DE3307575A1

DE3307575A1 - Elektrodynamisches seismometer

Info

Publication number: DE3307575A1
Application number: DE19833307575
Authority: DE
Inventors: Erich Dipl.-Geophys. 8372 Lindberg Lippmann
Original assignee: LIPPMANN ERICH DIPL GEOPHYS
Current assignee: Lippmann Erich Dipl-Geophys 8451 Kemnath De
Priority date: 1983-03-03
Filing date: 1983-03-03
Publication date: 1984-09-06
Also published as: DE3307575C2

Description

El ektrodynami sches Seismometer
Die Erfindung betrifft ein elektrodynarlisches Seismometer nach dem ODerbegriff des Anspruchs 1.
Ein elektrodynamisches Seismometer soll eine möglichst frequenzunabhängige Übertragungsfunktion zwischen Bodenbewegung und Ausgangsspannung besitzen.
Je tieffrequentere Signalanteile die zu messende Bodenbewegung besitzt, desto tiefer muß bei elektrodynamischen Seismometern, die ohne eine elektronische Schaltung zur Beeinflussung des Verhaltens des schwingungsfähigen Systems betrieben werden, auch die Eigenfrequenz des schwingungsfähigen Systems sein. Konventionelle Seismometer sind i.A. umso größer, schwerer, teurer und komplizierer in ihrer Handhabung, je tiefer diese Eigenfrequenz ist.
Es ist bekannt, daß es zur Vermeidung dieser Nachteile möglch ist, elektronische Schaltungen (Entzerrer) zu entwickeln, die den Übertragungsbereich eines Seismometers zu Frequenzen unterhalb der Eigenfrequenz des Seismometers hin erweitern können.
Diese Schaltungen können passiv (ohne Beinflußung der Eigenschaften des schwingungsfähigen Systems) oder aktiv (die Eigenschaften des schwingungsfähigen Systems werden verändert) sein.
Passive Entzerrer haben den Nachteil, daß ihr Dynamikbereich relativ klein ist; auch werden etwaige Nichtlinearitäten des Seismometers nicht reduziert. Aktive Entzerrer haben diese Nachteile nicht; sie benötigen jedoch spezielle Seismometer, die zwei mechanisch starr verbundene Induktionsspulen besitzen, wobei eine Spule als Signalspule dient, während über die andere Spule ein von einer elektronischen Schaltung erzeugtes Signal eingespeist wird, das die Eigenschaften des schwingungsfähigen Systems beinflußt. Eine übliche aktive Entzerrerschaltung kann daher auf ein Seismometer, das nur eine Signal spule besitzt, nicht angewendet werden. Somit waren in Massenproduktion hergestellte und somit billige Seismometer mit hoher £igenfrequenz (Prospektionsgeophone) bisher nicht für eine aktive Entzerrerschaltung geeignet.
Ein Gerät nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist bereits aus der Firmendurchschrift Willmore - MK3A/E bekannt. Dieses Gerät erreicht die Erweiterung des Übertragungsbereiches nach Frequenzen unterhalb der Eigenfrequenz des schwingungsfähigen Systems durch eine elektronische Schaltung zur starken Bedampfung des schwingungsfähigen Systems. Diese elektronische Schaltung benötigt jedoch zwei mechanisch starr gekoppelte Induktionsspulen, wobei eine Spule als Signal spule für das zu registrierende Signal dient und über die andere Spule in Verbindung mit einer elektronischen Schaltung die Erhöhung der Dämpfung bewirkt wird. Da also zwei Spulen benötigt werden, kann die hier benutzte Schaltung nicht auf billige Prospektionsgeophone, die nur eine Induktionsspule besitzen, angewendet werden Aufgabe der Erfindung ist es, ein Seismometer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. derart weiterzubilden, daß einfache, in Großserie hergestellte Prospektionsgeophone verwendet werden können und durch eine 2usatzliche leicht anschließbare- Schaltung eine Erweiterung des Ubertragungsbereichs erzielbar ist, wobei die elektronische Schaltung die Vorteile aktiver Entzerrer mit denen passiver Schaltungen vereinigt, ohne deren Nachteile in hauf nehmen zu müssen.
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Ma6nahmen gelöst. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist ir,; Anspruch 2 beschrieben.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: ig.l: Ersatzschaltbild mit dem negativen Widerstand (R*) Fig.?: Ausführungsbeispiel nach Anspruch 2 In Fig.l liegt der elektronisch simulierte negative Widerstand (R*) in Reihe mit dem Widerstand (Rg ) der Induktionsspule des Seismometers. Die Summe aus (R*) und (Rs ) ist wesentlich kleiner als der Serienwiderstand (RS ) der Induktionsspule des Seismometers. Hierdurch wird eine sehr starke Bedämfung des schwingungsfähi3en Systems möglich; es kann eine Dämpfungskonstante von ca. 8 realisiert werden. Dadurch wird zum einen die Entzerrung bewirkt (Erweiterung des Übertragungsbereiches eines Seismometers); zum anderen ermöglicht die starke Bedämpfung sowohl einen hohen Dynamikumfang und eine Reduzierung etwaiger Nichtlinearitäten, und zugleich wird auch eine Anwendung auf einfache Prospektionsgeophone möglich, da nur eine Induktionsspule benötigt wird.
In Figur 2 sind anstatt der im realen Aufbau nötigen Potentiometer nur einfache Widerstände eingezeichnet, um die Übersichtlichkeit zu erhöhen.
Der Operationsverstärker (OP) mit den Widerständen (Rd ), (R2 ) und (R3 ) simuliert einen zwischen Punkt 1 und Masse (M) liegenden negativen Widerstand der Größe -(RX R3 )/R; Das Seismometer mit dem Widerstand (R ) seiner Induktionsspule wird nun durch einen effektiven Widerstand bedämpft, dessen Größ sich errechnet zu R@@ = R5 + R* = R5 - (R1 R2 )/R2 Der zur Bedämpfung nötige Strom fließt nun durch (R1) und --verursacht an diesem einen Spannungsabfall, so daß am Ausgang (A) des Operationsverstärkers (OP) eine in einem weiten Frequenzbereich der Bodenbeschleunigung proportionale Spannung abgegriffen werden kånn > In Anspruch 4 ist eine Möglichkeit erläutert, ein gewöhnliches Seismometer als sogenannten 'strong-motion'- Sensor einzusetzen, d.h: bewegungen zu erfassen, bei denen Beschleunigungen von mehr als lOm/sect auftreten.
Diese Anwendung interessiert bei der Erfassung von Erdbeben Im Nahbereich und in der Ingenieur - Seismologie.

Claims

l))Elektrodynamisches Seismometer, bestehend aus ' einer Induktionsspule und einem Permanentmagneten, die durch Koppelung über eine mechanische Feder ein schwingungsfähiges System bilden, wobei der Pernanentmagnet oder die Induktionsspule fest mit dem Erdboden verbunden ist, versehen mit einer elektronischen Schaltung zur Vergrößerung der Dämpfung des schwingungsfähigen Systems, wobei durch die Bedämpfung eine weitgehend frequenzunabhängige Übertragungsfunktion zwischen Bodenbeschl euni gung und Ausgangsspannung der elektronischen Schaltung erreicht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergrößerung der Dämpfung des schwingungsfähigen Systems durch einen elektronisch simulierten negativen Widerstand (*) erfolgt, der in Reihe mit dem Serienwiderstand (Rs ) der Induktionsspule (Ls ) geschaltet ist (Fig. 1).
2) Seismometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der negative Widerstand durch eine elektronische Schaltung simuliert wird, die aus einem Operationsverstärker (OP), einem ohm'schen Widerstand (R>) zwischen invertierende Eingang (Et) und Ausgang (A) und einem Spannungsteiler aus den ohm'schen Widerständen (R1 , R3 ) zwischen Ausgang (A) und Masse (M) besteht, wobei der nichtinvertierende Eingang (E) des Operationsverstarkers mit dem Teilungspunkt (T) des Spannungsteilers verbunden ist, und das zu registrierende Signal zwischen Ausgang (A) und Masse (M) abnehbar ist (Fig. 2).
3) Seismometer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromversorgung wahlweise mit Batterien oder mit einem Netzgerät erfolgen kann.
4) Seismometer nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch Benützung eines niedrigen Wertes für den Widerstand (R1 ) auch Beschleunigungen von > lOm/secE verzerrungsarm übertragen werden können.