<Desc/Clms Page number 1>
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Untersuchung eines Baumstammes auf Innere Schadstellen, bei welchem an einer Sendestelle mit Hilfe eines Schallgebers im Oberflächenbe- reich Schallwellen in den Stamm eingeleitet werden, an einer im wesentlichen diametral gegen- überliegenden Empfangsstelle mit Hilfe eines Sensors Schallwellen aufgefangen, die Ausgangssignale des Sensors einer Fouriertransformation unterworfen werden und durch Auswertung des Spektrums Rückschlüsse auf Schadstellen gezogen werden.
Zur Untersuchung von Baumstämmen auf innere Schadstellen, insbesondere auf Fäulen wurden eine Reihe von Untersuchungsmethoden und Geräte entwickelt, wobei im folgenden der Begriff "Baumstamm" stellvertretend für in der Natur stehende Bäume, gefällte Bäume mit oder ohne Rinde und verbautes Holz, z. B. Strom- oder Telefonmasten und auch vergleichbare, meist zylindrische, doch auch prismatische Holzstücke steht.
Von den zerstörungsarmen Methoden sei unter anderem die Bohrspanmethode erwähnt, bei welcher durch Anbohren eine Probe aus dem Stamm entnommen wird. Eine andere Methode verwendet ein Einstichgerät, bei welchem 7 bis 15 cm lange Stahinadeln in das Holz gedrückt werden und der sich ergebende Widerstand gemessen wird. Ein Zusammenbrechen des mechanischen Widerstandes zeigt eine Fäule an. Bekannt ist auch eine computerunterstützte Registrierung des Bohrwiderstandes, die jedoch relativ aufwendig ist. Bei einem weiteren Verfahren wird der elektrische Widerstand einer Sonde in einem Bohrloch gemessen, wobei das Verfahren auf chemischen Holzveränderungen bei Auftreten von Fäulen beruht.
Nachteilig ist dabei die Anbringung des Bohrloches mit einem Durchmesser von ca. 2, 5 bis 3, 5 mm und die Tatsache, dass manche Geräte, die auf dem Prinzip der Widerstandsmessung beruhen, nicht selbstjustierend sind. Ein weiteres Gerät arbeitet mit Stromimpulsen und die Messung wird computerunterstützt ausgewertet. Dieses bekannte Gerät ist allerdings sehr aufwendig und entsprechend teuer.
Bei zerstörungsfreien Methoden werden in der Holzindustrie zur Erkennung von Holzfehlern beispielsweise Mikrowellen verwendet, doch sind die entsprechenden Geräte nicht im Forst anwendbar. Eine Anzahl von bekannten Verfahren verwendet zur Untersuchung Korpuskularstrahlung, z. B. wie in der US 4, 283, 629 A beschrieben. Dabei können entweder Röntgenstrahlen, Gammastrahlen oder auch Neutronen verwendet werden. Es liegt auf der Hand, dass die benötigten Geräte einerseits verhältnismässig aufwendig sind und dass andererseits der Einsatz von radioaktiver oder Röntgenstrahlung im Hinblick auf die damit verbundenen Gefahren und Sicherheitsvorschriften nicht wünschenswert erscheint. Es ist auch bekannt, eine Gammastrahlenquelle und einen entsprechenden Sensor längs eines Baumstammes zu bewegen und so den Baumstamm seiner Länge nach abzutasten, wie z.
B. in der US 5, 105, 453 A beschrieben.
Von eher theoretischer Bedeutung sind die aus der Humanmedizin stammenden Verfahren der Computertomographie und der Kernspintomographie. Mit derartigen Verfahren können zwar theoretisch hervorragende Ergebnisse geliefert werden, doch sind die entsprechenden Geräte nicht nur so gross, dass sie im Forst nicht einsetzbar sind, sondern auch so teuer und die Verfahren so langwierig, dass sie vernünftigerweise nicht zum Einsatz kommen können.
Aus der seit langer Zeit bekannten Klopfprobe, bei welcher ein geschultes Ohr bei Klopfen an einen Baum eine Fäule erkennen kann, wurden Verfahren zur Untersuchung von Baumstämmen mit Hilfe von Schallwellen entwickelt, wobei bekannte Geräte mit Ultraschall arbeiten. Ein Ver- fahren und eine Vorrichtung zur Untersuchung von Baumstämmen mit Hilfe von Ultraschall sind beispielsweise in den US 5, 760, 308 A und 5, 804, 728 A beschrieben. In diesen Patenten wird bevorzugt in einem Bereich von 30 bis 150 kHz gemessen, wobei zur Einleitung des Ultraschalls in dem Baumstamm eine Oberflächenbehandlung ebenso erforderlich ist, wie eine verhältnismässig komplizierte Einrichtung zur Ankoppelung von Signalgeber und Sensoren.
Ausgehend von in den
Baumstamm eingeleiteten Ultraschallimpulsen werden die empfangenen Signale gespeichert und sodann verarbeitet, wobei ultraschallakustische Parameter im Zeit- und Frequenzbereich sowie die
Schalliaufzeit bestimmt und sodann verarbeitet und analysiert werden, um Rückschlüsse auf
Schadstellen im Baumstamm ziehen zu können Das hieraus bekannt gewordene Verfahren ist sehr aufwendig, was auch für die Vorrichtung gilt, mit deren Hilfe Schallgeber und Schallsensoren mit dem Baumstamm in Berührung gebracht werden.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, dass einfach und mit geringem
Aufwand durchführbar ist und dennoch verlässliche Ergebnisse liefert. Dabei liegt es auf der Hand, dass Fehlentscheidungen aufgrund unrichtig interpretierter Messergebnisse entweder zum Fällen
<Desc/Clms Page number 2>
gesunder Bäume führen oder dazu, dass kranke Bäume in einem Wald belassen werden, obwohl sie eine Gefahr für den Forstbestand darstellen können.
Die gestellte Aufgabe wird mit einem Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei welchem erfindungsgemäss zumindest zwei mittlere Amplituden über je ein Frequenzband ermittelt werden, und eine Entscheidung bezüglich des Vorliegens von Schadstellen unter Verwendung eines Entscheidungsbaumes getroffen wird, in welchem die zumindest zwei mittleren Amplituden mit empirisch ermittelten Vergleichswerten verglichen werden.
Das Verfahren nach der Erfindung hat sich als sehr praxisbewährt erwiesen, da es leicht anzuwenden ist und Ergebnisse mit hoher Genauigkeit liefert. Da das Verfahren im Bereich hörbarer Schallwellen durchgeführt wird, ergeben sich keine besonderen Probleme bei der Einbringung bzw.
Abtastung von Schallwellen mit Hilfe der Schallgeber bzw. Schallsensoren.
Eine deutlich verbesserte Aussagegenauigkeit wird geliefert, falls eine erste mittlere Amplitude über ein Frequenzband um eine erste Frequenz, zumindest eine weitere, zweite mittlere Amplitude über ein Frequenzband um eine zweite Frequenz, die höher ist als die erste Frequenz, und eine dritte mittlere Amplitude über den gesamten betrachteten im Bereich hörbaren Schalls liegenden Frequenzbereich zwischen einer unteren und einer oberen Grenzfrequenz ermittelt und in dem Entscheidungsbaum mit den Vergleichswerten verglichen werden.
Die Abhängigkeit des Verfahrens bzw. seiner Ergebnisse von dem Stammdurchmesser kann deutlich verringert werden, falls es über einem normierten, auf den Stammdurchmesser bezogenen Frequenzmassstab angewendet wird.
Es hat sich als zweckmässig erwiesen, wenn mittels des Schallgebers einzelne Schallimpulse erzeugt werden, die vorzugsweise im wesentlichen Nadelimpulse sein können.
Zur Verringerung der Abhängigkeit der Messergebnisse von der jeweiligen Amplitude des Gebers kann es empfehlenswert sein, wenn die Amplitude der Schallwellen im Geberbereich gemessen und die Amplituden der von dem Sensor aufgefangenen Schallwellen auf die im Geberbereich gemessene Amplitude normiert werden.
Eine im Hinblick auf seine Einfachheit sehr empfehlenswerte Fortbildung des Verfahrens besteht darin, dass die Schallimpulse durch Schläge eines Geberhammers auf ein mit dem Baum in Berührung stehendes Ambossstück erzeugt werden.
Versuche haben gezeigt, dass sehr aussagekräftige Ergebnisse erhalten werden können, falls die erste Frequenz zwischen 100 und 400 Hz, die zweite Frequenz zwischen 2000 und 3500 Hz die untere Grenzfrequenz über 100 Hz und die obere Grenzfrequenz unter 7500 Hz liegt.
Eine weitere Steigerung der Genauigkeit lässt sich erreichen, wenn die Vergleiche im Entscheidungsbaum unter Einbeziehung der Fuzzy-Logik durchgeführt werden, wobei den empirisch ermittelten Vergleichswerten obere und untere Fuzzy-Grenzen zugeordnet werden.
Zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens eignet sich besonders eine Vorrichtung mit einem Schallgeber zur Einleitung von Schallwellen in den Baumstamm, einem im wesentlichen dem Schallgeber diametral am Baumstamm gegenüberliegend anordenbaren Sensor zum Auf- fangen von den Baumstamm durchsetzenden Schallwellen und einer Auswerte- und Anzeige- elektronik, welcher die Ausgangssignale des Sensors zugeführt sind, bei welcher der Ausgang des
Sensors über einen Bandpass einem Analog/Digital-Wandler zugeführt ist, dem ein Datenspeicher nachgeordnet ist, der Ausgang dieses Datenspeichers einer Datenverarbeitungseinheit zugeführt und dieser eine Ausgabeeinheit nachgeordnet ist, wobei die Datenverarbeitungseinheit, eine
FFT-Einheit, eine Fensterungseinheit zur Bildung der Frequenzbänder,
eine Bewertungseinheit für die Frequenzbänder sowie eine Verarbeitungseinheit mit Entscheidungsbaumstruktur enthält.
Dabei kann eine Eingabeeinheit vorgesehen sein, über welche der aktuelle Stammdurch- messer an den Datenspeicher eingebbar ist.
Weiters ist es vorteilhaft, falls die Verarbeitungseinheit für Vergleiche im Entscheidungsbaum unter Einbeziehung der Fuzzy-Logik eingerichtet ist, wobei den Vergleichswerten obere und untere
Fuzzy-Grenzen zugeordnet sind.
Bei einer praxisbewährten Ausführung ist vorgesehen, dass der Schallgeber einen Steckspiess aufweist, dessen Spiessende in den Baumstamm einführbar ist und dessen anderes Ende als
Amboss für einen Hammer dient. Hierdurch lassen sich auf sehr einfache Weise Schallsignale erzeugen. Diese sind besonders gut reproduzierbar, falls der Hammer als einer Magnetspule zuge- ordneter Anker ausgebildet ist, der bei Erregung der Spule gegen die Kraft einer Rückzugfeder
<Desc/Clms Page number 3>
gegen den Amboss des Steckspiesses ziehbar ist.
Um Fehlmessungen zu vermeiden ist es zweckmässig, zur Lageerfassung des Hammers einen Positionsmelder vorzusehen. Dabei kann der Positionsmelder als Lichtschranke ausgebildet sein.
Fehlmessungen, insbesondere wegen gefrorener Baumstämme, können ausgeschlossen werden, wenn ein Temperatursensor für die Umgebungs/Baumstammtemperatur vorgesehen ist, welcher mit der Auswerte- und Anzeigeelektronik verbunden ist, wobei eine Fehlermeldung bei Unterschreiten einer vorgebbaren Mindesttemperatur vorgesehen ist.
Die Erfindung samt weiterer Vorteile ist im folgenden anhand beispielsweiser Ausführungsformen näher erläutert, die in der Zeichnung veranschaulicht sind. In dieser zeigen 'Fig. 1 schematisch einen Baumstamm. Der mit Hilfe einer Vorrichtung nach der Erfindung untersucht wird, 'Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung nach der Erfindung, 'Fig 3 anhand eines beispielhaften Spektrums eine mögliche Auswahl von Frequenzbändern und mittleren Amplituden, und 'Fig. 4 einen möglichen Entscheidungsbaum, der bei Durchführung des erfindungsgemässen
Verfahrens anwendbar ist.
Aus Fig. 1 ist ein zu untersuchender Baumstamm BAM ersichtlich, in den an einer Seite ein an einem Handgerät HAG angeordneter Steckspiess SSP angesetzt bzw. eingeführt wurde. Das von dem Baumstamm abgewandte Ende des Steckspiesses SSP dment als Amboss AMB für einen Hammer HAM, der als Anker einer Magnetspule MAS ausgebildet Ist und gegen die Kraft einer Rückzugfeder RZF bei Erregung der Magnetspule MAS schlagartig in diese gezogen wird, sodass sie an den Amboss AMB des Steckspiesses SSP schlägt und dadurch ein Schallsignal in den Baumstamm BAM einleitet. Die gesamte zur Schallerzeugung dienende Anordnung wird im folgenden oft kurz Schallgeber SGE genannt. Der Steckspiess SSP ist in einer geeigneten Lagerung LAG, z. B. einem Elastomerblock in dem Handgerät HAG gelagert.
Das Schallsignal kann im wesentlichen als Nadelimpuls aufgefasst werden und ist durchaus mit jenem zu vergleichen, das ein Specht erzeugt, wenn er einen Baum abklopft. Zur Kontrolle der Bewegung des Hammers HAM ist ein Positionsmelder POM vorgesehen, z. B. eine Lichtschranke, welche mit einer an dem
EMI3.1
werden, welche auch die Erregung der Magnetspule MAS veranlasst. Zur Stromversorgung dient ein aufladbarer Batteriesatz BAT.
Ein Schallsensor SEN, d. h. ein entsprechend gewähltes Mikrophon, ist über ein Kabel KAB mit dem Handgerät HAG und der Elektronik AAE verbunden. Dieser Schallsensor SEN sitzt schallleitend an einem Sensorspiess SPI, der etwa diametral gegenüberliegend zu dem Steckspiess SSP in den Baumstamm BAM gesteckt wird. Zur Erleichterung der Handhabung dient ein Handgriff HGR mit einem Aufnahmefutter AFU für das von dem Baumstamm abgewandte Ende des Sensorspiesses SPI.
In Fig. 2 ist ein Blockschaltbild einer von vielen möglichen Ausführungsformen einer Vorrichtung gezeigt, die zur Durchführung des noch zu beschreibenden erfindungsgemässen Verfahrens geeignet ist. Prinzipiell besteht die gesamte Vorrichtung aus der Auswerte- und Anzeigeelektronik AAE, dem Schallgeber SGE mit einer ihm zugeordneten Ansteuerung ANS, dem Sensor SEN, dem unmittelbar ein Vorverstärker WS zugeordnet sein kann, eine Energieversorgungseinheit EVS und gegebenenfalls einem Ladegerät LGE und einer Datenspeicherkarte SKA.
Eine Ansteuerung ANS des Schallgebers SGE sorgt dafür, dass die Magnetspule MAS erregt wird, wodurch der Hammer HAM rasch gegen den Amboss AMB gezogen wird. Dabei gewährleistet der Positionsmelder POM, z. B die erwähnte Lichtschranke, in Verbindung mit geeigneter Elektronik, dass der Erregungsstrom abgeschaltet wird, kurz bevor der Hammer HAM auf den Amboss AMB auftrifft. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die in den Baumstamm BAM ein-zuleitenden Schallsignale, genauer gesagt ein einzelner Schallimpuls, auch anders erzeugt werden können, z. B. rein mechanisch durch Spannen des Hammers gegen Federkraft und nachfolgendes Auslösen oder über einen elektronisch angesteuerten, elektromechanischen, piezomechanischen, etc. Schallgeber.
Das Ausgangssignal des Sensor- Vorverstärkers WS wird zunächst einem Bandpass BPA zugeführt und hier einer Bandbegrenzung zur Vermeidung von Aliasing-Effekten, etc. unterworfen.
<Desc/Clms Page number 4>
Anschliessend wird das Signal in einem AlD-Wandler ADW digitalisiert und einem Datenspeicher DAS für die unmittelbar darauffolgende Verarbeitung zugeführt. Diesem Datenspeicher DAS sind auch die in einem weiteren AlD-Wandler ADI digitalisierten Messwerte eines Temperatursensors TES sowie Vorgabewerte einer Eingabeeinheit EGF zugeleitet. Mit Hilfe der Eingabeeinheit EGF kann beispielsweise der Baumdurchmesser, die gewünschte Betriebsart, die Baumtype, z. B.
Fichte, Tanne, usw. eingegeben werden. Die Daten des Datenspeichers DAS können optional auch auf ein externes Speichermedium, z. B. die erwähnte Datenspeicherkarte SKA geschrieben werden.
Die Daten aus dem Datenspeicher DAS werden einer Datenverarbeitungseinheit DVE zugeführt, die beispielsweise aus einer FFT-Einheit FFT zur Durchführung einer schnellen Fouriertransformation, einer Fensterungseinheit FEN zur Bildung von Frequenzbändern, einer Bewertungseinheit BEW für die Frequenzbänder und einer Verarbeitungseinheit VAE mit Entscheidungsbaumstruktur besteht. Daran schliesst eine Ausgabeeinheit AGE mit einer Anzeige ANZ an, wobei gegebenenfalls auch die hier anfallenden Daten in die externe Speicherkarte SKA geschrieben werden können.
Die Auslösung des weiter unten beschriebenen Messvorganges kann mittels eines Startknopfes SKN erfolgen, der eine Ablaufsteuerung ALS aktiviert.
Die Energieversorgungseinheit EVS enthält Batterien BAT, z. B. aufladbare Akkumulatoren und eventuell einen Versorgungsadapter ADA für externe Energiequellen, und sie ist mit einer Spannungsversorgung SVS verbunden, welche die benötigten, zum Teil geregelten Versorgungsspannungen liefert.
Unter Bezugnahme auf Fig. 3 und 4 wird nachstehend das erfindungsgemässe Verfahren anhand möglicher Varianten näher erläutert. Es wird der von dem Sensor SEN aufgefangene Schall hinsichtlich seiner spektralen Amplitudenverteilung so untersucht, dass über ein Frequenzband b1 um eine erste Frequenz f1 im hörbaren Bereich eine erste mittlere Amplitude A1 ermittelt wird. Diese erste Frequenz f1 liegt bei einer praktischen Ausführungsform bei 250 Hz, die Breite b1 bei 500 Hz. Weiters wird bei einer zweiten, wesentlich höher gelegenen Frequenz f2, z. B. 2750 Hz, eine zweite mittlere Amplitude A2 über ein Frequenzband b2, z. B. einer Breite von 500 Hz, ermittelt.
Ebenso wird eine dritte mittlere Amplitude Am über den gesamten, im Bereich des hörbaren
Schalls liegenden Frequenzband zwischen einer unteren Grenzfrequenz fL bzw. einer oberen
Grenzfrequenz fH ermittelt. fL liegt beispielsweise bei 10Hz, fH bei 5000 Hz.
In der Praxis hat es sich weiters als sehr zweckmässig erwiesen, einen auf den Stammdurch- messer normierten Frequenzmassstab zu verwenden, was in Fig. 3 der Einfachheit halber nicht dargestellt ist. Die normierte Frequenz ergibt sich bei einer praktischen Variante durch Division der
Frequenz [Hz] durch den 5-fachen Baumdurchmesser [m]. Ausgangspunkt für ein solches Normie- ren ist die Tatsache, dass dickere Baumstämme "tiefer klingen"als dünnere.
Für die Bearbeitung der ermittelten bzw. eingegebenen Werte - Baumdurchmesser D - in einem Entscheidungsbaum bedarf es noch der Vergleichswerte, die empirisch ermittelt werden, nämlich A10, Azo, A o für die erste, zweite und dritte mittlere Amplitude und Do für den Stamm- durchmesser. In Fig. 4 ist ein Entscheidungsbaum gezeigt, der durch Vergleich der Ist-Werte mit den empirischen Vergleichswerten zu einer Aussage F = faul oder G = gut gelangt.
Die Genauigkeit der Aussagen lässt sich verbessern, wenn man Fuzzy-Grenzen für die Ver- gleichswerte mit einbezieht. In der nachstehenden schriftlichen Darstellung eines beispielsweisen
Entscheidungsbaums sind konkrete, in einer praxisbewährten Vorrichtung verwendete Vergleichs- werte mit ihren Fuzzy-Grenzen in eckigen Klammern verwendet
EMI4.1
0. 5116 [0. 457943, 0. 8122131] : faul: D 5 0. 382 [0. 379993, 0. 38554] : gesund
D > 0. 382 [0. 379993, 0. 38554] : : ALH S 0. 6095 [0. 576515, 0. 789385} : gesund
ALH > 0. 6095 [0. 576515, 0. 789385].
: A1 ä 0. 8642 [0. 777637, 0. 986292] : gesund
A1 > 0. 8642 [0. 777637, 0. 986292] : faul mit A1 = A250, A2 = A275o, ALH = Aio, 5000 Die Fuzzy-Grenzen bedeuten, dass z. B. Am-Werte unter 0. 576515 eindeutig als "Low"klassi-
<Desc/Clms Page number 5>
fiziert werden, zwischen 0. 576515 und 0. 6095 die Werte einen Zugehörigkeitsbereich von 0 bis 50 % zu "High" bzw. 50 bis 100 % zu Low" haben, usf.
Falls man mit einer geringeren Aussagegenauigkeit das Auslangen finden kann, lässt sich der Entscheidungsbaum auch auf die Verwendung von bloss zwei Amplitudenwerten, z. B. Ai, As reduzieren.
Die Auswertung kann in einer Vorrichtung erfolgen, wie sie oben beschrieben wurde, wobei für die Fernsteuerung, die Fouriertransformation, die Bewertung der Frequenzbänder und die Verarbeitung über den Entscheidungsbaum ein digitaler Signalprozessor, beispielsweise die Type ADSP 2181 der Fa. Analog Devices, verwendet wird. Es ist aber dem Fachmann klar, dass das Verfahren gemäss der Erfindung auf vielfältige Weise realisiert werden kann. Wiewohl eine weitgehende digitale Verarbeitung zweckmässig erscheint, liesse sich auch eine weitgehend oder vollständig analoge Realisierung anwenden.
Der praktische Einsatz bei Ausschluss extrem unrunder Baumquerschnitte und unter Vermeidung von Messungen im Wurzelholzbereich hat die Bestimmung rotfauler Fichten mit Genauigkeiten von besser als 4 % ermöglicht.
PATENTANSPRÜCHE :
1 Verfahren zur Untersuchung eines Baumstammes auf innere Schadstellen, bei welchem an einer Sendestelle mit Hilfe eines Schallgebers im Oberflächenbereich Schallwellen in den Stamm eingeleitet werden, an einer im wesentlichen diametral gegenüberliegenden
Empfangsstelle mit Hilfe eines Sensors Schallwellen aufgefangen, die Ausgangssignale des Sensors einer Fouriertransformation unterworfen werden und durch Auswertung des
Spektrums Rückschlüsse auf Schadstellen gezogen werden, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei mittlere Amplituden (A1, A2) über je ein Frequenzband (bol, b2) ermittelt werden, und eine Entscheidung bezüglich des Vorliegens von Schadstellen unter Verwendung eines Entscheidungsbaumes getroffen wird,
in welchem die zumindest zwei mittleren
Amplituden mit empirisch ermittelten Vergleichswerten (Aio, Azo) verglichen werden.