УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОТНОСТИ Российский патент 2002 года по МПК G01N9/24 G01N23/06 

Изобретение касается способа и устройства для измерения плотности и для различения областей разной плотности в подлежащем измерению объекте из твердого, жидкого или газообразного материала, где упомянутое устройство содержит источник излучения, испускающий электромагнитное излучение, датчик для измерения интенсивности излучения после прохождения через подлежащий измерению объект и блок вычисления.

Предшествующий уровень техники
Во многих случаях бывает интересно иметь возможность измерять плотность материалов без их повреждения или замены и возможность определять наличие и количества материалов, имеющих различные плотности. Например, в лесной промышленности возможность различения разных качеств становится все более и более важной. Уже на стадии вырубки важно знать плотность бревен, с одной стороны, чтобы можно было непосредственно обнаруживать и браковать части, которые сгнили или повреждены иначе, и, следовательно, не имеют ценности, и, с другой стороны, можно было вычислять цену древесины (которая по меньшей мере в Швеции в настоящее время устанавливается на основании плотности, а не объема). Также представляет интерес измерение плотности для лесопильных заводов. Улучшенное знание бревен делает сортировку бревен более легкой, позволяя отбраковывать поврежденные бревна или бревна, демонстрирующие слишком много сучков или являющиеся смолистыми.

Кроме того, могут иметь большое значение измерения этого типа в других отраслях. Например, они делают легким определение качества нефти, с целью оценки количества воды, металлических примесей и других содержащихся там компонентов, что является важным для обеспечения возможности замен моторного масла, выполняемых с достаточно частыми интервалами, и предотвращения износа и поломки. Кроме того, этот способ можно использовать при обращении с отходами, подлежащими сортированию согласно типу, для определения качества элементов сооружений и так далее.

Для измерения плотности, как известно, в течение длительного времени позволяли электромагнитному излучению проникать через подлежащий измерению объект, и после этого измеряли интенсивность и вычисляли величину первоначальной интенсивности, которая была поглощена. Примеры таких способов и устройств можно найти в патентах Швеции SE 466365, Германии DE 2846702, США US 3136892 и US 5105453. В этих примерах без исключения используют излучение только одной длины волны и, следовательно, получают только одно показание интенсивности излучения вдоль каждого пути прохождения лучей через подлежащий измерению объект. Это показание можно использовать для определения средней плотности подлежащего измерению объекта и ее изменений вдоль объекта, но не для того, чтобы различать наличие и количество разных типов материалов по каждому измерению. В соответствии с данными примерами, такая информация может быть получена только на основании большого количества прохождений лучей, которые отклоняются от различных точек (томография).

Предмет изобретения
В основу настоящего изобретения положена задача создания устройства и способа измерения плотности, позволяющие определять наличие и количество разных типов материалов удобным и простым способом. Эта задача достигается посредством устройства и способа, определяемых в прилагаемой формуле изобретения.

Краткое описание чертежей
Фиг. 1 представляет схематический вид подвижного варианта, обладающего признаками изобретения объекта для измерения плотности и определения наличия и количества областей различных плотностей в бревнах.

Фиг.2 представляет схематический вид стационарного варианта, обладающего признаками изобретения объекта для соответствующего измерения плотности.

Варианты наилучшего осуществления изобретения
Далее объясняются два предпочтительных в настоящее время варианта осуществления изобретения с целью примера и относительно прилагаемых чертежей.

Фиг. 1 иллюстрирует соответствующее изобретению подвижное устройство для измерения плотности бревен. Устройство включает в себя два плеча 1, 2, которые подвижно подсоединены способом, обеспечивающим возможность осуществления считываний относительно расстояния между двумя заранее определенными точками, по одной на каждом плече. Плечи, например, можно соединять способом, показанным на фиг.1, согласно которому плечи 1, 2 прикреплены к основной части 3 способом сошниковых (shank) плеч, так что одно 2 из сошниковых плеч жестко соединено с основной частью, в то время как противоположное плечо 1 подвижно присоединено к основной части 3 через соединительную часть 4. В этом способе образована лесная мерная вилка, с помощью которой можно считывать положение соединительной части 4 относительно главной части 3 для установления расстояния между плечами 1, 2. Считывание можно выполнять вручную, но предпочтительно это следует делать автоматически, после чего результат по электрическим проводам посылается в измерительное устройство сопряжения 7, а оттуда дальше в блок 8 вычислений. Однако лесная мерная вилка может иметь другую конфигурацию. Например, плечи могут поворачиваться относительно друг друга, после чего угол, который плечи образуют между собой, можно преобразовывать для установления расстояния между двумя точками, по одной на каждом плече 1, 2.

Одно из плеч 1, 2 поддерживает источник 5 излучения на своем конце, который не соединен с главной частью 3. Источник излучения предназначен для испускания электромагнитного излучения, предпочтительно в диапазоне рентгеновских волн, и имеет по меньшей мере две различные длины волны. Излучение может осуществляться последовательно, то есть источник 5 излучения первоначально испускает лучи, имеющие одну длину волны, а затем, изменяя напряжение на излучающей трубке, другую длину волны. В качестве альтернативы, источник 5 излучения может состоять из двух или нескольких отдельных помещенных рядом излучающих трубок, которые излучают либо одновременно, либо последовательно. Однако важно, что излучение с различными длинами волн пересекает подлежащий измерению объект по существу по одному и тому же пути. Другое плечо 2 поддерживает датчик 6 для измерения интенсивности излучения, испускаемого источником излучения. Датчик 6 может состоять из нескольких независимых отдельных датчиков. Если излучение двух (или больше) длин волн испускается одновременно от источника 5 излучения, то интенсивность двух сигналов в этом случае должна измеряться индивидуально. Это можно выполнять непосредственно путем осуществления такого состояния, что некоторые отдельные датчики с помощью фильтрации измеряют только излучение, имеющее определенный энергетический уровень, в то время как другие измеряют другие энергетические уровни. Это также можно выполнять с помощью последующей обработки сигналов, позволяющей разделять совмещенные сигналы. Результаты измерения передаются дальше в измерительное устройство сопряжения 7 и оттуда в блок 8 вычисления. Соответствующее фиг. 1 измерительное устройство сопряжения 7 содержит источник напряжения для источника 5 излучения. В способе, который будет описан более подробно дальше, блок 8 вычислений может затем вычислять наличие и количество различных типов материалов.

При использовании, лесные мерные вилки сжимают на подлежащем измерению объекте 9, после чего считывают диаметр объекта, и полученные таким образом данные измерения передаются в блок 8 вычислений. Затем активизируется источник 5 излучения, энергия излучения проникает через подлежащий измерению объект 9 и достигает датчика 6. Датчик регистрирует интенсивность падающего излучения, и полученные данные также передаются в блок 8 вычислений, который вычисляет и представляет конечные результаты.

Преимущество, которое имеет этот вариант осуществления устройства, заключается в том, что его можно подсоединить, например, к регистрирующему механизму очень простым способом, позволяющим водителю определять непосредственно, в кабине водителя, качество рассматриваемого ствола дерева. Таким образом, он может устанавливать, имеет ли ствол внутреннее гниение или иное разрушение, и степень плотности материала дерева, и он также способен получать другую представляющую интерес информацию, уже на стадии регистрирования. Кроме того, выгодно использовать рентгеновское излучение, энергия которого достаточно низка для минимизирования риска, что обслуживающий персонал подвергнется облучению, однако достаточно высока, чтобы проникнуть через подлежащий измерению объект 9.

На фиг.2 показан другой, стационарный вариант осуществления изобретения. В стационарном устройстве источник 12 излучения и датчик 13 установлены на раме 11. Рама 11 предпочтительно простирается вокруг подлежащего измерению объекта 18. Раму 11 можно конфигурировать в виде защитного экрана вокруг источника излучения 12 для снижения радиационной опасности для находящегося поблизости персонала, и предпочтительно он может состоять из поглощающего излучение материала, типа свинца. Источник излучения 12 и датчик 13 можно конфигурировать способом, эквивалентным показанному на фиг.1 варианту осуществления изобретения. В качестве альтернативы, датчик 13 может имеет большее протяжение, обеспечивающее прием излучения от большего количества путей прохождения лучей. Таким образом, весь подлежащий измерению объект 18 можно облучать и измерять непосредственно, вместо измерения, выполняемого вдоль только одного пути прохождения излучения через подлежащий измерению объект. Данные измерения от датчика 13 передаются в измерительное устройство 17 сопряжения и блок 16 вычисления, а блок питания и генератор, относящиеся к источнику излучения, обозначенные на фиг.2 ссылочной позицией 17.

Для использования, например, в целлюлозной и лесопильной промышленности подлежащие измерению объекты соответственно перемещают мимо измерительного оборудования на ленте транспортера или чем-либо подобном.

Факультативно, источник излучения 12 также можно разделить на несколько разнесенных друг от друга излучающих трубок, включающих в себя связанные с ними датчики 13, которые активизируются синхронно с движением подлежащего измерению объекта 18, посредством чего путь прохождения лучей через подлежащий измерению объект 18 по существу все еще тот же самый.

Для определения протяженности подлежащего измерению объекта 18 и, таким образом, длины пути прохождения лучей через подлежащий измерению объект, в соответствии с показанным вариантом осуществления изобретения используются лазеры 14, 15. Лазеры испускают лазерные импульсы напротив подлежащего измерению объекта 18 с обеих сторон в области, предназначенной для прохождения энергии излучения. Измеряя время, требуемое для отражения лазерных импульсов от подлежащего измерению объекта 18, можно вычислить расстояние и, таким образом, протяженность измеряемого объекта. Однако, очевидно, возможны альтернативные способы измерения протяженности подлежащего измерению объекта 18, типа механического измерения, измерения с помощью излучения, используя параллельные лучи, которые не проникают сквозь подлежащий измерению объект, типа обычного света, светочувствительных датчиков и так далее.

Далее будут описаны различные способы измерения при помощи соответствующих изобретению устройств. Как уже упоминалось, выполняют по меньшей мере три измерения, то есть измеряют длину пути прохождения излучения через объект, как и интенсивность излучения, испускаемого по меньшей мере на двух различных длинах волн, после проникновения энергии излучения через подлежащий измерению объект. Энергия излучения до некоторой степени поглощается в объекте, из-за чего интенсивность снижается. Величина снижения зависит, с одной стороны, от длины пути прохождения через объект и, с другой стороны, от характера материала объекта. Показатель зависимости от материала основан на том, что характеристики коэффициента затухания отличаются для различных материалов. Кроме того, коэффициент затухания каждого отдельного материала зависит от длины волны излучения, и эта зависимость в различных материалах разная. Следовательно, можно установить следующие соотношения относительно интенсивности излучения, измеряемой после прохождения через подлежащий измерению объект
N₁ = N_0,1exp(-μ_1,1t₁-μ_2,1t₂-μ_3,1t₃),
N₂ = N_0,2exp(-μ_1,2t₁-μ_2,2t₂-μ_3,2t₃),
где n₁ - измеряемая интенсивность излучения после прохождения через подлежащий измерению объект относительно уровня 1 длины волны, n_0,1 - измеряемая интенсивность излучения относительно уровня 1 длины волны без прохождения через объект, μ_x,1 представляет массовый коэффициент затухания (коэффициенты затухания, разделенные на плотность материала) относительно каждого материала х и уровня длины волны (см²/г), и t_x - толщина материала х, измеряемая в виде массы на единицу площади (г/см²), где вышеприведенный индекс 1 в этом случае изменяется от 1 до 2, а индекс х от 1 до 3.

Поскольку длина пути прохождения излучения через подлежащий измерению объект известна, также можно установить следующее уравнение:

где Т - общая толщина (см), а р₁ - плотность материала 1,1 в данном случае изменяется от 1 до 3. При помощи этих трех уравнений, и поскольку плотности и коэффициенты затухания включенных материалов известны, становится возможным определить наличие и количества этих материалов. В соответствии с этим примером, включающим в себя измерение на двух длинах волн, что приводит к трем уравнениям, становится возможным определять до трех неизвестных переменных. Следовательно, способ подходит для анализа подлежащих измерению тел, включающего до трех различных материалов. Для определения более сложных систем, измерения можно проводить на большем количестве уровней длин волны и, вообще говоря, можно определить, в случае N измерений на различных длинах волн, N+1 неизвестную переменную.

Очевидно, вместо этого можно использовать данные измерений для оценки плотности подлежащего измерению объекта или изменений в объекте. В этом случае используют коэффициент затухания включенных материалов (вместо массового коэффициента затухания), позволяющий вместо этого измерять толщины на основе единиц длины. Таким образом, предварительное знание плотностей включенных материалов не является необходимым.

Конечно, возможны некоторые изменения описанных выше вариантов осуществления изобретения. Например, соответствующие изобретению устройство и способ можно частично видоизменять различными способами, как уже упомянуто выше, и, кроме того, устройство можно приспосабливать для измерения жидкостей, других типов твердых материалов или газов. Такие изменения изобретения должны считаться входящими в объем притязаний изобретения, определяемый в прилагаемой формуле изобретения.

Использование: для измерения плотности или определения наличия и количества материалов различной плотности в подлежащем измерению объекте. Устройство содержит по меньшей мере один источник излучения для испускания электромагнитного излучения и по меньшей мере один датчик для измерения интенсивности излучения, расположенный так, чтобы поглощать излучение от источника излучения, и подсоединенный к блоку вычисления. Устройство испускает излучение по меньшей мере на двух длинах волн и содержит средство измерения для определения протяженности объекта между источником излучения и датчиком. Способ измерения плотности включает распространение электромагнитных лучей через подлежащий измерению объект и измерение интенсивности излучения на стороне выхода лучей из подлежащего измерению объекта. Протяженность объекта измеряется вдоль пути прохождения излучения через подлежащий измерению объект, и излучение производится по меньшей мере на двух различных длинах волн. Технический результат - усовершенствование метода и способа измерения плотности. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для измерения плотности или определения наличия и количеств материалов различной плотности в подлежащем измерению объекте (9,18), и этот объект состоит по меньшей мере в основном из твердого материала и имеет переменную толщину, причем упомянутое устройство содержит по меньшей мере один источник излучения (5,12) для испускания электромагнитного излучения и по меньшей мере один датчик (6,13) для измерения интенсивности излучения после прохождения через подлежащий измерению объект (9,18) и подсоединено к блоку (8,16) вычисления, отличающееся тем, что излучение испускается по меньшей мере на двух длинах волн, и тем, что устройство содержит средство измерения для определения протяженности объекта (9,18) между источником излучения (5,12) и датчиком (6,13), и тем, что блок (8,16) вычисления предназначен для вычисления наличия и количества до N+1 различных типов материалов на основе данных измерения, получаемых от датчика (6,13), относительно ряда различных длин волн N излучения, толщины объекта (9,18) и знания коэффициентов затухания типов включаемых материалов. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно является передвижным, и тем, что средство измерения содержит два взаимосвязанных плеча (1,2), укрепленных для относительного перемещения и поддержания датчика (6) и источника излучения (5) соответственно, где упомянутый датчик и упомянутый источник излучения связаны между собой, и тем, что упомянутые плечи (1,2) расположены благодаря их взаимным положениям, для обеспечения информации относительно протяженности подлежащего измерению объекта (9), когда плечи (1,2) приведены в положение наибольшей возможной близости друг к другу с обеих сторон подлежащего измерению объекта (9). 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно является стационарным, и тем, что средство измерения содержит лазеры (14,15), расположенные, по существу, против друг друга рядом с источником излучения (12) и датчиком (13) соответственно, причем лучи света, испускаемые лазером и отражаемые от подлежащего измерению объекта (18), используются для вычисления толщины объекта (18). 4. Устройство по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что электромагнитное излучение находится в диапазоне рентгеновского излучения. 5. Способ измерения плотности, содержащий излучение электромагнитных лучей через подлежащий измерению объект (9, 18) и измерение интенсивности излучения, на стороне выхода лучей из подлежащего измерению объекта (9,18), отличающийся измерением протяженности объекта (9,18) вдоль пути прохождения излучения через объект, осуществлением излучения по меньшей мере на двух различных длинах волн и вычислением наличия и количества по меньшей мере до трех N+1 различных типов материалов на основе данных измерения излучения на N различных длинах волн, протяженности подлежащего измерению объекта (9,18) и известных коэффициентов затухания типов материала, включенного в подлежащий измерению объект.