Bau und Organisation einer Schulseismographenstation mit digitaler Fernabfrage und Konstruktion eines Lehrseismographen

2.3 Bau des Lehrseismographen

Beim Bau des Lehrseismographen (vgl. Abb. 2.3.1) haben wir uns für ein Gestell aus Aluminiumprofilen entschieden, weil Aluminium unempfindlich gegen Luftfeuchtigkeit, nicht magnetisch und leicht zu verarbeiten ist.

Abb. 2.3.1: Prinzipskizze des Lehrseismographen (Seitenansicht ohne Seitenverstrebungen)

Für die obere Aufhängung haben wir eine VA-Gewindestange benutzt. In der plangefeilten Mitte wurde für den 0.4mm starken Draht eine Bohrung eingebracht, die auf einer Seite nur 0.41mm Durchmesser hat. Diese Stange lässt sich mit Stellschrauben nach links und rechts verschieben und Muttern fixieren. Ein Ende des etwa 3cm langen Drahtstücks ist mit einer Lüsterklemme fixiert. Das andere Ende ist an einem Fahrrad- Bremszug-Haken befestigt, in den die Drahtschlaufe eingehängt wird, an deren Enden der Pendelkörper befestigt ist.

Obere Aufhängung

Untere Aufhängung, Blick schräg von oben

Den Pendelkörper haben wir aus Beton gegossen, wobei in die Holzverschalung ein Kupferrohr eingearbeitet wurde, dessen Innendurchmesser dem Außendurchmesser der Pendelstange entspricht; das Durchstecken der Pendelstange war somit nach Aushärten des Betons kein Problem. In den beiden Außenseiten des Betonwürfels sitzen die beiden Befestigungen der Drahtschlaufe.

Abb. 2.3.1

Als Pendelspitze dient eine Sechskantschraube, deren Kopf so durchbohrt wurde, dass drei Drähte im Winkel von 120° zueinander, wie in der Abbildung, hindurchgesteckt werden können. Diese drei Drähte sind mittels der zentrisch durchbohrten Stellschrauben (a),(b),(c) (vgl. Abb. 2.3.1) fixiert.

Der Spulenkörper wurde aus Plexiglas und einem Stück Kunststoffrohr gefertigt. Durch seitliches Einklemmen des Spulenkörpers in zwei entsprechende Spanplattenteile wurde beim Wickeln der Spule ein Ausbeulen des Spulenkörpers vermieden. Zum Wickeln des 0.16mm starken Lackdrahtes wurde der Spulenkörper mitsamt den Spanplatten mittels einer Gewindestange in die Bohrmaschine eingespannt. Um die große, innere Spule haben wir eine kleine äußere Spule gewickelt; bei späteren Messungen lässt sich das Pendel über diese Spule anstoßen, um das induzierte Signal davon unabhängig mit der inneren Spule registrieren zu können.

Für die Seismographen der Station konnten wir Hufeisenmagnete verwenden, die uns von Herrn Dr. Dittmer (Philips, Aachen) geschenkt wurden. Da starke Hufeisenmagnete nicht mehr hergestellt werden, haben wir zwei handelsübliche Hochleistungs-Permanentmagnete polrichtig auf die Innenseiten eines Jochs aus Eisen aufgeklebt. Das geschlossene Joch beschränkt das Magnetfeld nahezu auf den Bereich, in dem sich die Spule befindet.

An die Pendelstange wurde in Spulennähe eine Hallsonde montiert, die zur Kontrolle der Ruheposition und zur dynamischen Bestimmung der Spulenkonstante verwendet wird.

Das Aluminiumgestell lässt sich mit drei Stellfüßen aus Feingewinde einrichten.

Die acht Signalkabel (zwei für die innere, zwei für die äußere Spule, vier für die Hallsonde) müssen von der Spule zu den Buchsen am Gestell geführt werden. Dünne Drahtfederchen vermeiden ein starre Verbindung zwischen Pendel und Gestell, (vgl. Foto, untere Aufhängung).

Da der Seismograph sehr empfindlich auf Luftzirkulation reagiert, haben wir als Abschirmung eine eng anliegende Kiste aus 50mm starkem Styropor gefertigt.

2.4 Justage des Lehrseismographen

Mit den Stellfüßen lässt sich der Seismograph kippen, wodurch sich der Neigungswinkel β (vgl. Abb.2.1) und somit auch die Schwingungsdauer einstellen lässt. Von einer allzu langen Schwingungsdauer ist abzuraten, da deren zeitliche Konstanz unserer Erfahrung nach nicht mehr garantiert ist, 20-23s reichen völlig aus.

Durch Verschieben der oberen Aufhängung nach links oder rechts lässt sich die Ruhelage des Pendels in Mittelposition bringen. Der Magnet sollte so stehen, dass das Pendel frei schwingen kann und sich nicht verkantet. Zusätzlich sollte die Spule in der Nullposition soweit in den Magneten eintauchen, dass der Abstand zwischen Pendelstange und Magnet nur noch 0.5-1cm beträgt, damit eine möglichst große Induktionswirkung erzielt wird.

Zur Auslenkung des Pendels geben wir über eine Kondensatorentladung auf die äußere Hilfspule einen Spannungspuls. Parallel zur inneren Induktionsspule haben wir einen regelbaren Widerstand angeschlossen, mit dem wir die gesuchte Dämpfung von nahezu 23:1 eingestellt haben. Später wurde dieser Widerstand durch einen Festwiderstand ersetzt.

Zur statischen Bestimmung der Spulenkonstante benutzten wir eine Stromwaage. Zunächst wird die Hallspannung bei Nullposition des Pendels abgelesen. Mittig zwischen den Außenplatten des Spulenkörpers wird dann ein feiner Nylonfaden befestigt, welcher über eine fein gelagerte Rolle gelegt wird und an dessen anderem Ende eine Waagschale hängt. Die Rolle ist so zu plazieren, daß die Spule von einem auf die Waagschale gelegten Gewicht senkrecht zur Pendelstange in den Magnet gezogen wird. Durch die Induktionsspule wird nun ein Strom veränderlicher Stärke geschickt, der so eingestellt wird, daß das Pendel in Nullposition gelangt. Die statische Bestimmung der Spulenkonstante S nutzt die Beziehung

Stromstärke I · Spannung U · Zeit t = Arbeit W = Kraft F · Weg s

aus; hieraus folgt:

Kraft F / Stromstärke I = Spulenkonstante S = Spannung U / Geschw. v.
Geschwindigkeit v = Weg s / Zeit t

Die linke Seite der Gleichungskette für S entspricht der Stromwaage, die rechte Seite einer dynamischen Bestimmung der Spulenkonstante bzw. der Messung des Bebensignals durch Induktion. Für den Nord-Süd-Seismographen haben wir die Spulenkonstante auch dynamisch bestimmt: Die Hallspannung wurde in Abhängigkeit der Pendelauslenkung gemessen und in einem Schwingversuch mit schwacher Dämpfung wurden Induktionsspannung und Hallspannung gleichzeitig gemessen. Die Hallspannung kann in die Auslenkung umgerechnet werden und die Division von Induktionssignal und Geschwindigkeitssignal ergibt die Spulenkonstante. (Vgl. Abb. 2.4)

Abb. 2.4: Diagramm zur dynamischen Bestimmung der Spulenkonstante