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Seismometer-Entwicklung Das Geheimnis des hochpräzisen Seismometers

Redakteur: Luca Meister

Streckeisen-Seismometer sind überaus exklusiv. Die Geräte zur Erdbebenerfassung sind mit Eichenberger-Gewindespindeln versehen und spüren von der Schweiz aus den Wellenschlag am Atlantik.

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Abb. 4: Zum Austarieren des Gerätes läuft eine schrägverzahnte Messingwalze (Verstellmasse) auf einer gerollten Eichenberger-Gewindespindel. Die Lageänderung der Verstellmasse dient zur Korrektur der Gravitationskraft.
Abb. 4: Zum Austarieren des Gerätes läuft eine schrägverzahnte Messingwalze (Verstellmasse) auf einer gerollten Eichenberger-Gewindespindel. Die Lageänderung der Verstellmasse dient zur Korrektur der Gravitationskraft.
(Bild: Bernhard Trösch)

Ein Streckeisen-Seismometer wird nur dann seinem Ruf gerecht, wenn er deutlich empfindlicher ist als andere Seismometer. Das kann er aber nur sein, wenn er ruhiger arbeitet als andere. Deshalb werden die Geräte in aller Ruhe zusammengebaut. Es ist fast erschreckend, wie ruhig (und langsam) es in der Montage des Kleinbetriebs in Pfungen zu- und hergeht. Pro Jahr wird nur eine beschränkte Anzahl Seismometer gebaut, von etwa einem Dutzend Mitarbeitern. Das auf Präzision spezialisierte Unternehmen hat es im Smartphone- und Tablet-Zeitalter offenbar nicht nötig, eine eigene Homepage zu betreiben.

Höchste Empfindlichkeit

Vor gut 35 Jahren entwickelte der Geophysiker G. Streckeisen Seismometer. Er baute Geräte, die bzgl. Empfindlichkeit neue Massstäbe setzten. Das Prinzip beruht auf drei senkrecht balancierenden Pendeln, deren Empfindlichkeit so gross ist, dass sogar der Wellenschlag an der Atlantikküste von einem Schweizer Armeebunker aus erfasst werden kann.

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Die Angelegenheit ist vergleichbar mit einem Zirkus-Jongleur: Der balanciert eine lange Stange, auf deren oberen Ende ein kleiner Teller hin- und herwackelt. Ein schwieriges Kunststück, das einen enormen Gleichgewichtssinn sowie jahrelange Übung und Erfahrung braucht.

Seit 2010 führen zwei Mitarbeiter das Unternehmen als (Streckeisen) GmbH weiter: Lutz Wiesner, ausgebildeter Maschinen-Ingenieur, im Herzen aber stets Mechaniker, und Robert Freudenmann, Elektronik-Ingenieur. Sie packten an mit dem Ziel, einen neuen Seismometer mit der gleichen Technologie, aber neuen Komponenten zu entwickeln.

Bewährtes und Neues vereint

Obwohl das neue, zwölf bis 13 Kilogramm wiegende Gerät weitgehend auf dem Vorgängermodell basierte, mussten alle Elemente auf den neusten Stand der Technik gebracht werden. Da viele elektronische und mechanische Bauteile von den Zulieferanten abgekündigt worden waren, mussten erste Prototypen schnellstens zur Serienreife optimiert werden.

Da bei einer Geschäftsübernahme in der Regel nicht ausreichend finanzielle Ressourcen zur Verfügung stehen für lange Entwicklungsphasen, mussten die beiden Jungunternehmer schnell handeln – und zwangsläufig musste auch die eine oder andere Erfahrung gemacht werden.

Zum Glück glaubten treue Kunden an das Gerät und vor allem an die beiden Entwickler, was ihnen zu Mut und Zuversicht verhalf. Das Projekt gelang: Mit dem bewährten Drei-Pendel-Prinzip und einem Feedback-System sowie Komponenten nach aktuellem Standard bauten sie einen Seismometer, der nahtlos an sein erfolgreiches Vorgängermodell anschliesst (Abb.1).

Mit Geduld und Ruhe

Die übliche Hektik bei Neuentwicklungen goutiert ein solch feinfühliges Gerät nicht, es braucht Ruhe. Jeder eingebrachte Stress lebt im Gerät weiter und führt später zu einer Beeinträchtigung des Ausgangssignals. Vergleichsweise gilt dies für verspannte mechanische Bauteile, bei denen die Schrauben zu stark angezogen wurden.

Das Pendel aus Aluminiumguss, eine von vielen Komponenten, ist das Herzstück: Um dieses Bauteil stressfrei «hinzubekommen», war ein reger Austausch sowohl mit den Giessern als auch den Nachbearbeitern nötig. Ruhe und Geduld der Mitarbeiter bzw. auch der Arbeitsumgebung werden zu ständigen Begleitern während der Produktionsphase.

Babuschka-Transport

Nach der Montage kommt das Seismometer für einen Monat lang in einen «Beruhigungsofen». Damit wird der «Montagestress» beseitigt, der durch die Handhabung und das Anziehen der Schrauben entstanden ist. Auch beim Transport entsteht Stress: Um diesen zu vermeiden, ist die überdimensionierte Transportkiste wie eine grosse

Babuschka aufgebaut: Mehrere Kisten, jeweils mit Zwischenlage aus Schaumstoff, sind ineinander verschachtelt. Für die Post wird ein «Langsam»-Label angebracht.

Das Gerät muss im Betrieb die kleinsten «Bewegungen» der Erde (sog. «Ground-Noise») erfassen. Als Gegenspieler walten «fremde», von Menschen ausgelöste Erschütterungen wie jene von Autos, Lastwagen oder Zügen. Aber auch das Wetter und selbst der Mond liefern Beiträge an unerwünschte Signale.

Den Rost nagen «hören»

Ob Elektronik oder Mechanik, jedem Prozessschritt folgt ein Test. Dennoch ist erst am Ende des Entstehungsprozesses feststellbar, ob ein Seismometer wirklich «gelungen» ist.

Die Funktionsprüfungen müssen in kompletter Ruhe durchgeführt werden. Daher führt man sie in einem abgeschirmten Luftschutzkeller jeweils zwischen zwei und vier Uhr morgens durch. Zu dieser Zeit ist der Alltags-Noise so klein, dass auch die kleinsten, geräteeigenen Störungen erkennbar sind.

Nebst den ständigen seismischen Signalen gesellen sich in dichtbevölkerter Umgebung auch Fremdstörungen hinzu. So erkennt man eine schlechte Wetterlage genauso gut wie korrodierende Teile. Im Prinzip «hört» das Seismometer den Rost nagen.

Der Prüfingenieur braucht für solche Auswertungen jahrzehntelange Erfahrung. Für sehr genaue Untersuchungen geht die Firma Streckeisen an abgelegene und ausgesuchte Orte wie z.B. einen ausgedienten Armeebunker. Solche, tief im Berg drin gelegene Plätze eignen sich besonders gut für derartige Messungen.

Jongleur vom Feinsten

Der Streckeisen-Seismometer besteht aus drei um 120 Grad angeordnete Einzelsensoren (Abb. 3). Jeder Sensor enthält ein exakt austariertes, auf dem Kopf stehendes, schräges Pendel (Abb. 2), das mittels einer temperaturkompensierten Feder und einem Feedback-System in der Mittelstellung gehalten wird. Die Lagerung des Pendels ist absolut spielfrei. Damit erfasst der kapazitive Wegaufnehmer die Pendelstellung in einer Genauigkeit von wenigen Atombreiten.

Eine Regelungs-Elektronik sorgt zusammen mit einer Spule für die entsprechende Rückstellkraft.

Mit Hilfe von Analog-Elektronik werden die drei Sensorsignale in Werte zu den X-, Y- und Z-Achsen gewandelt. Diese Analog-Signale gelangen über eine Kabelverbindung in eine «Digitalisierungs-Box», die sämtliche Daten speichert, bevor diese per Funk-, Telefon- oder Satellitenverbindung an eine Erdbebenzentrale weitergeleitet werden.

Gewindespindel mit fast Null-Toleranz

Das Gerät muss vor Beginn des Einsatzes an dem jeweiligen Standort exakt nach Osten ausgerichtet werden. Mit Hilfe einer Libelle stellt man das Seismometer manuell horizontal ein. Da jeder Einsatzort bezüglich Temperatur und Gravitationskraft anders gelagert ist, erfolgt die Feinjustierung der drei Pendel vollautomatisch. Hierzu ermittelt der Wegaufnehmer die Pendelstellung und korrigiert mit Hilfe einer kleinen Verstellmasse (Abb. 4) das Pendelgleichgewicht. Die Verstellmasse wird entlang einer gerollten Gewindespindel in ihrer Lage so weit verschoben, bis das Pendel exakt die Mittelstellung einnimmt.

Entscheidend für den Einsatz einer Eichenberger-Gewindespindel mit zwei geschliffenen Enden in der Qualität h6 waren die Oberflächengüte und die Gewindegeometrie. Auch die Lage des auf der Längsachse mittig angeordneten, gerollten Gewindes hatte höchsten Toleranzansprüchen zu genügen. Zudem musste der Werkstoff absolut unmagnetisch sein. Dies alles bei vier Millimeter Durchmesser. <<

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