УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАЗМЕРА ПЕРИОДИЧЕСКИ ПЕРЕМЕЩАЮЩЕГОСЯ ОБЪЕКТА Российский патент 1998 года по МПК G01B21/02 

Изобретение относится к устройству для измерения размера периодически перемещающегося объекта, содержащему оптоэлектронный измерительный прибор, включающий в себя приемопередающие элементы, расположенные не менее чем в одной плоскости изменения, перпендикулярной продольной оси объекта, а также блок обработки, причем плоскость измерения измерительного портала ограничена не менее чем двумя измерительными балками, расположенными под заданным углом друг к другу.

Из патента Австрии N 351282 известно устройство для определения или контроля размера периодически перемещающегося объекта, в котором в двух плоскостях, расположенных под углом 90^o друг к другу, установлены строчные камеры, в которых вместо пленки имеется плоскость со строчками из фотодиодов для создания электронного теневого изображения объекта, различаемого оптикой на светлом фоне.

Недостаток этого сравнительно дорогого из-за применения строчных камер устройства состоит в том, что теневое изображение может быть нерезким в зависимости от положения измеряемого объекта, что снижает точность измерения.

По принципу периодического считывания измеряемого объекта, согласно которому в определенные момент никогда не получают полного изображения измеряемого объекта, работают устройства, известные из выложенных заявок ФРГ N 2019290, N 2127751.

Их недостаток заключается в необходимости применения механически перемещаемого светоизлучателя или зеркала.

Известны также устройства, в которых внутри излучающих балок установлены ряды инфракрасных излучающих диодов на небольших постоянных расстояниях друг от друга, причем в каждом из этих рядов в плоскости измерения посередине балки установлены инфракрасный фотодиод, а инфракрасные излучающие диоды включаются блоком обработки через короткие постоянные промежутки времени друг за другом сверху вниз вместе с соответствующими инфракрасными фотодиодами.

Это устройство, работающее по принципу периодического считывания, обладает тем недостатком, что настройка инфракрасных излучающих диодов, требует значительного времени и может осуществляться только с помощью сложных вспомогательных средств, например осциллографа. Кроме того, сигналы, вырабатываемые в инфракрасных фотодиодах, сравнительно слабы и для дальнейшей обработки требуют большого усиления, что создает опасность дрейфа или изменения параметра в зависимости от времени и температуры и искажает результат измерения.

Предлагаемая конструкция предусматривает устройство указанного типа, в котором устранены перечисленные недостатки и которое позволяет экономически оправданно повысить точность измерения периодически перемещающегося объекта с одновременным повышением надежности измерений.

Это достигается тем, что на боковых поверхностях измерительных балок, обращенных к плоскости измерения, установлен не менее чем один ряд приемных элементов, причем каждому из этих рядов соответствует по одному периодически включаемому излучающему элементу, расположенному на заданном расстоянии от измерительной балки, для излучения веерного светового луча, направленного на приемные элементы.

Благодаря геометрии устройства точное измерение размера объекта достигается чисто электронно-оптическим путем. В определенный момент всегда создается полное изображение измеряемого объекта, благодаря чему достигается высокая точность измерений и непрерывная оценка измеряемой величины. Настройка или юстировка устройства практически ограничена ориентировкой обоих веерных световых лучей.

В предпочтительном варианте выполнения ряд приемных элементов образует примерно дугу окружности, в центре которой расположен соответствующий излучающий элемент. Благодаря этому можно повысить надежность и устойчивость к посторонним засветкам в связи с тем, что приемные элементы всегда вырабатывают сигналы одинаковой мощности, передаваемые на блок электронной обработки.

Наибольшая простота настройки и удобство эксплуатации достигаются, когда два излучающих элемента выполнены в виде блока из лазерного диода, трехлинзового коллиматора, штриховой оптики и гибкой задающей электроники.

Если блок лазерных диодов создает видимый веерный лазерный луч с длиной волны примерно 670 нм, ориентацию излучающего элемента можно выполнять визуально без дополнительных измерительных приборов.

Наиболее предпочтительно выполнение приемных элементов из фототранзисторов и размещение их в водонепроницаемых приемных балках с продольной прорезью, закрытой стеклом в области веерного светового луча.

Фототранзисторы имеют широкий приемный угол. Поэтому не требуется фокусировка и можно использовать методику машинного изготовления печатных плат. Скрытое размещение в приемных балках предотвращает воздействие внешних факторов и помех от посторонней засветки.

Наиболее экономичное и удобное при эксплуатации выполнение создается при расчленении ряда приемных элементов на отрезки, причем приемные элементы каждого отрезка размещены на идентичных печатных платах.

Модульное построение рядов приемных элементов позволяет не только свести к минимуму затраты на разводку при монтаже, но и облегчить замену отрезков с вышедшими из строя приемными элементами.

Каждый излучающий элемент предпочтительно размещен в водонепроницаемом корпусе с закрытой стеклом прорезью в направлении соответствующей балки, а корпус монтирован между двумя жестко соединенными со стойками измерительного портала прямоугольными пластинами, сбоку выступающими за края корпуса.

Тем самым излучающий элемент тоже защищен от внешних воздействий, достигается простота его монтажа, замены и надежность от повреждений.

Для дальнейшего облегчения настройки устройства оба заизлучающих элемента могут при установке приемных балок запитываться постоянным светом.

Блок обработки предпочтительно выполнен на микропроцессорах с блоком памяти, синхронно запитывающим излучающие и приемные элементы с тактовой частотой свыше 300 Гц.

Хотя блок обработки легко выполняется на стандартных интегральных схемах, микропроцессоры дешевле и их легче установить. Выбранная тактовая частота позволяет обеспечить практически непрерывную обработку измерений по всей длине измеряемого объекта, даже если он перемещается в направлении своей продольной оси со скоростью, превышающей 180 м/мин.

В другом варианте выполнения блок обработки для измерения и индикации диаметра и/или объема объекта учитывает полученные сигналы с обоих рядов приемных элементов, установленное количество перекрытых объектом приемных элементов и постоянную длину рядов приемных элементов от соответствующих излучающих элементов и излучающих элементов между собой, с выдачей сигнала положения, учитывающего расстояние между объектом и излучающими элементами.

С помощью введенного в память алгоритма блок обработки может по этим параметрам производить точное математическое вычисление размера, например, диаметра ствола дерева. В основу алгоритма предпочтительно положен синусоидальный закон.

В одном из вариантов блок обработки может быть выполнен так, что затенения приемных элементов, вызванные частями, отходящими от объекта, подавляются. Благодаря этому подавлению, создаваемому, например, с помощью запрограммированной логики в блоке обработки можно избежать искажения результатов измерения частями дерева или коры, лежащих на цепном транспортере, или частями, отходящими от ствола дерева. Для вычисления диаметра всегда используются только показания соседних затененных приемных элементов обоих приемных балок.

На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1.

На фиг. 1 представлен цепной транспортер 2, на котором транспортируется ствол дерева 1 по стрелке В (фиг. 2). В области плоскости измерения 7 (фиг. 2) или измерительного портала 10 имеется разрыв цепного транспортера 2 для предотвращения его влияния на процесс измерения. Однако вместо разрыва цепного транспортера 2,2' (фиг. 2) можно предусмотреть и оборачивающий ролик или иной зазор в цепном транспортере, не мешающий измерительному устройству.

Для определения диаметра или объема ствола 1 служит измерительный портал 10, состоящий из стоек 11, 11' и измерительных балок 4, 4', через который перемещается ствол 1. Стойки 11, 11' и измерительные балки 4, 4' выполнены из металлических профилей и жестко соединены друг с другом. Симметрично расположенные измерительные балки 4, 4' образуют друг с другом угол 90^o. Можно, однако, предусмотреть и несколько, например три измерительные балки, образующие друг с другом угол 120^o. Измерительный портал установлен на основании вертикально и неподвижно закреплен на нем. На боковых поверхностях измерительных балок 4, 4', обращенных к плоскости измерения 7, установлено по одной приемной балке 5, 5'. Приемные балки 5, 5' выполнены в виде водонепроницаемых корпусов с продольной прорезью 50, 50', проходящей в области плоскости измерения 7 и закрытой стеклом.

Внутри приемных балок 5, 5' примерно на одной дуге окружности на небольших одинаковых расстояниях друг от друга, составляющих примерно 3 мм, размещен ряд фототранзисторов 6, 6'. Этот ряд фототранзисторов 6, 6' разбит на ряд участков 60, 60' из печатных плат, на каждой из которых размещены 64 фототранзистора 6, 6'.

В центре дуги каждого ряда фототранзисторов 6, 6' находится на строго определенном расстоянии А от измерительных балок 4, 4' по одному блоку 8, 8' лазерных диодов.

Эти блоки 8, 8' лазерных диодов размещены каждый в герметизированном корпусе с прорезью 80, 80', закрытой стеклом и направленной в сторону соответствующих приемных балок 5, 5' или их продольной прорези 50, 50', причем этот корпус установлен между двумя жестко соединенными со стойкой 11, 11' измерительного портала 10 прямоугольными пластинами 18, 19, 18', 19', сбоку выступающими за края корпуса. Эти пластины 18, 19, 18', 19' окрашены черной краской на поверхностях, обращенных к корпусу, чтобы предотвратить отражение лазерного луча.

На кронштейнах 12, 12' измерительного портала 10 установлен инфракрасный барьер 9, 9'. Как только ствол дерева 1 попадает в створ этого барьера, начинается процесс измерения. Кроме того, по длительности прерывания инфракрасного барьера 9, 9' и скорости цепного транспортера 2, 2' точно можно определить длину ствола 1. Контроль или измерение скорости цепного транспортера может выполняться известным образом с помощью присоединенного датчика импульсов.

Блок обработки 20 электрически связан с обоими рядами 6, 6' фототранзисторов, блоками 8, 8' лазерных диодов и инфракрасным барьером 9, 9', как схематически показано на фиг. 1.

Кроме того, к блоку обработки 23 подключен дисплей 21 на жидких кристаллах для цифровой индикации измеренного значения. Последовательно присоединенный интерфейс 22 служит для дальнейшей обработки и документирования измеренного значения.

На фиг. 2 видно, что ствол 1 проходит измерительный портал 10 или измерительную плоскость 7, а его конец находится как раз над разрывом цепного транспортера 2, 2'. После прохождения светового барьера 9, 9' в блоке обработки 20 начинаются процессы измерения.

После этого срабатывания и некоторой установленной задержки времени, необходимой стволу 1 для достижения измерительной плоскости 7, начинается первая операция измерения. При этом блок обработки 20, состоящий из системы микропроцессоров с запоминающим устройством, заставляет срабатывать блоки 8, 8' лазерных диодов с тактовой частотой не менее З00 Гц. Фототранзисторы приемных балок 5, 5' включаются уже при включении устройства в целом или цепного транспортера 2, 2'.

Синхронно с тактовой частотой обоими блоками 8, 8' лазерных диодов генерируются вспышки веерных лазерных лучей в видимом диапазоне красных волн около 670 нм или в инфракрасном диапазоне около 950 нм, расположенные в измерительной плоскости 7 и попадающие в виде световой линии на ряды 6, 6' фототранзисторов, пока не происходит их затенения стволом 1. Веерный лазерный луч создается трехлинзовым колиматором, фокусирующим свет, поступающий с лазерного диода и преобразующий его в параллельные лучи, которые затем полуцилиндрической линеаризующей оптикой рассеиваются веером. Блоки 8, 8' лазерных диодов могут представлять собой полупроводниковые лазеры с выходной четностью около 3 мВт или гелий- неоновые лазеры с вращающейся призмой для создания лазерных импульсов. Световая линия создает в фототранзисторах приемных балок 5, 5' сравнительно сильные электрические сигналы, способные к дальнейшей обработке без усиления в мультивибраторах с двумя устойчивыми состояниями. Каждый фототранзистор подключен через фильтрующую цепь, состоящую из конденсатора и резистора, к триггерному каскаду для подавления помехи от постоянной засветки и запоминания в триггерных каскадах только лазерных вспышек.

Блоком обработки 20 накопленные сигналы просчитываются и вычитаются из известного общего числа фототранзисторов приемной балки 5, 5', причем с помощью логических схем подавляются затенения фототранзисторов, вызванные выступающими частями ствола 1.

Благодаря заданной геометрии электронно-оптического измерительного устройства, то есть жестким расстоянием между рядами 6, 6' фототранзисторов и соответствующих им блоков 8, 8' лазерных диодов, а также прямому углу между приемными балками 5, 5' можно при известной длине дуги рядов 6, 6' фототранзисторов, а также положении и количестве затемненных фототранзисторов вычислить как диаметр, так и удаление центра ствола 1 дерева.

Если, например, между центром ствола 1 и блоками 8, 8' лазерных диодов образован треугольник, то расстояния центра от блоков 8, 8' лазерных диодов вычисляются по известным формулам с помощью теоремы синусов.

Подразумевается, что по известным формулам вычисляется также угол, образуемый диаметрами ствола 1, или сам диаметр с учетом положения ствола 1, поэтому более подробные пояснения не нужны.

В блоке обработки 20 запрограммирован соответствующий необходимым формулам алгоритм, позволяющий точно вычислить диаметр ствола 1, причем предусмотрена и температурная компенсация.

В хорошо видимом месте измерительного портала 10 и/или на блоке обработки 20 можно предусмотреть красные и зеленые светоизлучающие диоды, сигнализирующие о выпадении из тактовой частоты или наличия напряжения на передающем конце.

Отдельные измерительные операции могут так контролироваться блоком обработки 20, чтобы была возможность арифметического вычисления среднего диаметра ствола 1.

Через интерфейс 22 блок обработки 20 может быть подключен к документирующему блоку или к дисплею с печатающим устройством, что позволяет обеспечить индикацию и запись мгновенного значения, диаметра, среднего диаметра, длины и идентификационного номера ствола 1.

Блок обработки 20 может быть рассчитан также на выдачу извещений о таких помехах, как загрязнение электронно-оптического измерительного устройства, превышение измеряемого диапазона, выход из строя цепного транспортера 2, 2' на центральную ЭВМ.

С помощью устойчивого измерительного портала 10, с которым жестко соединены приемные балки 5, 5' блоки 8, 8' лазерных диодов и световой барьер 9, 9', обеспечивается крепкая и надежная конструкция для измерения диаметра и/или объема ствола 1 дерева. Точность измерения определяется, в основном, числом фототранзисторов 6, 6' в приемных балках 5, 5'. В описанном варианте выполнения каждая приемная балка 5, 5' содержит 512 фототранзисторов 6, 6', однако сместив их в шахматном порядке, можно беспрепятственно удвоить их число.

Использование: устройства для измерения размера периодически перемещающегося объекта. Сущность изобретения: объект 1 с помощью электронно-оптического измерительного прибора, который содержит излучающие 8, 8' и приемные 6, 6' элементы, расположенные не менее чем в одной измерительной плоскости 7, перпендикулярной к продольной оси объекта 1, а также блок обработки 20, причем измерительная плоскость 7 измерительного портала 10 ограничена не менее чем двумя измерительными балками 4, 4', расположенными под заданным углом. На боковых поверхностях измерительных балок 4, 4', обращенных к измерительной плоскости 7, установлен не менее чем один ряд приемных элементов 6, 6'. Каждому из этих рядов приемных элементов 6, 6' соответствует один периодически включаемый излучающий элемент 8, 8' для создания веерного светового луча, направленного на приемные элементы 6, 6' и расположенный на заданном расстоянии А от измерительной балки 4, 4' в измерительной плоскости 7. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для измерения размера периодически перемещающегося объекта, содержащее оптоэлектронный измерительный прибор, включающий в себя передающие элементы и приемные ряды элементов, расположенные не менее, чем в одной измерительной плоскости, на заданном расстоянии между поверхностью установки приемных и передающих элементов, каждому ряду приемных элементов соответствует передающий элемент, и блок обработки сигналов со схемой счета приемных элементов, затененных измеряемым объектом, отличающееся тем, что измерительная плоскость ограничена не менее, чем двумя измерительными балками измерительного портала, а не менее, чем один ряд приемных элементов установлен на соответствующих обращенных к измерительной плоскости поверхностях измерительных балок, передающие элементы выполнены в виде источников веерного светового луча, предназначены для периодического включения и оптически связаны с соответствующими рядами приемных элементов, а каждый ряд приемных элементов расположен по дуге относительно соответствующего передающего элемента в качестве центра. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что передающие элементы выполнены в виде блоков, содержащих оптически связанные настраиваемый электронной задающей схемой лазерный диод, трехлинзовый коллиматор и штриховую оптику. 3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что приемные элементы выполнены в виде фототранзисторов и размещены в закрепленных на измерительных балках водонепроницаемых приемных балках с продольной прорезью, закрытых стеклом в области веерного светового луча. 4. Устройство по любому из пп.1 3, отличающееся тем, что ряд приемных элементов разделен на одинаковые отрезки, причем приемные элементы каждого отрезка размещены на введенных идентичных печатных платах. 5. Устройство по любому из пп.1 4, отличающееся тем, что каждый излучающий элемент размещен в водонепроницаемом корпусе в закрытой стеклом прорези, выполненной в направлении соответствующей балки, а корпус смонтирован между двумя жестко соединенными со стойками измерительного портала прямоугольными пластинами, выступающими за края корпуса.