ID 5402
Holzer, Robert: Längenmesskopf für den Einsatz am Harvester / Prozessor / Robert Holzer -
Hamburg: Diplomica GmbH, 2002
Zugl.: Linz, Universität, Diplomarbeit, 2001
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Diplomica GmbH
http://www.diplom.de, Hamburg 2002
Printed in Germany
Danksagung
3
Danksagung:
Diese vorliegende Arbeit unterscheidet sich in manchen Punkten von einer Vielzahl anderer
Diplomarbeiten:
Zum Einen ist es die erste Arbeit, die im Rahmen des neugegründeten
Kompetenzzentrums Mechatronik erstellt wurde.
Zum Anderen ist es nicht eine reine wissenschaftliche Erörterung eines klar gestellten
Einzelproblems, sondern wurde im Lauf der Zeit vielmehr zu einer durchaus detektivischen
Arbeit. Zu einem Forschen quer durch alle Bereiche der Technik, zur Suche nach einer Fülle
von Informationen zu vielen gänzlich verschiedenen Lösungsansätzen für eine zentrale
Fragestellung.
Gerade aus diesen beiden Gründen gilt mein Dank vielen Menschen, ohne die ein solches
Projekt organisatorisch und fachlich nicht in der gebotenen Kürze durchführbar gewesen
wäre.
Ich möchte mir erlauben, hier die Namen derer, die mir durch ihre bereitwillige Unterstützung
und fachspezifische Auskunft stark weitergeholfen haben, zu erwähnen:
Mag. Josef Aistleitner
Dr. Peter Burgholzer
Univ.-Doz. Dr. Christian Diskus
DI Johann Gruber
Bernhard Hauck
Dr. Patric Heide
Ing. Peter Heis
DI Johann Hoffelner
Ing. Walter Hüttner
Robert Jacob
Dr. Alexander von Jena
DI Mario Jungwirth
DI Erich Kolmhofer
Univ.-Doz. Dr. Andreas Kugi
DI Gerhard Kurka
DI Franz Lindinger
DI Wolfgang Märzinger
DI Johann Messner
Prof. Dr. Leonhard Reindl
Michael Schlee
Ing. Günther Schmied
Elisabeth Seiche
Ralf Steinheuer
Dr. Andreas Stelzer
Peter Taj
DI Peter Wimmer
DI Helmut Wurm
Weiters gilt mein Dank im Speziellen meiner Familie und meiner Freundin Petra, die mit mir
(bzw. eben ohne mich) eine Zeit ungewöhnlich intensiver Arbeit kennenlernen mussten, und
die mich auf dem Weg in die Berufstätigkeit begleiteten.
Robert Holzer, im Juli 2001
Abstract
4
Abstract:
In modern forestry trees are cut and pre-processed by harvesters or processors. These
machines remove the branches and cut the logs exactly to the lengths the sawmills have
ordered. The conventional length measuring system utilises a toothed wheel, the rotation of
which is read out by an optical incremental encoder. As this system has various drawbacks
and shortcomings a more accurate and reliable measuring system, possibly able to be gauged,
is required.
This problem has been investigated in a project consisting of two workpackages. In the first of
those a wide variety of ideas and measurement-principles was analysed, trying to determine
which approach is most likely to result in an operating prototype. The final report of this first
workpackage is what you have in hands.
The measurement-methods primarily dealt with are the following: optical measurement -
image analysis, laser-based measurement systems, microwave Doppler-radar and ultrasonic
Doppler-sensors.
In section 3 of this paper you will find the pros and cons of each principle compared to each
other and a recommendation which concept is most promising.
In general, one will see that the real difficulty does not lie in the measurement itself but in the
harsh environment. A prototype operating in the laboratory can possibly be built for each of
the methods. A cost effective sensor operating in everyday forestry for long term use will
most promisingly be developed using a microwave Doppler-based system.
Kurzfassung:
In der modernen Forstwirtschaft wird die Schlägerung und Aufarbeitung von Holz mit Hilfe
von Harvestern oder Prozessoren durchgeführt. Es sind dies Baumerntemaschinen, welche die
Bäume fällen, entasten und zuschneiden. Das Rohholz soll dabei möglichst genau nach
Bestellung des Sägewerkes abgelängt werden. In derzeit eingesetzten Systemen wird die
Länge des Stammes über die Umdrehungen eines Zahnrades gemessen, welches während des
Vorschubs an die Stammoberfläche gepresst wird. Da dieses System verschiedene Nachteile
und Mängel aufweist, besteht der Bedarf an einem bezüglich Genauigkeit und Zuverlässigkeit
verbesserten System, welches berührungslos misst und womöglich eichfähig ist.
Dieses Problem wurde in einem zweigeteilten Projekt bearbeitet, in dessen erstem Teil eine
Analyse der denkbaren Messvarianten durchgeführt wurde. Der Abschlussbericht dieses Teils
ist die vorliegende Arbeit.
Die primär behandelten Messprinzipien sind folgende: optische Verfahren - Bildauswertung,
lasergestützte Messsysteme, Mikrowellen-Dopplerradar und Ultraschall-Dopplerverfahren.
In Abschnitt 3 der vorliegenden Arbeit wird versucht, die Vor- und Nachteile der behandelten
Verfahren gegeneinander abzuwägen und eine Empfehlung für das mit den besten
Erfolgsaussichten weiterzuverfolgende Konzept abzugeben.
Generell lässt sich feststellen, dass die rauen Umgebungsbedingungen das größte Problem bei
der Entwicklung eines derartigen Messgerätes sind. Der Bau eines Sensorprototyps für den
Laborbetrieb wäre mit jedem Messprinzip denkbar. Als die erfolgversprechendste Variante
für die Realisierung eines kostengünstigen Sensors im forstwirtschaftlichen Dauereinsatz hat
sich die Verwendung eines Mikrowellen-Dopplerradars herausgestellt.
Inhalt
5
Inhaltsverzeichnis:
1. AUFGABENSTELLUNG UND RAHMENBEDINGUNGEN ________________ 6
1.1. Aufgabenstellung _________________________________________________________________ 6
1.2. Pflichtenheft _____________________________________________________________________ 8
1.3. Diskussion
der
Anforderungen aus praktischer Sicht____________________________________ 9
1.3.1.
Prinzipielle Kriterien und Gesichtspunkte zu Vermessungssystemen am Harvester __________ 9
1.3.1.1. Zur
Messgenauigkeit ________________________________________________________ 9
1.3.1.2. Zur
Eichbarkeit____________________________________________________________ 10
1.3.2.
Projekte zur Rohholzvermessung ________________________________________________ 10
1.3.2.1. SkogForsk________________________________________________________________ 10
1.3.2.2. Liro _____________________________________________________________________ 11
1.3.3.
Rohholz-Identifizierung und -Verfolgung mittels Chips_______________________________ 11
1.3.4.
Quellen für weitere Informationen _______________________________________________ 12
1.4. Eichfähigkeit ____________________________________________________________________ 14
1.4.1. Eichvorschriften _____________________________________________________________ 14
1.4.2.
Anforderungen an automatisierte Rohholzvermessung________________________________ 14
1.4.3.
Kontakte für weitere Informationen ______________________________________________ 15
1.5. Erschütterungsmessungen _________________________________________________________ 16
1.5.1. Maximalwerte
der
gemessenen Beschleunigungen___________________________________ 16
1.5.2. Analyse
auftretender Schwingungen______________________________________________ 17
1.5.3. Schlussfolgerungen ___________________________________________________________ 19
1.6. Organisatorische
Rahmenbedingungen ______________________________________________ 20
2. DENKBARE
MESSPRINZIPIEN ___________________________________ 21
2.1. Vorüberlegungen ________________________________________________________________ 21
2.2. Zusatzideen _____________________________________________________________________ 22
2.3. Nicht
berührungslose Messverfahren ________________________________________________ 23
2.3.1. Bestehendes
Messrad optimieren ________________________________________________ 23
2.3.2. Maßband-Prinzip_____________________________________________________________ 23
2.4.
Nutzung von Markierungen in konstanten Intervallen__________________________________ 25
2.4.1.
t-konstant aufbringen - x messen ______________________________________________ 25
2.4.1.1. Idee_____________________________________________________________________ 25
2.4.1.2. Bewertung _______________________________________________________________ 25
2.4.2.
x-konstant aufbringen ________________________________________________________ 25
2.4.2.1.
Triggerung der Applikation durch die Detektion __________________________________ 25
2.4.2.2. Verwendung
eines Rollstempels ______________________________________________ 26
2.4.3.
Anwendung in optischen Systemen ______________________________________________ 27
2.4.3.1. Prinzip __________________________________________________________________ 27
2.4.3.2. Beurteilung _______________________________________________________________ 27
2.4.4.
Anwendung in thermooptischen Systemen _________________________________________ 28
2.4.4.1.
Aufbringung thermischer Marken _____________________________________________ 28
2.4.4.2.
Detektion thermischer Marken ________________________________________________ 30
2.4.4.3.
Versuche am Institut für angewandte Physik _____________________________________ 32
2.4.4.4. Zusammenfassende Beurteilung_______________________________________________ 33
2.4.4.5. Weitere
Informationsquellen _________________________________________________ 34
Inhalt
6
2.5. Optische
Messverfahren am Harvesterkopf___________________________________________ 35
2.5.1.
Vorüberlegungen für optische Verfahren __________________________________________ 35
2.5.2. Optisches
Korrelationsverfahren_________________________________________________ 36
2.5.2.1. Systembeschreibung________________________________________________________ 36
2.5.2.2. Praktische
Versuche ________________________________________________________ 37
2.5.2.3. Ausblick _________________________________________________________________ 39
2.5.2.4.
Genauigkeitsanalyse für optische korrelative Geschwindigkeitsmessung _______________ 40
2.5.2.5.
Überlegungen zur Garantierbarkeit des optimalen inter-frame-Versatzes _______________ 42
2.5.2.6. Zusammenfassende Beurteilung_______________________________________________ 43
2.5.3.
Microsoft - optical mouse ______________________________________________________ 43
2.5.3.1. Systembeschreibung________________________________________________________ 43
2.5.3.2. Versuche_________________________________________________________________ 44
2.5.3.3. Beurteilung _______________________________________________________________ 44
2.5.4. Pattern-matching _____________________________________________________________ 44
2.5.4.1. Idee_____________________________________________________________________ 44
2.5.4.2. Versuche
Expertenmeinung_________________________________________________ 45
2.5.4.3. Beurteilung _______________________________________________________________ 46
2.5.4.4. Kontakte
und
Informationsquellen _____________________________________________ 47
2.5.5. MPEG _____________________________________________________________________ 47
2.5.5.1. Prinzip __________________________________________________________________ 47
2.5.5.2. Expertenmeinung __________________________________________________________ 48
2.5.5.3. Beurteilung _______________________________________________________________ 48
2.5.5.4. Kontakte
und
Informationsquellen _____________________________________________ 49
2.5.6. Direkte
Musterauswertung _____________________________________________________ 50
2.5.7.
Hilfestellungen für optische Systeme _____________________________________________ 50
2.6.
Optische Verfahren aus Distanz Photogrammetrie ___________________________________ 52
2.6.1.
Begriff und Grundidee ________________________________________________________ 52
2.6.2. Ideen
und
Varianten __________________________________________________________ 52
2.6.2.1. Grundsätzliche
Bedingungen _________________________________________________ 52
2.6.2.2.
Laserprojektion längs der Baumachse __________________________________________ 53
2.6.2.3.
Variante des gesamten Konzepts ______________________________________________ 54
2.6.3. Expertenmeinung ____________________________________________________________ 55
2.6.4.
Versuche zur Photogrammetrie __________________________________________________ 55
2.6.5.
Genauigkeitsanalyse für photogrammetrische Messverfahren __________________________ 57
2.6.6. Zusammenfassende
Beurteilung _________________________________________________ 58
2.6.7. Kontakte
und
Informationsquellen _______________________________________________ 59
2.7. Lasergestützte Messverfahren ______________________________________________________ 60
2.7.1. Laser-Geschwindigkeitsmessung ________________________________________________ 60
2.7.1.1. Messprinzip ______________________________________________________________ 60
2.7.1.2.
Fa. Polytec GmbH _________________________________________________________ 61
2.7.1.3. Fa.
TSI
GmbH ____________________________________________________________ 62
2.7.1.4. Beurteilung: ______________________________________________________________ 62
2.7.2. Laser-Distanzmessung ________________________________________________________ 63
2.7.2.1. Laser-Distanzmessung zu Reflektor____________________________________________ 63
2.7.2.2. Laser-Distanzmessung zum Baumende _________________________________________ 63
2.7.2.3. Genauigkeitsanalyse
für
Distanzmessung zum Baumende___________________________ 63
2.7.2.4. Kommerziell
erhältliche Systeme______________________________________________ 65
2.7.2.5. Versuche_________________________________________________________________ 66
2.7.2.6. Zusammenfassende Beurteilung_______________________________________________ 68
2.7.2.7. Kontakt __________________________________________________________________ 69
2.8. Mikrowellenbasierte Messverfahren_________________________________________________ 70
2.8.1.
Theorie zum Doppler-Effekt und dessen Messung ___________________________________ 70
2.8.1.1. Grundlagen
und
Vorüberlegungen _____________________________________________ 70
2.8.1.2. FFT
Analyse______________________________________________________________ 71
2.8.1.3.
Wavelets Wavelet Transformation ___________________________________________ 73
2.8.1.4.
Wavelets Toolsets für LabVIEWTM und M
ATLAB
®
_______________________________ 78
2.8.1.5.
JTFA Joint Time-Frequency Analysis in LabVIEWTM ____________________________ 80
2.8.1.6. Modellbasierte Ansätze zur JTFA _____________________________________________ 85
Inhalt
7
2.8.1.7.
Auto Power Spektrum und Autokorrelation ______________________________________ 86
2.8.2. Mikrowellen-Doppler-Radar____________________________________________________ 87
2.8.2.1. Geometrische Situation _____________________________________________________ 87
2.8.2.2. Verwendete
Komponenten ___________________________________________________ 87
2.8.2.3. Erste
Messungen und FFT-Auswertungen _______________________________________ 88
2.8.2.4. JTFA-Auswertungen _______________________________________________________ 90
2.8.2.5.
Weitere Ideen zur Auswertung des Radar-Signals _________________________________ 96
2.8.2.6. Genauigkeitsanalyse
für Mikrowellen-Dopplerradar _______________________________ 97
2.8.2.7. Kommerziell
erhältliche Sensoren ____________________________________________ 100
2.8.2.8. Beurteilung ______________________________________________________________ 101
2.8.2.9. Kontakte,
Informationsquellen _______________________________________________ 101
2.8.3. Mikrowellen-Distanzradar ____________________________________________________ 103
2.9. Ultraschallbasierte Messverfahren _________________________________________________ 104
2.9.1. Ultraschall-Doppler__________________________________________________________ 104
2.9.1.1. Expertenmeinung _________________________________________________________ 104
2.9.1.2. Versuch_________________________________________________________________ 105
2.9.1.3. Beurteilung ______________________________________________________________ 107
2.9.1.4. Kommerziell
erhältliche Systeme_____________________________________________ 108
2.9.2. Ultraschall
-
Sagnac-Effekt ____________________________________________________ 108
2.9.3. Ultraschall-Distanzmessung ___________________________________________________ 108
2.9.4. Materiewellen
im
Baum ______________________________________________________ 109
2.9.5. Weiterführende
Literatur______________________________________________________ 109
2.10. Verwendung
von ID-Tags ________________________________________________________ 110
2.10.1. Vorüberlegungen____________________________________________________________ 110
2.10.2. Expertenmeinung ___________________________________________________________ 110
2.10.3. Kommerziell
erhältliche System ________________________________________________ 112
2.10.4. Beurteilung ________________________________________________________________ 112
2.10.5. Kontakte
und
Informationsquellen ______________________________________________ 112
2.11. Peilsender-Prinzip_______________________________________________________________ 114
2.11.1. Pulsfolgen-Sender ___________________________________________________________ 114
2.11.1.1. Distanzmessung ________________________________________________________ 114
2.11.1.2. Geschwindigkeitsmessung________________________________________________ 114
2.11.2. Dopplersignal-Sender ________________________________________________________ 115
2.11.3. Zusammenfassende
Beurteilung ________________________________________________ 115
2.12. Weitere
Lösungsansätze __________________________________________________________ 116
2.12.1. Kernspintomographie ________________________________________________________ 116
2.12.1.1.
Das Prinzip der Kernspintomographie_______________________________________ 116
2.12.1.2.
Die grundsätzliche Anwendbarkeit der Kernspintomographie ____________________ 116
2.12.1.3.
Ausschlussgründe gegen die Kernspintomographie ____________________________ 117
2.12.2. Röntgenaufnahmen __________________________________________________________ 117
2.12.3. Integrating Accelerometer_____________________________________________________ 118
2.12.3.1. Das
grundsätzliche System _______________________________________________ 118
2.12.3.2. Die
Probleme
bei
der praktischen Anwendung ________________________________ 118
2.12.3.3. Kommerziell
erhältliche Systeme __________________________________________ 118
2.12.4.
Eindimensionale optische Erfassung der Baumachse ________________________________ 118
2.12.5. Elektrotechnik ______________________________________________________________ 119
2.12.6. Elektrostatik _______________________________________________________________ 119
2.12.7. Elektrodynamik _____________________________________________________________ 119
2.12.8. Induktion __________________________________________________________________ 119
2.12.9. Kaloriemetrie_______________________________________________________________ 119
Inhalt
8
3. BEWERTUNG,
LÖSUNGSAUSWAHL UND AUSBLICK _______________ 120
3.1. Bewertungsmethode _____________________________________________________________ 120
3.2. Bewertete
Lösungsansätze ________________________________________________________ 123
3.3. Bewertungsraster _______________________________________________________________ 124
3.4. Lösungsauswahl Empfehlung ____________________________________________________ 129
3.5. Ausblick _______________________________________________________________________ 130
3.5.1. Kontaktadressen ____________________________________________________________ 130
4. ANHANG ____________________________________________________ 131
4.1. Weiterführende
Literatur und Kontaktadressen______________________________________ 131
4.2.
Bilder zur Photogrammetrie-Auswertung ___________________________________________ 133
4.3. Internet
Suchergebnisse ________________________________________________________ 134
4.3.1. Stichwort
,,Infrarotkamera"____________________________________________________ 134
4.3.2. Stichwort
,,Diodenlaser" ______________________________________________________ 136
4.3.3. Stichworte
,,computer
vision speed measurement" __________________________________ 140
4.4. Abbildungsverzeichnis ___________________________________________________________ 144
4.5. Tabellenverzeichnis _____________________________________________________________ 145
4.6. Literaturverzeichnis _____________________________________________________________ 146
9
1. Aufgabenstellung und
Rahmenbedingungen
1.1. Aufgabenstellung
Ein Harvester ist eine motorfahrzeuggestützte Holzerntemaschine in Form eines Drehkrans
mit einer Greiferzange (Harvesterkopf), in der ein Vorschubmechanismus für den
Baumstamm (in Form von Stachelwalzen oder Stachelketten) und eine Kettensäge integriert
sind. Ein Baum wird mit der Greiferzange erfasst, möglichst bodennah geschnitten und
fallengelassen. Danach wird er durch den Harvesterkopf transportiert, wobei am Eingang des
Kopfes montierte Sichelmesser die Äste abschneiden. Sobald die gewünschte (d.h. vom
Sägewerk bestellte) Holzlänge erreicht ist wird der Vorschub gestoppt und das Holz
abgeschnitten. Eine schematische Darstellung ist in Abbildung 1 zu sehen.
Ein Prozessor ist ein grundsätzlich ähnliches Gerät, jedoch nicht für die Arbeit direkt im Forst
konzipiert, sondern zum Aufarbeiten manuell geschlägerten Holzes an der Forststraße.
Abbildung 1: Skizze des Gesamtsystems Harvester mit Längenmessung
Für diese Messung des aktuellen Vorschubweges ist im Harvesterkopf ein Sensorsystem
integriert. Derzeit wird die Baustammlänge durch ein mittels Federkraft gegen die
Holzoberfläche gedrücktes Zahnrad gemessen, dessen Drehung mittels eines optischen
Inkrementalgebers digital erfasst wird.
Dieses System hat jedoch Nachteile und Schwächen. Insbesondere sind hier die nicht
gegebene Eichfähigkeit und die Fehleranfälligkeit bei schlechten Messbedingungen zu
nennen. Vor allem kann das Messrad bei unebener Holzoberfläche zu springen beginnen,
dadurch kurzzeitig abheben und frei laufen, es kann durch nasse Rinde verkleben und danach
durchrutschen, es kann bei plötzlichem Stoppen des Vorschubs (z.B. durch Steckenbleiben an
einem dicken Ast) noch kurz weiterdrehen. Weiters ist nicht zu vergessen, dass die
Eindringtiefe des Zahnrades direkt in das Messergebnis eingeht, und diese von Baum zu
Baum verschieden sein kann.
X
X=?
Vorschub
und
Sensor
exakter
Längenmesswert für
bestellungsgerechtes
Ablängen des Holzes
1 Aufgabenstellung
10
Aus diesen Gründen war es der Wunsch der Fa. Wolf Systembau, ein berührungsloses
Messsystem zu entwickeln, das höhere Genauigkeitsanforderungen erfüllt, und womöglich
die Kriterien für eine eichamtliche Genehmigung erfüllt.
Das dem Projekt zugrundeliegende Pflichtenheft ist in Kapitel 1.2 zu finden.
1 Aufgabenstellung, Pflichtenheft
11
1.2. Pflichtenheft
PFLICHTENHEFT
LÄNGENMESSKOF FÜR EINSATZ AM HARVESTER/PROZESSOR
erstellt am 13.3.2000 durch Ing. Walter Hüttner und Dr. Christian Diskus
Gegenstand des Projekts:
Berührungslose Messung der Länge des Baumstammes am Harvester/Prozessor
optional: Eichfähigkeit, Messung des Durchmessers des Baumstammes
Kenndaten:
Messbereich:
1 m 12 m (80 90 % im Bereich 4 6 m)
Genauigkeit:
± 2,5 cm mit möglichst hoher Zuverlässigkeit
Vorschubgeschwindigkeit: maximal 5 m/s, vorwärts / rückwärts
Verdrehung:
maximal 3 °/m, 90 ° auf Gesamtlänge
Oberfläche: entasteter
Baumstamm, Schnee, Eis, Schmutz, Rinde,
entrindeter Stamm, rissige Borke (max. 2 cm tiefe Risse),
variabler Feuchtigkeitsgehalt (nass bis trocken)
Messabstand:
ca. 20 cm
±
5
cm (Eindruck der Zähne der Transport-
walze / Transportkette, Astbeulen, Krümmung des Stammes)
Messfleck:
maximal ca. 15 cm x 20 cm
Temperatur:
25°C bis + 60°C
Umweltbedingungen: starke
Erschütterungen, Verharzung, Feuchtigkeit, Schmutz
Schutzklasse:
IP65 (staubdicht, dicht gegen Strahlwasser)
Schnittstelle:
kompatibel zu bestehenden Drehgebern
Energieversorgung: 24
V
DC
Bordnetz, Hydraulik
Serviceintervall für eventuelle Reinigung des Sensors:
maximal 3mal täglich
Einbau:
wenn möglich ohne konstruktive Änderungen am Harvester
bzw. Prozessor, vorzugsweise jedoch zwischen Messer und
Förderkette
Durchführung des Projekts:
Einjahresprojekt im Rahmen des LCM (Linz Center of Competence in Mechatronics)
1 Aufgabenstellung, Diskussion der Anforderungen aus praktischer Sicht
12
1.3. Diskussion der Anforderungen aus praktischer Sicht
Im Verlauf der Arbeit an diesem Projekt ergab sich der Kontakt zum KWF in Deutschland,
dem Kuratorium für Waldarbeit und Forsttechnik. Ansprechpartner dort ist Herr Bernhard
Hauck, der sich mit mobilen Vermessungssystemen auf Kranvollerntern befasst. Dadurch hat
er gute Kontakte zu Firmen und einen Überblick über die Markt- und Forschungssituation vor
allem im Raum Deutschland aber auch bei skandinavischen Partnern.
In einem Telefonat mit ihm [25] war es möglich einige andere, zum Teil der konkreten
Zielsetzung des vorliegenden Projekts entgegengerichtete Ansichten und Meinungen zu
hören, und interessante Details über bereits durchgeführte Projekte anderer Unternehmen zu
erfahren.
Im Folgenden eine knappe Zusammenfassung der Aussagen des Gesprächs:
1.3.1. Prinzipielle
Kriterien
und Gesichtspunkte zu Vermessungs-
systemen am Harvester
Es gibt drei primäre Kriterien für Vermessungssysteme:
· die Messgenauigkeit
· die Eichbarkeit
· die Kosten
1.3.1.1. Zur
Messgenauigkeit
Bei den Längenmesssystemen ist die Genauigkeit eigentlich kein Problem.
Ein messradbasiertes System mit einem aggressiv genug verzahnten Messrad liefert
Messwerte die genau genug sind. Es muss nicht kalibriert werden, und es ist konkurrenzlos
günstig!
In allen Systemen, die vom KWF nachgemessen wurden, wurde die geforderte Genauigkeit
von 1% eingehalten und ein maximaler Messfehler von 4 cm nicht überschritten. Auch eine
Sägewerkseingangsvermessung muss keine genaueren Spezifikationen erfüllen, obwohl eine
stationäre Anlage sicher höhere Genauigkeiten liefern kann als eine mobile.
Auf diese 1% Messfehler bezogen ist auch die in [4] zitierte Aussage der schwedischen Firma
SkogForsk ,,Laut früheren Berechnungen wird der Erlös mit einem besseren Längenmess-
gerät um rund 1% des Holzwertes erhöht." zu verstehen.
Genauere Messungen sind aus verschiedenen Gründen gar nicht nötig. Es bleiben z.B. immer
manche Bäume im Wald liegen, da für einige wenige Restbäume die Frächter keinen LKW
mehr hinschicken. Volumsfehler von 4 % sind tolerierbar. In Übereinstimmung mit den in der
Holzwirtschaft üblichen Normen wird immer nach unten abgerundet und zwar bei jedem
Zwischenergebnis einzeln: sowohl bei Länge, bei Durchmesser als auch dann noch einmal
beim Volumen. Somit akkumulieren sich Fehler von bis zu 15 %.
So gesehen wären Messfehler beim Harvestermaß (im Volumen) von
± 5 % fast egal.
Trotzdem: vor allem im Bereich der Durchmesserermittlung ist eine Steigerung der
Messgenauigkeit wünschenswert. Vor allem scheint diese durch berührungsfreie Systeme
erreichbar, da bei anderen teils über - teils unter der Rinde gemessen wird. (Derzeit werden
normalerweise Winkelsensoren an den Entastungsmessern oder an den Vorschubmotoren
verwendet). Ein berührungsfreies System kann vor der Entrindung installiert werden, und
liefert dadurch immer ein Maß mit Rinde.
1 Aufgabenstellung, Diskussion der Anforderungen aus praktischer Sicht
13
Zur Kalibrierung existierender Systeme werden etwa 10 bis 20 Durchmessermessungen
verteilt über die gesamte Baumlänge eingesetzt. Das Messraster eines neuen Systems müsste
also keine feinere Ortsauflösung als etwa 2 Messung pro Meter bieten.
1.3.1.2. Zur
Eichbarkeit
Grundsätzlich sind in Deutschland derzeit etwa 1000 Harvester im Einsatz. Die Betreiber
wollen grundsätzlich gerne Holz nach Harvestermaß verkaufen, durchaus auch aus Skepsis
gegenüber der Exaktheit der Werkseingangsvermessungen. Ohne eichamtliche Anerkennung
ist dies jedoch nicht möglich. Daraus ergibt sich ein klarer und großer Wettbewerbsvorteil für
die erste Firma, die mit einem eichfähigen System auf den Mark kommt.
Gegenströmungen gibt es von Sägern, die vor kurzem Ihre Eingangsvermessungen zu
eichfähigen Systemen aufgerüstet haben, und nun nicht die Vermessung für die Verrechnung
wieder zu den Harvesterbetreibern ausgelagert sehen möchten.
Nähere Informationen zu den Anforderungen für die Eichfähigkeit eines Systems finden sich
in Kapitel 1.4.
Prinzipiell ist für die Eichbarkeit im Normalfall ein berührungsloses System von Vorteil,
wobei keine manuellen Eingriffe nötig sein sollen beziehungsweise keine Manipulation des
Ergebnisses möglich sein darf.
Bei den gängigen Systemen (vor allem bei der Durchmesserermittlung) sind von Zeit zu Zeit
händische Kalibrierungen notwendig. Um auch bei einem zu kalibrierenden System
unerlaubte Manipulationen zu verhindern wäre die Integration einer vollautomatischen
Kalibrierung (z.B. mit automatischer elektronischer Kluppe) denkbar. An solchen
Erweiterungen wird derzeit gearbeitet.
Auf alle Fälle ist jedoch bei der derzeitigen Preisentwicklung ein Zwang zur Rationalisierung
absehbar!
1.3.2. Projekte zur Rohholzvermessung
1.3.2.1. SkogForsk
Ursprünglich gab es eine Zusammenarbeit KWF SkogForsk.
Dabei wurde ein System bis zum Prototyp entwickelt. Anfangs wurde zur Längenmessung
mit Radar gearbeitet, bald jedoch wurde auf optische Verfahren umgestellt, wobei ein
optisches Korrelationsverfahren eingesetzt wurde (vergleiche Kapitel 2.5.2).
Der schwedischen SkogForsk war die Eichfähigkeit eigentlich relativ gleichgültig. Auch von
der Längenmessung nahm man bald Abstand, da diese mit dem gängigen Messrad
ausreichend genau und unschlagbar kostengünstig realisiert wird.
Die Bemühungen zielten daher von da an vor allem auf die exakte Durchmessererfassung und
auf die Qualitätsklassifizierung hin. Zur Durchmessererfassung wurde mittels optisch
erfasster Schattenprojektion von LED-Zeilen gearbeitet, zur Qualitätsklassifizierung bediente
man sich ebenfalls der Bildverarbeitung um Äste zu zählen und grobe Verletzungen des
Baumes automatisch zu erkennen.
Dieses zur Gänze optische System war mechanisch relativ problemlos. Die Schwierigkeiten
lagen (damals) vor allem in einer schnellen Software zu vernünftigem Preis.
Der Prototyp lief 480 Betriebsstunden und dabei wurde kein vibrationsbedingter Ausfall
registriert. Ein Problem war noch eher die Verschmutzung des Sensors: anfangs waren die
Kameras im Sägekasten positioniert, und mussten täglich drei mal gereinigt werden. Sie
1 Aufgabenstellung, Diskussion der Anforderungen aus praktischer Sicht
14
wurden dann in den Eingangsbereich des Harvesterkopfes verlegt, und dort reichte ein
Abwischen alle drei Tage.
Der Prototyp wäre bei Kosten von etwa 25.000,-- DM für den Sensor gelegen. Dafür sah
SkogForsk keinen Markt. Unter anderem aus diesem Grund wurden die Entwicklungsarbeiten
eingestellt.
Die Vermutung liegt jedoch nahe, dass im Hintergrund noch an der Software für ein
verbessertes System inklusive leistungsfähiger Qualitätsklassifizierung gearbeitet wird, und
SkogForsk in 1 bis 2 Jahren mit einem fertigen System auf den Markt kommen möchte.
Zu diesen Arbeiten existiert ein Forschungsbericht von SkogForsk: ,,Berührungsfreie
Durchmesserermittlung" (,,Arbetsrapport Nr. 365", 1997, in Schwedisch) beziehungsweise
dessen englische Kurzfassung [40].
1.3.2.2. Liro
Die neuseeländische Firma Liro Forest Solutions ist am KWF nur dem Namen nach bekannt.
Wir kamen allerdings in Kontakt mit einem ehemaligen Mitarbeiter der Firma, Mr. Rien
Visser [10].
Seinen Auskünften zufolge wurden bei Liro Versuche mit einem Doppler-Radar - System
durchgeführt. Dabei sind bei geringen Vorschubgeschwindigkeiten auch ,,vernünftige"
Ergebnisse erzielt worden, die hoffen ließen, dass das System zu einem voll funktionsfähigen
Prototypen ausgebaut werden könnte. Allerdings wurde ein solcher nie realisiert, da vorher
die Finanzierung gestoppt wurde.
Das Grundprinzip der Dopplerradar-Geschwindigkeitsmessung ist grundsätzlich bekannt und
häufig eingesetzt. Die Probleme beim Einsatz in der Rohholzvermessung liegen eher in den
Bereichen der konkreten geometrischen Situation und der speziellen Implementierung.
Zur aktuellen technischen Situation stellt er fest, dass derzeit noch immer die meisten
Systeme mit einem messradbasierten System arbeiten und häufig ein Kalibrierungsprogramm
zur Anpassung an verschiedene Bedingungen bei verschiedenen Rinden mitgeliefert wird.
Der Vorteil einer exakten (berührungsfreien) Messung wäre der mögliche Verzicht auf eine
Kalibrierung.
Somit meint auch er, dass der Bedarf für eine Verbesserung in der Längenmessung bei den
derzeit erhältlichen Harvesterköpfen gegeben ist.
1.3.3. Rohholz-Identifizierung und -Verfolgung mittels Chips
In der Holzwirtschaft gibt es die Idee jedes aufgearbeitete Stück Rohholz mittels eines Chips
eindeutig zu kennzeichnen. Diese Kennzeichnung könnte womöglich sogar eine satelliten-
gestütze Positionsbestimmung von Holzlagerplätzen im Wald ermöglichen. Die Verfolgung
jedes einzelnen Stammes vom Wald bis zum Sägewerk wäre damit möglich, auch die
Koordinierung zwischen Holzbesitzer/Harvesterbetreiber, Frächter und Sägewerk und die
Abrechnung könnten unterstützt werden.
Interessant für vorliegendes Projekt können diese Denkansätze vor allem im Hinblick auf
Ideen bezüglich des Einsatzes von aktiven Transponder-ICs oder SAW-Tags zur
Längenmessung sein (vgl. dazu Kapitel 2.10).
Bereits vor etwa drei Jahren gab es dazu Versuche bei SkogForsk. Diese waren jedoch eher
Grundlagenexperimente, um zu zeigen, was technisch möglich ist. An diesem
Experimentalstadium wird sich sicher in den nächsten drei Jahren nichts ändern, da ein
1 Aufgabenstellung, Diskussion der Anforderungen aus praktischer Sicht
15
solches System zwingend von allen Beteiligten in der gesamten Logistikkette mitgetragen
werden müsste.
Basis der damaligen Versuche:
Bei Schneiden wurde eine kleine Metallkapsel mit dem Chip ins Holz geschossen. Im
Sägewerk mussten die ersten 5 cm des Stammes abgeschnitten, und daraus mühsam der Chip
wiedergewonnen werden.
Solche Systeme könnten eventuell für Wertholz eine Rolle spielen, sonst sind sie sicher zu
teuer, zumindest solange kein Chip verwendet wird, der nicht wiedergewonnen werden muss
und dementsprechend günstig ist.
Von diesen Versuchen von SkogForsk existieren keine veröffentlichten Berichte. Es handelte
sich dabei um eine Auftragsuntersuchung für die Firma Timberjack, und alle Informationen
darüber sind wahrscheinlich in deren Archiven verschwunden.
1.3.4. Quellen für weitere Informationen
Forschungseinrichtungen in Deutschland:
· An deutschen Universitäten und Fachhochschulen gab es nach Informationen des KWF
diesbezüglich bisher keine Aktivitäten.
Forstzeitschriften:
· Forst und Technik (http://www.blv.de/forst&technik/home.html)
· AFZ/Der Wald (http://www.blv.de/afz/home.html)
· FTI Forsttechnische Informationen
(Zeitung des KWF, im Web unter www.kwf-online.de zu finden.)
(lt. Hrn. Hauck gibt es allerdings keine Veröffentlichungen zur berührungslosen Messung)
SkogForsk-Projekt:
· Zu diesen Arbeiten existiert ein Forschungsbericht von SkogForsk: ,,Beröringsfri
diametermätning" (,,Berührungsfreie Durchmesserermittlung") (Arbetsrapport Nr. 365,
1997) beziehungsweise dessen englische Kurzfassung [40].
Forsttechnische Fachmessen:
· Ligna Mai 2001, Hannover mit Sonderschau der KWF zum Thema Logistik.
· Elmia Juni 2001.
Internet: Suchergebnisse für ,,Längenmessung, Forstwirtschaft"
· Norddeutscher Gemeinschaftsstand Cebit 1999
ARISTO Graphic Systeme GmbH & Co. KG. Volker Schulte. Schnackenburgallee 117.
D-22525 Hamburg / Germany. FON: +49(0)40/547 47-284. FAX: +49(0)40/547...
http://www.ttzsh.de/cebit99/halle_16/aristo_d.html
· Anforderungskatalog für die Werksvermessung von Stammholz
Deutscher Forstwirtschaftsrat
http://www.dfwr.de/ausderarbeit/anforderung.htm
1 Aufgabenstellung, Diskussion der Anforderungen aus praktischer Sicht
16
· Yahoo! Handel und Wirtschaft Firmen Elektronik Test- und Messgeräte
http://de.yahoo.com/Handel_und_Wirtschaft/Firmen/Elektronik/Test__und_Messgeraete
· Bundesministerium für Land- und Forstwirtschaft
http://www.bmlf.gv.at/
· Amt für Forstwirtschaft
(eine untere Forstbehörde in Brandenburg)
http://www.forst.rathenow.brandenburg.de/
1 Aufgabenstellung, Eichfähigkeit
17
1.4. Eichfähigkeit
1.4.1. Eichvorschriften
Um zu der optional geforderten Eichfähigkeit grobe Anhaltspunkte zu erhalten sei auf [41],
[44] und [45] verwiesen. Dies sind Eichvorschriften die uns vom Eichamt Linz, Hr.
Jungreithmayr, zur Verfügung gestellt wurden.
Allerdings enthalten diese Unterlagen nur sehr speziell auf einzelne Anwendung
zugeschnittene Aussagen und sind ziemlich veraltet. Nach Auskunft vom Eichamt [47]
werden technologische Neuerungen auch nicht mehr in die Eichvorschriften eingearbeitet,
sondern bei der konkreten Zulassung eines neuen Gerätes berücksichtigt. Das bedeutet im
Endeffekt, dass die Eichvorschriften wenig Leitlinie zur Entwicklung eines eichfähigen neuen
Gerätes geben. Grundsätzlich ist ein jedes Gerät, welches den Genauigkeitskriterien
entspricht, nicht manipulierbar ist und mit ausreichender Zuverlässigkeit arbeitet, als
eichfähig anzusehen. Details werden dann im Verfahren einer eichamtlichen Zulassung des
neuen Messgerätes geklärt und festgeschrieben.
[41] bezieht sich auf Längenmessmaschinen für bahnen- oder kabelförmiges Messgut, wobei
grundsätzlich ein Messsystem unter Verwendung eines Messrades zugrundegelegt wird.
[44] bezieht sich auf Geschwindigkeitsmessgeräte für Fahrzeuge, wobei hier explizit nur
Mikrowellen-Dopplerradar oder Zeit-Weg-Messgeräte zugelassen sind.
Mit [45] liegt dann noch eine Zulassung eines konkreten Verkehrsgeschwindigkeits-
messgerätes vor, aus der ersichtlich ist, welche Details bei der eichamtlichen Zulassung eines
Gerätes festgehalten werden können.
Einige beispielhafte Forderungen oder Aussagen aus diesen drei Quellen:
Laut [41] sind für die Längenmessung nur Systeme mit einem angedrückten Messrad von
mindestens 0,5 m Durchmesser zulässig.
Für Längenmessmaschinen laut [41] darf die Vorschubgeschwindigkeit maximal 0,5 m/s
betragen. Es muss gewährleistet sein, dass das Messgut die Messeinrichtung soweit ohne
Schlupf durchläuft, dass reproduzierbare Messwerte erhalten werden.
Die Eichfehlergrenze für Geräte nach [41] beträgt 0,5 % der gemessenen Länge, jedoch nicht
weniger als 2,5 cm.
[41] schreibt sehr genau die Gestaltung der Anzeigeeinrichtung vor.
Längenmessmaschinen laut [41] müssen eine gemeinsame Marke für Anfang und Ende der
Messung haben. Diese Forderung lässt sich für eine Einrichtung am Harvester in die Tatsache
übersetzen, dass jeweils ein Schnitt durchgeführt wird.
In [41] ist die Anbringung von Druckwerken, Vorwahleinrichtungen, zusätzlichen
Zählwerken und sonstigen Zusatzeinrichtungen zur Auswertung oder Weiterverarbeitung der
Messergebnisse untersagt.
[45] fordert einen dokumentierten Selbsttest beim Einschalten und in regelmäßigen
Abständen von höchstens 72 Stunden.
1.4.2. Anforderungen an automatisierte Rohholzvermessung
Mit [42] liegt eine Pflichtenheft vor, in dem die Anforderungen an Einrichtungen zur
automatisierten Rohholzvermessung vom deutschen Kuratorium für Waldarbeit und
Forsttechnik e.V. im Jahr 1998 festgeschrieben wurden. Dieses kann auch als Leitlinie zur
Gestaltung einer eichfähigen Messeinrichtung angesehen werden.
1 Aufgabenstellung, Eichfähigkeit
18
Der Vorteil von [42] gegenüber der österreichischen Eichvorschriften liegt darin, dass [42]
speziell auf die Anforderungen der Rohholzvermessung hin verfasst wurde.
Gefordert wird:
· Längen- und Durchmessermessung.
· Zweifellose Zuverlässigkeit.
· Keine Manipulationsmöglichkeit.
· Jederzeit mögliche einfache Kalibrierung.
· Kalibrierung idealerweise mittels geeichter Hilfsmittel.
· Kalibrierung idealerweise unter Verwendung von elektronischem Datenaustausch
zwischen Messeinrichtung und Kalibriermesswerkzeug.
· Vollständige und übersichtliche Dokumentation.
· Längenmessung auf ganze cm, Messauflösung 10 mm.
· Durchmessermessung auf ganze mm, Messauflösung 1 mm.
· Fehlergrenzen: Messgenauigkeit Länge: ± 1% jedoch nicht weniger als 5 cm. Zu erreichen
bei 95% der aufgearbeiteten Stücke.
· Fehlergrenzen: Messgenauigkeit Durchmesser: ± 1% für arithmetischen Mittelwert aus 10
Einzelmessungen. Damit müssen 95% der aufgearbeiteten Stücke in die richtige
Stärkeklasse zugeordnet werden.
· Fehlergrenzen: Volumensfehler ± 4% pro Hiebsorte und Sortiment.
· Datenspeicherung für jedes bearbeitete Stück. Keine Löschungen möglich
· Datenspeicherung über jede Kalibrierung.
1.4.3. Kontakte für weitere Informationen
BEV Bundesamt für Eich- und Vermessungswesen
Eichamt Linz
Lederergasse 19, Postfach 481
A-4010 Linz
Tel: +43-(0)732-773881-516
Fax: +43-(0)732-773881-77
e-mail: admin@linz.bev-eich.gv.at
Hr. Herbert Jungreithmayr: +43-(0)732-773881-513
BEV Bundesamt für Eich- und Vermessungswesen
Zulassungsstelle
Arltgasse 35
1163 Wien
Tel.: +43-(0)1-49
110
Referat für Längenmessung
Referat für Geschwindigkeitsmessung
1 Aufgabenstellung, Erschütterungsmessungen
19
1.5. Erschütterungsmessungen
Im Pflichtenheft sind unter ,,Umgebungsbedingungen" nur ,,starke Erschütterungen"
angeführt. Nähere Angaben dazu waren allerdings zum Zeitpunkt der Erstellung des
Pflichtenheftes nicht möglich.
Um entscheiden zu können, ob es grundsätzlich überhaupt möglich erscheint Kameras oder
andere relativ stoßempfindliche Komponenten einzusetzen, wurde als eines der ersten
Teilprojekte (das sich dann doch als relativ aufwendig aber auch dementsprechend
aufschlussreich erwies) eine Erschütterungsmessung am Harvesterkopf durchgeführt.
Vermessen wurde ein Prozessorkopf Type 50B.
Folgendes Achsenkreuz am Prozessorkopf wurde willkürlich festgelegt:
x-Achse: Quer zur Vorschubrichtung
y-Achse: in Vorschub des Holzes
z-Achse:
Vertikal
Folgende Sensoren der Firma Analog Devices wurden an den angegebenen Positionen
(vgl. Abbildung 2) am Harvester verwendet:
Sensor Position
Prozessorachse Sensortyp Messbereich
1 Messerkopf
y ADXL190
100
g
2x
Messerarm
y
ADXL250
50 g
2y
Messerarm
z
50 g
3
Vorschubmotor
x
ADXL190EM
100 g
4x
Messrad
z
ADXL250
50 g
4y
Messrad
x
50 g
5
Messrad
y
ADXL190
100 g
Abbildung 2: Fotografien zur Veranschaulichung der Sensorpositionen;
Sensoren waren jeweils an den Stellen der orangefarbenen Punkte angebracht:
Sensor 1
Sensor 2
Sensor 3
Sensoren 4 und 5
1.5.1. Maximalwerte der gemessenen Beschleunigungen
Primär wurde festgestellt, dass die maximalen Amplituden der gemessenen Beschleunigungen
bei den Sensoren auf der Messradplattform (Sensoren 4 und 5) auftraten. Diese Plattform, auf
der das Messrad für die derzeit eingesetzte Längenmessung montiert ist (vgl. Abbildung 2),
wird federbelastet gegen den Baumstamm gedrückt. Alle Unebenheiten des Stammes
schlagen somit direkt auf den weich aufgehängten Sensorträger.
Daraus lässt sich auch begründen, dass während des Sägevorganges nur eher geringe Schläge
messbar sind, wohingegen die großen Amplituden während des Vorschubs auftreten. Diese
Tatsache ist in Abbildung 3 deutlich erkennbar, wo in der linken Bildhälfte das Signal
mehrerer Sensoren während des Sägens und in der rechten Bildhälfte während des
anschließenden Vorschubs zu sehen ist.
1 Aufgabenstellung, Erschütterungsmessungen
20
Abbildung 3: Beschleunigungsmessung. Der Sägevorgang liefert ein eher geringes
Signal, die großen Amplituden werden beim Vorschub erreicht.
Maximale Schläge, die auf der Messrad-Plattform gemessen wurden (Sensoren 4 und 5):
in x-Richtung:
66 g
in y-Richtung:
96 g
in z-Richtung:
72 g
Ein Hinweis zur Vertrauenswürdigkeit der Messwerte: In x- und z-Richtung waren Sensoren
mit einem spezifizierten Messbereich von 50 g eingesetzt, in y-Richtung ein Sensor mit 100 g
Messbereich. Daher kann man in den gemessenen Wertebereichen nicht mehr von
realistischen Ergebnissen ausgehen!
Nachdem überdies sehr häufig die Grenzwerte 72 g bzw. 66 g auftreten, sind diese eher für
die effektiven Grenzen des Messbereichs zu halten.
Abseits der Messradplattform wirken die Schläge nicht so direkt und durch die Masse des
Harvesterkopfes werden keine so großen Beschleunigungen wirksam wie auf der kleinen,
relativ leichten Messradplattform. Trotzdem sind vor allem die Beschleunigungen in
y-Richtung, das heißt solche die von den Schlägen der Entastungsmesser herrühren mit etwa
66 g noch immer ausgesprochen hoch. Außerdem sind Messwerte von 66 g nicht mehr
innerhalb des vertrauenswürdigen Meßbereiches (vgl. voriger Absatz), daher könnten in
Wirklichkeit sogar noch höhere Amplituden auftreten.
Maximale Schläge abseits der Messrad-Plattform:
in x-Richtung, Sensor 3:
9 g
in y-Richtung, Sensor 1: 66 g
in y-Richtung, Sensor 2x: 32 g
in z-Richtung, Sensor 2y: 23 g
1 Aufgabenstellung, Erschütterungsmessungen
21
1.5.2. Analyse auftretender Schwingungen
Einige der aufgezeichneten Datenfiles
1
wurden im Zeitbereich genauer untersucht. An Stellen,
wo markant harmonische Schwingungen zu sehen waren, waren folgende Frequenzen
sichtbar:
Sensoren auf der Messradplattform (Sensoren 4 und 5):
häufig zu sehen:
in y-Richtung: 730 Hz
in z-Richtung: 760 bzw. 769 Hz
beim Sägevorgang:
in x-Richtung: 1040 Hz
in z-Richtung: 666 Hz
abklingende Schwingung nach einem Vorschub:
in x-Richtung: 833 Hz
in y-Richtung: 405 bzw. 410 bzw. 420 Hz
in z-Richtung: 405 bzw. 410 bzw. 420 Hz
beim Anstoßen: (Kopf mit Baum schlägt gegen Hindernis, Vorschub nicht in Betrieb)
in y-Richtung: 666 Hz
Sensorposition 2:
beim Anstoßen:
in x-Richtung: 19 Hz
in x-Richtung: 300 Hz
in x-Richtung: 1000 Hz
Alle diese angeführten Frequenzen sind von verschiedenen Stellen im Signal herausgegriffen
und korrelieren zeitlich nicht.
Die Amplituden der Schwingungen sind zum Teil beträchtlich, wie in Abbildung 4
beispielhaft zu sehen ist:
Abbildung 4: Beschleunigungsmessung. Schwingung an der
Messradplattform mit Amplituden von maximal 65 g
1
Files <Baum2.bin>, <Ansteher.bin> und <Anfahrer.bin>
1 Aufgabenstellung, Erschütterungsmessungen
22
Weiters wurden einige Files
2
mittels eines FFT-Tools ausgewertet. Damit wurde versucht, die
für jede Sensorposition am häufigsten auftretenden und somit typischen Frequenzen zu
eruieren:
Sensorposition 1:
am deutlichsten:
in y-Richtung: 280 Hz
geringere Intensität:
in y-Richtung: 881 Hz
Sensorposition 2:
geringere Intensität:
in y-Richtung: 1000 bis 1100 Hz
in z-Richtung: 1100 Hz
Sensorposition 3:
geringste Intensität:
in x-Richtung: 150 Hz
niederfrequent:
in x-Richtung: 20 Hz
(Intensität praktisch gleich Null)
Sensorposition 4:
am deutlichsten:
in x-Richtung: 1100 Hz bis zu 1400 Hz
in x-Richtung: 600 bis 700 Hz
in z-Richtung: 600 bis 800 Hz, z.B. 670 Hz , 750 Hz
niederfrequent:
in z-Richtung: 20 Hz und 40 Hz
vereinzelt:
in z-Richtung: 400 Hz (tritt gemeinsam mit Sensor 5 auf)
Sensorposition 5:
am deutlichsten:
in y-Richtung: 280 Hz, 560 Hz und weiteren Harmonischen.
geringere Intensitäten:
in y-Richtung: 881 Hz
vereinzelt:
in y-Richtung: 400 Hz (tritt gemeinsam mit Sensor 4 auf)
Eine auffällige Stelle
3
zeigt eine Schwingung bei 663 Hz an mehreren Sensoren:
(nach Intensität gereiht:)
Sensorposition 4
in z-Richtung
Sensorposition 4
in x-Richtung
Sensorposition 5
in y-Richtung
Zusätzlich 1322 Hz ( = 663 Hz * 2 ) an Sensorposition 4 in x-Richtung.
Überblicksmäßig zusammengefasst sind die auffälligsten Schwingungen
bei 20 Hz (+ Harmonische),
bei 600 bis 700 Hz, und
bei 1100 Hz
zu finden.
Beispielhaft sind einige Screenshots der FFT-Auswertung auf der nächsten Seite dargestellt
(Abbildung 5, Abbildung 6, Abbildung 7).
2
Files <Baum5_alleSensoren.bin>, <Baum6_alleSensoren.bin> und <Baum1.bin>
3
im File <Baum6_alleSensoren.bin>
1 Aufgabenstellung, Erschütterungsmessungen
23
Screenshots der typischen Frequenzen:
Abbildung 5: Beschleunigungsmessung. Deutlicher Peak bei etwa 700 Hz
Abbildung 6: Beschleunigungsmessung. 40 Hz und 700 Hz
Abbildung 7: Beschleunigungsmessung. 700 Hz und 1100 Hz
1 Aufgabenstellung, Erschütterungsmessungen
24
1.5.3. Schlussfolgerungen
Die maximal gemessenen Schläge (abseits der Messradplattform) liegen bei 66 g. Laut
Auskunft von Hrn. Ing. Hüttner bei der Durchführung der Messungen wurden unsere
Messungen bei denkbar guten Bedingungen durchgeführt, und man sollte die Ergebnisse mit
einem Sicherheitsfaktor von 2 multiplizieren!
Die stabilsten bisher gefundenen Kameras ertragen Schläge bis zu 100 g:
· Redlake Imaging Hi-G-Kamera: 100 g für 10 ms in alle 3 Achsen. [6]
· Fraunhofer-Gesellschaft Speedcam: 85 g. [7]
Daher kann man feststellen, dass für etwaige optische Messverfahren auf alle Fälle auf sehr
stabile Geräte zurückgegriffen werden muss und diese unbedingt im Rahmen der
konstruktiven Gegebenheiten und optischen Bedürfnisse möglichst günstig positioniert und
gedämpft aufgehängt werden müssen!
Unter diesen Vorbedingungen ist jedoch der Einsatz von Kameras durchaus realisierbar.
1 Aufgabenstellung, Organisatorische Rahmenbedingungen
25
1.6. Organisatorische
Rahmenbedingungen
Das gegenständliche Projekt wurde im Rahmen des Kplus Kompetenzzentrums für
Mechatronik (LCM - Linz Center of Competence in Mechatronics) durchgeführt, und nahm
darin eine Vorreiterrolle als erstes konkret bearbeitetes Projekt ein.
Die Projektbezeichnung lautet
Projekt 3.13: ,,Contact free length measuring system for harvester"
Das LCM ist ein von Bund, Land, Industrie und Universität getragenes Gemeinschaftsprojekt
um den Wissenstransfer zwischen Theorie und Praxis, zwischen Universitäten und Industrie
zu fördern.
Die Finanzierung der Projekte im LCM stammt zum Teil von Bund, zum Teil vom Land
Oberösterreich und zum Teil von den Firmen, welche die einzelnen Projekte einreichten.
Die beteiligten Partner an diesem Projekt sind die Firma Wolf Systembau (Scharnstein,
Oberösterreich) als Industriepartner, das Institut für Mikroelektronik an der Johannes Kepler
Universität Linz/Aufhof als universitärer Partner. Die Koordination der Projekte obliegt der
UAR (Upper Austrian Research GmbH) mit Sitz in Linz.
Das Projekt wurde auf einen Zeitraum von einem Jahr angesetzt, jedoch in zwei
Workpackages von je einem halben Jahr Dauer unterteilt.
In Workpackage 1 (Juli 2000 bis Dezember 2000) sollte eine Machbarkeitsstudie und
Variantenuntersuchung durchgeführt werden, aus der eine Empfehlung für die
vielversprechendste weiterzuverfolgende Variante abgeleitet werden sollte. Dieses
Workpackage 1 wurde zu meiner Diplomarbeit, und das Ergebnis ist der vorliegende Bericht,
sowie eine komprimierte Fassung, die den verantwortlichen Entscheidungsträgern am
18.1.2001 als Report über das Workpackage 1 vorgelegt wurde.
Weiters wurde das Projekt in mehreren internationalen Veröffentlichungen vorgestellt:
· SENSOR 2001, 8. 10. Mai 2001, Nürnberg (Proceedings, S. 65 70)
· SPIE's 46
th
Annual Meeting, 29.7 3.8.2001, San Diego
Conference 4491: Subsurface and Surface Sensing Technologies and Applications III
Session 5 [4491-26]
· Informationstagung Mikroelektronik 2001, 10. 11. Oktober 2001, Wien
Nach der Entscheidung über die weiter zu verfolgende Variante des Messsystems sollte in
Workpackage 2 ein am Harvester / Prozessor funktionsfähiger Prototyp gebaut werden.
Allerdings wurde das Projekt aus wirtschaftlichen Überlegungen von den Entscheidungs-
trägern der Firma Wolf nach Abschluss von Workpackage 1 beendet.
26
2. Denkbare Messprinzipien
2.1. Vorüberlegungen
Einige grundsätzliche Punkte müssen der Behandlung konkreter Messverfahren vorangestellt
werden, da sie bei allen verschiedenen Prinzipien zu bedenken sein werden:
· Distanz messen versus Geschwindigkeit messen:
Das angestrebte Messergebnis ist ein Längenwert. Dieser kann entweder direkt oder über
den Umweg einer Geschwindigkeitsmessung mit anschließender zeitlicher Integration
gewonnen werden.
Jede Variante hat ihre Vor- und Nachteile: Eine direkte Längenmessung kommt ohne den
Einflussfaktor Zeit aus, wird aber in irgendeiner Form den Baumstamm oder dessen Ende
erkennen müssen. Je länger die zu messende Distanz ist, desto schwieriger wird dies sein.
Eine Geschwindigkeitsmessung weist zwar in jedem Moment die gleiche Mess-
genauigkeit auf, der unvermeidlich vorhandene Messfehler wird aber über die Baumlänge
aufintegriert.
Nachdem die Auswirkungen solcher Unterschiede vom jeweiligen Messprinzip abhängen,
wird jedoch die Prinzip-Auswahl Priorität vor der Auswahl Distanz versus
Geschwindigkeit haben!
· Platzsituation:
Das Platzangebot im beziehungsweise am Harvesterkopf ist ausgesprochen knapp.
Grundsätzlich besteht der Kopf nur aus der tragenden Struktur im Oberteil und den
Entastungsmessern im unteren Teil, die auch gleichzeitig als Greiferzange fungieren.
Aufgrund dieser geometrischen Situation wäre vor allem jedes quer durch den Baum
messende System konstruktiv schwer zu integrieren.
· Verschmutzungssituation:
Bei der Aufarbeitung des Holzes kommt es im gesamten Harvesterkopf zu massiver
Verschmutzung durch Holzsplitter, Astteile, Nadeln, Sägemehl und Harz, weiters
witterungsabhängig durch Schnee, Eis und Matsch.
Um die Belastung des Sensors durch diese Verschmutzung möglichst gering zu halten
wird es nötig sein, die Position des Sensors dahingehend sehr bewusst zu optimieren.
Wahrscheinlich wird eine Anbringung entfernt von Säge und Vorschubeinrichtung die
besten Bedingungen ergeben.
· Mechanische Belastungen:
Die mechanischen Belastungen, denen Einrichtungen am Harvesterkopf ausgesetzt sind,
sind beträchtlich. Die Beschleunigungen, die im Normalbetrieb in kurzen Schlägen
auftreten, übersteigen 70 g (vergleiche Kapitel 1.5). Der konstruktiven Stabilität bzw.
einer dementsprechend dämpfenden Montage wird daher große Bedeutung zukommen.
2 Messprinzipien, Zusatzideen
27
2.2. Zusatzideen
Drei Ideen seien hier angeführt, die bei den meisten folgenden Messverfahren als zusätzlich
unterstützende Maßnahmen realisiert werden könnten:
· Velocity-Prediction:
Jedes Messsystem kann durch ein Vorausschätzen der erwarteten Geschwindigkeit
(beziehungsweise deren Zeitintegral = Schätzlänge) ergänzt werden. Dieser Schätzwert
kann entweder vom bisher verwendeten Messrad oder vom Antrieb des
Vorschubmechanismus (Stachelwalzen bzw. Stachelketten) her kommen.
Dadurch wird eine höhere Störsicherheit sichergestellt.
Auch ein fixes Vorgeben von v = 0 bei Stillstand des Vorschubes als Vorbeugung gegen
etwaige Drift-Fehler wäre angebracht.
Durch Verwertung dieser Informationen könnte weiters auch die Richtungsauswertung
des Sensorsignals ersetzen werden!
· Verlässlichkeits-Index:
Es ist vernünftig einen Verlässlichkeitsindex für den Messwert einzuführen, der aus einer
Auswertung der Messbedingungen und der Signalqualität des Sensors gewonnen werden
könnte.
Sobald ein unterer Grenzwert des Index unterschritten wird, sollte der Messwert
verworfen werden, und einstweilen mit v(t) = v(t 1) weitergerechnet, oder auf den Wert
der Velocity-Prediction zurückgegriffen werden.
· Messbahn ausfräsen bzw. geeignet aufbereiten:
Eine gefräste Messbahn würde dem jeweilig eingesetzten Messsystem relativ klar
definierte und konstante Oberflächenqualität anbieten.
Problematisch dabei wäre vor allem der Aufwand für einen Fräser mit langer Standzeit
und dessen starken und schnell drehenden Antrieb.
Eine vergleichbar definierte Qualität der Messbahn könnte auch durch Anbringen eines
zusätzlichen schmalen, etwas tiefer gestellten Messers im Bereich der Entastung erreicht
werden. Dies würde einem Hobeln der Messbahn entsprechen. Allerdings würde dadurch
eventuell eine Drehung des Stammes begünstigt.
2 Messprinzipien, Nicht berührungslose Messverfahren
28
2.3. Nicht berührungslose Messverfahren
Die Bedingung der Berührungslosigkeit ist zwar im Pflichtenheft festgeschrieben, trotzdem
soll hier auf einige Ideen für berührende Messprinzipien kurz hingewiesen werden.
Die Problempunkte der berührenden Verfahren liegen sicherlich in der mechanischen
Konstruktion, die Vorteile allerdings in der theoretisch erreichbaren optimalen Genauigkeit.
2.3.1. Bestehendes Messrad optimieren
Trotz der Kritikpunkte am bestehenden Messsystem, die zum Wunsch nach einem neuen,
berührungslosen geführt haben, gibt es natürlich grundsätzlich auch bei der Verwendung
eines Messrades noch verschiedene Verbesserungsmöglichkeiten:
· Position des Messrades optimieren:
Am besten scheint eine Position gleich hinter den Entastungsmessern jedoch vor dem
Vorschubmechanismus (Stachelwalze, Stachelkette)
· Messrad durch Abstreifmechanismus ergänzen um ein Verkleben mit Rinde zu verhindern
· Messrad-Andruckkraft optimal und vorausschauend regeln, und damit immer exakten
Rollkontakt herstellen
· mehrere Messräder anbringen und darüber einen Mittelwert bilden
· Längere, spitzere Zähne bzw. Nadeln um Durchrutschen zu verhindern
Probleme:
Eindringen ins Holz verursacht Messfehler durch Radiusänderung
Verbiegen der Stacheln
· Weiche Gummirolle statt Stachelwalze um Abheben bei Unebenheiten zu verhindern
Probleme:
Elastizität verursacht Messfehler durch Radiusänderung
Griff auf glattem und feuchtem, frisch entrindetem Stamm zweifelhaft
· Verwendung leicht auszutauschender Messräder, die jeweils an verschiedene
Arbeitsbedingungen optimal angepasst sind.
· Verwendung von kostengünstigen und robusten Standard-ABS-Sensoren aus der
Fahrzeugzulieferindustrie zum Auslesen der Messradbewegung.
2.3.2. Maßband-Prinzip
Aus der Grundidee der Verwendung eines normalen Massbandes sind mehrere grundsätzlich
als realisierbar zu betrachtende Varianten ableitbar:
· Teleskop-Anschlag vor Baum herschieben
Problem:
Mechanisch anspruchsvoll, da dieser Anschlag bis zu 12 m lang
ausfahrbar und andererseits auf 0 cm versenkbar sein müsste. Dabei
sollte er noch möglichst leicht und gleichzeitig stabil sein.
2 Messprinzipien, Nicht berührungslose Messverfahren
29
· Schnur mitziehen, die am Baum bleibt
Zubringung von Spule am Trägerfahrzeug durch Transportkanal am Kran, Befestigung an
der Schnittfläche durch Nagelmechanismus. Kevlarfaden oder ähnliches reißfestes
Material.
Probleme:
Preis, da Verbrauchsmaterial
Umweltaspekt, da der Faden am Holz bleibt
Akzeptanz in der weiteren Holzbearbeitung, da der Faden am Holz bleibt
Mechanik, da der Faden immer sauber auf Spannung gehalten werden
muss, auch wenn rückwärts gefahren wird.
· ,,Maßband" am Baum einhängen, vor Schnitt wieder auslösen und einrollen.
Probleme:
Kontrolliertes aber schnelles Einrollen
Einrollen ohne Verhängen in der Umgebung
Mechanik zum Einhängen und Auslösen
2 Messprinzipien, Nutzung von Markierungen in konstanten Intervallen
30
2.4. Nutzung von Markierungen in konstanten Intervallen
Die Grundidee ist es, beliebige Markierungen in konstanten Intervallen am Baumstamm
anzubringen und wieder abzutasten.
Dabei gibt es zwei Varianten:
2.4.1. t-konstant aufbringen - x messen
2.4.1.1. Idee
Die Realisierung eines Messsystems unter Nutzung von Marken in konstanten Zeitabständen
wäre denkbar durch die
· Verwendung eines Detektoren-Arrays
oder durch ein Verfahren um
· die Markierung eine fixe Zeit lang zu verfolgen und dabei über den Winkel auf die
Distanz zu rechnen. Nach Ablauf einer fixen Zeit wird wieder eine neue Markierung
angebracht. Die gemessenen Distanzen werden aufaddiert.
Probleme:
Marken müssen sicher detektiert (und ev. verfolgt) werden,
müssen aber extrem fein sein, da sich jeder Fehler aufsummiert.
System zur Markenverfolgung?
2.4.1.2. Bewertung
Dieses Konzept ist hier eher der Vollständigkeit halber angeführt, scheint jedoch nicht
praktisch realisierbar.
2.4.2. x-konstant aufbringen
2.4.2.1. Triggerung der Applikation durch die Detektion
Dazu müsste in einem fixen Abstand von der Stelle an der die Markierung aufgebracht wird
(Position 1) eine Detektionseinheit plaziert sein (Position 2). Sobald dort an Position 2 eine
Markierung detektiert wird, muss an Position 1 wieder eine neue gesetzt werden.
Problem:
Marken müssen sicher detektiert werden
Sie müssen aber extrem fein sein, da sich jeder Fehler aufsummiert
Auch bei diesem Verfahren bleiben prinzipiell noch zwei Varianten zur Auswertung, die
jedoch bei näherer Betrachtung ineinander übergehen:
· x-konstant aufbringen - t messen:
Aus dem gemessenen t und dem bekannten x kann die Geschwindigkeit berechnet
werden.
· x-konstant aufbringen - Anzahl zählen:
Durch Zählen der Anzahl und Aufsummieren der durchlaufenen bekannten x kann der
Vorschubweg bestimmt werden.
Da jedoch das Geschwindigkeitssignal nur einen Mittelwert über das Zeitintervall zwischen
dem Setzen zweier Markierungen darstellt, und somit über diese Zeit als konstant
angenommen wird, berechnet man bei der Berechnung des Integrals über die Zeit daraus
wieder nichts anderes als die Länge x selbst, und landet somit wieder beim Aufsummieren
der bekannten x!
2 Messprinzipien, Nutzung von Markierungen in konstanten Intervallen
31
Der Unterschied in den Systemen ist also ein rein philosophischer und liegt schlussendlich
nur in der jeweils näherliegenden zu wählenden Anordnung:
Bei einer Geschwindigkeitsmessung würde man sich bemühen, die Länge x
möglichst klein zu halten, um eine möglichst feine zeitliche Auflösung des
Geschwindigkeitsverlaufes zu erhalten. Falls nämlich die angestrebte Ziellänge nicht
zufälligerweise gerade mit einer Markierung zusammenfällt, kann sie nie exakt angefahren
werden, da zwischen zwei Markierungen nur die Geschwindigkeit mit dem Wert der
vorherigen Berechnung abgeschätzt, und danach eine Zeit bis zum Stoppen des Vorschubs
prognostiziert werden kann. Eine exakte Positionierung oder ein zielgenaues Abbremsen des
Vorschubs ist so allerdings nicht möglich. Wenn also x sehr klein gewählt werden muss,
wäre der klare Nachteil einer solchen Anordnung zweifelsfrei die große Anzahl
aufsummierter Fehler bei der Notwendigkeit, bis zum Erreichen der Ziellänge viele Marken
zu detektieren.
Bei der Zählvariante stellt man sich Applikation der Marke und Detektion relativ weit
räumlich getrennt vor, um möglichst wenige fehlerbehaftete Detektionen durchführen zu
müssen. Der Nachteil einer solchen Anordnung ist wiederum die Einschränkung der
möglichen Ziellängen auf Vielfache der konstruktiv festgelegten Länge x. Nötigenfalls
müsste x variabel ausgeführt werden, was allerdings erheblichen konstruktiven Aufwand
bedeuten würde, und auch aus Gründen der erzielbaren Genauigkeit nicht optimal sein kann.
Eine denkbare Lösung unter Verwendung dieses Messprinzips könnte also nur irgendwo in
der Mitte zwischen diesen beiden diskutierten Extrempositionen liegen.
Wie die Marken beschaffen sein könnten ist für obenstehende Überlegungen unerheblich.
Konkret Vorstellbar sind am leichtesten optische bzw. thermooptische Systeme.
2.4.2.2. Verwendung eines Rollstempels
Bei Verwendung eines auf der Baumstammoberfläche abrollenden Stempels wäre ein System
realisierbar, das weitgehende die Idee des eingesetzten Systems Messrad - Inkrementalgeber
aufgreift, allerdings kleine Vorteile bietet.
Durch den Rollstempel würden x-konstante Markierungen gesetzt, deren Abstand nicht
durch Fehler in der Detektion beeinflusst würde. Die Fehlerquelle die bleibt, ist der nicht
konstante Schlupf des Rollstempels auf der Baumoberfläche.
Bei einer Detektion der Markierungen, die bei jeder Markierung einen Impuls liefert, steht
somit das selbe Ausgangssignal zur Verfügung wie nach dem Inkrementalgeber der vom
bisher eingesetzten Messrad betätigt wird.
Der Vorteil, den diese Variante gegenüber dem bisher eingesetzten System zu bieten hätte
wäre, dass hier ein eventuelles Durchrutschen oder Abheben des Rollstempels
(thermo-)optisch erkennbar wäre durch das Verwischen oder Fehlen von einzelnen
Markierungen.
Auch hier würde sich eine Optimierung des Systems durch ein Ausfräsen der Messbahn
anbieten (vgl. Kapitel 2.2)
2 Messprinzipien, Nutzung von Markierungen in konstanten Intervallen
32
2.4.3. Anwendung in optischen Systemen
2.4.3.1. Prinzip
Das Aufbringen der Marken kann mittels flüssiger oder pulverförmiger Farbe geschehen,
durch Aufsprühen (vgl. Kapitel 2.4.2.1) oder durch Aufstempeln mittels Roll-Stempel
(vgl. Kapitel 2.4.2.2).
Vereinfachend wäre die Verwendung von UV-fluoreszierender Flüssigkeit, wie sie
beispielsweise bei der Eintrittskontrolle in Diskotheken eingesetzt werden. Diese könnte
schon in minimalen Mengen mit normalen Kameras relativ sicher detektiert werden, da sie
unter UV-Licht fluoreszieren und sich damit von jeder Umgebung abheben.
Ein großes Problem würde entstehen, wenn zwischen Aufbringung und Detektion das Stück
Rinde mit der Marke verlorengeht! Hierfür müssten bei der Auswertung softwareseitig
Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden.
Theoretisch denkbar ist auch die Möglichkeit, mittels eines Laserstrahls kleine Flächen
schwarz zu verbrennen. Diese Variante wird allerdings aufgrund der nötigen hohen Leistung
und der damit verbundenen Feuergefahr im Wald nicht realisierbar sein.
Für die Aufbringung von Farbmarken mittels flüssiger Farbe gibt es Vorbildsysteme, die an
industriellen Produktionslinien eingesetzt werden um Artikel mit Codierungen oder
Ablaufdaten zu besprühen. Es handelt sich dabei vom Prinzip um Tintenstrahl-Druckköpfe,
die allerdings aus größerer Distanz (einige cm) operieren könne. Je geringer die Distanz
gehalten werden könnte, desto feinere Strukturen könnten aufgebracht werden, und desto
geringer kann der Fehler bei jeder einzelnen Detektion angenommen werden!
2.4.3.2. Beurteilung
Die Realisierung eines Messsystems basierend auf der optischen Detektion von in
gleichbleibenden Abständen angebrachten Markierungen scheint grundsätzlich realisierbar.
Aufgrund der Tatsache, dass es sich hierbei um ein System handelt, welches eine Kamera und
optische Komponenten benötigt, also mechanisch relativ empfindliche Teile, wird bei der
Auswahl dieser Komponenten wesentlich auf deren robuste Ausführung Wert zu legen sein,
was sicherlich den Preis des Systems in die Höhe treibt.
Bei der Methode zur Applikation der Markierungen scheint eine Lösung mit einer Art von
Tintenstrahl-Druckkopf und bei Verwendung einer unter ultraviolettem Licht
fluoreszierenden Flüssigkeit den sichersten Erfolg zu versprechen.
Der Bedarf an Verbrauchsmaterial (umweltverträgliche Farbe) ist ein Nachteil dieses
Konzepts. Allerdings sollte der Verbrauch minimal gehalten werden können.
Der kritische Punkt bei diesem Verfahren liegt sicherlich bei der erzielbaren Genauigkeit, da
diese unmittelbar von der möglichen Feinheit der Markierungen und der Exaktheit der
Detektion abhängt.
Die Variante unter Verwendung eines Rollstempels würde dem bisher eingesetzten System
sehr nahe kommen, was Vorteile für die Realisierung brächte. Trotzdem ist es aufgrund der
Bewahrung der aktuellen Probleme sicher nicht ideal. Auch wenn die Korrektur der Fehler
durch Abheben oder Durchrutschen möglich ist bleibt der Bedarf einer Kalibrierung bestehen.
2 Messprinzipien, Nutzung von Markierungen in konstanten Intervallen
33
2.4.4. Anwendung in thermooptischen Systemen
Bei thermooptischen Systemen wollen wir die beiden notwendigen Schritte getrennt etwas
näher untersuchen: Die Aufbringung der Marken und die Detektion.
2.4.4.1. Aufbringung thermischer Marken
Die Aufgabenstellung lässt sich so zusammenfassen: In minimal kurzer Zeit muss ein
möglichst kleiner Punkt so stark erhitzt werden muss, dass er bis zur spätest-anzunehmenden
Detektion maximal auf etwa 10 K über der Umgebungstemperatur auskühlt.
Daher bekommt man zumindest bei einem längeren Stillstand des Baumes im Harvesterkopf
auf alle Fälle Probleme da der Punkt zu sehr abkühlt! Die einzige Lösung wäre ein
Zurückfahren auf Länge Null an den Stammbeginn.
Mittels Laser:
Eine der naheliegendsten Ideen um große Mengen thermischer Energie schnell und
punktgenau in ein Material einzubringen ist die, einen Laser zu verwenden.
Am Eingang des Harvesterkopfes würde ein Laser montiert. Entweder wird ein Pulslaser
verwendet oder ein CW-Laser (Continuos Wave) mit einem Shutter. Pulslaser sind triggerbar,
Shutter detto.
Ausgehend von etwa 1 m/s bis zu 5 m/s Vorschubgeschwindigkeit und maximal 50 cm
Abstand zwischen Laser und Kamera nehmen wir als Ausgangswert eine Detektion bis zu
500 ms nach der Bestrahlung an (bei 1 m/s).
Nach Aussage von Hrn. Taj über Infrarotkameras [24] wäre eine Temperaturdifferenz von
10 K zur sicheren Detektion wünschenswert.
Nötige Repetitionsrate der Laserpulse wäre 10 Hz (bei 5 m/s).
Erste Informationen über Laser und deren mögliche Anwendung konnten in einem Gespräch
mit Mitarbeitern am Institut für angewandte Physik gewonnen werden [22].
Nach Meinung der Physiker ist es grundsätzlich durchaus möglich mittels eines intensiven
Laserstrahls genügend Wärme in die Holzoberfläche einzubringen. Es ist nur eine Frage der
zur Verfügung stehenden Leistung.
Zu bedenken ist allerdings, dass die Wärmeeinbringung in sehr kurzer Zeit geschehen muss,
da bei 5 m/s Vorschubgeschwindigkeit praktisch keine Zeit zum Verweilen auf einem Punkt
zur Verfügung steht. 1 mm = 1/5000 sek., d.h. die gesamte Energie muss in einem Puls von
µs-Dauer eingebracht werden.
Andererseits kann es auch passieren, dass bei sehr enger Fokussierung des Strahls das
Material am bestrahlten Punkt sofort verdampft, und sich damit auch die Wärme verflüchtigt!
Das sollte allerdings durch eine passende Kombination von Leistung und Fokussierung
verhindert werden können.
Grundsätzlich ist Holz ein relativ schlechter Wärmeleiter. Starker Einfluss wird auf alle Fälle
der Holzfeuchtigkeit zukommen: feuchte Bäume sind besser geeignet als trockene, da sie
Wärme leichter absorbieren. Aber auch die Wärmeleitfähigkeit ist geringfügig höher, der
Hitzefleck wird sich dort daher auch schneller ausbreiten.
(Wie die Sache mit Schnee und Eis aussieht, bleibt offen. Auch ist fraglich, ob eine Marke
mit 10°C auf einem Baum mit 30°C für IR-Kameras detektierbar ist!)
2 Messprinzipien, Nutzung von Markierungen in konstanten Intervallen
34
Zur Ausbreitung des Hitzeflecks:
Grundsätzlich ist diese unvermeidlich.
Einerseits ist sie gut, weil sonst die Ausdehnung des Punktes eventuell unterhalb der
Ortsauflösung der IR-Kamera liegt.
Um das zu verhindern sollte man von vorneherein danach trachten, den Punkt nicht zu klein
zu machen, sondern zumindest auf etwa 2
× 2 mm aufzuweiten. Von einem zu kleinen Punkt
geht eventuell zu wenig Wärmestrahlung aus.
Andererseits senkt die Ausdehnung des Hitzepunktes die Genauigkeit der
Positionsbestimmung. Das sollte allerdings durch eine Schwerpunktbestimmung zu umgehen
sein. Eine gaußförmige Intensitätsverteilung über die Fläche ist anzunehmen.
Als geeignetste Laser wurden entweder YAG-Laser (YAG: Yttrium-Aluminium-Gallium)
oder Diodenlaser (nicht ,,diodengepumpte"!) angesehen. Diese Typen verbinden hohe
Leistungen mit dem Vorteil kleiner Bauform. YAG-Laser sind relativ klein, in der
Größenordnung 30
× 20 × 20 cm, allerdings zuzüglich Vorschaltgerät. Diodenlaser bieten
keine guten optischen Eigenschaften, was für diese Anwendung allerdings gänzlich
gleichgültig ist, sind dafür noch kleiner. In der Leistungsfähigkeit dringen auch diese Laser in
immer höhere Klassen vor. In der Link-Sammlung (Kapitel 4.3.2) werden Diodenlaser bis
6 kW angepriesen.
Die notwendige Strahlleistung wurde auf etwa 1 bis 2 Watt eingeschätzt.
Der Energiebedarf lässt sich relativ leicht grob berechnen:
Die Wärmekapazität ist laut [50] wie folgt definiert
T
m
Q
c
p
=
(1)
und liegt für Holz in einem Bereich von
K
kg
kJ
4
,
2
bis
4
,
1
.
Für die Dichte
von Holz finden sich in [50] Werte von
3
dm
kg
85
,
0
bis
45
,
0
.
Damit ergibt sich also für ein gefordertes
T von 10 K eine maximale notwendige
Wärmeenergie
Q pro Kilogramm Holz von 24 kJ. Als grobe Schätzung wurde angenommen,
dass die Hälfte der Laserenergie auch im Holz in Wärme umgesetzt wird (siehe auch in
Kapitel 2.4.4.3). Zur Erwärmung von etwa 4 mm³ = 2,610
6
kg Holz um 10 K wäre daher
(unter der Annahme von
= 0,65) eine Laserenergie von 125 mJ
notwendig.
Die Kosten für Laser in dieser Leistungsklasse liegen zufolge sehr grober Schätzung bei etwa
40.000,- DM.
Mechanisch sind Laser heutzutage relativ stabil. Sie sind durchaus für industriellen Einsatz
geeignet und im Grunde als nicht erschütterungsempfindlich zu bezeichnen. Auch besteht
kein Bedarf an regelmäßigen Einstellarbeiten oder Nachjustierungen.
Es bleibt die Frage, ob der Weg einen Laser in diesem Zusammenhang zu verwenden nicht
ein bisschen zu aufwendig und zu kostenintensiv ist.
Mittels Schweißlampen:
Eine gänzlich andere Möglichkeit wäre beispielsweise die Verwendung von sogenannten
Schweißlampen. Dies sind laut Auskunft der Firma Osram [23] für das Anwendungsgebiet
Kunststoffschweißen entwickelte Halogenglühlampen mit Quarzglaskolben und goldver-
2 Messprinzipien, Nutzung von Markierungen in konstanten Intervallen
35
spiegeltem Reflektor, die in einem etwa 0,5 mm großen Brennpunkt 19 mm vor der
Schutzscheibe eine Temperatur von 1300°C erzeugen (bei 150 Watt an 15 Volt). Die
Lebensdauer ist mit 50 Betriebsstunden sehr gering, der Listenpreis liegt derzeit bei
ATS 895,- excl. MWSt. und ist somit bei etwa einem 300stel des Laser-Preises anzusiedeln.
Die Bezeichnung dieser Lampen bei Osram lautet HLX 64635 (Tungsten Halogen Lampe mit
MR 16 Reflektor). [39]
Angeblich sind diese Lampen relativ unempfindlich gegen Erschütterungen, wobei ich trotz
dieser Aussage bezweifle, dass sie die Erschütterungen am Harvester ohne weiteres
überstehen.
Mittels Lichtbogen:
Eine andere Möglichkeit zur Hitzeeinbringung könnte die Verwendung eines elektrischen
Lichtbogens sein. Diese theoretische Möglichkeit wird aber aufgrund der Feuergefahr im
Wald nicht denkbar sein.
Mittels eines heißen Zahnrades:
Dadurch könnte ein System vergleichbar der in Kapitel 2.4.2.2 diskutierten Variante unter
Verwendung eines Rollstempels realisiert werden. Allerdings ist auch hier die nötige Energie
zum Aufheizen des Rades und dessen Temperatur aus brandschutztechnischer Sicht nicht
unbedenklich.
2.4.4.2. Detektion thermischer Marken
Zur Visualisierung der strahlungsphysikalischen Verhältnisse stellte mir Wolfgang Märzinger
eine M
ATLAB
®
-Funktion <
planck.m> zur Verfügung, welche die Kurven der
Strahlungsintensität der Temperaturstrahlung über der Wellenlänge darstellt.
Der Berechnung dieser Kurven liegt die Planck'sche Strahlungsformel zugrunde.
Die Planck'sche Strahlungsformel (2) berechnet die Strahlungsintensität
I(,T) in der Einheit
W/(cm²*µm) als Funktion der Wellenlänge in µm und der Temperatur
T in K.
(
)
-
=
1
10
exp
2
10
6
5
2
20
,
T
k
c
h
c
h
I
T
(2)
wobei die Konstanten wie folgt gegeben sind:
c = 2,99792458
10
8
m/s
h = 6,6260755
10
34
Ws²
k = 1,380658
10
23
Ws/K
Aus Abbildung 8 ist deutlich sichtbar, dass erst bei hohen Temperaturen wirklich hohe
Strahlungsintensitäten erreicht werden. Außerdem verschiebt sich die Wellenlänge der
Temperaturstrahlung zu immer kürzeren Wellenlängen.
2 Messprinzipien, Nutzung von Markierungen in konstanten Intervallen
36
Abbildung 8: Strahlungsintensität über der Wellenlänge
für Temperaturen von 0°C bis 600°C
Wenn man sich die Planck-Kurven für niedrige Temperaturen ansieht stellt man fest, dass in
den zu erwartenden Temperaturbereichen rund um Raumtemperatur vor allem bei
Wellenlängen von 7 µm und länger zwar (in absoluten Werten) geringe aber doch deutliche
Intensitätsunterschiede bei relativ kleinen Temperaturschwankungen zu erwarten sind
(vergleiche Abbildung 9).
Gerade diese Wellenlänge von 7 µm ist der Bereich maximaler Empfindlichkeit des
stickstoffgekühlten InAs-Sensors (Indium-Arsenid), der bei Testmessungen (vergleiche
Kapitel 2.4.4.3) verwendet wurde.
Abbildung 9: Strahlungsintensität über der Wellenlänge
für Temperaturen von 0°C bis 50°C. Die größten Intensitäts-
unterschiede sind bei Wellenlängen von > 6 µm festzustellen.
2 Messprinzipien, Nutzung von Markierungen in konstanten Intervallen
37
Zur Detektion thermischer Marken werden zweckmäßigerweise entweder Infrarotkameras
oder Pyrometer eingesetzt.
Ein Experte auf diesem Gebiet ist Herr Peter Taj von der Firma CMV Hoven. Folgende
Basisinformationen stammen von einem Telefonat mit ihm [24]:
· Infrarotkameras sind im Vergleich zu ,,normalen" optischen Kameras viel teurer. Sie sind
zu Preisen von 25.000,- DM aufwärts erhältlich. Die Kameras sind digital und werden
üblicherweise inklusive einer Schnittstellenkarte zum PC ausgeliefert.
· Man unterscheidet grundsätzlich (wie in der ,,normalen" Optik) Zeilen- und 2D-Kameras.
Für alle bewegten Objekte würde er eher Zeilenkameras empfehlen. Diese zeichnen
weniger Punkte auf und sind daher schneller.
· Die Temperaturbereiche, in denen die Kameras ,,sehen", ist ein weiteres Kriterium. Eine
standardmäßige Zeilenkamera um 28.000,- DM funktioniert zum Beispiel ab 0°C mit
einer Temperaturauflösung von 0,2 K.
· Eine normale optische Kamera kann man nicht durch Vorsetzen eines IR-Filters zu einer
IR-Kamera machen, da diese dann nur für den nahen Infrarotbereich empfindlich wäre (ab
450°C aufwärts).
· 2D-Kameras werden für den nötigen sehr niedrigen Temperaturbereich bis maximal
265
× 364 pixel angeboten, die Objektive haben meist ca. 18° Blickwinkel. Die Framerate
beträgt üblicherweise 30 frames/sek., die Temperaturauflösung 0,2 K.
Zeilenkameras haben beispielsweise 128 pixel und einen Blickwinkel der Optik von 40°.
Die Framerate liegt schon bei üblichen Zeilenkameras markant höher als bei 2D-Kameras,
nämlich bei 128 frames/sek., kann aber (bei entsprechendem Preis) bis 1000 Hz betragen.
· Pyrometer zeichnen sich vor allem durch schnelle Wandlungszeiten aus, diese sind aber
umgekehrt proportional dem Preis: 1 ms bei 5.000,- DM, 100 ms bei 900,- DM.
Der Messfleck ist unterschiedlich, von Millimetergröße bis hin zu mehreren Zentimetern.
· In einer Anwendung zur Detektion von Markierungen würde er eine minimale
Temperaturdifferenz von 5 K, besser jedoch 10 K zwischen Markierung und umgebendem
Material empfehlen. Weiters ist eine Verfälschung von Messergebnissen beziehungsweise
eine Überlagerung der Strahlung der Markierungen bei feuchten Bäumen zu beachten, da
Wasser im sogenannten Wasserband bei 2,6
µm und bei 8 µm strahlt. Auf feuchten
Bäumen würde sich durch die verbesserte Wärmeleitung auch die Markierung viel
schneller ausdehnen.
· Anbieter für Kameras wären beispielsweise die Firmen FLIR, Avio und Infratek. Für
Pyrometer die Firmen DIAS und Micron.
Beispielhaft seien noch zwei Hitzedetektoren angeführt, die am Institut für Halbleiterphysik
verfügbar sind:
Stickstoffgekühlter InAs-Sensor (Indium-Arsenid):
Empfindlichkeitsmaximum bei 7 µm.
Peltiergekühlter PbSe-Detektor (Blei-Selenid):
BHP-15 von Fa. Calsensors (www.calsensors.com)
Sensorfläche 1
× 1 mm
Ende der Leseprobe aus 173 Seiten
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Details
- Arbeit zitieren
- , 2001, Längenmesskopf für den Einsatz am Harvester/Prozessor, Hamburg, Bedey Media GmbH, https://www.diplom.de/document/220961
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