AT407198B

AT407198B - Verfahren und anlage zum lokalisieren von harzeinschlüssen in holz

Info

Publication number: AT407198B
Application number: AT180198A
Authority: AT
Original assignee: Werth Peter Dipl Ing
Priority date: 1998-10-28
Filing date: 1998-10-28
Publication date: 2001-01-25
Also published as: WO2000025116A1; ATA180198A

Description


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   Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zum Lokalisieren von Harzeinschlüssen in Holz 
In der holzverarbeitenden Industrie stellen Harzeinschlusse in Holz ein Problem dar, da sie von aussen nicht erkennbar sind und erst bei der Verarbeitung (Sägen, Schleifen, Fräsen usw ) zutage treten In diesem Fall muss die Verarbeitung unterbrochen werden, um den Harzeinschluss durch Ausfräsen und Verfüllen mit Holzkitt zu beseitigen.

   Nicht entdeckte Holzeinschlüsse bedeuten daher für den Endverarbeiter einen Qualitätsmangel und sind ein Grund zur Preisminderung 
Fur Holzerzeuger wie Sägewerke usw wäre es daher wünschenswert,   Harzeinschlüsse   im Holz erkennen und lokalisieren zu können, auch wenn sie unter der Oberfläche verborgen sind, einerseits um Holz nach harzfreien und harzbehafteten   Qualitätsklassen   sortieren zu können, andererseits um bereits selbst Massnahmen zur Beseitigung der Harzeinschlüsse treffen zu kön- nen. Die Erfindung setzt sich zum Ziel, ein Verfahren und eine Anlage für diesen Zweck zu schaffen 
Die Erfindung erreicht dieses Ziel mit der Schaffung eines Verfahrens zum Lokalisieren von Harzeinschlüssen in Holz, das sich auszeichnet durch die Schritte. 



   Unterwerfen des Holzes einer Mikrowellenstrahlung über eine vorgegebene Zeitspanne, 
Messen der Abstrahlung ausgewählter Oberflachenbereiche des Holzes im Infrarotbereich, und 
Bestimmen eines Oberflächenbereiches als mit einem darunterliegenden Harzeinschluss behaftet, wenn seine Abstrahlung ein vorgegebenes Schwellwertkriterium erfullt 
Unter dem Begriff "Infrarotbereich" wird in der vorliegenden Beschreibung der gesamte Bereich vom "nahen" Infrarot (NIR, in der Regel um etwa   1 um)   bis hin zum "fernen" (thermischen) Infrarot (FIR, im allgemeinen etwa 8-12 um und darüber) verstanden. 



   Das Verfahren beruht auf der Erkenntnis, dass die Suszeptibilität gegenüber Mikrowellen- strahlung von Holz und Harz unterschiedlich ist   Harzeinschlüsse   werden sich unter der Einwirkung von Mikrowellenstrahlung rascher und stärker erwärmen als das sie umgebende Holz Die anschliessende Auswertung der   Oberflächenabstrahlung   des Holzes im Infrarotbereich ermöglicht somit eine Lokalisierung der   Harzeinschlüsse   Je kleiner die gemessenen Oberflachenbereiche gewählt werden, d h je grosser die geometrische Auflösung des Infrarotbildes ist, desto genauer ist die Lokalisierung Je besser die spektrale, d h radiometrische Auflösung des Bildes ist, desto empfindlicher ist die Lokalisierung 
Eine bevorzugte Ausfuhrungsform des erfindungsgemässen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus,

   dass die Abstrahlung des Holzes in mehreren Raumrichtungen gemessen wird, dass aus den Messungen der verschiedenen Raumrichtungen ein dreidimensionales Abstrahlungsbild des Holzes erzeugt wird, und dass jene Volumsbereiche des dreidimensionalen Bildes, deren Abstrahlung das vorgegebene Schwellwertkritenum erfullen, als mit einem   Harzeinschluss   behaftet bestimmt werden. 



   Dadurch wird eine Art "tomographisches" Infrarotbild des Holzes erzeugt, so dass die Harzeinschlüsse nicht nur in ihrer   X/Y-Lage   bezüglich der Holzoberfläche lokalisiert werden, sondern auch in ihrer Tiefe (Z-Richtung) bezuglich der Holzoberfläche, unter Berücksichtigung der Wärmeleitfähigkeit des Holzes je nach Maserung und Schnitt 
In jedem Fall wird bevorzugt das Schwellwertkriterium in Abhängigkeit der Abstrahlung einer Mehrzahl von Oberflachen- oder Volumsbereichen festgesetzt, d. h. mit anderen Worten kann das Bestimmungsergebnis auf den lokalen Wärmegradienten abgestimmt werden, auf die Hinter- grundstrahlung, Mittelwerte usw. normiert werden, Bildfilteralgorithmen, z. B.

   Kantenschärfung, können zur Anwendung kommen, usw Besonders bevorzugt wird als Schwellwertkriterium der lokale Abstrahlungsgradient benachbarter Oberflächenbereiche ausgewertet 
Die Abstrahlung kann beispielsweise mit Hilfe eines berührungslos abtastenden Infrarotsensors gemessen werden, der relativ bezüglich des Holzes bewegt wird, oder bevorzugt mit Hilfe einer Infrarotkamera, welche in einer Aufnahme ein gesamtes Abstrahlungsbild aufnimmt (Flächen- sensor) 
Die Abstrahlung kann sowohl im nahen (NIR) als auch im fernen, thermischen (FIR) Infrarotbereich gemessen werden Bevorzugt wird sie im thermischen Infrarotbereich gemessen, besonders bevorzugt im Bereich von 8  m-12  m, da sich hier die besten Bildkontraste ergeben 
Besonders vorteilhaft ist es ferner,

   wenn das Auswählen der Oberflachenbereiche mit Hilfe 

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 einer optischen Kamera erfolgt Dadurch kann das Ergebnis der Abstrahlungsmessung mit dem optischen Bild der Kamera in eine geometrische Beziehung gesetzt werden, um die Lokalisierung der bestimmten Bereiche zu präzisieren bzw.

   kalibrieren 
Gemäss noch einer weiteren Ausfuhrungsform der Erfindung, die ferner zum Entfernen der Harzeinschlüsse dient, umfasst das Verfahren den weiteren Schritt des Ausfräsens des Holzes in den bestimmten Oberflächen- bzw Volumsbereichen Auf diese Weise kann eine komplette Bearbeitungsstrasse gebildet werden, in welcher die zunächst lokalisierten Harzeinschlusse anschliessend vollständig entfernt werden 
Zwecks Automatisierung wird dabei das Ausfräsen bevorzugt mit Hilfe eines steuerbaren Fräsers durchgeführt, dem das Ergebnis der Bereichsbestimmung zur Steuerung zugeführt wird 
Wie an Hand der unten beschriebenen Beispiele noch erläutert wird, hat es sich gezeigt, dass es günstig ist,

   wenn das Holz nach dem Mikrowellenbestrahlen und vor dem Messen über eine vorgegebene Zeitspanne abkühlen gelassen wird Alternativ oder zusätzlich kann das Holz mit Hilfe eines Kühlgebläses gekühlt werden Die Verfahrensparameter Auskühlzeit und Kuhlleistung können in Verbindung mit den Parametern Intensität und Dauer der Mikrowellenstrahlung zur Erreichung eines optimalen Abstrahlungskontrastes zwischen Harz und Holz variiert werden. 



   Ein zweiter Aspekt der Erfindung besteht in der Schaffung einer Anlage zum Lokalisieren von Harzeinschlüssen in Holz. Diese Anlage zeichnet sich erfindungsgemäss aus durch eine Strahlungsquelle zum Erzeugen von Mikrowellenstrahlung und zum Richten derselben auf das Holz über eine vorgegebene Zeitspanne, eine Messeinrichtung zum Messen der thermischen Abstrahlung ausgewählter Oberflachen- bereiche des Holzes im Infrarotbereich, und eine der Messeinrichtung nachgeschaltete Vergleichseinrichtung zum Vergleichen der Abstrahlung eines Oberflächenbereiches mit einem vorgegebenen Schwellwertkriterium 
Bezuglich des Einsatzzweckes und der Vorteile der Anlage sei auf die vorangegangene Verfahrensbeschreibung verwiesen. 



   Eine vorteilhafte Variante der Anlage, mit welcher sich das erwähnte tomographische Verfahren durchfuhren lässt, weist eine Antriebseinrichtung zum Erzeugen einer Relativbewegung des Holzes gegenüber der Messeinrichtung auf, um die Abstrahlung des Holzes in mehreren Raumrichtungen zu messen, und eine der Messeinrichtung nachgeschaltete Auswerteeinrichtung zum Auswerten der Messungen der verschiedenen Raumrichtungen, um ein dreidimensionales Abstrahlungsbild des Holzes zu erzeugen, und zum Vergleichen der Abstrahlung eines ausgewählten Volumsbereiches des dreidimensionalen Bildes mit dem vorgegebenen Schwellwertkriterium. 



   Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausfuhrungsbeispieles in Verbindung mit der begleitenden Zeichnung, in welcher Fig 1 eine erfindungsgemässe Anlage schematisch in der Seitenansicht zeigt, an Hand welcher auch der Verfahrensablauf beschrieben wird, und die Fig 2a bis 2e Wärmeabstrahlungsbilder aus den Versuchen 1 bis 5 des nachstehend erläuterten Verfahrens- beispieles zeigen 
Zunächst wird unter Bezugnahme auf Fig 1 eine im Durchlaufverfahren arbeitende Anlage beschrieben Die Anlage umfasst ein Fördermittel 1, z B ein Förderband, auf das ein zu unter- suchendes Holz 2 aufgelegt wird Die Forderrichtung des Holzes 2 ist in der Zeichnung von links nach rechts. 



   Das Holz 2 durchläuft auf seinem Weg auf dem Fördermittel 1 zunächst eine Strahlungsquelle 3, in welcher es einer Mikrowellenstrahlung über eine vorgegebene Zeitspanne unterworfen wird. 



  Anschliessend wird das Holz 2 über eine zweite vorgegebene Zeitspanne abkühlen gelassen oder alternativ oder zusätzlich mit Hilfe eines Geblases 4 gekühlt 
Nach der Abkühlung durchläuft das Holz 2 eine Messeinrichtung 5, in welcher die Infrarotab- strahlung ausgewählter Oberflächenbereiche des Holzes gemessen wird Die Infrarotabstrahlung kann im "nahen" Infrarotbereich (NIR) und/oder im "fernen" (thermischen) Infrarotbereich (FIR) gemessen werden Die Messeinrichtung 5 ist im gezeigten Beispiel eine Infrarot-CCD-Kamera für den thermischen (FIR) Bereich, und die gemessenen Oberflachenbereiche werden durch den Bildausschnitt der Kamera und ihre geometrische Auflösung bestimmt. Im Falle einer CCD-Kamera entspricht z.

   B. jeder Bildpunkt der Kamera einem Oberflächenbereich 

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Das Messergebnis der Messeinrichtung 5 wird einer Vergleichs- und Auswerteeinrichtung 6 zugeführt, in der ein Vergleich der Abstrahlung eines Oberflachenbereiches mit einem vorge- gebenen Schwellwertkriterium S erfolgt. Ein Erfullen des   Schwellwertkriteriums   S zeigt einen Harzeinschluss an.

   Das Schwellwertkritenum S kann z.B ein vorgegebener Schwellwert sein, dessen Überschreiten einen Harzeinschluss anzeigt Das   Schwellwertkritenum   kann alternativ in Abhängigkeit der Abstrahlung einer Mehrzahl von Oberflachenbereichen festgesetzt werden, d.h adaptiv bestimmten globalen oder lokalen Bildparametern folgen Beispielsweise kann so der lokale Wärmeabstrahlungsgradient von einem Oberflächenbereich zum benachbarten ausgewertet und mit einem gesonderten Schwellwert verglichen werden ;

   Bildglättungs- oder Bildscharfungs- algorithmen können berücksichtigt werden usw Auch eine Verknüpfung verschiedenster Schwell- werte, z B. eines Schwellwertes für den lokalen Warmeabstrahlungsgradienten, eines weiteren Schwellwertes für die absolute Abstrahlung usw zur Aufstellung eines bestimmten Schwellwert- kriteriums kann vorgenommen werden Entsprechende Bildverarbeitungs- und -auswertungsalgo- rithmen sind in der Technik bekannt. 



   Der Ausgang der Vergleichs- und Auswerteeinrichtung 6 steuert einen in Bilderstreckungs- richtung der Messeinrichtung 5 beweglichen Fräser 7 mit Fräskopf 8 derart, dass die als mit einem Harzeinschluss behaftet bestimmten Oberflächenbereiche des Holzes bis zu einer vorgegebenen Tiefe, gegebenenfalls unter visueller Kontrolle einer Bedienungsperson, ausgefräst werden 
Der Vergleichs- und Auswerteeinrichtung 6 kann ferner der Ausgang einer optischen Kamera 9 zugeführt werden, um eine geometrische Lagekalibrierung des Bildkoordinatensystems der Infra- rotkamera 5 zu ermöglichen. 



   In einer Variante der Anlage bzw des Verfahrens kann das Holz 2 mit Hilfe einer (nicht dargestellten) Antriebseinrichtung gegenüber der Messeinrichtung 5 gedreht werden oder umge- kehrt, um seine Infrarotabstrahlung, insbesondere thermische Abstrahlung in mehreren unter- schiedlichen Raumnchtungen zu messen Aus den unter verschiedenen Raumnchtungen ge- messenen Warmeabstrahlungsbildem kann die Auswerteeinnchtung mit Hilfe aus der Computer- tomographie hinlänglich bekannter Bildverarbeitungsverfahren ein dreidimensionales Wärme- strahlungsbild erzeugen, das aus einzelnen Volumsbereichen aufgebaut ist.

   Diese können jeweils mit dem Schwellwertkriterium S verglichen werden, um ihre Harzeinschlussbehaftung festzustellen 
Das Verfahren der Erfindung kann sowohl im Durchlaufverfahren wie in Fig 1 gezeigt als auch chargenweise mit Hilfe von den einzelnen Verfahrensschritten zugeordneten Anlagen durchgeführt werden Beispielsweise kann das Mikrowellenbestrahlen des Holzes 2 in einem herkömmlichen Mikrowellenofen erfolgen, anschliessend wird das Holz unter eine Infrarotkamera gelegt, und an Hand des Infrarotabstrahlungsbildes wird die Bestimmung der harzeinschlussbehafteten Ober- flächen- und/oder Volumsbereiche visuell durchgeführt Das Entfernen der   Harzeinschlüsse   kann anschliessend auch per Hand erfolgen 
Beispiel 
In den folgenden Verfahrensbeispielen wurden lagergetrocknete Fichtenholzproben aus industrieller Sägewerkfertigung untersucht,

   die auf ein Mass von 170 mm x 150 mm x 40 mm zuge- schnitten wurden Die Proben wurden jeweils in einem herkömmlichen Mikrowellenherd uber eine vorgewählte Zeit mikrowellenbestrahlt und anschliessend an Umgebungsluft bei einer Umgebungs- temperatur von 21 C uber eine vorgegebene Zeitspanne abkühlen gelassen Anschliessend wurde ein Wärmeabstrahlungsbild jeder Probe in einer ausgewählten Raumrichtung mit Hilfe einer han- delsüblichen Infrarotkamera aufgenommen. Der Aufnahmespektralbereich der Infrarotkamera betrug 8  mf bis 12,5   m   Wellenlänge 
Es wurden funf Versuche durchgeführt. Die in jedem Versuch zum Einsatz kommende Mikrowellenleistung, Mikrowelleneinwirkungsdauer und Abkuhlzeit sind in der nachstehenden Tabelle 1 angeführt. 

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  Tabelle 1 
 EMI4.1 
 
<tb> Versuch <SEP> Leistung <SEP> Dauer <SEP> Dauer <SEP> Thermokamera-
<tb> 
<tb> Nr <SEP> Mikrowelle <SEP> Mikrowelle <SEP> Abkühlung <SEP> bild <SEP> Fig.
<tb> 
<tb> 



  [W] <SEP> [s] <SEP> [s]
<tb> 1 <SEP> 90 <SEP> 20 <SEP> 60 <SEP> 2a
<tb> 
<tb> 2 <SEP> 90 <SEP> 100 <SEP> 60 <SEP> 2b
<tb> 
<tb> 3 <SEP> 180 <SEP> 120 <SEP> 30 <SEP> 2c
<tb> 
<tb> 4 <SEP> 200 <SEP> 200 <SEP> 30 <SEP> 2d
<tb> 
<tb> 5 <SEP> 180 <SEP> 180 <SEP> 120 <SEP> 2e
<tb> 
 Es ergaben sich die in den Fig 2a bis 2e dargestellten Abstrahlungsbilder Die hellen Bereiche sind jeweils wärmer als die dunklen, wobei die Temperaturspanne (dunkel bis hell) unter jedem Bild angegeben ist. Die Temperaturspanne wurde jeweils linear in 16 Abstufungen aufgelöst Die hellen Bereiche zeigen   Harzeinschlüsse   im Holz an. 



   PATENTANSPRÜCHE: 
1 Verfahren zum Lokalisieren von Harzeinschlussen in Holz, gekennzeichnet durch die 
Schritte 
Unterwerfen des Holzes einer Mikrowellenstrahlung uber eine vorgegebene Zeitspanne, 
Messen der Abstrahlung ausgewählter Oberflächenbereiche des Holzes im Infrarotbereich, und 
Bestimmen eines Oberflachenbereiches als mit einem darunterliegenden Harzeinschluss behaftet, wenn seine Abstrahlung ein vorgegebenes Schwellwertkriterium erfullt.

Claims

2 Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstrahlung des Holzes in mehreren Raumrichtungen gemessen wird, dass aus den Messungen der verschiedenen Raumnchtungen ein dreidimensionales Abstrahlungsbild des Holzes erzeugt wird, und dass jene Volumsbereiche des dreidimensionalen Bildes, deren Abstrahlung das vorge- gebene Schwellwertkriterium erfüllen, als mit einem Harzeinschluss behaftet bestimmt werden 3 Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwellwert- kriterium in Abhängigkeit der Abstrahlung einer Mehrzahl von Oberflachen- oder Volums- bereichen festgesetzt wird 4 Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Schwellwertkriterium der lokale Abstrahlungsgradient benachbarter Oberflachenbereiche ausgewertet wird 5.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstrahlung im thermischen Infrarotbereich, bevorzugt im Bereich 8 um-12 m. gemessen wird 6 Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Aus- wählen der Oberflächenbereiche mit Hilfe einer optischen Kamera erfolgt.

7 Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,' ferner zum Entfernen der Harzeinschlüsse, mit dem weiteren Schritt des Ausfräsens des Holzes in den bestimmten Oberflächen- bzw Volumsbereichen 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausfräsen mit Hilfe eines steuerbaren Fräsers durchgeführt wird, dem das Ergebnis der Bereichsbestimmung zur Steuerung zugefuhrt wird 9 Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Holz nach dem Mikrowellenbestrahlen und vor dem Messen über eine vorgegebene Zeitspanne abkühlen gelassen wird.

10 Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Holz nach dem Mikrowellenbestrahlen und vor dem Messen mit Hilfe eines Kühlgebläses gekühlt <Desc/Clms Page number 5> wird 11 Anlage zum Lokalisieren von Harzeinschlüssen in Holz gekennzeichnet durch eine Strahlungsquelle (3) zum Erzeugen von Mikrowellenstrahlung und zum Richten derselben auf das Holz (2) uber eine vorgegebene Zeitspanne, eine Messeinrichtung (5) zum Messen der Abstrahlung ausgewählter Oberflächenbereiche des Holzes (2) im Infrarotbereich, und eine der Messeinrichtung (5) nachgeschaltete Einrichtung (6) zum Vergleichen der Ab- strahlung eines Oberflächenbereiches mit einem vorgegebenen Schwellwertkriterium (S).

12 Anlage nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Antriebseinrichtung zum Erzeugen einer Relativbewegung des Holzes (2) gegenüber der Messeinrichtung (5), um die Abstrahlung des Holzes (2) in mehreren Raumrichtungen zu messen, und wobei die Einrichtung (6) sowohl zum Auswerten der Messungen der verschiedenen Raumnchtun- gen, um ein dreidimensionales Abstrahlungsbild des Holzes (2) zu erzeugen, als auch zum Vergleichen der Abstrahlung eines ausgewählten Volumsbereiches des dreidimensionalen Bildes mit dem vorgegebenen Schwellwertkriterium (S) ausgebildet ist 13 Anlage nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinnchtung (5) als Kamera, bevorzugt CCD-Kamera, für den thermischen Infrarotbereich ausgebildet ist 14.

Anlage nach einem der Ansprüche 11bis 13, gekennzeichnet durch eine optische Kamera (9) zum Auswahlen der Oberflächenbereiche des Holzes (2), welche bevorzugt die Einrichtung (6) steuert 15 Anlage nach einem der Anspruche 11 bis 14, ferner zum Entfernen der Harzeinschlüsse, gekennzeichnet durch einen steuerbaren Fraser (7), der vom Ausgang der Einrichtung (6) gesteuert ist 16 Anlage nach einem der Anspruche 11 bis 15, gekennzeichnet durch ein der Strahlungs- quelle (3) nach- und der Messeinrichtung (5) vorgeordnetes Kühlgebläse (4) zum Abkühlen des Holzes (2).

HIEZU 4 BLATT ZEICHNUNGEN