schwebende Aufhängung 4g

[M. M. (Gast)]

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

[Jens G. (jensig)]

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 ...

[M. M. (Gast)]

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?

[Stefan M. (derwisch)]

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.

[M. M. (Gast)]

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. (Gast)]

M. M. schrieb:
> Elongation x

Edit: natürlich war hier s gemeint

[M. M. (Gast)]

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...

[M. M. (Gast)]

Hier noch die korrigierte Skizze.

[Bernd W. (berndwiebus)]

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

[Bernd W. (berndwiebus)]

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

[Joe G. (feinmechaniker)]

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.

[Bernd W. (berndwiebus)]

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

[Joe G. (feinmechaniker)]

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.

[Bernd W. (berndwiebus)]

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

[Bernd W. (berndwiebus)]

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

[M. M. (Gast)]

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.

[Bernd W. (berndwiebus)]

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