Geophysiker setzen Seismometer für die Überwachung von Erdbeben ein. Um eine effektive Leistung der Instrumente zu gewährleisten, müssen sie vor ihrem Einsatz ausgerichtet werden. Bei Seismometern, die Tausende Meter tief unter dem Meeresspiegel zur Anwendung kommen, ist der Einsatz anspruchsvoll. Hier helfen robuste Schrittmotoren in Kleinstbauweise, die Messgeräte präzise zu nivellieren.
Exklusiv in KEM Die Autoren: Andreas Seegen, Leiter Marketing bei Faulhaber, und Andreas Zeiff, Redaktionsbüro Stutensee
Die Ausrichtung von Messgeräten Tausende Meter unter Wasser ist wichtig für den erfolgreichen Einsatz der Seismometer. Da das Aussetzen auf hoher See sehr kostspielig ist, müssen alle Komponenten möglichst klein und zuverlässig ausfallen, das gilt auch für die Nivelliereinrichtung. Um den Ablauf zu vereinfachen, hat Nanometrics Inc. (Kanata, Ontario, Kanada) hoch entwickelte Kardanrahmen und Mikroprozessoren mit extrem zuverlässigen, effizienten Faulhaber-Schrittmotoren von Micromo (Clearwater, Florida, USA) kombiniert.
Seismometer-Funktion
In seiner einfachsten Ausführungsform besteht ein Seismometer aus einem Rahmen, der sich mit dem darunterliegenden Felsen bewegt, einem Pendel, das im Wesentlichen als träge Masse fungiert, und einer Elektronik zur Aufzeichnung der Verschiebung zwischen diesen beiden Komponenten. Seismometer von Nanometrics sind entlang orthogonaler Achsen mit drei trägen Massen ausgerüstet, um mit dem Instrument eine dreidimensionale Messung vorzunehmen.
Die für Geophysiker interessanten Frequenzen liegen im Bereich zwischen 100 Hz und bis zu unter 1 MHz. Ein klassisches Pendel, das aus einem Gewicht an einer Schnur besteht, zentriert sich dank der Gravitationskraft stets selbst, ist jedoch für die Messung von Bodenbewegungen auf sehr niedrigen Frequenzen nicht geeignet. Breitband-Seismometer dagegen nutzen in der Regel eine Art umgekehrtes Pendel, bei dem anstelle der Gravitation eine Feder für die Rückstellkraft sorgt. Umgekehrte Pendel zentrieren sich aber nicht selbst. Sie müssen ausbalanciert werden, daher die Notwendigkeit der Nivellierung.
Höchste Zuverlässigkeit gefordert
Ozeanboden-Seismometer werden mehrere Kilometer unterhalb der Meeresoberfläche eingesetzt. In einer solchen Tiefe ist die Verwendung von Kabeln praktisch unmöglich. Die batteriebetriebenen Instrumente arbeiten daher für die Dauer des Experiments, manchmal bis zu einem Jahr, in vollkommener Isolation. Anschließend werden sie zur Analyse in ein Labor gebracht – und erst dann erfahren die Benutzer, ob die Instrumente die gewünschte Leistung erbracht haben. „In manchen Fällen bleiben Seismometer über einen langen Zeitraum hinweg im Einsatz“, bestätigt Jeff Potter, Marketingleiter bei Nanometrics. „Die Schiffe, die Ozeanboden-Seismometer aufstellen und wieder einholen, sind sehr kostenintensiv. Daher muss man sich absolut darauf verlassen können, dass der Sensor bei jedem Einsatz perfekt funktioniert.“
Doch Zuverlässigkeit ist nur eine der Anforderungen. Forscher platzieren ein Ozeanboden-Seismometer, indem sie es an einem beschwerten Schlitten befestigen und diesen auf den Meeresboden sinken lassen. Dieser Prozess kann Stunden dauern. Am Meeresboden angekommen, landet das Seismometer häufig auf schlammigem Untergrund in unbekannter Umgebungstopografie. An diesem Punkt beginnt die Ausrichtung.
Robuste Nivellier-Lösung
Die drei Achsen des Trillium Compact OBS (Instrument für den Meeresboden) und des Compact All-Terrain (Instrument für trockenes Land) sind fest miteinander verbunden, sodass das System die Plattform als Ganzes ausrichtet. Um eine Vielzahl von Einstellungen zu ermöglichen, hat Nanometrics das Seismometer in einem motorisierten Kardanrahmen installiert. Der innere Rahmen dreht das Instrument um seine eigene Achse. Der äußere Rahmen dreht es im Verhältnis zum Gehäuse. Beschleunigungsmesser am Seismometer und am Gehäuse bestimmen den Neigungsgrad. Der Mikroprozessor liefert dem Motor dann die zur Einnahme der erforderlichen Position notwendigen Befehle. Innerhalb von höchstens 20 min ist das System vollständig ausgerichtet.
Der Positionierungsmechanismus benötigt ein hohes Drehmoment, um die Nutzmasse des Instruments auszubalancieren. Die einfachste Art und Weise, dies zu erzeugen, ist die Wahl eines größeren Motors oder aber die Kombination mit einem Getriebe mit passendem Untersetzungsverhältnis. Durch das Design ergaben sich für das Ingenieursteam hier jedoch Platzeinschränkungen.
Kleinst-Schrittmotoren positionieren exakt
Das Design sieht zwei Faulhaber-Schrittmotoren vor, die von einem Mikroprozessor gesteuert werden. Der Ausrichtungsalgorithmus nutzt die Daten der Beschleunigungsmesser, um die für die Ausrichtung erforderlichen Motorbewegungen zu berechnen. Das endgültige Ausrichtungsergebnis wird jedoch durch die Seismometer geprüft. Ein wesentlicher Vorteil des Schrittmotors ist seine Zuverlässigkeit. „Es erleichtert die Kontrolle ungemein, wenn man dem Instrument ganz einfach eine bestimmte Position vorgeben kann“, bestätigt Nick Ackerley, leitender Wissenschaftler bei Nanometrics. „Dabei prüfen wir in jedem Fall, ob der Motor sich zu der vorgegebenen Position bewegt. Unsere Algorithmen sind so ausgelegt, dass sie Maßnahmen ergreifen, wenn das nicht funktioniert. Doch bisher wurde den Vorgaben in jedem Fall Folge geleistet.“ Ein robustes Schneckenradgetriebe überträgt die Bewegung des Motors zum Seismometer im Kardanrahmen. I
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Dr. Fritz Faulhaber
Rolf Schmideder
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