Sensor

Entwicklung des MacroSeismic Sensors

Der MacroSeismic Sensor wurde im Rahmen der vom BMWFW geförderten Sparkling Science und Citizen Science Projekte „Schools & Quakes“ und „QuakeWatch Austria“  in einer Kooperation der TU Wien mit dem TGM und der Mertl Research GmbH entwickelt.

Aufbau und Funktion des MacroSeismic Sensors

Zwei, zueinander senkrecht stehende Horizontalgeophone (Eigenfrequenz 4,5 Hz) wandeln die entsprechenden Komponenten der Schwinggeschwindigkeit des Aufstellungsortes in ein elektrisches Signal. Nach einer einfachen Tiefpass-Filterung werden diese über 16 bit Analog – Digital Wandler (ADC) digitalisiert. Diese Komponenten befinden sich auf einer eigens gefertigten Platine. Der ADC wird von einem SBC (Single Board Computer) – in unserem Fall ein Raspberry Pi – gesteuert. Der SBC übernimmt auch die Formatierung der Daten in ein, in der Seismologie übliches Format (MSEED). Die exakte zeitliche Markierung der digitalen Daten erfolgt über NTP (Network Time Protocol). Die formatierten Daten werden über LAN / WLAN an einen eigenen Server gesandt. Von diesem Server werden die Daten zur weiteren Bearbeitung abgerufen.
MSS

Installation und Betrieb des MacroSeismic Sensors

Technische / logistische Voraussetzungen:
Möglichkeit der Montage des MSS an einer vertikalen, möglichst tragenden Wand;
kontinuierlich in Betrieb stehende LAN- oder WLAN Verbindung zum Montageort;
220V Steckdose in der Nähe (Entfernung zum MSS < 1.5 m).

Diese Voraussetzungen können vorab durch den jeweiligen Citizen Science Partner abgecheckt werden. Nach entsprechender Vereinbarung wird sodann ein MSS getestet und betriebsbereit durch ein Mitglied des MacroSeismic Sensor & Netzwerk Teams an die geplante Messstelle gebracht und (gemeinsam mit dem Citizen Scientist) montiert und in Betrieb genommen. Bei einer Internetanbindung über LAN ist nach dem Anschließen des Netzgerätes an die 220V Steckdose der MSS bereits in Betrieb. Die Internetanbindung über WLAN erfordert noch die Eingabe der WLAN Daten (SSID, password, encryption). Dies erfolgt derzeit noch durch das begleitende Mitglied des MacroSeismic Sensor & Netzwerk Teams.
MSS

Empfindlichkeit und Frequenzcharakteristik

Die Auflösung des 16 bit Analog – Digital Wandler (ADC) beträgt +/- 32768 counts. Der Umrechnungsfaktor von count in μm/s beträgt für die verschiedenen Vorverstärkungen (gain 1, gain 2, gain 4):

  • gain 1: 1,12 μm/s/count
  • gain 2: 0,56 μm/s/count
  • gain 4: 0,28 μm/s/count

Die relative Frequenzantwort des MacroSeismic Sensors (MSS) deckt sich gut mit dem theoretischen Spektrum eines Magnitude M=1,5 Erdbebens. Die Empfindlichkeit des MacroSeismic Sensors (MSS) wird jedoch durch diese relative Frequenzantwort herabgesetzt.

 

 

 

 

PGV – PEAK GROUND VELOCITY

PGV (Peak Ground Velocity) ist eine in der Ingenieurseismologie übliche Größe zur Bewertung der Belastung durch seismische Wellen.Die exakte Formel zur Berechnung von PGV lautet:

PGV = Maximum (Wurzel (Hnormal (t)² + Hparallel (t)²))              …über Zeitintervall des Ereignisses

Hnormal (t) und Hparallel (t) sind die zeitgleichen Amplituden der beiden horizontalen Komponeneten des MacroSeismic Sensors. In guter Näherung kann auch folgende Formel verwendet werden:

PGV = Wurzel ((Hnormal_ss/2)² + (Hparallel_ss/2)²)                     .. über Zeitintervall des Ereignisses
Hnormal_ss, Hparallel_ss sind dabei die Spitze- Spitze Werte der beiden Horizontalkomponenten.

 

KALIBRATION DES MACROSEISMIC SENSORS

Die relative Frequenzantwort des MacroSeismic Sensors bedingt eine Verringerung des mit den obigen Formeln ermittelten PGV – Wertes. Weiter wird für die Beurteilung von Sprengerschütterungen nicht PGV (Resultierende der Horizontalkomponenten), sondern VR (Resultierende aus allen drei Komponenten) herangezogen. Durch Vergleich mit den Daten eines 3-Komponenten Messsystems bestimmen wir daher Kalibrationsfaktoren, die eine Umrechnung von PGV (aus Daten des MacroSeismic Sensors) in PGV_0 (aus Daten eines das Signalspektrum mit konstanter Empfindlichkeit erfassenden Messystems) und VR ermöglichen. Ein derartiges Messsystem ist seit November 2017 im Steinbruch Dürnbach (Station DUBA) neben dem MacroSeismic Sensor AT11 installiert. Aus den bisherigen Vergleichsmessungen ergeben sich die folgenden Kalibrationsfaktoren:

PGV -> PGV_0:   1,21 +/- 0,09

PGV -> VR:          1,36 +/- 0,15