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Ein bekanntes Prinzip in einem neuen Gravimeter: das automatisierte Burris-Gravimeter A Well-known Principle in a New Gravimeter: The Automated Burris Gravity MeterGerhard Jentzsch, Richard Schulz, Adelheid Weise

Das Burris Gravity Meter, produziert von ZLS Corporation, Austin/Texas, USA, basiert auf dem Patent von L. LaCoste and A. Romberg (L&R), der sogenannten Zero-Length Spring (ZLS). Mittlerweile gibt es bereits mehrere Gravimeter dieses Typs in Europa: Es wird erfolgreich in der Exploration, der Vulkanologie, aber auch in Projekten der Landesvermessung eingesetzt. Der Sensor besteht aus der von L&R bekannten Zero-Length Spring (Nulllängenfeder). Ein digitales Rück-kopplungssystem mit einem Bereich von etwa 50 mGal nullt den Waagebalken. Dieses System reagiert mit hoher Genauigkeit (Stabilität und Wiederholbarkeit). Wie bei dem ursprünglichen System des L&R-Gravimeters wird eine Metalllegierung als Material für die Feder verwendet. Dadurch ist das Verhalten der Drift des Burris-Gravimeters vergleichbar mit der des L&R-Gravimeters, die bei weniger als 0,5 mGal1 pro Monat liegt. Sie ist damit deutlich geringer als beim Sensor des Scintrex-Gravimeters.Die Messung wird seitens ZLS durch das UltraGrav-System mit dem PDA (Personal Digital Assistant) durchgeführt, mit dem der Balken in die Nullposition geführt wird. Dies wird durch das UltraGrav-Kon-trollsystem erreicht, das ein prinzipiell lineares pulsweitenmoduliertes (PWM) elektrostatisches Rückkopp-lungssystem beinhaltet. Wir haben zwei Programme entwickelt, die auf einem PC laufen und die gleiche Aufgabe erfüllen: für die Einzelmessung (AGESfield ) und für die Dauerregistrierung (GRAV ). Kalibrierbare ultra-kleine elektronische Libellen werden für die Korrektur von Abweichungen der Horizon-tierung verwendet, um die Messung zu verbessern. Die Überprüfung des Feedbacks auf der vertikalen Basis der Universität Hannover ergab eine Standardabweichung für eine beobachtete Schweredifferenz von 1 μGal bis 3 μGal und die Standardabweichung des Kalibrierfaktors lag bei 10 – 4. Die Untersuchungen der Driften bei Feldmessungen ergaben sehr geringe Werte, d. h. eine sehr gute Wiederholbarkeit der Messungen.

Schlüsselwörter: Burris-Gravimeter, Zero-Length Spring, Drift, Gezeitenregistrierung

The Burris Gravity Meter manufactured by ZLS Corporation, Austin/Texas, USA, is based on the invention of L. LaCoste and A. Romberg: The zero-length spring (ZLS). A digital feedback system (range of about 50 mGal) is used to null the beam. By now, several gravimeters of this exist in Europe and are used successfully in exploration, and volcanology and surveying.The sensor is made of the well-known (L&R) metal-alloy zero-length spring because of its low drift charac-teristics. The drifts observed are comparable to L&R gravimeters and are less than 0.5 mGal1 per month.

1 1 µGal = 10 nm/s2.

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Thus, they are much lower than the drifts observed for the sensor of the Scintrex gravimeters. The feedback responds fast with high stability and accuracy. The nulling of the beam is controlled by the UltraGrav control system which incorporates an inherently linear pulse-width modulated (PWM) electrostatic feedback system. We have developed two Windows based programs which serve for the same purpose: AGESfield for single measurements and GRAV for continuous readings. Calibrated ultra-miniature electronic levels are used for correction of horizontal misalignment to insure ac-curate and reliable operation of the gravimeter. The check of the feedback on the calibration line in Hanover, Germany, provided reliable results on the 1 µGal to 3 µGal level, and the accuracy of the calibration factor was 10 – 4. The observed drifts during field measurements are very small and stable.

Keywords: Burris gravimeter, zero-length spring principle, drift analysis, tidal record

1 DAS BURRIS-GRAVIMETER

Das Burris Gravity Meter wird von der Firma ZLS Corporation, Aus-tin/Texas, USA, hergestellt /Adams et al. 2004/. Es basiert auf dem Patent von L. LaCoste and A. Romberg /LaCoste 1942/, der Null-längen-Feder (Zero-Length Spring, ZLS). Der Waagebalken wird über ein elektronisches Rückkopplungssystem genullt (UltraGrav control system). Der Rückkopplungsbereich umfasst etwa 50 mGal, wobei das System schnell und äußerst stabil reagiert. Dabei sorgt das Material der Feder (eine Metall-Legierung) für eine relativ geringe und mit der Alterung abklingende Drift. Angegeben werden Driftraten von 1 mGal bis 2 mGal pro Monat für eine neue Feder und weniger als 0,5 mGal nach Alterung. Der Prototyp der Firma ZLS zeigte schließlich eine Drift von etwa 0,03 mGal pro Monat. Eine metallene Mikrometerschraube (Spindel) dient zur Einstellung des Messbereichs innerhalb von 7 000 mGal /ZLS 2007/. Sie kann auch kalibriert werden (calibrated screw ) und der Skalenwert wird dann mit dem Wert der Rückkopplung zu einem Schwerewert verknüpft. Dabei wird die Messung an den sogenannten kalibrierten Punkten der Spindel vorgenommen, sodass sich die bei Getrieben üblichen periodischen Fehler nicht auswirken. Im Fall der nicht-kalibrierten Spindel (non-calibrated screw ) können auch größere Schwerediffe-renzen als 50 mGal beobachtet werden, sofern eine Zwischenmes-sung erfolgt. Andererseits reicht der Messbereich der Rückkopplung völlig aus, wenn die Höhenunterschiede etwa 250 m nicht über-schreiten.

Die elektronischen Libellen bestehen aus einem vertikalen Pendel der Länge ~1,2 cm (0,5 in). Ihre Auflösung liegt bei etwa einer Bogensekunde. Sie sind orthogonal auf dem Deckel des Sensors montiert. Die Anzeige erfolgt über Galvanometer im Gehäusedeckel. Diese Libellen können auch auf dem Display des Steuerrechners (PC) dargestellt werden. Werden die Libellen kalibriert, dann ist eine präzise Horizontierung des Gravimeters nicht mehr nötig, da dann das Steuerprogramm die Libellen auswertet und den Schwerewert automatisch korrigiert.

Der Sensor und die gesamte Elektronik sind gegenüber Tempe-raturschwankungen durch ein thermostatisiertes System (mehrere

Heizkreise) abgeschirmt, sodass das Gravimeter im Temperaturbe-reich von –15°C bis +50°C betrieben werden kann.

Das Burris-Gravimeter wurde auch mit anderen Gravimetern verglichen. Im Rahmen des 8th International Comparison of Absolute Gravimeters (ICAG-2009) and the associated Relative Gravity Cam-paign (RGC 2009) im Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) zwischen Juli und Oktober 2009 ergab der Vergleich mit Scintrex CG5, dass die beiden beteiligten Burris-Gravimeter zu den besten drei gehörten /Jiang et al. 2012/, wobei die Ergebnisse grundsätzlich den besten L&R-Gravimetern entsprechen. Zudem stellten /Timmen & Gitlein 2004/ fest, dass die ermittelte Drift eines Scintrex-Gravimeters CG3 durchaus nicht linear und somit nicht einfach zu korrigieren ist.

2 DIE ZERO-LENGTH SPRING UND DAS RÜCKKOPPLUNGSSYSTEM

Das Prinzip der Nulllängen-Feder2 wurde entwickelt, um die Nicht-linearitäten der Astasierung zu vermindern und damit die Auflösung

Abb. 1 | Prinzipskizze des L&R Gravimeters, das weitgehend identisch ist mit dem Burris-Gravimeter: zero-length spring und Aufhängung, gesteuert durch die Spindel über ein Getriebe; man beachte die Kondensatorplatten zum Auslesen der Position des Waagebalkens sowie zum Rückführen des Signals zum Nullen des Balkens (modifiziert nach /Torge 1989/).

2 Bei einer Nulllängen-Feder geht die Charakteristik im Kraft-Weg-Diagramm durch den Nullpunkt.

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der Gravimeter-Messung zu erhöhen. Das Patent hierzu wurde im Jahr 1942 von Lucien LaCoste (1942) angemeldet (US-Patent 2 293 437).

Die bekannten G- und D-Typ-Gravimeter von LaCoste & Romberg beruhen auf diesem Prinzip, wobei zunächst der Waagebalken per Hand genullt werden musste (LaCoste & Romberg 2004; Abb. 1 ) / Torge 1989/. Dagegen war das L&R-Erdgezeiten-Gravimeter bereits mit einem, allerdings mechanischen, Rückführungsmecha-nismus (feedback system) ausgestattet, der später dann von Larson durch ein elektronisches System ersetzt wurde /LaCoste & Romberg 1972/, /Larson 1968/, /Jentzsch 1986/, /Jentzsch et al. 2000/. Seitens der Universität Hannover wurde ebenfalls ein elektronisches Rückkopplungssystem entwickelt, mit dem dann sehr viele L&R-Gravimeter der Typen G und D ausgestattet worden sind /Röder et al. 1988/.

Die Integrationsperiode dieser Systeme liegt zwischen 6 s und 10 s bei Rückkopplungsspannungen von ca. ±10 Volt entsprechend etwa ±10 mGal. Im Fall des Erdgezeiten-Gravimeters liegt der Rückkopplungsbereich bei ungefähr 7 mGal.

Das Rückkopplungssystem des Burris-Gravimeters ist Teil des vollständig digitalen (mikroprozessorgesteuerten) automatischen Steuer-, Mess- und Registriersystems, das auf einem PDA (hand-held computer ) installiert ist (UltraGrav). Die Position des Waagebal-kens wird ermittelt und danach automatisch in die Nullposition zurückgeführt /Valliant et al. 1986/. Dabei wird das kontrollierende

Signal nicht als Gleichspannung den Kondensatorplatten zugeführt, sondern als pulsweiten-moduliertes Signal (pulse-width modulated, PWM), das äußerst linear ist. Im Fall der kalibrierten Spindel muss diese hierzu auf einen kalibrierten Punkt gestellt werden. Wenn das System den Waagebalken nicht auf Null führen kann, muss die Spindel manuell eingestellt werden3. Auch bei routinemäßigen Messungen konnten Standardabweichungen (m0) von ±3 µGal (oder sogar weniger) erreicht werden. Die Eigenschaften des Gravimeters sind in Tab. 1 zusammengefasst.

Durch die Entwicklung des Programms AGESfield 4, das auf einem PC läuft und ebenfalls den Waagebalken nullt, konnten der Mess-vorgang und die Datenspeicherung optimiert werden.

3 KALIBRIERUNG DES GRAVIMETERS

Nach der Fertigstellung werden die Gravimeter auf einer Testlinie in New Mexico kalibriert. Das erste Gravimeter, das der Firma Gravity Consult überlassen worden war, hat die Nr. B-25. Es war das erste Burris-Gravimeter in Deutschland. Es wurde zusätzlich auf der verti-kalen Kalibrierlinie der Leibniz Universität Hannover überprüft, auf der bereits viele Gravimeter getestet worden sind. Das Hochhaus hat 20 Stockwerke; wir benutzten die Stockwerke 1, 9 und 17 mit den Bezeichnungen 210, 290 und 370 (Tab. 2; /Kanngieser et al. 1983/).

In Tab. 2 sind die Schwerewerte und -differenzen in Mikrogal angegeben. Die Messungen erfolgten systematisch in unterschiedlichen Schleifen zwischen allen Punk-ten mit positiven und negativen Feedback-Werten. Insgesamt wurden 43 Differenzen in drei Messrei-hen beobachtet und jeweils mindestens fünf Diffe-renzen zwischen zwei Punkten wurden ausgewer-tet. Bei der Ausgleichung (nach /Wenzel 1993/) wurden sowohl die linearen als auch die quadra-tischen und kubischen Terme berücksichtigt. Da lediglich eine Schweredifferenz von etwa 16 mGal genutzt werden konnte, wurde in unterschiedlichen Abschnitten des Messbereichs gemessen. Mit den drei Datensätzen konnte der Feedback-Bereich überdeckt werden. Die Auswertung (Tab. 3 ) zeigte sowohl eine sehr gute Wiederholbarkeit der drei Messvorgänge als auch eine gute Linearität der

Tab. 1 | Eigenschaften des automatisierten Burris-Gravimeters mit dem UltraGrav-Kontrollsystem (aus dem /ZLS-Manual 2007/)

Sensor Type Metal zero-length spring hardened metal micrometer screw

RangeTemperature range

7 000 mGal– 15 °C to +50 °C

Electronic Levels:TypeRangeResolution

Single axis, vertical pendulum, air damped± 5 arc-min (10 arc-min total)1 arc-sec

Data Resolution:Internal Recorded

Less than 0.001 mGal Single reading mode: 0.001 mGal

Data Repeatability:Within 50 mGal Over 50 mGal Precision of Calibration Points

0.001 mGal – 0.003 mGal Less than 0.02 mGal ± 0.015 mGal

Burris Gravity Meter:L × W × H Weight

7.5 in × 12 in × 12 in (19.05 cm × 30.5 cm × 30.5 cm) 12.75 lb ±1.0 lb (5.18 ±0.45 kg) with Lithium battery

UltraGrav Control System:TypeFeedback range Input voltage Auxiliary outputsPWMHost Computer Type

Pulse-width modulated electrostatic nulling system 50 mGal10.5 V to 14.0 V DCAnalog: levels, beam and feedback; FM: levels and beamFeedbackHandheld Computer

Tab. 2 | Vertikale Kalibrierlinie an der Leibniz-Universität Hannover: Angegeben sind die Stockwerke des Hochhauses und die absoluten Schwerewerte (Standardabweichung 0,1 µGal) sowie die Schweredifferenzen /Kanngieser et al. 1983/, aus /Jentzsch 2008/

Stockwerk/ Station

Absolutschwere Schwere-differenzen

Gesamt-differenz

17/370 981 245 062,6 µGal 8 178,4 µGal

16 173,0 µGal9/290 981 253 241,0 µGal

7 994,6 µGal1/210 981 261 235,6 µGal

3 Einige ältere Burris-Gravimeter haben einen Spindelmotor, der über einen Algorithmus die Spindel solange dreht, bis ein passender kalibrierter Punkt gefunden ist4 Diese Entwicklung erfolgte durch Ko-Autor Schulz (Fa. Angewandte Gravimetrie).

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Rückkopplung, wobei der kubische Term vernachlässigbar ist, nicht aber der quadratische. Das Resultat der Kalibrierung des Feedback-systems ergab einen Fehler in der Größenordnung von 10 – 4. Für alle Messungen wurde eine Standardabweichung für eine beobachtete Schweredifferenz (m0) von 3,6 µGal erreicht.

Anlässlich der Messungen in Hannover war ein optischer Ver-gleich des Burris-Gravimeters mit einem Scintrex CG-3 und einem G-Gravimeter von LaCoste & Romberg möglich (Abb. 2 ). Der PDA enthält das Steuerprogramm für das Burris-Gravimeter und die Daten. Nur im Fall des L&R-Gravimeters sind die Batterien extern untergebracht. Inzwischen erfolgt die Kopplung des PDA bzw. PC mit dem Gravimeter über bluetooth.

4 DAS DIGITALE REGISTRIERSYSTEM

Ein besonderes Anwendungsgebiet für das Gravimeter ist die konti-nuierliche Erfassung von Schwerevariationen, z. B im Zusammen-hang mit vulkanischen Aktivitäten oder zur Beobachtung von kurz-fristigen Schwankungen des Grundwasserstands sowie der Erdge-zeiten. Derartige Registrierungen lassen sich prinzipiell auch mit dem PDA durchführen, allerdings besteht hierbei der Nachteil, dass die Zeitinformation aus der Zeitbasis des PDA stammt. Zudem ist eine parallele Registrierung des Luftdrucks nicht möglich, da der PDA keinen weiteren Eingang besitzt. Aus diesen Gründen wurde von der Firma Gravity-Consult GmbH ein digitales Registriersystem entwickelt. Es umfasst einen Notebook-Rechner, an den neben dem Gravimeter auch ein GPS-Zeitempfänger sowie ein Vaisala-Luft-drucksensor angeschlossen sind. Der weitere Vorteil dieses Sys-tems liegt darin, dass die Daten kopiert werden können, ohne die Registrierung zu unterbrechen.

Abb. 3 zeigt die Komponenten des Registriersystems. Es besteht neben dem Steuerprogramm für das Gravimeter, das die Aufgaben des PDA übernimmt, aus einem Programm für die Visualisierung und Speicherung der Daten.

Da die stabile Zeitbasis eine Voraussetzung für die korrekte Steuerung des Gravimeters ist, konnte nach Modifikation des Gra-vimeters, dessen eingebauter Mikroprozessor den Impuls selbst erzeugt, der Notebook-PC sowohl als Steuerrechner für das Gravi-meter als auch für die weitere Bearbeitung der Daten eingesetzt werden. Dabei kommen die Daten als Sekunden-Samples in das Registrierprogramm, werden dort auf 10-Sekunden-Stützstellen gefiltert und zusammen mit dem Luftdruckwert und der Zeitinfor-mation gespeichert. Es sollte kein Internetzugang ermöglicht wer-den, damit nicht andere Netz-Aktivitäten den Rechner blockieren; beispielsweise könnte nach der automatischen Installation von Updates ein Neustart des Rechners erfolgen, was die Registrierung unterbräche.

Das Registriersystem wird bereits von mehreren Arbeitsgruppen eingesetzt, u. a. in der Vulkanologie; hier sind speziell zu nennen /Poland & Carbone 2010/, /Carbone & Poland 2012/, /Carbone et al. 2013/.

Abb. 2 | Burris-Gravimeter (Mitte; hier mit Spindelmotor und PDA in blau), das Scintrex CG3 (rechts) und ein G-Gravimeter von LaCoste & Romberg mit dem elektrostatischen Feedback-System SRW-Hannover mit dem gelben Multimeter (links, /Röder et al. 1988/) (Foto: /Jentzsch/)

Abb. 3 | Die Komponenten des Registriersystems bestehen aus einem Notebook-Computer, einem GPS-Zeitempfänger und einem Vaisala-Digital-Barometer; Gravimeter und Registriersystem können noch durch eine USV (UPS) gepuffert werden (aus /Jentzsch 2008/, aktualisiert)

Tab. 3 | Ausgeglichene Kalibrierfaktoren: lineare, quadratische und kubische Terme mit ihren Standardabweichungen (SD). Hinweis: Bei der ersten Ausgleichung wurde sowohl der quadratische als auch der kubische Term angesetzt, bei der zweiten nur der quadratische.

Linearer Term SD

Quadratischer Term in 1.D-6SD

KubischerTerm in 1.D-12SD

0,999 9390,000 129

0,001 5340,000 312

0,004 3020,003 434

1,000 0860,000 054

0,001 7750,000 247

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5 GEZEITENREGISTRIERUNG

Das Gravimeter B-25 wurde zunächst im Geodynamischen Obser-vatorium Moxa der Universität Jena /Jahr et al. 2001/ installiert und getestet. Dabei konnte u. a. eine Zeitreihe von fast 77 Tagen gewon-nen werden (Abb. 4 ). Das Gravimeter B-25 war zu Beginn des Jahres 2006 ausgeliefert worden: Im Observatorium Moxa konnten mehrere Intervalle registriert werden (Unterbrechungen durch ver-

schiedene Tests, speziell in Verbindung mit der Entwicklung eines Registriersystems).

Bemerkenswert ist die Linearität der Drift, die im ersten langen Intervall bei etwa – 0,62 mGal pro Monat liegt. Sie nimmt kontinu-ierlich ab, war aber nach einem Stromausfall im Observatorium nach einem Blitzschlag später leicht erhöht.

ZLS Corporation gibt für die Driftrate für eine neue Feder ~1 mGal bis 2 mGal pro Monat an. Nach einer gewissen Alterung reduziert sich die Drift auf weniger als 0,5 mGal pro Monat. Der Prototyp des Gravimeters von ZLS zeigte schließlich eine Drift von etwa 0,03 mGal pro Monat (pers. Mitteilung von ZLS). Obwohl B-25 noch neu war, lagen die beobachteten Driften unter der Angabe des Herstellers und die Abnahme im ersten Jahr wird deutlich.

Die beobachteten linearen Driften lagen für vier längere Intervalle bei:

� 1. Intervall: 24.4. bis 23.6.2006: ~ – 0,62 mGal/Monat � 2. Intervall: 16.10. bis 28.12.2006: ~ – 0,34 mGal/Monat � 3. Intervall: 2.1. bis 08.3.2007: ~ – 0,23 mGal/Monat � 4. Intervall: 11.3. bis 22.4.2007: ~ – 0,65 mGal/Monat

Die Ergebnisse der Gezeitenanalyse (mit dem Programm Eterna von /Wenzel 1996/) zeigen den geringen Rauschpegel der Registrie-rung, was zu der geringen Standardabweichung (m 0) für einen beobachteten Wert von 4,3 nm/s2 (0,43 µGal) führt. Hierbei wurde

Abb. 4 | Erstes langes Intervall der Registrierung im Geodynamischen Observatorium Moxa vom 24. April bis 23. Juni 2006. Die nahezu lineare Drift beträgt etwa −0,62 mGal pro Monat. Die Daten wurden auf Stunden-Stützstellen gefiltert (aus /Jentzsch 2008/).

Tab. 4 | Ergebnisse der Gezeitenanalyse für den Zeitraum vom 5. April bis 23. Juni 2006, also etwa 77 Tagen im Geodynamischen Observatorium Moxa (Werte des Ausdrucks des Analyseprogramms Eterna von /Wenzel 1996/); üblicherweise werden nur die ganz- und halbtägigen Frequenzbänder angegeben. Bei M3M6 sind alle Wellen vom dritteltägigen Bereich bis 6 Wellen pro Tag zusammengefasst. Die langperiodischen Wellen (14-tägig, monatlich) lassen sich hier nicht auflösen. Der Amplitudenfaktor bezeichnet das Verhältnis zwischen beobachteter und theoretischer Gezeitenamplitude für eine elastische Erde.

Summary of observation data:

20060405 20000...20060422110000 20060424140000...20060623 20000Number of recorded days in total: 76.96Hartmann+Wenzel (1995) tidal potential used with threshold 0.10E-06Wahr-Dehant-Zschau inelastic Earth model used Inertial correction not applied Spectral condition number of normal equations: 1.907Estimation of noise by Fourier-spectrum of residuals:

0.1 cpd band 1.0 cpd band 2.0 cpd band 3.0 cpd band 4.0 cpd band white noise

— 0.483 0 nm/s2 0.239 2 nm/s2 0.215 9 nm/s2 0.210 1 nm/s2 0.247 9 nm/s2

Adjusted tidal parameters:

From/cpd to/cpd wave ampl./nm/s2 ampl. fac. stdv. phase lead stdv.

0.501370 0.911390 Q1 66.773 5 1.144 20 0.004 89 1.004 7 0.245 3

0.911391 0.947991 O1 349.640 8 1.147 12 0.000 80 1.327 5 0.039 9

0.947992 0.981854 M1 27.497 9 1.147 71 0.008 39 0.785 2 0.417 4

0.981855 1.023622 K1 486.721 8 1.135 90 0.000 54 1.597 7 0.027 3

1.023623 1.057485 J1 27.982 3 1.167 51 0.012 16 2.294 7 0.597 7

1.057486 1.470243 OO1 15.117 6 1.153 22 0.012 13 0.991 9 0.602 7

1.470244 1.880264 2N2 10.785 8 1.166 61 0.020 92 2.746 7 1.025 8

1.880265 1.914128 N2 68.377 6 1.181 20 0.002 97 4.185 1 0.144 4

1.914129 1.950419 M2 357.953 4 1.183 94 0.000 48 3.994 6 0.023 1

1.950420 1.984282 L2 9.984 3 1.168 22 0.016 88 2.996 2 0.825 9

1.984283 2.451943 S2 167.254 6 1.189 14 0.001 07 3.539 5 0.051 5

2.451944 7.000000 M3M6 3.843 1 1.019 16 0.033 20 6.312 0 1.865 6

Degree of freedom: 1 723 Standard deviation: 4.256 nm/s2

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auch der Luftdruck berücksichtigt. Die Ergebnisse sind in Tab. 4 zusammengefasst: cpd steht dabei für cycles per day ; somit bezeichnen 1 cpd die ganztägigen Wellen und 2 cpd die halbtägi-gen. Die Gezeitenanalyse gibt Auskunft über den Rauschpegel in den Daten, der sowohl natürlicher Ursache sein kann als auch eine Eigenschaft des Gravimeters. Da der anthropogene Rauschpegel im Observatorium Moxa bekannterweise sehr niedrig ist und weil die Unterschiede in den errechneten Werten für die Rauschpegel in den verschiedenen Frequenzbereichen genau dies bestätigen, ist offen-bar das Eigenrauschen des Gravimeters äußerst gering. Damit ermöglichen die Gezeitenanalysen auch eine Qualitätskontrolle für das Gravimeter.

6 LANDESVERMESSUNG 2013 – DRIFTBETRACHTUNGEN

Das Gravimeter ZLS Burris B-25 wurde im Jahr 2013, nach einem technischen Update durch die Firma ZLS, bei Messungen zur Geoid-Bestimmung in Nordrhein-Westfalen eingesetzt. Dabei konnten die Genauigkeit des Gravimeters und das Driftverhalten bei präzisen Messungen im Gelände beobachtet werden. Im Unterschied zu den oben genannten Driften unter Laborbedingungen (Dauerregistrierung) flossen hier Umwelteinflüsse mit ein. Darunter fallen natürliche (Tem-peratur, Wind, Sonneneinstrahlung) und anthropogene Einflüsse (Transport: Strecken bis 300 km, Bodenunruhe durch Verkehr).

Exemplarisch sind die Driften des Gravimeters über drei Doppel-schleifen5 und vier Arbeitstage aufgeführt. In den Grafiken stehen Großbuchstaben für amtliche Schwerefestpunkte und die Klein-buchstaben für Punkte einer Doppelschleife, die dann als Basis-punkte bei Tagesdriftbestimmungen dienten.

Für die Projektauswertungen wurde das Programmpaket Galileo der Bezirksregierung Köln, Geobasis NRW (unveröffentlicht) verwen-det. Da diese Software auch bei anderen Vermessungsverwaltungen eingesetzt wird, sind die grafischen Darstellungen an dieses Programm angelehnt. Bei den Tagesmessungen werden nur die in teressierenden Basispunkte (Zwischenpunkte der Doppelschleife) diskutiert. Die notwendigen Korrekturen des Luftdrucks, der Sen-sorlage und der Gezeiten wurden ebenfalls mit dem Programm Galileo angebracht.

6.1 Driftbetrachtungen bei Doppelschleifen

Die Grafiken in Abb. 5 zeigen die Drift an den einzelnen Messpunk-ten, die in der Reihenfolge AabcdBBdcbaA gemessen wurden (Buchstaben der Stationen an der entsprechenden Linie der Grafik). Im Idealfall sind diese Linien über die Zeit parallel (gleiche Drift). Wie die Grafiken zeigen, kann das Vorzeichen der Drift sich auch von Doppelschleife zu Doppelschleife ändern.

Problematisch ist der Umkehrpunkt der Doppelschleife (B). Hier kann infolge äußerer Einflüsse (Erschütterungen durch Verkehr) die

Genauigkeit der Messung eine stärkere Drift vortäuschen, jedoch ist die Drift im vorliegenden Fall über den Tagesverlauf gleichmäßig.

6.2 Tagesdriften bei präzisen Messungen

In Abb. 6 sind zwei beobachtete Tagesgrafiken des B-25 gegen-übergestellt: Die linke Grafik zeigt ein typisches Driftverhalten eines L&R-Gravimeters, was durch die technische Verwandtschaft zwi-schen ZLS-Gravimetern und L&R nicht verwundert; bei der rechten Grafik trat ein heftiges Erdbeben zwischen der zweiten und dritten Messung der Basisstation auf. Nachdem das heftige Schwingen

Abb. 5 | Driftverlauf von B25 am Beispiel dreier Doppelschleifen an drei unterschiedlichen Tagen (1: 20.8.2013; 2: 24.8.2013; 3: 30.10.2013). Man beachte neben der Konsistenz der Driften auch deren geringen Betrag in der Größenordnung von – 6 µGal bis + 6 µGal pro Stunde.

5 Unter Doppelschleife wird eine Hin- und Rückmessung verstanden.

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abgeklungen war, konnte die dritte Beobachtung durchgeführt werden. Die Drift wurde demnach durch das Erdbeben nicht beein-flusst. Sie liegt in der Größenordnung von 0 µGal bis 8 µGal pro Stunde.

In Abb. 7 zeigt die linke Grafik, dass das Driftverhalten auch über einen längeren Zeitraum mit 20 Messpunkten und einer Fahrstrecke von ca. 150 km weiterhin konstant verläuft (unter 4 µGal pro Stunde). Die rechte Grafik zeigt den Driftverlauf bei einer Unterbrechung der Messungen durch ein weiteres Erdbeben. Im Gegensatz zu dem Beispiel in Abb. 6 lag hier die zweite Basismessung unmittelbar vor dem Eintreffen der seismischen Wellen. In diesem Fall wurde ein weiteres Mal die Basismessung nach dem Abklingen des Erdbebens durchgeführt, um das Driftverhalten noch besser kontrollieren zu können. Auch hier änderte sich das Verhalten der Drift nicht.

7 ZUSAMMENFASSUNG

Das Burris-Gravimeter der Firma ZLS, beruht auf dem Prinzip der Zero-Length Spring, das von LaCoste & Romberg in die Gravimetrie eingeführt worden war. Die Firma ZLS hat das mechanische Konzept weiterentwickelt und mit einer sehr anspruchsvollen Elektronik

komplettiert. Daraus ist ein sehr zuverlässiges Messgerät geworden, das reproduzierbar auch geringe Schweredifferenzen auflösen kann. Neben vielen Nutzern in den USA und in Japan wird das Gravimeter mittlerweile auch von verschiedenen Einrichtungen in Europa einge-setzt. Anlässlich des International Symposium on Terrestrial Gravi-metry: Static and mobile measurements, 2007, berichteten verschie-dene Gruppen über ihre Ergebnisse, z. B. /Kopaev et al. 2008/, / Lederer & Palinkas 2008/, /Schulz 2008/. Im Rahmen des 8th ICAG-2009 und der RGC 2009 im BIPM zwischen Juli und Oktober 2009 ergab der Vergleich mit Scintrex CG5, dass die beiden betei-ligten Burris-Gravi meter zu den besten drei gehörten /Jiang et al. 2012/.

Durch Ausrüstung mit einem digitalen Registriersystem kann das Gravimeter auch bei der Erfassung von kontinuierlichen Schwere-variationen, etwa in der Vulkanologie, /Poland & Carbone 2010/, / Carbone & Poland 2012/, /Carbone et al. 2013/, erfolgreich einge-setzt werden.

Bei Feldmessungen ergaben sich sehr geringe Driften und damit hohe Genauigkeiten. Somit lässt sich das Fazit ziehen, dass das Burris-Gravimeter ein sehr gutes Messgerät für unterschiedliche Aufgaben ist, angefangen bei der Mikrogravimetrie über die Landes-

Abb. 6 | Tagesdriften des Gravimeters B-25 bei Arbeiten im Bereich des nordöstlichen Ruhrgebiets, links: 22.8.2013, rechts 24.9.2013

Abb. 7 | Die linke Grafik (Messungen vom 3.9.2013) zeigt das Driftverhalten bei häufigem Bewegen (hohe Messpunktanzahl) und 150 km Fahrstrecke. Bei der Tagesdrift in der rechten Grafik (Messungen vom 28.9.2013) trat ein Erdbeben auf. Auch hier ist kein Einfluss auf das Driftverhalten durch das Beben zu bemerken.

175G. Jentzsch, R. Schulz, A. Weise – Ein bekanntes Prinzip in einem neuen Gravimeter: das automatisierte Burris-Gravimeter

Fachbeiträge aus der Praxis |

vermessung bis hin zu Erdgezeitenbeobachtungen und Massenver-lagerungen im Zusammenhang mit vulkanischen Aktivitäten.

DANK

Das Burris-Gravimeter B-25 war zunächst Eigentum der Firma Gravity Consult GmbH, damals in Jena ansässig, und wurde später von der Firma Angewandte Gravimetrie übernommen. Im Rahmen der Kooperation mit dem Institut für Geowissenschaften, Abteilung Angewandte Geophysik, wurden Tests durchgeführt. Die Kalibrie-rung in Hannover wurde von Dr. Ludger Timmen unterstützt, der nicht nur die Informationen über die Punkte bereitstellte, sondern auch half, die Daten mit dem Programmsystem GRAV /Wenzel 1993/ auszuwerten. Aufbauend auf früheren Versionen program-mierte der Software-Techniker des Instituts für Geowissenschaften in Jena, Andreas Hoffmann, das Registriersystem GRAV. Für diese Beiträge bedanken sich die Autoren.

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Prof. Dr. Gerhard Jentzsch

GRAVITY-CONSULT GMBH

Annettenstraße 2 | 51175 Bonn gerhard.jentzsch@uni-jena.de

Dr. rer. nat. Richard Schulz

ANGEWANDTE GRAVIMETRIE DR. H. RICHARD SCHULZ

Steg 8 | 74538 Rosengarten – Rieden office@angewandte-gravimetrie.de

Dr. rer. nat. Adelheid Weise

FRIEDRICH-SCHILLER-UNIVERSITÄT JENA INSTITUT FÜR GEOWISSENSCHAFTEN

Burgweg 11 | 07749 Jena Adelheid.Weise@uni-jena.de