Ozeanboden-Seismometer

Mit einer Kombination aus hoher Drehmomentdichte und präzisen Bewegungen ermöglichen Schrittmotoren die volle 360°-Ausrichtung tausende Meter tief auf dem Meeresgrund.

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. Um den Ablauf zu vereinfachen, hat Nanometrics Inc. (Kanata, Ontario, Kanada) hoch entwickelte Kardanrahmen und Mikroprozessoren mit extrem zuverlässigen, effizienten FAULHABER Schrittmotoren kombiniert.
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 Elektronik zur Aufzeichnung der Verschiebung zwischen diesen beiden Komponenten. Seismometer von Nanometrics sind entlang orthogonaler Achsen mit drei trägen Massen ausgerüstet, um dem Instrument zu ermöglichen, eine dreidimensionale Messung vorzunehmen.
Breitband-Seismometer nutzen in der Regel eine Art umgekehrtes Pendel, bei dem anstelle der Gravitation eine Feder für die Rückstellkraft sorgt. Umgekehrte Pendel zentrieren sich nicht selbst. Sie müssen ausbalanciert werden.
Ozeanboden-Seismometer werden mehrere Kilometer unterhalb der Meeres­oberfläche eingesetzt. 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.

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. In der Tiefsee sind die Bedingungen thermisch gesehen 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.
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 20 Minuten ist das System vollständig ausgerichtet.
Der Positionierungsmechanismus benö­tigt Drehmoment, um die Nutzmasse des Instruments auszubalancieren. Die einfachste Art und Weise, um Drehmoment zu erzeugen, ist die Wahl eines stärkeren Motors oder aber die Kombination mit einem Getriebe mit passendem Untersetzungsverhältnis. Durch das Design ergaben sich für das Ingenieursteam hier jedoch Platzeinschränkungen. Ein stärkerer Motor kam nicht in Frage. Er hätte das Instrument im Durchmesser um ein paar Zentimeter vergrößert. Ein größeres Instrument würde für den Transport zum Meeresgrund einen größeren Schlitten beanspruchen, was wiederum zusätzliches Gewicht und höhere Kosten nach sich gezogen hätte. Das Team benötig­te robuste, zuverlässige und kompakte Motoren mit hoher Drehmomentdichte, die die FAULHABER-Schwester MICROMO aus USA als perfekte Lösung anbieten konnte.
Das Design beinhaltet zwei FAULHABER Schrittmotoren, 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 Einsatzes eines Schrittmotors für die Bewegungsausführung ist seine Zuverlässigkeit.
Die Übertragung der Bewegung des Motors an das Seismometer im Kardanrahmen erfolgt mithilfe eines Schneckenradgetriebes, das über ein kompaktes, robustes Design verfügt. Darüber hinaus sorgt es selbst bei Stoß- und Vibrationseinwirkung für Stabilität. Schneckenradgetriebe besitzen zum Beispiel nur eine Drehrichtung, wodurch die Getriebelast geschützt wird. Das Designteam hatte die Aufgabe, das Schneckenradgetriebe mit dem Getriebekopf zu verbinden. Eine nahe liegende Methode ist das Verschrauben der beiden mit einer Stellschraube, wobei jedoch berücksichtigt werden muss, dass die Welle des Motors nur einen Durchmesser von 2 mm hat. Aus diesem Grund war den Entwicklern diese Art der Befestigung nicht verlässlich genug. Gemeinsam mit den Applikationsspezialisten von MICROMO wurde eine 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.

Stepper motor for Seismometer
Ozeanboden-Seismometer, wie das Trillium OBS, müssen robust und zuverlässig sein.
Der Ausrichtungsmechanismus zur Anpassung der Position des Instruments umfasst einen Schrittmotor mit hoher Drehmomentdichte und ein Getriebe.