4g). Der Plan
ist nun D zu verringern. D = F/s ; ich muss also die zur Elongation
passende "Steuerkraft" erzeugen. Das geht indem ich durch die Spule
Strom schicke (dabei ist I ~ F). Dazu muss aber die Elongation x erstmal
bekannt sein. Nun kommt die Schaltungsskizze vom Anhang ins Spiel: Durch
die Integration der Spannung Uv (also die, die man eigentlich haben
will, und bei perfekter schwebender Lagerung erhalten würde) erhält man
Ux, die der Elongation entspricht. Diese steuert eine
Konstantstromquelle die die "Steuerkraft" durch den Spulenkraft erzeugt
und somit D verringert. Damit die zu messende Spannung Uv nicht durch
die Regelspannung der Konstantstromquelle verfälscht wird, muss ich die
wieder rückgewinnen:
Die Spule besteht ja aus Xr, Xl und der Spannungsquelle Xv die durch
eine Bewegung der Spule Uv erzeugt. Wenn ich also Uv erhalten will, so
muss ich Ul (an Xl) und Ur (an Xr) von der an der gesamten Spule
anliegenden Spannung abziehen. Da Xr konstant ist, hängt Ur nur vom
Strom, somit von der Spannung direkt hinterm Integrierer ab
(Uintegrierer ~ Ur). Die Induktionsspannung, durch die Regelspannung von
Konstantstromquelle hervorgerufen, lässt sich durch Ableiten der
Gesamtspannung an der Spule ermitteln. Durch Subtrahieren der Summe
(Uges - (Uges'+Ur)) erhält man somit Uv.
Nun würde ich gerne wissen:
-hab ich noch einen Fehler drinn?
-wenn nicht, würde das praktisch auch funktionieren? Ich mein die
Messspannung Uv ist ja im mV-Bereich...
Ich hoffe das ist einigermaßen verständlich rübergekommen und freue mich
auf Verbesserungsvorschläge/Kritik!
M. M. schrieb:> Die Induktionsspannung, durch die Regelspannung von> Konstantstromquelle hervorgerufen, lässt sich durch Ableiten der> Gesamtspannung an der Spule ermitteln.
Edit: Ach verdammt! Gleich den ersten Fehler bemerkt: Natürlich muss ich
für Ul den Strom ableiten, also die Steuerspannung direkt nach dem
Integrierer.
Jetzt müsste es eigentlich passen...
Hallo M. M.
> Wenn einem vielleicht etwas einfällt, oder einen Denkanstoß geben> könnte, wäre ich sehr dankbar!
Irgendwo meine ich, etwas vergleichbares schon einmal gesehen zu haben.
In dem Falle bestand die Feder aus einer geätzten, sehr dünnen Stahl-
oder Bronzefeder in flacher Form.
Zwei Konzentrische Ringe innen und aussen zur Befestigung. Die federnden
Elemente waren die Speichen zwischen innerem und äußerem Ring. Um eine
weichere Feder bei trozdem festem Material zu bekommen, mussten die
federnden Elemente verlängert werden. Das wurde erreicht, indem sie
spiralförmig mit z.B. einer viertel Umdrehung um die Mitte der Anordnung
ausgeführt wurden.
Ein dreiarmiges Beispiel ist ein Triskelion
http://de.wikipedia.org/wiki/Triskele
Durch die Spiralen ergibt sich aber auch ein Drehen bei Auslenkung.
Darum gab es andere Ausführungen, die nicht mit Spiralen, sondern mit
Meandern funktionierten.
Mit freundlichem Gruß: Bernd Wiebus alias dl1eic
http://www.dl0dg.de
Hallo M. M. schrieb:> Diese steuert eine> Konstantstromquelle die die "Steuerkraft" durch den Spulenkraft erzeugt> und somit D verringert. Damit die zu messende Spannung Uv nicht durch> die Regelspannung der Konstantstromquelle verfälscht wird, muss ich die> wieder rückgewinnen.
Nicht das ich da jetzt etwas falsch verstanden habe:
Du willst durch einen konstanten Gleichstrom die Feder vorspannen?
Solange Du nicht in nichtlineare Bereiche Deiner Feder kommst, verändert
sich aber die Federkonstante nicht, und Deine Anordnung bleibt die
gleiche mit gleicher Resonanzfrequenz.
Der Witz, daß die Resonanzfrequenz bei größerer Masse kleiner wird,
liegt darin, das die Masse in einem schwingfähigen System eben auch
Energiespeicher ist. Aber Deine Federvorspannung ist kein
Energiespeicher.
> -wenn nicht, würde das praktisch auch funktionieren? Ich mein die> Messspannung Uv ist ja im mV-Bereich...
mV zu messen sind erstmal für sich selber kein Problem. Das Problem
liegt im Zweifel im Detail, und speziell daran, das Rückkopplungen gerne
eine Tendenz zum Schwingen haben. ;O)
Dann kommt noch hinzu, daß Du Störsignale draussen halten musst.
> Ich hoffe das ist einigermaßen verständlich rübergekommen und freue mich> auf Verbesserungsvorschläge/Kritik!
Darum frage ich ja nach. ;O)
Mit freundlichem Gruß: Bernd Wiebus alias dl1eic
http://www.dl0dg.de
Ein Geophon hat nicht nur eine niedrige Resonanzfrequenz, sondern auch
eine große Masse. Diese ist insbesondere deshalb notwendig um ein
wegproportionales Signal zu erhalten. Gedämpft wird auch nicht irgendwie
mit Öl sondern es wird ganz gezielt eine „optimale“ Dämpfung
eingestellt.
Hallo Joe G.
> Diese ist insbesondere deshalb notwendig um ein> wegproportionales Signal zu erhalten.
Dann ist eine Signalaufnahme per Induktionsspule aber eh nur eine
mittelgute Idee, weil diese im besten Falle beschleunigungsproportional
ist, und ein wegproportionales Signal erst durch Integration gewonnen
werden muss.
War das nicht bis ins letzte Drittel des letzten Jahrhunderts ein dickes
Problem bei Seismographen?
Praktisch hat man Aufgrund von anderen Vorteilen trozdem meist die
induktive Aufnahme gewählt. Aktuelle Seismographen arbeiten wohl oft
optisch.
Mit freundlichem Gruß: Bernd Wiebus alias dl1eic
http://www.dl0dg.de
Hallo Bernd,
üblicher Weise nutzt man zur Wegmessung bei elektrodynamischen Systemen
im Seismometer das Kompensationsprinzip. Die Lage des Pendels, der
Masse, usw. wird z.B. über einen empfindlichen Nulldurchgangsdetektor
(optisch) erfasst und das Pendel wieder aktiv mit einem Regelkreis in
die Nulllage gebracht. Dabei kann man gleichzeitig sehr gut die
gewünschte Dämpfung einstellen. Die Regelgröße entspricht dann dem zu
messenden Weg.
Hallo Joe G.
> üblicher Weise nutzt man zur Wegmessung bei elektrodynamischen Systemen> im Seismometer das Kompensationsprinzip.
Ah, danke für die Info!
Eventuell kann ja der TO auch was damit anfangen, obwohl Geophone ja
deutlich höherfrequenter sind.
Mit freundlichem Gruß: Bernd Wiebus alias dl1eic
http://www.dl0dg.de
Nachtrag zu
Beitrag "Re: schwebende Aufhängung 4g" :
> Dann ist eine Signalaufnahme per Induktionsspule aber eh nur eine> mittelgute Idee, weil diese im besten Falle beschleunigungsproportional> ist, und ein wegproportionales Signal erst durch Integration gewonnen> werden muss.
Genauer, durch zweimaliges Integrieren über die Zeit.
Mit freundlichem Gruß: Bernd Wiebus alias dl1eic
http://www.dl0dg.de
Bernd Wiebus schrieb:> Ein dreiarmiges Beispiel ist ein Triskelion> http://de.wikipedia.org/wiki/Triskele
^^wieder was gelernt :)
Genau so ein ding bräuchte ich. Und zwar 4x Maßangefertigt. Das
Herzustellen ist glaub ich ein Problem. Sowas aus einem dünnem Blech
rausätzen würde wohl am einfachsten sein, wobei ich ehrlichgesagt nicht
weis wo man sowas herbekommt (am besten für lau, da armer Schüler
versteht sich ;-)). So eine Feder sollte ja nicht nach nem halben Tag
abbrechen.
Bernd Wiebus schrieb:>> Dann ist eine Signalaufnahme per Induktionsspule aber eh nur eine>> mittelgute Idee, weil diese im besten Falle beschleunigungsproportional>> ist, und ein wegproportionales Signal erst durch Integration gewonnen>> werden muss.>> Genauer, durch zweimaliges Integrieren über die Zeit.
Nein sie ist Geschwindigkeitsproportional, da z.B. die
Induktionsspannung des bewegten Leiters im Magnetfeld: U=l*v*B
Also bekommt man durch einmal integrieren den Weg.
Bernd Wiebus schrieb:> Hallo M. M. schrieb:>>> Diese steuert eine>> Konstantstromquelle die die "Steuerkraft" durch den Spulenkraft erzeugt>> und somit D verringert. Damit die zu messende Spannung Uv nicht durch>> die Regelspannung der Konstantstromquelle verfälscht wird, muss ich die>> wieder rückgewinnen.>> Nicht das ich da jetzt etwas falsch verstanden habe:> Du willst durch einen konstanten Gleichstrom die Feder vorspannen?>> Solange Du nicht in nichtlineare Bereiche Deiner Feder kommst, verändert> sich aber die Federkonstante nicht, und Deine Anordnung bleibt die> gleiche mit gleicher Resonanzfrequenz.
Das ist richtig, deswegen ja der Handstand mit dem Integrieren der
"Messspannung", die aus der Steuerspannung wieder rausgefiltert werden
muss.
Somit könnte man, theoretisch jedenfalls, die aktuelle Elongation
ermitteln und passend dazu die Gegenkraft erzeugen (frei nach dem Motto
F=D*l).
Diese ganze Schaltung beißt sich prinzipbedingt in den Schwanz, also
schwingungsgefahr wie du schon sagtest, aber ich würde rein gefühlsmäßig
sagen, dass die Steuerkraft ja nur unterstützend wirkt.
Das größere Problem dürfte die Integration sein, da durch kleine Fehler
die ermittelte Elongation langsam wegdriftet.
>> -wenn nicht, würde das praktisch auch funktionieren? Ich mein die>> Messspannung Uv ist ja im mV-Bereich...>> mV zu messen sind erstmal für sich selber kein Problem. Das Problem> liegt im Zweifel im Detail, und speziell daran, das Rückkopplungen gerne> eine Tendenz zum Schwingen haben. ;O)> Dann kommt noch hinzu, daß Du Störsignale draussen halten musst.
Ich hab das mal probehalber mit einer OPV-Schaltung realisiert.
An einem größeren Versuchsexemplar (also richtig dicke Spule, die
eigenfrequenz lag bei ca. 1Hz, aber das Ding ist hald viel zu klobig für
meine Zwecke) funktionierte das zwar tatsächlich mehr schlecht als
recht. Die Schwingfrequenz ließ sich leicht variieren und es sah i-wie
lustig aus, aber harmonisch konnte man das nicht nennen :-)
Leider ging das bei meinen kleinen Geophonen nicht. Da war dann eben
entweder garkein Effekt zu sehen oder das Ding (also die Schaltung)
fängt zu schwingen an. Jedenfalls fürs Feld nicht geeignet.
Joe G. schrieb:> üblicher Weise nutzt man zur Wegmessung bei elektrodynamischen Systemen> im Seismometer das Kompensationsprinzip. Die Lage des Pendels, der> Masse, usw. wird z.B. über einen empfindlichen Nulldurchgangsdetektor> (optisch) erfasst und das Pendel wieder aktiv mit einem Regelkreis in> die Nulllage gebracht. Dabei kann man gleichzeitig sehr gut die> gewünschte Dämpfung einstellen. Die Regelgröße entspricht dann dem zu> messenden Weg.
Das ist ziehmlich genial. Leider würde das zu groß werden.
Wahrscheinlich muss das Problem bei der Wurzel gepackt werden, wobei die
elektronische Regelung durchaus ihren reiz hätte. Ich lass mir das mit
den "Blech"federn nochmal durch den Kopf gehen, ansonsten muss ich hald
doch größer bauen.
Hallo M. M.
>>> Dann ist eine Signalaufnahme per Induktionsspule aber eh nur eine>>> mittelgute Idee, weil diese im besten Falle beschleunigungsproportional>>> ist, und ein wegproportionales Signal erst durch Integration gewonnen>>> werden muss.>>> Genauer, durch zweimaliges Integrieren über die Zeit.>> Nein sie ist Geschwindigkeitsproportional, da z.B. die> Induktionsspannung des bewegten Leiters im Magnetfeld: U=l*v*B> Also bekommt man durch einmal integrieren den Weg.Grübel
War da nicht was in Abhängikeit davon, ob man sich oberhalb oder
unterhalb der Eigenresonanz der Anordnung befindet?
Bei Geophonen bin ich meist darüber, und bei Seismographen darunter.
d.h. bei einem Seismographen mit Anregung unterhalb der Eigenresonanz,
der sich mit konstanter Geschwindigkeit verschiebt, bewegen sich Leiter
und Magnetfeld gemeinsam. Das bedeutet, es wird keine Spannung
induziert.
Das passiert erst, wenn sich die Geschwindigkeit ändert.
Mist, das ist alles so lange her, und mein Gedächnis ist nicht so toll.
Mit freundlichem Gruß: Bernd Wiebus alias dl1eic
http://www.dl0dg.de
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