Title:
Kompaktseismograf (Einzelgerät mit kombinierter Anzeigemöglichkeit mehrerer Parameter)
Document Type and Number:
Kind Code:
A1

Abstract:

Seismograf, dadurch gekennzeichnet, dass zwei parallel gegenüberliegende Spiegel (1) bei Erschütterung einen Laserstrahl (2) aus dem Zentrum zum Rand hin ablenken.





Inventors:
gleich Anmelder
Application Number:
DE102016004119A
Publication Date:
10/05/2017
Filing Date:
04/05/2016
Assignee:
Busch, Wilhelm, 37269 (DE)
International Classes:
G01V1/18
Foreign References:
41191731978-10-10
Other References:
SU 1040444 A: Titel und Abstract aus der Datenbank WPI / Thomson sowie Figur
SU 616 604 A: Titel und Abstract aus der Datenbank WPI / Thomson sowie Figur
SU 638 907 A: Titel und Abstract aus der Datenbank WPI / Thomson sowie Figur
Claims:
1. Seismograf, dadurch gekennzeichnet, dass zwei parallel gegenüberliegende Spiegel (1) bei Erschütterung einen Laserstrahl (2) aus dem Zentrum zum Rand hin ablenken.

2. Seismograf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dessen Messprinzip darauf beruht, dass die Laufzeitmessung eines Impulses – oder auch dessen Verbleib innerhalb des Systems – über die Intensität einer Erschütterung Auskunft gibt.

3. Seismograf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass um mindestens einen der Spiegelränder herum eine – je nach Anforderung – umlaufende Anzahl von Sensorenfeldern (3) so angebracht ist, dass die Richtung, in die der Laserstrahl abgelenkt wird, registriert wird.

4. Seismograf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Einsatz von „stehenden Wellen”, die sich in der Aufhängung (6) selbst regulieren, ergänzende Messungen zum Epizentrum einer Störung ermöglicht werden.

5. Seismograf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er durch rechnerische Unterdrückung der Signale bekannter Erschütterungen auch in Gegenden eingesetzt werden kann, wo bekanntermaßen naturbedingte oder technische Erschütterungen auftreten.

6. Seismograf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mittig in einem Punkt aufgehängte Spiegel in Transportstellung mit einstellbaren Klammern (4) gehalten wird, die gleichzeitig – gelockert im Einsatz – bei zu starker Erschütterung den Spiegel schützen.

7. Seismograf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der dem frei hängenden Spiegel gegenüberliegende Spiegel eine automatische oder manuelle Möglichkeit zur Feinjustierung erhält (5), die den Laserstrahl in sich zurückreflektiert und somit eine optimale parallele Ausrichtung der Spiegelebenen zueinander ermöglicht.

8. Seismograf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dessen Empfindlichkeit gegenüber starken Erschütterungen durch eine oder mehrere, automatisch – anhand der Daten der Feinjustierung ((5) – regulierte Druckfedern einen zu starken Ausschlag des beweglichen Spiegels verhindert wird.

Description:
Problembeschreibung:

Beim Messen von geringen seismischen Bewegungen erschwert die entsprechend schwache Anzeige der Aktivität – der geringe Ausschlag des Zeigers – eine genauere Befundung der besonderen Charakteristik dieser Bewegung. Gleichzeitig könnte gerade hierin – in der Analyse dieser feinsten Schwingungen – z. B. auch eine genauere Vorhersagemöglichkeit für Erdbeben liegen.

Ein üblicher Seismograph zeigt in dieser allgemein ruhigen Situation ein eher diffuses Schwingen, dass oft nur als „Rauschen” zu bewerten ist. Durch ergänzende Darstellung von spezifischen Schwingungscharakteristiken und der genauen Richtung, aus der diese Schwingungen kommen, würde dieses Rauschen aufgeschlüsselt und besser auswertbar.

Stand der Technik:

Bei der Anforderung, besonders feine Messergebnisse zu beziehen ist häufig eine optische Verlängerung des „Zeigers” mittels eines Strahles, der über Spiegel, Prismen und Linsen verlängert auf einen Schirm gelenkt wird. Es werden auch (unterirdische) Rohre eingesetzt, die mit hunderten von Metern Gesamtlänge und auch mit mehreren reagierenden Massen im Drei- oder Rechteck eine Hebelverlängerung des Zeigers bewirken. Auch Längenänderungen des Weges werden über Interferometer aufgezeigt. Der bisher wohl unübertroffenen Empfindlichkeit eines derartigen Messsystems steht dessen aufwändige Konstruktion und Unbeweglichkeit einem flexiblen Einsatz im Wege.

Problemlösung:

Bei meiner Erfindung handelt es sich um den Verzicht auf den klassischen „Zeiger”. Das Messprinzip beruht dabei auf eine Messung der Zeit, die ein Signal innerhalb eines Systems verweilen kann. Bei Störung von außen wird das Signal aus dem System heraus gelenkt. Kleinere Störungen bewirken eine längere, größere Störungen bewirken eine kürzere Verweildauer der Signale. Wird zusätzlich noch die Stelle gemessen, an der der erste Impuls auftrat, ist gleichzeitig eine Aussage über die Richtung, aus der die Störung kam, möglich.

Messprinzip (vorerst nur bildlich zu verstehen):

Wir stellen uns ein unendlich langes Rohr, Durchmesser ca. 0,8–1 m, vor, dass über einem Punkt der Erde, im Zenit im Weltall senkrecht „befestigt” ist. Dieser Befestigungspunkt wandert ganz exakt mit der Erddrehung mit. Eine Umdrehung in 24 Stunden.

Auf der Erdoberfläche wird ein Laserprojektor installiert, der in dieses Rohr hinein exakt in den Aufhängungspunkt gerichtet ist. Alle ca. 1 bis 2 m wird im Innern des Rohres ein Ring aus einzelnen Detektoren angebracht, die die „Wandberührung” des Laserstrahles zum Ausgangspunkt melden, falls dieses bei Erschütterung geschehen sollte. Die Meldung wird in jedem Fall auf eine Bewegung der Erdoberfläche zurückzuführen sein, denn das Rohr ist gegen alle möglichen Störfaktoren geschützt. Ich nenne hier: Seitenwind, „Raumbeben”, Temperaturschwankungen oder Verunreinigungen des im Rohr befindlichen Mediums. Die Meldung einer Berührung wird zum Ausgangspunkt – egal wie weit der Strahl in das Rohr gedrungen ist – „schneller als das Licht” möglich sein.

Diese komplette Konstruktion ist dennoch in einem evtl. würfelförmigen Behälter mit einer maximalen Kantenlänge von 1,5 m. zu verwirklichen. Sie ist flexibel einsetzbar – auf dem Meeresboden ebenso gut wie auch – bei leicht geänderter Konstruktion – im Orbit.

Messprinzip, technisch:

Die Reflexion zwischen zwei Spiegeln, die theoretisch bis „in die Unendlichkeit” möglich ist, wird im vorliegenden System dazu genutzt, die allergeringste Abweichung, die die unendliche Reflexion unterbricht, anzuzeigen. Allein die technischen Möglichkeiten bei der Messung von Zeit und elektromagnetischen Impulsen, sowie die Qualität der Spiegelreflexion (Verzerrung u. Schwund), bestimmen den Grad der Messgenauigkeit dieses Gerätes.

Zwei Spiegel (einer fest mit dem Geräteboden verbunden, der andere darüber aufgehängt), die exakt Flächenparallel zueinander ausgerichtet sind, werfen einen in sie mittig mit 90° hineinprojizierten Laserstrahl so exakt zurück, dass keine Photonen in auswertbarer Form (bis auf ein wohl unvermeidbares Streulicht) den Rand über Zickzackreflektionen erreichen. Schon bei einer geringen Bewegung des Systems wird eine Ablenkung des Strahles erreicht. Je schwächer diese Ablenkung ausfällt, desto länger wird dessen Weg zum Außenrand der Spiegel und desto länger dauert die Zeit bis zur Anzeige des Ereignisses. Je stärker die Ablenkung ausfällt, desto kürzer fällt dagegen diese Zeitspanne aus. Starke Bewegung – kurze Anzeigereaktion, schwache Bewegung – lange Anzeigereaktion. Die Verlängerung der Anzeigereaktion ist theoretisch über die Qualität der Ausführung gegen unendlich einzurichten. Das Messspektrum erstreckt sich von Stillstand (unendlich) bis in den Bereich hinein, der durch die herkömmlichen Geräte hinreichend gut abgedeckt ist. Es ist jedoch auch an eine robustere Form der in Folge beschriebenen Ausführung zu denken – ebenso an eine federnde Auffangvorrichtung des schwingenden Spiegels, die den stärkeren Erschütterungen standhält wobei es sinnvoll wäre, den Druck auf die einzelnen Puffer einer zusätzlichen rechnerischen Bewertung zugänglich zu machen.

Der Projektor sendet verschiedene Muster gepulster Strahlung hintereinander, so dass ein ankommendes Signal direkt auf den Zeitpunkt seiner Entstehung zurück zu beziehen ist. Durch Messung des ersten Impulses, der das Sensorenfeld erreicht, lässt sich die Richtung, aus der der Impuls gekommen ist, festlegen. Die Messung, wann und wo dieser Impuls wiederholt nachweisbar wird, lässt Rückschlüsse auf die Charakteristik der Spiegelbewegung zu (z. B. Schwingen oder Kreisen, stoßartige Bewegungen). Durch zusätzliches Einrichten einer „Stehenden Welle” ergibt sich eine senkrechte Komponente, die über den Vergleich der Intensität der Schwingung mit der Störung der Stehenden Welle Rückschlüsse auf die Richtung aus der die seismischen Bewegungen kommt auch in die Tiefe zulässt.

Ausführung:

Je nach Genauigkeit des Zeitmesssystems und dem Grad der gewünschten Messgenauigkeit werden zwei entsprechend große, runde Spiegelflächen waagerecht parallel gegenübergestellt. Der obere Spiegel ist in einem Punkt mittig aufgehängt und besitzt im Bereich der Aufhängung – außerhalb hinter der Spiegelebene – einen Laserprojektor. Der Laserstrahl wird durch eine Bohrung – oder besser noch eine halbdurchlässige Ausführung dieses Bereiches – im Spiegel auf die darunterliegende Spiegelfläche projiziert. Um der unvermeidbaren Abschwächung eines „unendlich” reflektierten Impulses entgegen zu wirken, wird an mindestens einem der Spiegel eine in ihrer Ausprägung noch zu ermittelnde, konvexe Bauweise angeregt.

An mehreren Stellen um den oberen Spiegel herum sollten v-förmige, in Spiegelebene verstellbare Halterungen vorgesehen werden, die

  • a) an den Spiegel gedrückt das Gerät transportfähig machen und
  • b) in gelockerter Stellung den Ausschlag ggf. einschränken, um das Gerät bei stärkerer Erschütterung zu schützen.

Der untere Spiegel ist mit Justiereinrichtungen (höhenverstellbare Füße) versehen, die ihn manuell oder automatisch so einrichten können, dass der Laserstrahl in sich selbst zurückreflektiert wird. Bei Einbau der im Messprinzip beschriebenen Puffer kann die jeweilige Stellung der Füße auf die Puffer übertragen werden wobei eine gleichmäßig erfolgende Wirkung der Puffer ermöglicht wird.

Bei Einrichtung des Prinzips der Stehenden Welle wird der obere Spiegel mit einer Feder elastisch aufgehängt. Die Stehende Welle wird durch eine Automatik innerhalb der Aufhängung immer wieder an die Verhältnisse angepasst (Z. B. Temperaturschwankungen od. Nachlassen der Federspannung).

Bei Anwendungen im Bereich der „Hochtechnologie” lässt sich durch die kompakte Bauweise relativ einfach ein Betrieb unter Vakuum und/oder im Tieftemperaturbereich erreichen.

Mindestens um einen der Spiegel herum (besser um den unteren) werden am Außenrand Sensorenfelder angebracht, die die bei einer Erschütterung ankommenden Strahlen nach deren Zickzackreflexionen empfangen. Der obere Spiegel sollte einen etwas größeren Durchmesser als der Untere aufweisen, damit der „erste Impuls” auch messbar aufgefangen wird. So ist ein im Zentrum ausgesendetes, stetig wechselnd gepulstes Lasersignal bei Ankunft in der Randzone jeweils dem Zeitpunkt seiner Entstehung eindeutig zuzuordnen. Je kürzer die gewählten Impulse möglich sind, desto genauer lassen sich die Messergebnisse auswerten.

Auch eine Messung der Stärke des ankommenden Impulses würde zusätzlich indirekt Rückschlüsse auf die Anzahl der Reflexionen zulassen. In wie weit sich dadurch eventuell die Kodierung der Signale vereinfachen oder sogar erübrigen könnte, kann sich m. E. nur in der Versuchspraxis zeigen.

Dieser geschilderten Ausführung entsprechend lassen sich vielseitige Berechnungen durchführen. Als Beispiele werden hier angeführt:

  • a) An welcher Stelle des Spiegelrandes trifft der erste Impuls auf? In der Folge wird die Richtung, aus der der Impuls kam, zu ermitteln sein.
  • b) Wie lange hat der Impuls gebraucht, den Rand zu erreichen? Das ist gleichbedeutend mit der Tatsache, dass besonders die geringeren Ausschläge sich deutlicher darstellen als die stärkeren. Ergänzend ist bei entsprechender Zusatzkonstruktion hierbei der Vergleich der Dauer bis zur Ankunft mit der gemessenen Stärke des Impulses.
  • c) Gibt es schwingende oder auch kreisende Spiegelbewegungen? Die Bewegungen können in einer weiteren Dimension ermittelt werden, wodurch die Aussagekraft nach entsprechender Eichung ungleich vielseitiger wird.
  • d) Wie pendelt der Spiegel aus? Treten dabei eventuell neue Impulse auf und kommen sie gar aus anderen Richtungen? Ausschwingen, Frequenzen und die Addition weiterer Impulse lassen sich ermitteln wie Wellenmuster auf dem Wasser.
  • e) Standorttypische Schwingungen können im Vorfeld der Messungen ermittelt und deren Impulse als „bekannt” in der Anzeige unterdrückt werden.
  • f) Auch waagerecht verlaufende Schwingungen, die sich in herkömmlicher Weise eher indifferent zeigen (oder ein separates Messsytem benötigen) sollten sich bei der hier beschriebenen Ausführung in einer eigenen, charakteristischen Weise darstellen. Hier allein schon durch die vergleichsweise geringe Störung der Stehenden Welle.

Anmerkungen:

Die kompakte Bauweise ermöglicht es, den Seismographen in angepasster Form – z. B. „oberer” Spiegel mit sehr leichten Spiralfedern oder im Magnetfeld stabilisiert – im Orbit zur Feststellung von „Raumbeben” einzusetzen.

Es sollte anhand der empfangenen spezifischen Signale möglich werden, jede Art von Erdbewegungen differenziert auszuwerten. Der Einsatz weiterer Messgeräte könnte dabei reduziert – oder bestenfalls gar unnötig werden.

Der Einsatz auf dem Meeresboden wäre allein deshalb schon gut möglich, da hier nur geringe Temperaturschwankungen zu erwarten sind.

Der Gebrauch von „Stehenden Wellen” sollte sich in diesem System als besonders nützlich erweisen. Diese können durch eine Zugfeder und eine automatische Anpassung des Spiegelabstandes (in der Halterung des oberen Spiegels) leicht verwirklicht werden.

Zukünftig ist auch an eine quantentechnische Übertragung des Systems zu denken – durch eine Überlagerung der Polarisation einzelner Quantenbits. Es kann dadurch u. a. eine perfekte Koordination mehrerer Geräte miteinander hergestellt werden.