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Schrittmotoren nivellieren Seismometer

01  Um das Trillium OBS (Ocean Bottom Seismometer, schwarzer Zylinder) in Position zu bringen, wird das Seismometer an einem Metallschlitten befestigt, der es zum Meeresboden transportiert. Ist das Experiment beendet, löst ein Transpondersignal die Freigabe des Ballasts aus und das Instrument steigt an die Meeresoberfläche auf

02  Ozeanboden-Seismometer, wie das Trillium OBS, müssen robust und zuverlässig sein

03  Der Ausrichtungsmechanis-mus zur Positions­anpassung des Instruments besteht aus einem Schrittmotor mit hoher Drehmomentdichte und einem Getriebe

Geophysiker setzen Seismometer für die Überwachung von Erdbeben ein, die durch die Bewegung der tektonischen Platten in der Erdkruste verursacht werden. Um eine effektive Leistung der Instrumente zu gewährleisten, müssen sie vor ­ihrem Einsatz ausgerichtet werden. Wird das Gerät auf dem Land im Trockenen eingesetzt, ist das eine relativ einfache Aufgabe. Bei Seismometern, die Tausende Meter tief unter dem Meeresspiegel auf dem Ozeanboden zur Anwendung ­kommen, ist der Einsatz jedoch weitaus komplizierter. Hier helfen robuste Schritt­motoren in Kleinstbauweise, die Messgeräte präzise zu nivellieren.

Die Ausrichtung von Messgeräten Tausende Meter unter Wasser ist wichtig für den erfolgreichen Einsatz von Seismometern. 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. hoch entwickelte Kardanrahmen und Mikroprozessoren mit zuverlässigen, effizienten Faulhaber -Schrittmotoren von Micromo kombiniert (Bild 1).
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.

Hohe Zuverlässigkeit gefordert
Ozeanboden-Seismometer werden mehrere Kilo­meter unterhalb der Meeresoberfläche eingesetzt (Bild 2). 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. Auf trockenem Land kann sichergestellt werden, dass das Instrument physisch eben ausgerichtet ist. Gegebenenfalls muss das System in wiederkehrenden Abständen eingestellt werden, um thermische Zyklen auszu­balancieren. In der Tiefsee sind die thermischen Bedingungen in der Regel stabil, doch die mechanische Neigung kann extrem und gleichzeitig dynamisch sein. Das mechanische Nivellierungssystem muss deshalb in der Lage sein, die Sensoren selbst dann auszurichten, wenn das Instrument kopfüber auf dem Meeresboden gelandet ist.

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. Ein größerer ­Motor kam somit nicht infrage. „Wenn wir anstelle eines Motors mit 10 mm einen 15-mm-Motor verwendet hätten, wäre das Instrument im Durchmesser um ein paar Zentimeter größer geworden“, erklärt Nick Ackerley, leitender Wissen­schaftler bei Nanometrics . Ein größeres Instrument würde für den Transport zum Meeresgrund einen größeren Schlitten beanspruchen, was wiederum zusätzliches Gewicht und höhere Kosten nach sich gezogen hätte. „Die Auswirkungen reichen hin bis zur Größe des Schiffs, das für die wochenlange Fahrt auf See benötigt wird. Das kann Hunderttausende Dollar pro Tag kosten. Die Wahl eines kleineren Motors kann daher entscheidend dafür sein, ob mit einer Einsatzfahrt zehn oder 15 Instrumente positioniert werden können.“ Das Team benötigte robuste, zuverlässige und kompakte Motoren mit hoher Drehmomentdichte, die Micromo als Lösung anbieten konnte.

Exakte Positionierung
Das Design sieht zwei 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 N. Ackerley. „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 (Bild 3). Darüber hinaus sorgt es selbst bei Stoß- und Vibra­tionseinwirkung für Stabilität. Selbstsperrende Schnecken­radgetriebe haben zum Beispiel nur eine Wirkrichtung, wodurch die Getriebelast geschützt wird. Das Designteam musste das Schneckenradgetriebe mit dem Getriebekopf verbinden. Eine naheliegende Methode ist das Verschrauben beider Teile mit einer Stellschraube, wobei jedoch berücksichtigt werden muss, dass die Welle des Motors nur einen Durchmesser von 2 mm hat. „Die Befestigung des Getriebes an der Welle mit einer Stellschraube war nicht verlässlich genug, weil nur eine sehr kleine Schraube infrage kam“, erläutert N. Ackerley. „Wir haben gemeinsam mit Micromo die Möglichkeit entwickelt, eine Gangstufe direkt auf die Hauptwelle des Getriebes zu schweißen.“ Die Verwendung von Motoren mit bereits integrierter Gangstufe beschleunigt und vereinfacht den Montageprozess für Nanometrics .

Nivellieren auch an Land
Die Modelle Trillium 120 und 240 für den Einsatz auf trockenem Land sind ebenfalls mit motorisierten Ausrichtungssystemen ausgerüstet. Doch anstatt die Plattform als Ganzes zu positionieren, richten die Motoren jedes Pendel einzeln aus. Mithilfe von Wasserwaagen kann die Position des Seismometers manuell bis auf wenige Zehntel eines Neigungsgrads genau angepasst werden. Die von den Motoren gebotene, zusätzliche Ausrichtungsgenauigkeit sorgt lediglich dafür, dass die Elektronik nicht übermäßig durch das Zentrieren der Massen beansprucht wird. Dies ermöglicht dem Instrument, Signale auf niedrigen Frequenzen zu messen, wie beispielsweise die natürliche Resonanz der Erde.
„All diese Instrumente nutzen Micromo -Motoren für unterschiedliche Aufgaben“, erklärt N. Ackerley weiter. „Hinsichtlich Größe und Drehmoment für einen vorgegebenen Strom oder ein vorgegebenes Volumen sind Faulhaber-Schrittmotoren optimal – daher werden wir sie auch weiterhin einsetzen.“
“Auch auf dem Land genutzte Seismometer müssen widrigen Umständen standhalten. „Ein Trillium 240 wurde am Südpol eingesetzt, wo optimale Ergebnisse erzielt werden konnten“, berichtet N. Ackerley. „Die Einschalttemperatur betrug –58 °C, wobei die Systemtemperatur schließlich auf –50 °C einpendelte und sich dort über einen langen Zeitraum hielt. Die Motoren schalteten sich ein und funktionierten tadellos.“
Micromo liefert Motoren auch kundenspezifisch mit bereits integrierten Kabeln und Anschlüssen und verringert so Fertigungsfehler. N. Ackerley erklärt dazu: „Wir stellten fest, dass einige der Motoren beschädigt wurden, wenn wir selbst montierten. Also beschlossen wir, Experten mit dieser Aufgabe zu beauftragen. Unsere neueste Produktgeneration hat einen an der Hauptwelle angeschweißten Getriebekopf und ein Kabel an den elektrischen Eingängen. Darüber hinaus wurde die Schweißtechnik überarbeitet, um den Herstellungsprozess zu vereinfachen.“ (mh)

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Autoren: Dipl.-Ing. (FH) Andreas Seegen ist als Leiter ­Marketing für die Dr. Fritz Faulhaber GmbH & Co. KG in Schönaich tätig.

Dipl. Chem. Andreas Zeiff ist Fachautor im Redaktionsbüro Stutensee.