DD266183A1

DD266183A1 - Seismischer mehrkomponentensensor

Info

Publication number: DD266183A1
Application number: DD30719987A
Authority: DD
Inventors: Erhard Unterreitmeier
Original assignee: Akad Wissenschaften Ddr
Priority date: 1987-09-24
Filing date: 1987-09-24
Publication date: 1989-03-22

Abstract

Seismischer Mehrkomponentensensor fuer die Messung der raeumlichen Bodenbewegung von Erdbeben und aehnlichen Erscheinungen. Er besitzt in einem aeusseren ortsfesten Gestell in Tetraederform eine innere zentrale Masse M, die mit vier elastischen Elementen an den Ecken oder Seiten des Gestells elastisch aufgehaengt ist. Den vier elastischen Bindungen zum Gestell sind Signalabnahme - sowie Daempfungs- und Rueckfuehrungseinrichtungen zugeordnet. Der Sensor hat eine Minimalzahl von Elementen und eine natuerliche Redundanz. Er laesst sich in den einzelnen vier Komponenten durch zyklische Vertauschung der Vertikalkomponente pruefen und eichen. Die Masse hat im wesentlichen Tetraedergestalt. Als Medium kommt eine Luft- oder Fluessigkeitsfuellung in Frage. Es ist durch Signalbuendelung der vier Komponenten auf unterschiedliche Richtcharakteristiken umzuschalten. Fig. 4

Description

Hierzu 5 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft Seismometer und verwandte Instrumente, boi denen mit einer seismischen Masse M die Bodenbewegung gleichzeitig in mehreren Komponenten gemessen wird.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Es ist schon vor längerer Zeit vorgeschlagen worden, ein seismisches Universalinstrument dadurch zu realisieren, daß oine zentrale seismische Masse M in einem würfelförmigen Gesteh mit mehreren Federn allseitig elastisch aufgehängt ist und die Bewegung der Masse im Gestell bei seismischen Signalen zur Registrierung in Komponenten zerlogt wird. Hierzu sind in der Horizontalen zwei Federpaare mit Zug und Gegenzug auf dio Masse M zur Zentrierung und eine Zugfeder in der Vertikalen zum Tragen der Masse M und zu doren vertikaler Justierung eingesetzt (Ehlert, R.; Zusammenstellung, Erläuterung und kritische Beurteilung der wichtigsten Seismometer..., Beiträge zur Geophysik, Band III, S. 350-474, Leipzig 1898).

Dieser Vorschlag ist In erweiterter und verbesserter Form später noch oinmal für ein Schwingungsmeßgerät gomacht worden.

(DE-OS 42c,42 D 10284 — 20.7.1954-31.10.1956).

Hier sind im würfelförmigen Gestell acht Zugfedern zur Aufhängung der seismischen Masse M eingesetzt, von denen je zwei hintereinander mit Zug und Gagenzug auf die Masse M wirken. Die Logo der Mas-e im Gestell wird mit induktiven oder kapazitiven Meßmitteln elektrisch angezeigt. Diese Anordnung ist in ähnlicher Form auch für elektrodynamische Seismographen (SU 913.301), für piezoelektrische Seismometer (SU 397.868) und für elektrostatische Beschleunigungsmesser (DE-OS 3147011 & FR 25272-80) bekanntgemacht worden. Dort sind allerdings die elastischen Bindungen dann jeweils anwendungsspezifisch ausgeführt.

Diese bekannten Lösungen benutzen ausschließlich paarige Federn oder andere verc^iunbare elastische Elemente in einem würfelförmigen Gestell zur elastischen Aufhängung der Masse M und zur Erzielung einer möglichst gleichen Eigenfrequenz (, der schwingenden Masse M In allen Komponenten; üblicherweise in zwei horizontalen und einar vertikalen als gefordertes orthogonales Meßsystem.

Die Forderung, ein einheitliches f.zu sichern, ist jedoch durch die paarige Anlage der elastischen Elemente schwor zu erreichen, da die geometrische Zentrierung der Masse M Im Gestell (Gleichgewichtslage) auch bei unterschiedlichen Eigenfrequenzen der drei Komponenten erreichbar ist. Außerdem ist der technische Fertigungsaufwand für die vielen und möglichst identischen Zugfedern o.a. Elemente bez. Tomperaturgang, Alterung u. ä. durch die paarige Anlage der elastischen Elemente ziemlich hoch.

Das hat die Fertigung und Anwendung solcher Seismometer stark erschwert bzw. unmöglich gemacht.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist eine Verringerung dos Aufwandes für die Realisierung eines seismischen Mehrkomponontensensors sowio die Verbesserung solner Gebrauchseigenschaften.

Darlegung de· Wesens dor Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabo zugrunde, für seismische Mehrkomponentonsensoren mit oiner zentralen seismischen Masse M im Gestoll und mit elastischen Elementen zwischen dieser Masse Mund dom Gestell und mit zugeordneten Signalwandlern und Dämpfungs- und Rückführungseinrichtungen eine konstruktive Anordnung für die Teile einos solchon Mehrkomponentensensors anzugeben, die es gestattet, mit einer Minimalzahl von elastischen Elementen zwischen Masse M und Gestell des Sensors auszukommen, die es ermöglichen, die Qualität des Sensors oinorselts zu erhöhon und don Aufwand für die Herstellung und Prüfung desselben andererseits zu senken.

Erfindungsgemäß wird das dadurch erreich, daß das Gestell des seismischen Mehrkomponontensensors ein regulärer Tetraeder Ist und die seismische Masse M in seinem räumlichen Mittelpunkt angeordnet ist und vier elastische Elomente zwischen der Masse M und dem Gestell vorhandon sind und Signalwandler sowie Dämpfungs- und Regulierungscinrichtungen für die Lage und Bewegung dor Masse M im Gestell den vier elastischen Elementen zugeordnet sind. Die im räumlichen Mittelpunkt angeordnete Masse M hat vorzugsweise die gleiche Tetraodergestalt wie das Gestell, und ihre Bogronzungsflächon vorlaufen bei Abwesenheit von äußeren Signalen parallel zu den Tetraederflächen des Gestells (Nullage). Die vier elastischen Elomonte zwischen Gestell und Masso M sowio die beigeordneten Signalwandler und Dämpfungs- und Regolungsoinrichtungen sind wahlweise zwischen M und den viir Tetraederecken oder -flächen angeordnet.

Der so aufgebaute Sensor hat keine paarigen elastischen Elemente mohr, wie etwa gegeneinander ziehende Federn, sondern nur vier einzelne elastische Elemente, die die seismische Masse M im Gestell zentrieren.

Damit 1st er kein üblicher Dreikomponentensennor mehr, sondern einer mit vier Komponenten, von denen jeweils eine die vertikale Komponente ist, und bei denen jeweils die drei anderen Komponenten gegen diese vertikale bei der Eichung wie auch bei der laufenden Messung vorteilhaft geprüft werden können. Das kann z. B. bei der Prüfung durch das Kippen dos Totraedergestells von einer Aufstellfläche auf eine benachbarte für alle vioi Komponenten zyklisch durchgeführt werden. Überdies hat der erfindungsgomäße Sensor durch die zusätzliche vierte Komponente eine natürliche Redundanz bez. Ausfall einer Komponente im Betrieb oder etwa nach starken Transportbelastungen vor dom Installationsvorgnng am Meßort. Das begünstigt das automatische Aussetzen eines solchen seismischen Sonsors in beliebiger Umgebung bei Forschungsvorhaben der Seismologie.

Die verringerte Anzahl der notwendigerweise nihezu identischen elastischen Elemente erleichtert dia Realisierung und Prüfung des erfindungsgemäßen seismischen Sensors. Oeine Geometrie erleichtert auch eine Temperaturkompensation der Gleichgewichtslage über die Federkonstante der elastischen Elemente. Das Medium im Sensor knnn von unterschiedlicher Dichto sein. Je nach Einsatzfall ist Luft oder Schutzgas unter Normaldruck oder höherem Druck zur Erzielung von Luftdämpfung im Sensor oder Vakuum zur Erlangung höchster Meßempfindlichkeit wählbar. Ee kann aber auch eine Flüssigkeitsfüllung realisiert werden, und es kann ebenso ein elastisches Medium als Füllung im Sensor vorhanden sein, in dem die seismische Masse M zentral eingebettet ist, wobei einzelne räumliche Bereiche des elastischen Mediums die Rolle der o. g. elastischen Elemente übernehmen, und wo über die chemisch-physikalische Zusammensetzung des Mediums und/oder über eingebettete Wandlerelemente zwischen Masse und Gestell die Relativbewegung der Masse M bei äußeren seismischen Einflüssen erfaßt und gowandelt wird. Din Flüssigkeitsfüllung ihrerseits unterstützt die Realisierung eines seismischen Sensors für extreme Anwendungsbedinguntjen unter hohen Drücker.

Ausführungebeltplole

In Fig. 1 bis Fig. 5 sind Ausführungen zu vorteilhaften Varianten gemacht und ist deren Aufbau schematisch dargostellt. Fig. 1 zeigt die allgemeinen geometrischen Bezüge am tetragonalen Sensor mit der Masse M im räumlichen Mittelpunkt des Tetraeders mit den Ecken 1,2,3,4, den Einheitsvektoren der Richtungen der Bindungen e_l( e₂, o₃, e₄, zwischen M und den Ecken,

sowie den Flftchenmittelpunkten MP 123... MP 234, den Seitenflächen 123 ...234 und den Seitenhalbierenden (1,2) der Kante Viim Dreieck 123. Die notwendigen Dämpiungs-/Rückführungseinrichtungen und Signalwandler zur Erfassung der

Relativbewegung der Masso M im Gestell — Tetraeder 1, 2,3,4 sind zwischen M und den Ecken oder M und den Flächenmittelpunkten gemeinsam oder getrennt angeordnet. Für diese Einrichtungen sind alle bekannten elektrodynamischen,

elektronischen, optischen u.a. Meßprinzipien einsotzbar.

Fig. 2 ist ein Schnitt durch den Gestell-Tetraeder Inder Ebene (Eckpunkte 3,4; Seitenhalbierende [1,2]'). Zwischen der Masse M und den Eckpunkten 3,4 sind die zwei von vier elastischen Bindungen, speziell Zugfedern, Fo 3, Fo 4

vorhandon. In deren Richtung, entgegengesetzt zu M, sind an den Flächenmittelpunkton MP 123, MP 124 die Wandler- bzw.

Rückführungs-/Dämpfungseinrichtungen W3, W4 bzw. RD3, RD4 angeordnet. Zwischon M und den Flächonmittolpunkton kann

auch eine leitende isolierte Verbindung geringer Federkraft, etwa als einu leitende isolierte Verbindung geringer Federkraft, etwaals eine Windung eines Metallbandos ausgeführt werden. Das erlaubt mit isoliorton Federn Fe 1... Fe4 deren gleichzeitige

Einbeziehung in bekannte Wandiorschaltungen als induktive Wandlerelemento für die Ermittlung der Lage der Masse im

Tetraeder.

Fig. 3 zeigt eine Ausführung mit Druck- oder Zugfedern als elastische Bindungen in Sicht auf die Fläche 234 in den Tetraeder

hine'n und mit verdeckter Ecke 1 sowie verdeckter, zur Ecke 1 führender, Feder Fe 1. Der zentralen, kugelförmig gewählten,

Masse M stehen Abstandswandler, speziell kapazitive, gegenüber, deren Hauptempfindlichkeitsrichtung joweils zwischen Ecke

und dem gegenüberliegenden Flächenmittc!punkt veiläuft; z.B. zwischon Ecke 3 und MP 124, Ecke 4 und MP 123 usf. Alternativsind auch optische Abstandswandler einsetzbar, die z. B. die verspiegelte Oberfläche der Masse abtasten und deren Lage inelektrische Signale umsetzen. Die elektrischen Bindungen sind auf vielfältige Art wählbar und der gewählten Ausführunganpaßbar.

Fig.') zeigt eine besonders günstig realisierbare Ausführung, in der eine Spitze des Tetraeders abwärts weist und als Aufstellungshilfe nach Art eines Explorationsgeophons bez. der Oberfläche OF des Untergrundes dient und worin drei Zugfedern

bez. der Schwerewirkung auf dlo Masse tragend sind und die vierte Zugfeder in Richtung der Schwerkraft zentrierend wirkt.

Hierzu ist durch die zyklische Vertauschung der abwärts zeigenden Ecke ein Abgleich der Masse im Gestoll zu orreichon, boi dem

alle vier Zugfedern gleichmäßig beansprucht sind und damit gleiche Schwingungsdauern des tetragonalen Sensors in allen vier

Komponentenrichtungen aufweisen. Vorteilhaft ergibt sich dann auch nur ein kleiner Bereich von Parasitärresonanzon durch Eigenschwingungen der Zugfedern anstatt vieler einzelner Resonanzen wie bei Anordnungen mit vielen paarigen Federn. Besonders für diese Ausführung ist daher die Ermittlung der Lage von M über die Induktivität der Federn vorteilhaft. Fig. 5 ist die weitere Ausgestaltung der seismischen Masse M gezeigt. M ist ebenso wie das Gestell 1234 als Tetraeder ausgeführt. Die vier elastischen Elemente groifen zwischen den Ecken des Gestells und den benachbarten Ecken von M an, die Flächen des Masse-Tetraoders liegen parallel zu der jeweils benachbarten Fläche des Gestell-Tetraeders. Das begünstigt die Ausführung sehr

kurzperiodischer Schwinger, zudem als elastische und Wandlerelemente Piezowandler zwischen Masse-Tetraedor und Gestoll·

Tetraeder eingesetzt sind, die gleichzeitig die Masse tragen und zentrieren sowie deren Lage im Gestell in elektrische Signale

wandeln. Diese tetragonalen Sensoren sind dann gleichzeitig sehr klein realisierbar und insbesondere für

Schwingungsüberwachung an Gebäuden, Maschinen usw. gut einsetzbar. Auch hierbei sind durch Wahl von je droi Komponenten aus vier vorhandenen unterschiedliche Richtcharakteristiken für den Sensor einstellbar, wobei die verbleibende

vierte Komponente als Reserve fungiert oder als Referonznormal zur Überprüfung der drei Betriebskompononten herangezogen

Als altei native Wandler sind zwischen Masse und Gestell oder begleitend zu den konkreten elastischen Bindungen bekannte Anordnungen aus Lichtwellenleitern als Faserwickel oder raserstück eingesetzt, die auf Druck oder Zug mit Dämpfungs- oder Phasenänderungen im Lichtweg reagieron. Eine weitere Ausführung hat in Fig.4 eine nach unten weisende Spitze und eine tetragonale Masse wie in Fig. 5.

Claims

1. Seismischer Mehrkomponentensensor mit einer zentralen seismischen Masse im Gestell und mit elastischen Elementen zwischen dieser Masse und dem Gestell und mit Signalwandlern und Dämpfungs- und Rückführungseinrichtungen, gekennzeichnet dadurch, daß das Gestell dos seismischen Mehrkomponentensonsors ein regulärer Tetraeder ist und die seismische Masse in seinem räumlichen Mittelpunkt angeordnet ist und vier elastische Elemente zwischen der Masse und dem Gestell vorhanden sind und Signalwandler sowie Dämpfungs- und Rückführeinrichtungen für die Lage und Bewegung der Masse im Gestell den vier elastischen Elementen zugeordnet sind.

2. Seismischer Mehrkomponentensensor nach Patentanspruch 1., gekennzeichnet dadurch, daß die viaj" elastischen Elemonte zwischen der seismischen Masse und den vier Tetraederecken angeordnet sind.

3. Seismischer Mehrkomponentensensor nach Patentanspruch 1., gekennzeichnet dadurch, daß die vier elastischen Elemente zwischen der seismischen Masse und den Mittelpunkten der vier Tetraederecken angeordnet sind.

4. Seismischer Mehrkomponentensensor nach Patentanspruch 1., gekennzeichnet dadurch, daß die seismische Masse Tetraedergestalt hat und ihre Tetraederflächen bei Abwesenheit von seismischen Signalen im wesentlichen parallel zu den Flächen des Gestell-Tetraeders liegen.

5. Seismischer Mehrkomponentensensor nach Patentanspruch 1., gekennzeichnet dadurch, daß die Spitze des Gestelltetraeders abwärts in Richtung der Schwerkraft weist, wobei der Sensor nach Art eines Geophone mit dem Untergrund gekoppelt wird.

6. Seismischer Mehrkomponentensensor nach Patentanspruch 1. und Patentanspruch 5., gekennzeichnet dadurch, daß die vier elastischen Elemente gleichartige Zugfedern sind.

7. Seismischer Mehrkomponentensensor nach Patentanspruch 1. und Patentanspruch 5., gekennze' hnet dadurch, daß die vier elastischen Elemente und die Wandlereinrichtungen vier gleichartige Piezowandler sind, die zwischen Masse ui.d 'Bestell kraftschlüssig angeordnet sind und einen hochfrequenten Beschleunigungssensor bilden.

8. Seismischer Mehrkomponentensensor nach Patentanspruch 1. und Patentanspruch 5., gekennzeichnet dadurch, daß die vier Wandler durch Lichtwellenleiterabschnitte gebildet sind, die in ihrem elastischen Bereich durch Druck und Zug zwischen Masse und Gestell beansprucht werden.

9. Seismischer Mehrkomponentensensor nach Patentanspruch 1. und Patentanspruch 5., gekennzeichnet dadurch, daß zwischen Masse und Gestell ein elastisches Medium vorhanden ist und abgegrenzte räumliche Bereiche des Mediums die elastischen Bindungen sind und die Wandlereinrichtungen im elastischen Medium zwischen Masse und Gestell eingebettet sind.

10. Seismischer Mohrkomponentensensor nach Patentanspruch 1. und Patentanspruch 6., gekennzeichnet dadurch, daß die vier gleichartigen Zugfedern isoliert zwischen Gestell und Masse fixiert sind und elektrisch leitende isolierte Verbindungen mit kleiner Federkonstante von den masseseitigen Enden der Zugfedern zum Gestell vorhanden sind und die vier Zugfedern als veränderbare Induktivitäten in an sich bekannte Wandleroinrichtungen einbezogen sind.